JP2005252012A - Deposited film forming method, forming method of semiconductor element, semiconductor device and display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば半導体集積回路装置のような半導体装置や液晶表示装置のような表示装置を形成する際に適用可能な成膜方法、及び、例えば薄膜トランジスタ(TFT)や金属酸化物半導体素子(MOS素子)等の半導体素子を形成する際に適用可能な半導体素子の形成方法、ゲート絶縁膜を有する半導体装置、及び、画素スイッチング素子のような半導体素子を有する表示装置に関する。 The present invention relates to a film formation method applicable when forming a semiconductor device such as a semiconductor integrated circuit device or a display device such as a liquid crystal display device, and a thin film transistor (TFT) or a metal oxide semiconductor element (MOS), for example. The present invention relates to a method for forming a semiconductor element applicable when forming a semiconductor element such as an element, a semiconductor device having a gate insulating film, and a display device having a semiconductor element such as a pixel switching element.
一般的に、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor、以下、TFTという)のような半導体素子では、ゲート絶縁膜として酸化シリコン膜が用いられることが多い。酸化シリコン膜を600℃以下の温度で形成する方法としては、プラズマCVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法が知られている。従来知られているプラズマCVD法では、以下のようにして酸化シリコン膜を形成している。まず、被処理基板が設けられたチャンバ内に、モノシランガスと酸素ガスとの混合ガスを供給する。チャンバ内にプラズマを発生させる。これにより、モノシランガス及び酸素ガスがプラズマ放電して、被処理基板上に酸化シリコンが堆積し、酸化シリコン膜が形成される。トップゲート型のTFTでは、従来、島状に加工された50nm程度の半導体層上に、酸化シリコンをプラズマCVD法により堆積させて、80〜100nmのゲート絶縁膜を形成している。 In general, in a semiconductor element such as a thin film transistor (hereinafter referred to as TFT), a silicon oxide film is often used as a gate insulating film. As a method for forming a silicon oxide film at a temperature of 600 ° C. or less, a plasma enhanced chemical vapor deposition (CVD) method is known. In a conventionally known plasma CVD method, a silicon oxide film is formed as follows. First, a mixed gas of monosilane gas and oxygen gas is supplied into a chamber provided with a substrate to be processed. Plasma is generated in the chamber. Thereby, monosilane gas and oxygen gas are plasma-discharged, silicon oxide is deposited on the substrate to be processed, and a silicon oxide film is formed. In a top gate type TFT, conventionally, a gate insulating film of 80 to 100 nm is formed by depositing silicon oxide by a plasma CVD method on a semiconductor layer of about 50 nm processed into an island shape.
ところで、近年、表示装置の大型化や多機能化、或いは、有機EL表示装置といった新しい表示装置の開発等に伴い、TFTは、デバイスの特性を向上させつつ小型化することが求められるようになってきている。そして、このようなTFTの小型化に伴い、ゲート絶縁膜は薄膜化することが必要となってきている。具体的には、チャネル長が1nmのTFTでは、ゲート絶縁膜は30nmにまで薄くすることが求められている。 By the way, in recent years, TFTs have been required to be downsized while improving the characteristics of the devices with the increase in size and multifunction of display devices, or the development of new display devices such as organic EL display devices. It is coming. As the TFT is miniaturized, it is necessary to reduce the thickness of the gate insulating film. Specifically, in a TFT having a channel length of 1 nm, the gate insulating film is required to be as thin as 30 nm.
しかしながら、島状に形成された半導体層上にゲート絶縁膜を形成するトップゲート型のTFTの場合、ゲート絶縁膜は、半導体層の全域及びこの半導体層により形成される段差を被覆するように設けなければならない。そのため、前記半導体層の段差部分では、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大し易い。まして、ゲート絶縁膜は30nmといった薄い酸化シリコン膜にすると、リーク電流がさらに増大してしまう。 However, in the case of a top gate type TFT in which a gate insulating film is formed on an island-shaped semiconductor layer, the gate insulating film is provided so as to cover the entire area of the semiconductor layer and the step formed by the semiconductor layer. There must be. Therefore, the leakage current of the gate insulating film tends to increase at the step portion of the semiconductor layer. Furthermore, if the gate insulating film is a thin silicon oxide film of 30 nm, the leakage current further increases.
このように、島状に形成された半導体層を有するトップゲート型のTFTであって、ゲート絶縁膜を30nm程度にまで薄膜化するような場合には、十分なデバイス特性を得るために、酸化シリコン膜のステップカバレッジを改善してリーク電流を低減することが求められている。 As described above, in the case of a top gate type TFT having a semiconductor layer formed in an island shape and the gate insulating film is thinned down to about 30 nm, in order to obtain sufficient device characteristics, an oxidation is required. There is a need to improve the step coverage of a silicon film to reduce leakage current.
良好なステップカバレッジが得られ易いシリコンソースとしては、テトラエトキシシラン(いわゆるTEOS)が知られている。TEOSガスを用いて酸化シリコン膜を形成する方法としては、TEOSガスと、酸素ガスと、ヘリウムガスとの混合ガスを用いるプラズマCVD法が提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。
しかしながら、プラズマ中においては、酸素ガスに電子が付着する確率が高い、すなわち、酸素ガスは負イオンになり易い。そのため、非特許文献1に記載の技術では、酸素ガスの分圧を高く設定するほど、プラズマ中でO2 −イオンやO−イオンが多く生成され、プラズマの均一性を低下させてしまうという問題がある。また、プラズマ中においてO2 −イオンやO−イオン等の負イオンが多くなると、両極性拡散の点からプラズマの拡がりが阻害され易くなるという問題もある。このような理由から、非特許文献1に記載の技術では、形成される酸化シリコン膜において、均一な膜厚分布が得られ難い場合がある。
However, in plasma, there is a high probability that electrons will adhere to oxygen gas, that is, oxygen gas tends to be negative ions. Therefore, in the technique described in
さらに、非特許文献1に記載の技術では、混合ガス中にヘリウムガスを混入させている。しかしながら、ヘリウムガスは、プラズマ中での準安定エネルギーが19.8eVと非常に高い。したがって、ヘリウムガスは、プラズマCVD法においてはあまり実用的でなく、しかも、被処理基板や酸化シリコン膜にプラズマ損傷を与え易いという問題がある。
Furthermore, in the technique described in
本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、被処理基板やこの被処理基板に形成されるシリコン系酸化膜に与えるプラズマ損傷を抑制しつつ、被処理基板にシリコン系酸化膜を均一に形成することができる成膜方法、半導体素子の形成方法、半導体装置、及び表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on such a situation, and suppresses plasma damage to the substrate to be processed and the silicon-based oxide film formed on the substrate to be processed, while suppressing the silicon-based oxide film on the substrate to be processed. An object of the present invention is to provide a film forming method, a semiconductor element forming method, a semiconductor device, and a display device.
本発明の第1の対応に係る成膜方法は、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、アルゴン、クリプトン、及びキセノンのうち少なくとも1種以上を有する希ガスとを含む混合ガスを、前記希ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、プラズマ処理容器内に供給する工程と、前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、被処理基板に酸化シリコン膜を形成する膜形成工程と、を有している。 The film forming method according to the first aspect of the present invention includes an organic silicon compound gas having at least a silicon atom, a carbon atom, and an oxygen atom in one molecule, an oxidizing gas, argon, krypton, and xenon. Supplying a mixed gas containing one or more rare gases into the plasma processing container such that a ratio Pr of the rare gas partial pressure is 15% ≦ Pr ≦ 85%; and the plasma processing container And forming a silicon oxide film on the substrate to be processed by generating plasma therein to decompose the organic silicon compound gas and the oxidizing gas with plasma.
本願の発明者らは、有機シリコン化合物ガス、酸化性ガス、及び希ガス混合ガス中においては、酸素ガスの分圧が小さくなっても、プラズマ中で生成する酸素ラジカルは減少しないことを見出した。これは、酸素原子は、プラズマ中で励起された希ガスからのエネルギートランスファーによって生成するためであり、酸素ラジカルは、希ガス濃度と酸素ガス濃度の積で決定されるからである。つまり、混合ガス中の希ガスの分圧の割合Prが50%付近の場合に、プラズマ中において最も効率よく酸素原子を生成することができる(図3参照)。 The inventors of the present application have found that oxygen radicals generated in the plasma are not reduced in the organic silicon compound gas, the oxidizing gas, and the rare gas mixed gas even if the partial pressure of the oxygen gas is reduced. . This is because oxygen atoms are generated by energy transfer from a rare gas excited in plasma, and oxygen radicals are determined by the product of the rare gas concentration and the oxygen gas concentration. That is, oxygen atoms can be generated most efficiently in the plasma when the ratio Pr of the partial pressure of the rare gas in the mixed gas is around 50% (see FIG. 3).
希ガスの分圧の割合Prが15%未満の領域では、酸素ラジカルを生成するための原料としての酸素ガス濃度が低く、あまり実用的でないことがわかった。また、希ガスの分圧の割合Prが85%を越えると、プラズマ中で酸素による負イオンが増大するだけでなく、希ガスの分圧が小さくなるため、酸素ガスを効率よく酸素原子に分解する反応が阻害され易くなることもわかった。このような理由から、本願の発明者らは、混合ガスの全圧に対する希ガスの分圧の割合Prは、15%≦Pr≦85%とするのが好ましく、より好ましくは、20%≦Pr≦80%であることを見出した。 It was found that in the region where the ratio Pr of the partial pressure of the rare gas is less than 15%, the concentration of oxygen gas as a raw material for generating oxygen radicals is low, which is not practical. Further, when the ratio Pr of the partial pressure of the rare gas exceeds 85%, not only the negative ions due to oxygen increase in the plasma, but also the partial pressure of the rare gas decreases, so that the oxygen gas is efficiently decomposed into oxygen atoms. It has also been found that this reaction is likely to be inhibited. For these reasons, the inventors of the present application preferably set the ratio Pr of the partial pressure of the rare gas to the total pressure of the mixed gas to 15% ≦ Pr ≦ 85%, and more preferably 20% ≦ Pr. It was found that ≦ 80%.
