JP2002368013A - Cmos thin-film transistor and its manufacturing method - Google Patents

Cmos thin-film transistor and its manufacturing method

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JP2002368013A
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film
crystal
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太久夫 田村
Kiyoshi Ogata
潔 尾形
Yukio Takasaki
幸男 高崎
Jun Goto
順 後藤
Katsutoshi Saito
勝俊 斉藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control crystal orientation when an amorphous silicon film is crystallized by a laser annealing method. SOLUTION: A polycrystalline silicon film where laser annealing is made is subjected to ion implantation for forming a seed crystal having a specific orientation, and then solid-phase growth is made, thus controlling the crystal orientation. At this time, the depth of ion implantation is controlled, thus creating the regions of n and p channels in the same process.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は低温poly−Si
を用いた薄膜トランジスタ素子に係り、特にpチャンネ
ル型及びnチャンネル型のCMOS薄膜トランジスタ並
びにその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low-temperature poly-Si
More particularly, the present invention relates to p-channel and n-channel CMOS thin film transistors and a method of manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、フラットパネルディスプレイに用
いられている薄膜半導体素子は、例えば(1)‘99年
最新液晶プロセス技術(日経BP社刊,1999年)5
4頁に記載されているように、ガラス基板上にPE−C
VD(Plasma Enhancement Chemical Vapor Depositio
n)法を用いて非晶質シリコン膜を形成した後、この非
晶質シリコン膜に含まれる水素を低減するための脱水素
アニール処理を行い、次にエキシマレーザアニール処理
によって多結晶化していた。
2. Description of the Related Art Conventionally, thin-film semiconductor elements used in flat panel displays include, for example, (1) the latest liquid crystal process technology in 1999 (published by Nikkei BP, 1999).
As described on page 4, PE-C
VD (Plasma Enhancement Chemical Vapor Depositio
After forming an amorphous silicon film using the n) method, a dehydrogenation annealing process was performed to reduce hydrogen contained in the amorphous silicon film, and then polycrystallized by an excimer laser annealing process. .

【0003】また例えば、(2)特開平8−10254
3号公報に記載された結晶性半導体薄膜の形成方法によ
れば、多結晶シリコン膜を形成した後、その多結晶シリ
コン膜を、マスクを用いたイオン注入によって、(11
0)の結晶方位を持った微結晶シリコン領域と、完全に
非晶質となった領域を隣接させた部分を形成し、その微
結晶シリコン領域を結晶成長核にして、隣接した非晶質
シリコン領域を結晶化することで大粒径の多結晶シリコ
ン膜を所望の位置に生成していた。
[0003] For example, (2) Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-10254
According to the method for forming a crystalline semiconductor thin film described in Japanese Patent Application Publication No. 3 (1999), after a polycrystalline silicon film is formed, the polycrystalline silicon film is ion-implanted using a mask (11).
A microcrystalline silicon region having a crystal orientation of 0) is formed adjacent to a completely amorphous region, and the microcrystalline silicon region is used as a crystal growth nucleus to form an adjacent amorphous silicon region. By crystallizing the region, a polycrystalline silicon film having a large grain size is formed at a desired position.

【0004】また例えば、(3)特開平8−24200
2号公報に記載された薄膜集積回路の構成によれば、n
チャネル型トランジスタ及びpチャネル型トランジスタ
に用いる半導体薄膜それぞれの結晶粒径、結晶および非
結晶成分量を独立して制御することによって、nチャネ
ル型トランジスタ及びpチャネル型トランジスタの性能
を独立して制御していた。
Also, for example, (3) Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-24200
According to the configuration of the thin film integrated circuit described in Japanese Patent Publication No.
By independently controlling the crystal grain size and the amounts of crystalline and amorphous components of the semiconductor thin film used for the channel transistor and the p-channel transistor, the performance of the n-channel transistor and the p-channel transistor can be independently controlled. I was

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】半導体素子を高速動作
させるためには高いキャリア移動度を有することが必要
不可欠である。多結晶シリコンを用いて半導体素子を形
成する場合、キャリア移動度を阻害する原因の一つは、
結晶粒界の存在である。単結晶シリコンのように結晶粒
径が無限大に大きく、結晶粒界が存在しないことが理想
的である。そこで結晶粒界の影響をできるだけ少なくす
るために、より大結晶粒の多結晶シリコンを形成するこ
とで、単位面積当たりに占める結晶粒界数を低減させる
試みが検討されている。
In order to operate a semiconductor device at high speed, it is essential to have a high carrier mobility. When a semiconductor element is formed using polycrystalline silicon, one of the causes of inhibiting carrier mobility is as follows.
The existence of grain boundaries. Ideally, the crystal grain size is infinitely large like single-crystal silicon and there is no grain boundary. In order to reduce the influence of the crystal grain boundaries as much as possible, attempts are being made to reduce the number of crystal grain boundaries per unit area by forming polycrystalline silicon having larger crystal grains.