また、酸化反応に好適な励起酸素原子を生成するのに必要なエネルギーは、7.0eV〜11.6eV程度である。一方、希ガスは、プラズマ中で寿命の長い準安定状態をとるが、そのエネルギーは希ガスの種類によって異なる。 Further, the energy required to generate excited oxygen atoms suitable for the oxidation reaction is about 7.0 eV to 11.6 eV. On the other hand, a rare gas takes a metastable state with a long lifetime in plasma, but its energy varies depending on the type of the rare gas.
ヘリウム(He) :19.8eV
ネオン(Ne) :17.0eV
アルゴン(Ar) :11.6eV
クリプトン(Kr) : 9.9eV
キセノン(Xe) : 8.3eV
このように、HeやNeは準安定エネルギーが比較的大きいのに対して、Ar、Kr、或いはXeは準安定エネルギーが比較的小さい。HeやNeのように準安定エネルギーが大きいと、成膜中において、被処理基板やこの被処理基板に形成されるシリコン系酸化膜としての酸化シリコン膜に損傷を与え易くなる。一方、Ar、Kr、或いはXeは、酸化反応に好適な励起酸素原子を生成するのに必要なエネルギー(7.0eV〜11.6eV)のエネルギーに近いエネルギーを有しているため、成膜中において、被処理基板やこの被処理基板に形成される酸化シリコン膜に損傷を与えるのを抑制しつつ、酸素分子から効率よく励起酸素原子を生成することができる。
Helium (He): 19.8 eV
Neon (Ne): 17.0 eV
Argon (Ar): 11.6 eV
Krypton (Kr): 9.9 eV
Xenon (Xe): 8.3 eV
Thus, He and Ne have a relatively large metastable energy, whereas Ar, Kr, or Xe have a relatively small metastable energy. When the metastable energy is large such as He or Ne, the substrate to be processed and the silicon oxide film as the silicon-based oxide film formed on the substrate to be processed are easily damaged during film formation. On the other hand, Ar, Kr, or Xe has an energy close to the energy (7.0 eV to 11.6 eV) necessary for generating an excited oxygen atom suitable for the oxidation reaction. In this case, excited oxygen atoms can be efficiently generated from oxygen molecules while suppressing damage to the substrate to be processed and the silicon oxide film formed on the substrate to be processed.
上述のように、本発明の第1の対応に係る成膜方法によれば、アルゴン(Ar)、クリプトン(Kr)、及び、キセノン(Xe)のうち少なくとも1種以上を有する希ガスを、分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと酸化性ガスとを含む混合ガス中に存在させている。 As described above, according to the film forming method according to the first aspect of the present invention, the rare gas having at least one of argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe) is separated. The pressure ratio Pr is 15% ≦ Pr ≦ 85%, and is present in a mixed gas containing an organic silicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule and an oxidizing gas. ing.
そのため、酸素ラジカルを良好に生成させ、酸素ガスを効率良く酸素分子に分解することができる。しかも、混合ガス中のO2ガスの分圧を低く抑えることができるため、結果として、プラズマ中におけるO2 −イオン及びO−イオンの生成量を低減させることができる。これにより、負イオンによるプラズマの広がりの阻害が抑制されるので、プラズマを均一に生じさせることができる。したがって、被処理基板に酸化シリコン膜を均一に形成することができる。 Therefore, oxygen radicals can be generated satisfactorily and oxygen gas can be efficiently decomposed into oxygen molecules. Moreover, since the partial pressure of the O 2 gas in the mixed gas can be kept low, as a result, the amount of O 2 − ions and O − ions generated in the plasma can be reduced. Thereby, since inhibition of the spread of the plasma by negative ions is suppressed, the plasma can be generated uniformly. Therefore, the silicon oxide film can be uniformly formed on the substrate to be processed.
さらに、希ガスとして、酸化反応に好適な励起酸素原子を生成するのに必要なエネルギーに近似する準安定エネルギーを有するAr、Kr、及びXeのうちの少なくとも1以上を有するガスを用いている。したがって、被処理基板やこの被処理基板に形成される酸化シリコン膜に与えるプラズマ損傷を抑制しつつ、酸素ガスを効率良く酸素分子に分解することができる。 Further, as the rare gas, a gas having at least one of Ar, Kr, and Xe having a metastable energy approximate to the energy necessary for generating excited oxygen atoms suitable for the oxidation reaction is used. Therefore, oxygen gas can be efficiently decomposed into oxygen molecules while suppressing plasma damage to the substrate to be processed and the silicon oxide film formed on the substrate to be processed.
本発明の第2の対応に係る成膜方法は、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを、前記窒素ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、プラズマ処理容器内に供給する工程と、前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、被処理基板に酸窒化シリコン膜を形成する膜形成工程と、を有している。 In the film forming method according to the second aspect of the present invention, a mixed gas containing an organic silicon compound gas having at least a silicon atom, a carbon atom, and an oxygen atom in one molecule, an oxidizing gas, and a nitrogen gas, A step of supplying the nitrogen gas partial pressure Pr into the plasma processing vessel so that the ratio Pr is 15% ≦ Pr ≦ 85%; generating plasma in the plasma processing vessel to generate the organosilicon compound gas and the A film forming step of decomposing the oxidizing gas with plasma to form a silicon oxynitride film on the substrate to be processed.
本願発明者らは、有機シリコン化合物、酸化性ガス、及び窒素ガスを含む混合ガス中においては、酸素ガスの分圧が小さくなっても、プラズマ中で生成する酸素ラジカルは減少しないことを見出した。これは、酸素原子は、プラズマ中で励起された窒素ガスからのエネルギートランスファーによって生成するためであり、酸素ラジカルは、窒素ガス濃度と酸素ガス濃度の積で決定されるからである。つまり、混合ガス中の窒素ガスの割合Prが50%付近の場合に、プラズマ中において最も効率よく酸素原子を生成することができる。 The inventors of the present application have found that in a mixed gas containing an organic silicon compound, an oxidizing gas, and a nitrogen gas, oxygen radicals generated in the plasma are not reduced even when the partial pressure of the oxygen gas is reduced. . This is because oxygen atoms are generated by energy transfer from nitrogen gas excited in plasma, and oxygen radicals are determined by the product of nitrogen gas concentration and oxygen gas concentration. That is, oxygen atoms can be generated most efficiently in plasma when the ratio Pr of the nitrogen gas in the mixed gas is around 50%.
窒素ガスの分圧の割合が15%未満の領域では、酸素ラジカルを生成するための原料としての酸素ガス濃度が低く、あまり実用的でないことがわかった。また、窒素ガスの分圧の割合Prが85%を越えると、プラズマ中で酸素による負イオンが増大するだけでなく、窒素ガスの分圧が小さくなるため、酸素ガスを効率よく酸素原子に分解する反応が阻害され易くなることもわかった。このような理由から、本願の発明者らは、混合ガスの全圧に対する窒素ガスの分圧の割合Prは、15%≦Pr≦85%とするのが好ましく、より好ましくは、20%≦Pr≦80%であることを見出した。 It was found that in the region where the ratio of the partial pressure of nitrogen gas is less than 15%, the concentration of oxygen gas as a raw material for generating oxygen radicals is low, which is not very practical. Further, when the ratio Pr of the partial pressure of nitrogen gas exceeds 85%, not only the negative ions due to oxygen increase in the plasma, but also the partial pressure of nitrogen gas decreases, so that the oxygen gas is efficiently decomposed into oxygen atoms. It has also been found that this reaction is likely to be inhibited. For these reasons, the inventors of the present application preferably set the ratio Pr of the partial pressure of nitrogen gas to the total pressure of the mixed gas to 15% ≦ Pr ≦ 85%, more preferably 20% ≦ Pr. It was found that ≦ 80%.
また、窒素の準安定エネルギーは10.3eVであり、上述したAr、Krの準安定エネルギーと近似している。すなわち、上述の希ガスを窒素ガスに置き換えることで、本発明の第1の対応に係る成膜方法と同様の酸素原子生成効果が得られると期待できる。したがって、成膜中において、被処理基板やこの被処理基板に形成されるシリコン系酸化膜に損傷を与えるのを抑制しつつ、酸素分子から効率よく励起酸素原子を生成することができる。 Further, the metastable energy of nitrogen is 10.3 eV, which is close to the above-described metastable energy of Ar and Kr. That is, it can be expected that an oxygen atom generation effect similar to that of the film forming method according to the first aspect of the present invention can be obtained by replacing the rare gas described above with nitrogen gas. Therefore, it is possible to efficiently generate excited oxygen atoms from oxygen molecules while suppressing damage to the substrate to be processed and the silicon-based oxide film formed on the substrate to be processed during film formation.
また、希ガスの代わりに窒素ガスを用いると、シリコン系酸化膜の膜形成時に、窒素原子を膜中に取り込ませることができる。つまり、膜構造を非晶質SiOXNYとすることができる。したがって、被処理基板にシリコン系酸化膜としての酸窒化シリコン膜を形成することができる。 Further, when nitrogen gas is used instead of the rare gas, nitrogen atoms can be taken into the film when the silicon-based oxide film is formed. That is, the film structure can be amorphous SiO X N Y. Therefore, a silicon oxynitride film as a silicon-based oxide film can be formed on the substrate to be processed.
上述のように、本発明の第2の対応に係る成膜方法によれば、窒素ガスを、分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと酸化性ガスとを含む混合ガス中に存在させている。 As described above, according to the film forming method according to the second aspect of the present invention, nitrogen gas is at least silicon atoms in one molecule so that the partial pressure ratio Pr is 15% ≦ Pr ≦ 85%. , Carbon atoms and oxygen atoms are present in a mixed gas containing an organic silicon compound gas and an oxidizing gas.
そのため、酸素ラジカルを良好に生成させ、酸素ガスを効率良く酸素分子に分解することができる。しかも、混合ガス中のO2ガスの分圧を低く抑えることができるため、結果として、プラズマ中におけるO2 −イオン及びO−イオンの生成量を低減させることができる。これにより、負イオンによるプラズマの広がりの阻害が抑制されるので、プラズマを均一に生じさせることができる。したがって、被処理基板に酸窒化シリコン膜を均一に形成することができる。 Therefore, oxygen radicals can be generated satisfactorily and oxygen gas can be efficiently decomposed into oxygen molecules. Moreover, since the partial pressure of the O 2 gas in the mixed gas can be kept low, as a result, the amount of O 2 − ions and O − ions generated in the plasma can be reduced. Thereby, since inhibition of the spread of the plasma by negative ions is suppressed, the plasma can be generated uniformly. Therefore, the silicon oxynitride film can be uniformly formed on the substrate to be processed.
さらに、窒素ガスの準安定エネルギーは、Ar、Krの準安定エネルギーと近い、つまり、酸化反応に好適な励起酸素原子を生成するのに必要なエネルギーと近い。したがって、混合ガスに窒素ガスを混入させることで、被処理基板やこの被処理基板に形成される酸窒化シリコン膜に与えるプラズマ損傷を抑制しつつ、酸素ガスを効率良く酸素分子に分解することができる。 Furthermore, the metastable energy of nitrogen gas is close to the metastable energy of Ar and Kr, that is, close to the energy necessary for generating excited oxygen atoms suitable for the oxidation reaction. Therefore, by mixing nitrogen gas into the mixed gas, oxygen gas can be efficiently decomposed into oxygen molecules while suppressing plasma damage to the substrate to be processed and the silicon oxynitride film formed on the substrate to be processed. it can.
本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法において、「被処理基板」としては、例えば、シリコン、ガラス、石英ガラス、セラミックス、又はプラスチック(樹脂)等からなる基板を用いることができる。また、「被処理基板」としては、シリコン、ガラス、石英ガラス、セラミックス、又はプラスチック(樹脂)等からなる基体上に絶縁膜、金属膜、或いは半導体層等を成膜したもの、前記基体上に絶縁膜、金属膜、或いは半導体層を2層以上積層させてなるもの、或いは、前記基体上に回路素子や回路素子の一部を形成したもの等を用いることもできる。 In the first and second film forming methods according to the present invention, as the “substrate to be processed”, for example, a substrate made of silicon, glass, quartz glass, ceramics, plastic (resin), or the like can be used. . In addition, the “substrate to be processed” is a substrate in which an insulating film, a metal film, a semiconductor layer, or the like is formed on a substrate made of silicon, glass, quartz glass, ceramics, plastic (resin), or the like. An insulating film, a metal film, or a stack of two or more semiconductor layers, or a circuit element or a part of the circuit element formed on the substrate can also be used.
また、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法において、有機シリコン化合物ガスとしては、テトラエトキシシラン(tetraethoxysilane、以下、TEOSと記載する)、テトラメチルシクロテトラシロキサン(tetramethylcyclotetrasiloxane、以下、TMCTS)、ジアセトキシジターシャリーブトキシシラン(diacetoxyditertiarybutoxysilane、以下、DADBSと記載する)、及び、ヘキサメチルジシロキサン(hexametyldisiloxane、以下、HMDSOと記載する)のうち1以上を含むガスを用いるのが好ましい。 In the first and second film forming methods according to the present invention, as the organic silicon compound gas, tetraethoxysilane (hereinafter referred to as TEOS), tetramethylcyclotetrasiloxane (hereinafter referred to as TEOS), It is preferable to use a gas containing one or more of TMCTS, diacetoxyditertiarybutoxysilane (hereinafter referred to as DADBS), and hexamethyldisiloxane (hereinafter referred to as HMDSO).
以下、TEOSの構造式を示す。
TEOSは、OとCとの間で分極が生じ易いため、酸素原子により酸化・分解されて、極性基であるOH基を有する中間生成物が形成される。
以下、TMCTS、DADBS、及びHMDSOの構造式を示す。
図示しないが、TMCTS、DADBS、及びHMDSOもまた、酸素により酸化・分解されて、極性基であるOH基を有する中間生成物が形成される。 Although not shown, TMCTS, DADBS, and HMDSO are also oxidized and decomposed by oxygen to form an intermediate product having a polar OH group.
これら有機シリコン化合物は、プラズマ中での分解制御を最適化することで、被処理基板の被処理面(基板表面)での表面拡散係数を大幅に増大させることが可能であることが知られている。すなわち、これら有機シリコン化合物は、プラズマ中での分解を制御することで、極性基であるOH基の分子内比率を下げて、Si表面での付着確率を低減させることが可能である。また、これら有機シリコン化合物及びこれら有機シリコン化合物から生じる各中間生成物は、比較的分子容積の大きな分子であるため、その立体効果によりプラズマ中で分解反応して生成したOH基がSi基板表面との相互作用を抑制するものと考えられる。したがって、これら有機シリコン化合物から生じる各中間生成物は、被処理基板に均一に付着させることが可能である。中間生成物を被処理基板に均一に付着させることが可能であるということは、被処理基板にシリコン系酸化膜を均一に形成することができることを意味している。 These organosilicon compounds are known to be able to significantly increase the surface diffusion coefficient on the surface to be processed (substrate surface) by optimizing the decomposition control in plasma. Yes. That is, these organic silicon compounds can control the decomposition in plasma, thereby reducing the intramolecular ratio of OH groups, which are polar groups, and reducing the adhesion probability on the Si surface. In addition, since these organic silicon compounds and intermediate products generated from these organic silicon compounds are molecules having a relatively large molecular volume, OH groups generated by decomposition reaction in the plasma due to the steric effect are formed on the surface of the Si substrate. It is thought to suppress the interaction. Therefore, each intermediate product generated from these organosilicon compounds can be uniformly attached to the substrate to be processed. The fact that the intermediate product can be uniformly attached to the substrate to be processed means that a silicon-based oxide film can be uniformly formed on the substrate to be processed.
なお、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法のように、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物を用いてシリコン系酸化膜を形成する場合には、混合ガス中に酸素ガスを混入させるのが好ましい。混合ガス中に酸素ガスを混入させることで、有機シリコン化合物をプラズマ中で分解させるだけでなく、シリコン系酸化膜中に不純物として混入する炭素原子の量を低減させることができる。すなわち、酸素ガスは、有機シリコン化合物の分解時に生成するエチレン等のハイドロカーボンを酸化し、蒸気圧の高い化合物に変換して系の外に除外すると同時に、シリコン系酸化膜中に取り込まれた炭素に攻撃し、CO2等の化合物として、シリコン系酸化膜中から炭素原子を取り除く働きをする。 As in the first and second film forming methods of the present invention, a silicon-based oxide film is formed using an organic silicon compound having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule. In some cases, it is preferable to mix oxygen gas into the mixed gas. By mixing oxygen gas into the mixed gas, not only the organic silicon compound is decomposed in plasma, but also the amount of carbon atoms mixed as impurities in the silicon-based oxide film can be reduced. In other words, oxygen gas oxidizes hydrocarbons such as ethylene that are generated when organic silicon compounds are decomposed, converts them into compounds with high vapor pressure, and excludes them from the system. At the same time, carbon incorporated into the silicon-based oxide film It acts to remove carbon atoms from the silicon-based oxide film as a compound such as CO 2 .
本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法において、酸化性ガスとしては、酸素(O2)ガス、オゾン(O3)ガス、一酸化炭素(CO)ガス、二酸化炭素(CO2)ガス、一酸化窒素(NO)ガス、及び、一酸化二窒素ガス(N2O)のうちの1以上を含むガスを用いることができる。これらの酸化性ガスを用いることにより、有機シリコン化合物を効率良く酸化・分解することができる。 In the film forming methods according to the first and second measures of the present invention, the oxidizing gas may be oxygen (O 2 ) gas, ozone (O 3 ) gas, carbon monoxide (CO) gas, carbon dioxide (CO 2). ) Gas, nitrogen monoxide (NO) gas, and gas containing one or more of dinitrogen monoxide gas (N 2 O) can be used. By using these oxidizing gases, the organic silicon compound can be efficiently oxidized and decomposed.
ところで、上述した酸化性ガスは、各々、特性が異なるため、所望により使い分けるとよい。酸化性ガスとして窒素原子を有する化合物からなるガスを用いると、被処理基板とシリコン系酸化膜との界面やシリコン系酸化膜の表面に窒素原子を局在させ易い。そのため、シリコン系酸化膜の界面準位密度が高くなる。この傾向は、プラズマ中の電子密度が高くなるほど顕著である。これに対し、酸化性ガスとして炭素原子を有する化合物からなるガスを用いると、シリコン系酸化膜の界面準位密度に与える影響を抑止することができる。これは、有機シリコン化合物ガスが炭素原子を有しているため、酸化性ガスとして炭素を含むガスを用いても、形成されるシリコン系酸化膜の純度にはさほどの影響がないと考えられるためである。また、O3ガスは、他の酸化性ガスと比べて分解し易く、反応性が高いという特性がある。 By the way, the above-mentioned oxidizing gases have different characteristics, so that they may be properly used as desired. When a gas made of a compound having nitrogen atoms is used as the oxidizing gas, the nitrogen atoms are easily localized at the interface between the substrate to be processed and the silicon-based oxide film or the surface of the silicon-based oxide film. Therefore, the interface state density of the silicon-based oxide film is increased. This tendency becomes more prominent as the electron density in the plasma increases. On the other hand, when a gas made of a compound having a carbon atom is used as the oxidizing gas, the influence on the interface state density of the silicon-based oxide film can be suppressed. This is because the organic silicon compound gas has carbon atoms, so even if a gas containing carbon is used as the oxidizing gas, it is considered that the purity of the formed silicon-based oxide film is not so much affected. It is. Further, O 3 gas has a characteristic that it is easily decomposed and has high reactivity as compared with other oxidizing gases.
本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法において、プラズマ処理容器内で発生させるプラズマの電源周波数が1MHz未満である場合、プラズマ中のイオンが追従するため、安定なプラズマが得られ難い。また、プラズマ処理容器内で発生させるプラズマの電源周波数が10GHzを越える場合、プラズマ処理装置が高価になり易く、実用上あまり適当ではない。したがって、プラズマ処理容器内で発生させるプラズマの電源周波数は、1MHzの高周波帯域から10GHzのマイクロ波帯域の範囲内とするのが好ましい。 In the first and second film forming methods according to the present invention, when the power supply frequency of the plasma generated in the plasma processing container is less than 1 MHz, ions in the plasma follow, so that stable plasma can be obtained. hard. Moreover, when the power supply frequency of the plasma generated in the plasma processing container exceeds 10 GHz, the plasma processing apparatus tends to be expensive, and is not very suitable for practical use. Therefore, it is preferable that the power supply frequency of the plasma generated in the plasma processing vessel is in the range of a high frequency band of 1 MHz to a microwave band of 10 GHz.
本発明の第3の対応に係る半導体素子の形成方法では、少なくとも一部に半導体を有する被処理基板を用意し、プラズマ処理容器内に収容する工程と、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、アルゴン、クリプトン、及びキセノンのうち少なくとも1種以上を有する希ガスとを含む混合ガスを、前記希ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、前記プラズマ処理容器内に供給する工程と、前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、前記半導体層に酸化シリコン膜を形成する工程と、を有している。 In the method for forming a semiconductor element according to the third aspect of the present invention, a process substrate having at least a part of a semiconductor is prepared and accommodated in a plasma processing container, and at least silicon atoms and carbon atoms are contained in one molecule. And a mixed gas containing an organic silicon compound gas having oxygen atoms, an oxidizing gas, and a rare gas having at least one of argon, krypton, and xenon, a partial pressure ratio Pr of the rare gas is A step of supplying the plasma processing container so as to satisfy 15% ≦ Pr ≦ 85%; and generating plasma in the plasma processing container to decompose the organosilicon compound gas and the oxidizing gas with the plasma. And a step of forming a silicon oxide film on the semiconductor layer.
本発明の第3の対応に係る半導体素子の形成方法によれば、本発明の第1の対応に係る成膜方法と同様に、被処理基板やこの被処理基板に形成されるシリコン系酸化膜としての酸化シリコン膜に与えるプラズマ損傷を抑制しつつ、半導体に酸化シリコン膜を均一に形成することができる。 According to the method for forming a semiconductor element according to the third aspect of the present invention, as in the film forming method according to the first aspect of the present invention, the substrate to be processed and the silicon-based oxide film formed on the substrate to be processed The silicon oxide film can be uniformly formed on the semiconductor while suppressing plasma damage to the silicon oxide film.
本発明の第4の対応に係る半導体素子の形成方法では、少なくとも一部に半導体を有する被処理基板を用意し、プラズマ処理容器内に収容する工程と、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを、前記窒素ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、前記プラズマ処理容器内に供給する工程と、前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、前記半導体層に酸窒化シリコン膜を形成する工程と、を有している。 In the method for forming a semiconductor element according to the fourth aspect of the present invention, a process substrate having at least a part of a semiconductor is prepared and accommodated in a plasma processing container, and at least silicon atoms and carbon atoms are contained in one molecule. , And an oxygen atom-containing organic silicon compound gas, an oxidizing gas, and a nitrogen gas, and the plasma has a plasma partial pressure ratio Pr of 15% ≦ Pr ≦ 85%. Supplying to the processing container; generating plasma in the plasma processing container to decompose the organic silicon compound gas and the oxidizing gas with plasma; and forming a silicon oxynitride film on the semiconductor layer; ,have.
本発明の第4の対応に係る半導体素子の形成方法によれば、本発明の第2の対応に係る成膜方法と同様に、被処理基板やこの被処理基板に形成されるシリコン系酸化膜としての酸窒化シリコン膜に与えるプラズマ損傷を抑制しつつ、半導体に酸窒化シリコン膜を均一に形成することができる。 According to the method for forming a semiconductor element according to the fourth aspect of the present invention, as in the film forming method according to the second aspect of the present invention, the substrate to be processed and the silicon-based oxide film formed on the substrate to be processed The silicon oxynitride film can be uniformly formed on the semiconductor while suppressing plasma damage to the silicon oxynitride film.
本発明の第3及び第4の対応に係る半導体素子の形成方法において、「少なくとも一部に半導体を有する被処理基板」としては、例えば、シリコン基板を用いることができる。また、「少なくとも一部に半導体を有する被処理基板」としては、例えば、シリコン、ガラス、石英ガラス、セラミックス、又はプラスチック(樹脂)等からなる基体上の少なくとも一部に半導体層を形成したもの、前記基体上の少なくとも一部に、絶縁膜、金属膜、或いは半導体層を2層以上積層させ、且つ、表面に半導体層が露出しているもの、或いは、前記基体上に回路素子や回路素子の一部が形成されており、且つ、表面に半導体層が露出しているもの等を用いることもできる。 In the method for forming a semiconductor element according to the third and fourth aspects of the present invention, for example, a silicon substrate can be used as the “substrate to be processed having at least a part of the semiconductor”. In addition, as the “substrate to be processed having at least a part of a semiconductor”, for example, a semiconductor layer formed on at least a part of a substrate made of silicon, glass, quartz glass, ceramics, plastic (resin), or the like, Two or more insulating films, metal films, or semiconductor layers are laminated on at least a part of the substrate, and the semiconductor layer is exposed on the surface, or circuit elements and circuit elements are formed on the substrate. A part of which is formed and the semiconductor layer is exposed on the surface can also be used.
また、本発明の第3及び第4の対応に係る半導体素子の形成方法においても、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法と同様に、有機シリコン化合物ガスとして、TEOSガス、TMCTSガス、DADBSガス、又は、HMDSOガスのうち1以上を含むガスを用いるのが好ましい。酸化性ガスとしては、O2ガス、O3ガス、COガス、CO2ガス、NOガス、及び、N2Oのうちの1以上を含むガスを用いることができる。 Also, in the method of forming a semiconductor element according to the third and fourth correspondences of the present invention, as in the film formation method according to the first and second correspondences of the present invention, TEOS gas, It is preferable to use a gas containing one or more of TMCTS gas, DADBS gas, or HMDSO gas. As the oxidizing gas, a gas containing one or more of O 2 gas, O 3 gas, CO gas, CO 2 gas, NO gas, and N 2 O can be used.
さらに、本発明の第3及び第4の対応に係る半導体素子の形成方法においても、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法と同様に、プラズマ処理容器内で発生させるプラズマの電源周波数は、1MHzの高周波帯域から10GHzのマイクロ波帯域の範囲内とするのが好ましい。 Further, in the method for forming a semiconductor element according to the third and fourth correspondences of the present invention, the plasma generated in the plasma processing chamber is formed as in the film formation methods according to the first and second correspondences of the present invention. The power supply frequency is preferably in a range from a high frequency band of 1 MHz to a microwave band of 10 GHz.
また、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法によって形成された酸化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜は、半導体装置が備えるトランジスタのゲート絶縁膜として好適に用いることができる。 Further, the silicon oxide film or the silicon oxynitride film formed by the film forming methods according to the first and second aspects of the present invention can be preferably used as a gate insulating film of a transistor included in a semiconductor device.
上述のように、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法を用いることで、酸化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜を被処理基板に均一に形成することができる。つまり、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法を用いることで、ゲート電極のような段差部であっても、この段差部を良好に被覆可能な(段差部に対するカバレッジの良好な)酸化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜を得ることができる。したがって、本発明の第1及び第2の対応に係る成膜方法によって形成された酸化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜をゲート絶縁膜に適用することで、電気的特性の良好なトランジスタを備えた半導体装置を得ることができる。 As described above, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film can be uniformly formed on a substrate to be processed by using the film formation methods according to the first and second aspects of the present invention. That is, by using the film forming method according to the first and second aspects of the present invention, even a stepped portion such as a gate electrode can be covered well (good coverage with respect to the stepped portion). A silicon oxide film or a silicon oxynitride film can be obtained. Therefore, a semiconductor having a transistor with favorable electrical characteristics can be obtained by applying a silicon oxide film or a silicon oxynitride film formed by the film forming method according to the first and second aspects of the present invention to a gate insulating film. A device can be obtained.
さらに、本発明の第3及び第4の対応に係る半導体素子の形成方法により形成された半導体素子は、液晶表示装置のような表示装置が備える画素スイッチング素子として好適に用いることができる。 Furthermore, the semiconductor element formed by the method for forming a semiconductor element according to the third and fourth aspects of the present invention can be suitably used as a pixel switching element included in a display device such as a liquid crystal display device.
上述のように、本発明の第3及び第4の対応に係る半導体素子の形成方法を用いることで、半導体に酸化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜を均一に形成することができる。つまり、本発明の第3及び第4の対応に係る半導体素子の形成方法を用いることで、電気的特性に優れた半導体素子を得ることができる。したがって、本発明の第3及び第4の対応に係る半導体素子の形成方法によって形成された半導体素子を画素スイッチング素子に適用することで、スイッチング動作の良好な液晶表示装置を得ることができる。 As described above, a silicon oxide film or a silicon oxynitride film can be uniformly formed on a semiconductor by using the method for forming a semiconductor element according to the third and fourth aspects of the present invention. That is, by using the semiconductor element forming method according to the third and fourth aspects of the present invention, a semiconductor element having excellent electrical characteristics can be obtained. Therefore, by applying the semiconductor element formed by the semiconductor element forming method according to the third and fourth aspects of the present invention to the pixel switching element, a liquid crystal display device having a good switching operation can be obtained.
以下、本発明の第1の実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の成膜方法の一実施形態、及び、本発明の半導体素子の形成方法の一実施形態について説明する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, an embodiment of a film forming method of the present invention and an embodiment of a method of forming a semiconductor element of the present invention will be described.
まず、図1に、本実施形態の成膜方法及び半導体素子の形成方法を実施するにあたって好適に用いることができるプラズマCVD装置(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System)10の一例を示す。図1に示すプラズマCVD装置10は、平行平板型のプラズマCVD装置であって、プラズマ処理容器としてのチャンバ11、一対の電極12,13、高周波電源装置14、及び整合器15等を備えている。
First, FIG. 1 shows an example of a plasma enhanced chemical vapor deposition system (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition System) 10 that can be suitably used in carrying out the film forming method and semiconductor element forming method of the present embodiment. A
被処理基板が収容されるチャンバ11は、真空容器であって、内部が気密となるように形成されている。このチャンバ11には、ガス導入部11aとガス排出部11bとが設けられている。ガス導入部11aからは、後述する混合ガスが、図1に矢印Aで示すようにチャンバ11内に供給される。ガス排出部11bには、ターボ分子ポンプ等を用いた真空排気システム16が設けられている。この真空排気システム16を稼動させることにより、チャンバ11内を所定の真空度に排気することが可能である。
The
プラズマが発生されるための高周波電源装置14は、負荷を調整する整合器15を介して、互いに対応する一対の電極12,13のうちの一方の電極12と電気的に接続されている。また、他方の電極13は、プラズマを発生させるための電極として使用されるものであり、接地(アース)されている。
The high frequency
チャンバ11内には、被処理基板21を支持するためのステージが設けられている。この実施形態で使用するプラズマCVD装置10では、他方の電極13がステージを兼ねている。このステージ(電極)13には、被処理基板21を加熱するための加熱手段17、例えばヒータやランプアニール等が設けられている。
A stage for supporting the
このプラズマCVD装置10は、高周波電源装置14を稼動させ、整合器15を介して一方の電極12に高周波電力を供給することで、チャンバ11内にプラズマが発生するように構成されている。
The
以下、本実施形態の成膜方法及び半導体素子の形成方法について説明する。 Hereinafter, a film forming method and a semiconductor element forming method of this embodiment will be described.
まず、被処理基板21を用意する。被処理基板21としては、例えば、シリコン基板、液晶表示装置の表示回路を形成する際等に好適に用いることができるガラス基板、或いはプラスチック基板等、種々の基板を広く用いることができる。本実施形態では、例えば、シリコン基板(シリコンウエハ)を用いている。
First, the
次に、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、アルゴン、クリプトン、及びキセノンのうち少なくとも1種以上を有する希ガスとを含み、且つ、希ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるような混合ガスを用意する。本実施形態では、例えば、有機シリコン化合物ガスとしてTEOSガス、酸化性ガスとしてO2ガス、希ガスとしてKrガスを用いている。また、混合ガス中のTEOSガスと酸素ガスとの混合比率を1:5とし、混合ガスの全圧を100%とした場合のKrガスの分圧の割合Pr(希釈率)を50%としている。この混合ガスを図示しないシリンダ内に収容する。ガス導入部11aを介してチャンバ11内と連通するように、このシリンダをプラズマCVD装置10に取付ける。
Next, an organic silicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule, an oxidizing gas, and a rare gas having at least one of argon, krypton, and xenon, In addition, a mixed gas is prepared such that the ratio Pr of the rare gas partial pressure is 15% ≦ Pr ≦ 85%. In this embodiment, for example, TEOS gas is used as the organic silicon compound gas, O 2 gas is used as the oxidizing gas, and Kr gas is used as the rare gas. Further, the ratio Pr (dilution ratio) of the Kr gas partial pressure when the mixing ratio of the TEOS gas and the oxygen gas in the mixed gas is 1: 5 and the total pressure of the mixed gas is 100% is 50%. . This mixed gas is accommodated in a cylinder (not shown). This cylinder is attached to the
被処理基板21を、図1に示すプラズマCVD装置10のチャンバ11内に搬入する。真空排気システム16を稼動させ、チャンバ11内を実質的に真空状態とする。その後、230Paの圧力となるように、ガス導入部11aを介してチャンバ11内に前記混合ガスを供給する。なお、有機シリコン化合物ガス、酸化性ガス、及び希ガスは、各々の分圧が所定の値となるようにこれらのガスを各々チャンバ11内に導入することで、チャンバ11内において混合ガスとしても良い。その場合には、チャンバ11には、有機シリコン化合物ガスシリンダ、酸化性ガスシリンダ、及び希ガスシリンダに夫々対応させて、3つのガス導入部を設けておくのが好ましい。
The
加熱手段17を稼動させ、被処理基板21を300℃に加熱するとともに、被処理基板21をこの基板温度を保つ。高周波電源装置14を稼動させ、整合器15を介して一方の電極12に、500W、40MHzの高周波電力を供給する。これにより、チャンバ11内にプラズマが発生する。チャンバ11内はKrガスが豊富であるため、プラズマ中で励起されたKrから酸素ガスにエネルギーが伝達され、チャンバ11内において効率良く酸素原子が発生する(図3参照)。この酸素原子により、被処理基板21の表面に酸化シリコンが形成例えば堆積し、酸化シリコン膜(SiO2膜)22(図2参照)が形成される。以上により、被処理基板21上への成膜が完了する。
The heating means 17 is operated to heat the substrate to be processed 21 to 300 ° C., and the substrate to be processed 21 is kept at this substrate temperature. The high frequency
さらに、半導体素子としての金属酸化物半導体素子(metal-oxide semiconductor、以下、MOS素子という)20(図2参照)の形成方法を説明する。上述のように形成されたSiO2膜22をゲート絶縁膜とし、このゲート絶縁膜上にゲート電極として例えばアルミニウム電極23を蒸着させる。
Further, a method of forming a metal-oxide semiconductor element (hereinafter referred to as a MOS element) 20 (see FIG. 2) as a semiconductor element will be described. The SiO 2 film 22 formed as described above is used as a gate insulating film, and, for example, an
さらに、このゲート電極をマスクとして予め定められた位置に不純物を高濃度にイオン注入することにより夫々離隔してソース・ドレイン領域が形成することで、半導体素子であって半導体装置でもあるMOS素子20の形成が完了する。
Further, the source / drain regions are formed separately by ion-implanting impurities at a high concentration in a predetermined position using the gate electrode as a mask, thereby forming the
次に、本実施形態の成膜方法で形成されたSiO2膜の特性を以下のようにして評価した。
まず、TEOS/O2混合比を1/5に固定するとともに、Krガスの混合比率を種々に変化させた8種の混合ガスを用意した。これらの混合ガスを使用し、直径150mmのシリコン基板(シリコンウエハ)上にSiO2膜を形成することで、8種の試料を作成した。なお、SiO2膜の形成は、上述した成膜方法にて行った。
Next, the characteristics of the SiO 2 film formed by the film forming method of this embodiment were evaluated as follows.
First, eight kinds of mixed gases were prepared in which the TEOS / O 2 mixing ratio was fixed to 1/5 and the mixing ratio of Kr gas was variously changed. By using these mixed gases and forming a SiO 2 film on a silicon substrate (silicon wafer) having a diameter of 150 mm, eight types of samples were prepared. The SiO 2 film was formed by the above-described film forming method.
これら各試料について面内膜厚分布を測定した。図4にその測定結果を示す。図4に示すように、面内膜厚分布は、Krガスの分圧の割合Prの減少とともに低下し、Krガスの分圧の割合Prが15%未満となったところで、面内膜厚分布が20%を越えた。通常、面内膜厚分布が20%を越えるようなSiO2膜は、半導体素子等への適用があまり実用的ではないとされている。この測定結果より、Krガスの分圧の割合Prが15%以上となるような混合ガスを用いて成膜を行えば、面内膜厚分布が良好なSiO2膜が得られることがわかった。 The in-plane film thickness distribution was measured for each of these samples. FIG. 4 shows the measurement results. As shown in FIG. 4, the in-plane film thickness distribution decreases as the Kr gas partial pressure ratio Pr decreases, and when the Kr gas partial pressure ratio Pr becomes less than 15%, the in-plane film thickness distribution is obtained. Exceeded 20%. Usually, an SiO 2 film having an in-plane film thickness distribution exceeding 20% is considered to be not very practical to be applied to a semiconductor element or the like. From this measurement result, it was found that a SiO 2 film having a good in-plane film thickness distribution can be obtained by performing film formation using a mixed gas in which the Kr gas partial pressure ratio Pr is 15% or more. .
次に、TEOS/O2混合比が1/5、Krガスの混合比率が15%の混合ガス、TEOS/O2混合比が1/5、Krガスの混合比率が85%の混合ガス、及び、TEOS/O2混合比が1/5、Krガスの混合比率が95%の3種の混合ガスを用意した。これらの混合ガスを使用し、高抵抗FZシリコンウエハ上に酸化シリコン膜を形成することで、3種の試料を作成した。SiO2膜の形成は、上述した成膜方法にて行った。 Next, TEOS / O 2 mixing ratio is 1/5, the mixing ratio is 15% of a mixed gas of Kr gas, TEOS / O 2 mixing ratio is 1/5, the mixing ratio is 85% of a mixed gas of Kr gas, and Three kinds of mixed gases having a TEOS / O 2 mixing ratio of 1/5 and a Kr gas mixing ratio of 95% were prepared. Using these mixed gases, three types of samples were prepared by forming a silicon oxide film on a high resistance FZ silicon wafer. The SiO 2 film was formed by the film forming method described above.
これら各試料の膜構造をFTIRにより評価した。図5にその測定結果を示す。図5に示すように、Si-O伸縮振動吸収に起因するLOピーク位置は、Krガスの混合比に依存する結果となった。すなわち、Krの分圧の割合Prが15%〜85%では、LOピーク位置は1067cm−1〜1065cm−1であるのに対し、Krの分圧の割合Prが95%になると、LOピーク位置は1061cm−1にまでシフトした。
The film structure of each sample was evaluated by FTIR. FIG. 5 shows the measurement results. As shown in FIG. 5, the LO peak position due to absorption of Si—O stretching vibration depends on the mixing ratio of Kr gas. That is, when the Kr partial pressure ratio Pr is 15% to 85%, the LO peak position is 1067
この結果は、Krの分圧の割合Prが85%を越える混合ガスを使用すると、形成されるSiO2膜の膜中酸素量が不足することを示唆している。すなわち、通常のSiO2膜において、Si-O伸縮振動吸収に起因するLOピークは1070cm−1付近であり、LOピークの低波数側へのシフトは、膜中酸素欠損量と対応することが知られている(参考文献:Y.J.Chabal (Ed.), Fundamental Aspects of Silicon Oxidation, Springer)。 This result suggests that when a mixed gas having a Kr partial pressure ratio Pr exceeding 85% is used, the amount of oxygen in the SiO 2 film to be formed is insufficient. That is, in a normal SiO 2 film, the LO peak due to Si—O stretching vibration absorption is around 1070 cm −1 , and the shift of the LO peak toward the low wavenumber corresponds to the amount of oxygen deficiency in the film. (Reference: YJChabal (Ed.), Fundamental Aspects of Silicon Oxidation, Springer).
したがって、図4及び図5の特性からKrの分圧の割合Prが15%〜85%となるような混合ガスを用いれば、形成されるSiO2膜のLOピーク位置が通常のSiO2膜のLOピーク位置と同程度となるため、形成されるSiO2膜の膜中酸素量が良好であると推察できる。これに対し、Krの分圧の割合Prが85%を越えるような混合ガスを用いると、形成されるSiO2膜のLOピーク位置が通常のSiO2膜のLOピーク位置よりも大幅に低波数側にシフトするため、形成されるSiO2膜の膜中酸素量が不足していると推察される。 Therefore, from the characteristics shown in FIGS. 4 and 5, if a mixed gas is used in which the ratio Pr of the Kr partial pressure is 15% to 85%, the LO peak position of the formed SiO 2 film is the same as that of a normal SiO 2 film. Since it is about the same as the LO peak position, it can be inferred that the amount of oxygen in the formed SiO 2 film is good. In contrast, when the ratio Pr of the partial pressure of Kr is a mixed gas that exceeds 85%, the low-wave number significantly than LO peak position of LO peak position of the SiO 2 film is usual SiO 2 film formed It is presumed that the amount of oxygen in the formed SiO 2 film is insufficient because of shifting to the side.
さらに、TEOS/O2混合比を1/5に固定するとともに、Krガスの混合比率を種々に変化させた複数の8種の混合ガスを用意した。これらの混合ガスを使用し、シリコン基板(シリコンウエハ)上にSiO2膜を形成することで、複数の試料を作成した。なお、SiO2膜の形成は、上述した成膜方法にて行った。 Furthermore, a plurality of eight kinds of mixed gases were prepared in which the TEOS / O 2 mixing ratio was fixed to 1/5 and the mixing ratio of Kr gas was variously changed. A plurality of samples were prepared by forming a SiO 2 film on a silicon substrate (silicon wafer) using these mixed gases. The SiO 2 film was formed by the above-described film forming method.
これら各試料についてSiO2膜の電流電圧特性を評価した。その結果は、上述のFTIRスペクトル(図5参照)と定性的に良い対応があった。すなわち、Krガスの分圧の割合Prが85%以下となるような混合ガスを用いて形成した試料では、1×10−6A/cm2の電流密度の時に電界強度が6MV/cm以上、2MV/cmの電界強度の時に電流密度が3×10−10A/cm2以下となり、良好な絶縁膜特性を示した。これに対し、Krガスの分圧の割合Prが95%となるような混合ガスを用いて形成した試料では、2mv/cmの電界強度の時に電流密度が5×10−9A/cm2まで増大する結果となった。この測定結果より、Krガスの分圧の割合Prが85%以下となるような混合ガスを用いて成膜することで、絶縁膜特性の良好なSiO2膜が得られることがわかった。 For each of these samples, the current-voltage characteristics of the SiO 2 film were evaluated. The result has a good qualitative correspondence with the above-mentioned FTIR spectrum (see FIG. 5). That is, in a sample formed using a mixed gas in which the Kr gas partial pressure ratio Pr is 85% or less, the electric field strength is 6 MV / cm or more at a current density of 1 × 10 −6 A / cm 2 , When the electric field strength was 2 MV / cm, the current density was 3 × 10 −10 A / cm 2 or less, indicating good insulating film characteristics. On the other hand, in a sample formed using a mixed gas in which the Kr gas partial pressure ratio Pr is 95%, the current density is 5 × 10 −9 A / cm 2 when the electric field strength is 2 mv / cm 2. Increased results. From this measurement result, it was found that a SiO 2 film having good insulating film characteristics can be obtained by forming a film using a mixed gas in which the Kr gas partial pressure ratio Pr is 85% or less.
以上の評価から、Kr混合比率を15%乃至85%、さらに好ましくは、20%乃至80%とすることで、膜厚の面内分布が小さく、絶縁耐圧、リーク電流特性に優れた酸化シリコン膜を得られることが分かった。また、この効果は、電源周波数が40MHzの場合に限らず、1.6MHzの高周波から2.45GHzのマイクロ波帯域の範囲で同様の効果を得ることができることが、本願の発明者らによって確認された。 From the above evaluations, a silicon oxide film having a small in-plane distribution of film thickness and excellent withstand voltage and leakage current characteristics by setting the Kr mixing ratio to 15% to 85%, more preferably 20% to 80%. I found out that The inventors of the present application have confirmed that this effect can be obtained not only in the case where the power supply frequency is 40 MHz, but also in the microwave band from 1.6 MHz to 2.45 GHz. It was.
以上のように、本実施形態の成膜方法及び半導体素子の形成方法によれば、Ar、Kr、及び、Xeのうち少なくとも1種以上を有する希ガスとしてのKrガスを、分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスとしてのTEOSガスと酸化性ガスとしての酸素ガスとを含む混合ガス中に存在させている。したがって、被処理基板21やこの被処理基板21上に形成される酸化シリコン膜22に与えるプラズマ損傷を抑制しつつ、被処理基板21上に酸化シリコン膜22を均一に形成することができる。
As described above, according to the film forming method and the semiconductor element forming method of the present embodiment, Kr gas as a rare gas having at least one of Ar, Kr, and Xe is divided into a partial pressure ratio Pr. Is a mixed gas containing TEOS gas as an organic silicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule and oxygen gas as an oxidizing gas, so that the ratio is 15% ≦ Pr ≦ 85% Exist inside. Therefore, the
以下、本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態では、第1の実施形態で説明した成膜方法を用いて、半導体素子としてのトップゲート型TFTを形成する方法の一例を説明する。 Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, an example of a method for forming a top gate TFT as a semiconductor element using the film formation method described in the first embodiment will be described.
図6は、半導体素子並びに半導体装置としてのトップゲート型TFT30の一例を示している。図6中符号31は絶縁基板例えばガラス製の基体、符号32はガラス製の基体31上に設けられたSiO2からなるバッファ層、符号33は半導体層、符号34は不純物が高濃度に導入例えばイオン注入されたソース領域、符号35は不純物が高濃度に導入例えばイオン注入されたドレイン領域、符号36はチャネル領域、符号37は上記成膜方法により形成されたSiO2からなるゲート絶縁膜、符号38はAlからなるゲート電極、符号39はSiO2からなる層間絶縁膜、符号40はソース電極、符号41はドレイン電極を示している。
FIG. 6 shows an example of a top
以下、TFT30の形成方法を説明する。まず、基体31の一方の面上の略全面に、バッファ層32としてのSiO2膜を形成する。このバッファ層32上に、例えば減圧CVD法等により、アモルファスシリコン(α-Si)層を形成する。窒素ガス雰囲気中で脱水素処理を行う。その後、α-Si層に対してエキシマレーザを用いたレーザーアニール(laser annealing)による結晶化を行う。これにより、多結晶シリコン層からなる半導体層33が形成される。本実施形態においては、この状態が被処理基板50となる。すなわち、被処理基板50は、基体31、この基体31上に形成されたバッファ層32、このバッファ層32上に互いに並べて形成された複数の半導体層33とを有している。
Hereinafter, a method for forming the
なお、液晶表示装置等、複数のTFT30が互いに並んで形成されるような場合には、多結晶シリコン層に対してスピンコート法等により感光性樹脂であるレジスト膜を塗布し、フォトリソグラフィー工程によってレジスト膜(resist-film)の露光・現像を行うことで、複数の半導体層33を同時に形成することができる。
In the case where a plurality of
島状の半導体層33を覆うように、SiO2からなるゲート絶縁膜37を形成する。ゲート絶縁膜37は、第1の実施形態で説明した成膜方法によって形成することができる。ゲート絶縁膜37上に、複数のゲート電極38となる金属膜(例えば、Al膜)をスパッタ法等により成膜する。
A
なお、表示装置例えば液晶表示装置等表示駆動する、複数のTFT30が液晶表示装置の画素選択のためのスイッチング素子として互いに並んで形成されるような場合には、フォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて、各半導体層33の上方に複数のゲート電極38を同時に形成すればよい。
In the case where a plurality of
半導体層33に対して、例えばリン(P)のような不純物を高濃度にイオン注入等によりドーピングする。これにより、ソース領域34及びドレイン領域35が形成されるとともに、不純物が導入されていないチャネル領域36が形成される。
The
プラズマCVD法によりゲート電極38を覆うようにSiO2を堆積させ、600℃で熱処理を行う。これにより、層間絶縁膜39が形成される。フォトリソグラフィー法およびエッチング法を用いて、ソース領域34及びドレイン領域35に夫々対応するコンタクトホール42,43を形成する。コンタクトホール42を介してソース領域34と接続するように、ソース電極40を形成する。コンタクトホール43を介してドレイン領域35と接続するように、ドレイン電極41を形成する。以上により、半導体素子としてのTFT30の形成が完了する。
SiO 2 is deposited so as to cover the
このTFT30は、表示装置、例えば、液晶表示装置100が備えるスイッチング素子として好適に用いることができる。
The
図6及び図7は、アクティブマトリックス型の液晶表示装置100の一例を示している。この液晶表示装置100は、一対の基体としての一対の透明基体101,31、液晶層102、画素電極106、走査配線107、信号配線108、対向電極109、複数のTFT30、走査線駆動回路111、信号線駆動回路112、液晶コントローラ113等を備えている。
6 and 7 show an example of the active matrix type liquid
一対の透明基体101,31としては、例えば一対のガラス板を用いることができる。これら基体101,31は、図示しない枠状のシール材を介して接合されている。液晶層102(図6参照)は、一対の透明基体101,31の間の前記シール材により囲まれた領域に設けられている。
For example, a pair of glass plates can be used as the pair of
一対の透明基体101,31のうちの一方の透明基体、例えば後側の透明基体31の内面には、バッファ層32(図6参照)、行方向および列方向にマトリックス状に設けられた複数の画素電極106(図7参照)、複数の画素電極106と夫々電気的に接続された複数のTFT30、複数のTFT30と電気的に接続された走査配線107(図7参照)、及び複数のTFT30と電気的に接続された信号配線108(図7参照)等が設けられている。
On the inner surface of one of the pair of
走査配線107は、行方向(図7において水平方向)に沿わせて夫々設けられている。これら走査配線107の一端は走査線駆動回路111と電気的に接続されている。走査配線107は、例えば、TFT30が備えるゲート電極38と一体に形成されている。一方、信号配線108は、画素電極106の列方向(図7において垂直方向)に沿わせて夫々設けられている。これら信号配線108の一端は信号線駆動回路112と電気的に接続されている。信号配線108は、例えば、TFT30が備えるドレイン電極41と一体に形成されている。
The
走査線駆動回路111および信号線駆動回路112は液晶コントローラ113に接続されている。液晶コントローラ113は、例えば外部から供給される画像信号及び同期信号を受け取り、画素映像信号Vpix、垂直走査制御信号YCT、及び水平走査制御信号XCTを発生する。
The scanning
他方の透明基体である前側(図6において上側)の透明基体101の内面には、複数の画素電極106に対向する一枚膜状の透明な対向電極109が設けられている。対向電極109は、例えばITO等の透明電極からなる。また、前側の透明基体101の内面或いは後側の透明基体31の内面には、複数の画素電極106と対向電極109とが互いに対向する複数の画素領域に対応させてカラーフィルタを設けたり、或いは、前記画素領域の間の領域に対応させて遮光膜を設けたりしてもよい。
On the inner surface of the
一対の透明基体101,31の外側には図示しない偏光板が設けられている。また、液晶表示装置100を透過型とする場合、後側の透明基体31の後方には図示しないバックライトが設けられている。なお、液晶表示装置100は、反射型或いは半透過反射型としてもよい。さらに、表示装置は、液晶表示装置に限定されるものではなく、有機ELや無機EL表示装置等としてもよい。
A polarizing plate (not shown) is provided outside the pair of
本実施形態の成膜方法で形成されたゲート絶縁膜(SiO2膜)37の特性を以下のようにして評価した。
まず、TEOS/O2混合比が1/5、Krガスの混合比率が50%の混合ガスを用意した。1μm幅のTFTが1000個相当の第1のTEG、すなわち、1000個相当のTFTパターンが形成された被処理基板に、上記混合ガスを用いて膜厚30nmのPE−CVD膜(SiO2膜)を形成したTEGを形成した。なお、PE−CVD膜の形成方法は、第1及び第2の実施形態の成膜方法と同様の条件で行った。これに対し、1μm幅のTFTが1000個相当の第2のTEG、すなわち、1000個相当のTFTパターンが形成された被処理基板に、950℃のドライ酸化により熱酸化膜を形成したTEGを形成した。
The characteristics of the gate insulating film (SiO 2 film) 37 formed by the film forming method of this embodiment were evaluated as follows.
First, a mixed gas having a TEOS / O 2 mixing ratio of 1/5 and a Kr gas mixing ratio of 50% was prepared. A PE-CVD film (SiO 2 film) having a film thickness of 30 nm using the mixed gas on a substrate to be processed on which a first TEG corresponding to 1000 TFTs each having a width of 1 μm, that is, a TFT pattern corresponding to 1000 pieces, is formed. A TEG with a formed was formed. The method for forming the PE-CVD film was performed under the same conditions as the film forming methods of the first and second embodiments. In contrast, a second TEG corresponding to 1000 TFTs each having a width of 1 μm, that is, a TEG in which a thermal oxide film is formed by dry oxidation at 950 ° C. on a substrate to be processed on which 1000 TFT patterns are formed. did.
これらのTEGについて、電流−電界特性を測定した。図8にその測定結果を示す。一般に、熱酸化膜は、リーク電流が小さく、電流−電界特性に優れた絶縁膜であることが知られている。つまり、図8に示す結果から、第1及び第2の実施形態の成膜方法で形成したPE−CVD膜は、電流−電界特性に優れた熱酸化膜と同程度の電流−電界特性を有する絶縁膜であることがわかった。 For these TEGs, current-electric field characteristics were measured. FIG. 8 shows the measurement results. In general, it is known that a thermal oxide film is an insulating film having a small leakage current and excellent current-electric field characteristics. That is, from the results shown in FIG. 8, the PE-CVD film formed by the film forming method of the first and second embodiments has the same current-electric field characteristics as the thermal oxide film having excellent current-electric field characteristics. It was found to be an insulating film.
次に、TEOS/O2混合比を1/5に固定するとともに、Krガスの混合比率を種々に変化させた8種の混合ガスを用意した。これらの混合ガスを使用し、200nmの段差を有する基板に、30nmの膜厚のSiO2膜を形成し、その断面形状を透過型電子顕微鏡(TEM)及び走査型電子顕微鏡(SEM)によって観察した。 Next, eight kinds of mixed gases were prepared in which the TEOS / O 2 mixing ratio was fixed to 1/5 and the mixing ratio of Kr gas was variously changed. Using these mixed gases, a SiO 2 film having a thickness of 30 nm was formed on a substrate having a step of 200 nm, and the cross-sectional shape thereof was observed with a transmission electron microscope (TEM) and a scanning electron microscope (SEM). .
Kr比率を変化させるとSiO2膜の形成速度は変化するが、段差部のカバレッジに関してはあまり影響を受けず、良好なカバレッジ特性を得ることができることがわかった。図9は、Kr混合比50%のときの断面TEM像、図10は、Kr混合比50%のときの断面SEM像を代表させて示している。図9及び図10に示す写真から、下段平坦部の膜厚で規格化すると、段差部上段平坦部では最大1.08倍、側壁部では最小0.80倍の膜厚となり、良好なカバレッジが得られていることが分かった。この結果より、第1及び第2の実施形態の成膜方法で形成したPE−CVD膜は、島状の半導体層を覆うゲート絶縁膜として好適に用いることができることがわかった。 It was found that when the Kr ratio is changed, the formation rate of the SiO 2 film changes, but the coverage of the stepped portion is not affected so much and good coverage characteristics can be obtained. FIG. 9 shows a cross-sectional TEM image when the Kr mixing ratio is 50%, and FIG. 10 shows a cross-sectional SEM image when the Kr mixing ratio is 50%. 9 and 10, when normalized by the film thickness of the lower flat part, the film thickness is 1.08 times maximum at the upper flat part of the step part and 0.80 times minimum at the side wall part, and good coverage is obtained. It turns out that it is obtained. From this result, it was found that the PE-CVD film formed by the film forming methods of the first and second embodiments can be suitably used as a gate insulating film covering the island-shaped semiconductor layer.
以上のように、上述した第1の本実施形態の成膜方法によれば、基板の大きさによらず、段差部において良好なカバレッジを得ることができる。したがって、大型液晶表示装置に適用されるような大型基板であっても、カバレッジの良い膜を大面積で均一に形成することができる。 As described above, according to the film forming method of the first embodiment described above, good coverage can be obtained at the stepped portion regardless of the size of the substrate. Therefore, a film with good coverage can be uniformly formed in a large area even for a large substrate applied to a large liquid crystal display device.
また、本実施形態の半導体素子の形成方法(TFT30の形成方法)によれば、ステップカバレッジが良好なゲート絶縁膜37を得ることができる。つまり、半導体層33近傍、すなわち、段差部におけるカバレッジの良好な(リーク電流が小さい)TFTを得ることができる。
In addition, according to the method for forming a semiconductor element of this embodiment (the method for forming the TFT 30), the
以下、本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態では、本発明の成膜方法の一実施形態について説明する。 Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, an embodiment of the film forming method of the present invention will be described.
まず、被処理基板を用意する。被処理基板としては、例えば、シリコン基板、液晶表示装置の表示回路を形成する際等に好適に用いることができるガラス基板、或いはプラスチック基板等、種々の基板を広く用いることができる。本実施形態では、例えば、シリコン基板(シリコンウエハ)を用いている。 First, a substrate to be processed is prepared. As the substrate to be processed, various substrates such as a silicon substrate, a glass substrate that can be suitably used for forming a display circuit of a liquid crystal display device, or a plastic substrate can be widely used. In this embodiment, for example, a silicon substrate (silicon wafer) is used.
次に、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、窒素ガスとを含み、且つ、窒素ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるような混合ガスを用意する。本実施形態では、例えば、有機シリコン化合物ガスとしてTEOSガス、酸化性ガスとしてO2ガスを用いている。また、混合ガス中のTEOSガスと酸素ガスの混合比率を1:5とし、混合ガスの全圧を100%とした場合のN2ガスの分圧の割合Pr(希釈率)を50%としている。この混合ガスを図示しないシリンダ内に収容する。ガス導入部11aを介してチャンバ11内と連通するように、このシリンダをプラズマCVD装置10に取付ける。
Next, an organic silicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule, an oxidizing gas, and a nitrogen gas, and the ratio Pr of the partial pressure of the nitrogen gas is 15% ≦ A mixed gas is prepared so that Pr ≦ 85%. In this embodiment, for example, TEOS gas is used as the organic silicon compound gas, and O 2 gas is used as the oxidizing gas. Further, the ratio Pr (dilution rate) of the partial pressure of N 2 gas when the mixing ratio of TEOS gas and oxygen gas in the mixed gas is 1: 5 and the total pressure of the mixed gas is 100% is 50%. . This mixed gas is accommodated in a cylinder (not shown). This cylinder is attached to the
被処理基板を、図1に示すプラズマCVD装置10のチャンバ11内に搬入する。その後180Paの圧力となるように、ガス導入部11aを介してチャンバ11内に前記混合ガスを供給する。なお、有機シリコン化合物ガス、酸化性ガス、及び窒素ガスは、各々の分圧が所定の値となるようにこれらのガスをチャンバ11内に導入することで、チャンバ11内において混合ガスとしても良い。その場合には、チャンバ11には、有機シリコン化合物ガスシリンダ、酸化性ガスシリンダ、及び窒素ガスシリンダに夫々対応させて、3つのガス導入部を設けておくのが好ましい。
The substrate to be processed is carried into the
加熱手段17を稼動させ、被処理基板を300℃に加熱するとともに、被処理基板21をこの基板温度を保つ。高周波電源装置14を稼動させ、整合器15を介して一方の電極12に、500W、40MHzの高周波電力を供給する。これにより、チャンバ11内にプラズマが発生する。チャンバ11内はN2ガスが豊富であるため、プラズマ中で励起されたN2からO2ガスにエネルギーが伝達され、チャンバ11内において効率良く酸素原子が発生する。これにより、被処理基板の表面に酸化シリコンが堆積する。また、チャンバ11内には、N2ガスが豊富であるため、N2ガスから生じるN原子が、この酸化シリコン内に取り込まれる。結果として、被処理基板上には、酸窒化シリコン膜(a−SiON膜)が形成される。以上により、被処理基板上への成膜が完了する。なお、重複する説明は省略するが、この成膜方法は、第1の実施形態で説明したMOS素子や第2の実施形態で説明したTFT等といった半導体素子を形成する際に、同様にして適用することができる。
The heating means 17 is operated to heat the substrate to be processed to 300 ° C., and the substrate to be processed 21 is kept at this substrate temperature. The high frequency
本実施形態の成膜方法で形成されたa−SiO:N膜の特性を、2次イオン質量分析法によって評価した(図11参照)。その結果、被処理基板上に、膜中に2×1020/cm3のN原子を含むa−SiO:N膜が形成されていることが確認された。また、プラズマ中での窒素希釈量(Pr)を制御することにより、膜厚方向での窒素原子量を制御することができることがわかった。 The characteristics of the a-SiO: N film formed by the film forming method of this embodiment were evaluated by secondary ion mass spectrometry (see FIG. 11). As a result, it was confirmed that an a-SiO: N film containing 2 × 10 20 / cm 3 N atoms was formed on the substrate to be processed. It was also found that the amount of nitrogen atoms in the film thickness direction can be controlled by controlling the amount of nitrogen dilution (Pr) in the plasma.
さらに、図示しないが、このa−SiO:N膜をシリコン段差上に形成し、断面形状をTEMにて観察した。このTEM写真から、側壁部で0.08以上の良好なカバレッジが得られることがわかった。 Further, although not shown, this a-SiO: N film was formed on a silicon step, and the cross-sectional shape was observed with a TEM. From this TEM photograph, it was found that good coverage of 0.08 or more was obtained at the side wall.
以上のように、本実施形態の成膜方法及び半導体素子の形成方法によれば、N2ガスを、分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスとしてのTEOSガスと酸化性ガスとしての酸素ガスとを含む混合ガス中に存在させている。したがって、被処理基板やこの被処理基板に形成される酸窒化シリコン膜に与えるプラズマ損傷を抑制しつつ、被処理基板に酸窒化シリコン膜を均一に形成することができる。 As described above, according to the film formation method and the semiconductor element formation method of the present embodiment, N 2 gas is at least contained in one molecule so that the partial pressure ratio Pr is 15% ≦ Pr ≦ 85%. It exists in the mixed gas containing TEOS gas as an organic silicon compound gas which has a silicon atom, a carbon atom, and an oxygen atom, and oxygen gas as an oxidizing gas. Therefore, the silicon oxynitride film can be uniformly formed on the target substrate while suppressing plasma damage to the target substrate and the silicon oxynitride film formed on the target substrate.
なお、本発明の成膜方法及び半導体素子の形成方法は、上記第1乃至第3の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。本実施形態では、半導体素子の形成方法として、MOS素子の形成方法及びトップゲート型TFTの形成方法を例にとって説明したが、本発明の半導体素子の形成方法は、MOS素子やトップゲート型TFTだけでなく、半導体素子や表示装置等にシリコン系絶縁膜(酸化シリコン膜又は酸窒化シリコン膜)を設ける場合に広く適用することができる。 The film forming method and the semiconductor element forming method of the present invention are not limited to the first to third embodiments, and can be variously changed without departing from the scope of the invention. . In this embodiment, the MOS element formation method and the top gate TFT formation method have been described as examples of the semiconductor element formation method. However, the semiconductor element formation method of the present invention is limited to the MOS element and the top gate TFT. In addition, the present invention can be widely applied when a silicon insulating film (a silicon oxide film or a silicon oxynitride film) is provided in a semiconductor element, a display device, or the like.
本発明の成膜方法は、例えば半導体集積回路装置に適用される半導体素子や液晶表示装置のような表示装置を形成するため等に好適に用いることができる。また、本発明の半導体素子の形成方法は、例えば薄膜トランジスタ(TFT)等の半導体素子を形成する際に好適に用いることができる。さらに、本発明の成膜方法は、半導体装置が備えるトランジスタのゲート絶縁膜等を形成する際に好適に用いることができる。また、本発明の半導体素子の形成方法は、例えば液晶表示装置や有機及び無機EL表示装置のようなTFTを備える表示装置を形成する場合に好適に用いることができる。これらの半導体素子や装置の製造プロセスで使用される絶縁膜形成方法として、高カバレッジでリーク電流の少ない絶縁膜を得ることができる。 The film forming method of the present invention can be suitably used for forming a display device such as a semiconductor element or a liquid crystal display device applied to a semiconductor integrated circuit device, for example. Further, the method for forming a semiconductor element of the present invention can be suitably used for forming a semiconductor element such as a thin film transistor (TFT). Furthermore, the film formation method of the present invention can be suitably used when forming a gate insulating film or the like of a transistor included in a semiconductor device. Moreover, the method for forming a semiconductor element of the present invention can be suitably used for forming a display device including a TFT such as a liquid crystal display device or an organic or inorganic EL display device. As a method for forming an insulating film used in the manufacturing process of these semiconductor elements and devices, an insulating film with high coverage and low leakage current can be obtained.
10…プラズマCVD装置、 11…チャンバ(プラズマ処理容器)、20…MOS素子 、21…被処理基板、 30…TFT(半導体素子)、 50…被処理基板
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、被処理基板に酸化シリコン膜を形成する膜形成工程と、を有していることを特徴とする成膜方法。 A mixed gas containing an organosilicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule, an oxidizing gas, and a rare gas having at least one of argon, krypton, and xenon, Supplying the rare gas partial pressure ratio Pr into the plasma processing chamber such that 15% ≦ Pr ≦ 85%;
Forming a silicon oxide film on the substrate to be processed by generating plasma in the plasma processing container to decompose the organic silicon compound gas and the oxidizing gas with the plasma. A characteristic film forming method.
前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、被処理基板に酸窒化シリコン膜を形成する膜形成工程と、を有していることを特徴とする成膜方法。 When a mixed gas containing an organosilicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule, an oxidizing gas, and a nitrogen gas is used, the nitrogen gas partial pressure ratio Pr is 15% ≦ Pr. Supplying into the plasma processing container so that ≦ 85%;
And a film forming step of generating a plasma in the plasma processing container to decompose the organic silicon compound gas and the oxidizing gas with the plasma to form a silicon oxynitride film on the substrate to be processed. A film forming method characterized by the above.
一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、アルゴン、クリプトン、及びキセノンのうち少なくとも1種以上を有する希ガスとを含む混合ガスを、前記希ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、前記プラズマ処理容器内に供給する工程と、
前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、前記半導体層に酸化シリコン膜を形成する工程と、を有していることを特徴とする半導体素子の形成方法。 Preparing a substrate to be processed having a semiconductor at least in part and storing it in a plasma processing vessel;
A mixed gas containing an organosilicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule, an oxidizing gas, and a rare gas having at least one of argon, krypton, and xenon, Supplying the rare gas partial pressure ratio Pr into the plasma processing chamber so that the ratio Pr is 15% ≦ Pr ≦ 85%;
Generating plasma in the plasma processing vessel to decompose the organic silicon compound gas and the oxidizing gas with plasma to form a silicon oxide film on the semiconductor layer. A method for forming a semiconductor element.
一分子中に少なくともシリコン原子、炭素原子、及び酸素原子を有する有機シリコン化合物ガスと、酸化性ガスと、窒素ガスとを含む混合ガスを、前記窒素ガスの分圧の割合Prが15%≦Pr≦85%となるように、前記プラズマ処理容器内に供給する工程と、
前記プラズマ処理容器内にプラズマを発生させて前記有機シリコン化合物ガス及び前記酸化性ガスをプラズマにて分解させ、前記半導体層に酸窒化シリコン膜を形成する工程と、を有していることを特徴とする半導体素子の形成方法。 Preparing a substrate to be processed having a semiconductor at least in part and storing it in a plasma processing vessel;
When a mixed gas containing an organosilicon compound gas having at least silicon atoms, carbon atoms, and oxygen atoms in one molecule, an oxidizing gas, and a nitrogen gas is used, the nitrogen gas partial pressure ratio Pr is 15% ≦ Pr. Supplying the plasma processing vessel so that ≦ 85%;
Generating plasma in the plasma processing vessel to decompose the organic silicon compound gas and the oxidizing gas with plasma to form a silicon oxynitride film on the semiconductor layer. A method for forming a semiconductor element.
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