【0006】また多結晶シリコンのキャリア移動度を決
定する他の要因としては、結晶配向性が挙げられる。結
晶配向性が悪いと隣接する結晶粒子の間で電気的なバリ
アが生じるため、電子や正孔といったキャリアの伝達性
も低下する。電子をキャリアとするnチャネル型電界効
果トランジスタを(100)や(111)結晶面に、ま
た正孔をキャリアとするpチャネル型電界効果型トラン
ジスタを(110)結晶面に形成することが理想的であ
り、より効率的な電子及び正孔のキャリア伝達性を得る
ことができる。
Another factor that determines the carrier mobility of polycrystalline silicon is the crystal orientation. If the crystal orientation is poor, an electrical barrier is generated between adjacent crystal grains, so that the transferability of carriers such as electrons and holes also decreases. Ideally, an n-channel field effect transistor using electrons as carriers is formed on a (100) or (111) crystal plane, and a p-channel field effect transistor using holes as carriers is formed on a (110) crystal plane. Thus, more efficient electron and hole carrier transfer properties can be obtained.

【0007】上記した従来技術(1)で示したようにエ
キシマレーザアニール処理という方法を用いて非結晶シ
リコン膜の結晶化を行った場合,一般的には比較的低い
レーザエネルギー密度でのアニールではランダム配向の
多結晶シリコンが形成され、レーザエネルギー密度を増
加させることによって(111)結晶面が優先的に配向
する。この技術においては、nチャネル型電界効果トラ
ンジスタ及びpチャネル型電界効果トランジスタそれぞ
れの多結晶シリコン結晶面の配向を独立して制御するこ
とは不可能であった。
When the amorphous silicon film is crystallized by using the excimer laser annealing method as shown in the above-mentioned prior art (1), generally, annealing at a relatively low laser energy density is performed. Polycrystalline silicon with random orientation is formed, and the (111) crystal plane is preferentially oriented by increasing the laser energy density. In this technique, it has been impossible to independently control the orientation of the polycrystalline silicon crystal plane of each of the n-channel field-effect transistor and the p-channel field-effect transistor.

【0008】一方、上記した従来技術(2)を用いた場
合、イオン注入による結晶成長核生成の段階で(11
0)結晶面以外の結晶成長核すべてを完全に破壊してし
まうため、基板上に(110)結晶配向以外のポリシリ
コン膜を成長させることは不可能である。
On the other hand, when the above-mentioned prior art (2) is used, (11)
0) Since all the crystal growth nuclei other than the crystal plane are completely destroyed, it is impossible to grow a polysilicon film other than the (110) crystal orientation on the substrate.

【0009】上記した従来技術(3)では、nチャネル
型トランジスタとpチャネル型トランジスタ形成部分の
それぞれにおいて、異なる結晶粒径あるいは異なる結晶
・非晶質比とすることによって、異なるキャリア移動度
を得ていた。しかしこの方法ではキャリア移動度の大小
を制御することは可能であっても、本質的にnチャネル
型トランジスタとpチャネル型トランジスタとを両立さ
せて最適な電気特性を得ることは不可能である。
In the above-mentioned prior art (3), different carrier mobilities can be obtained by using different crystal grain sizes or different crystal / amorphous ratios in each of the n-channel transistor and p-channel transistor formation portions. I was However, with this method, it is possible to control the magnitude of the carrier mobility, but it is essentially impossible to obtain the optimum electrical characteristics by making the n-channel transistor and the p-channel transistor compatible.

【0010】本発明の目的は,上記した課題を解決し、
例えばSiOを主成分とするようなガラス基板の上方
に、多結晶シリコン薄膜を成長させる場合においても、
nチャネル型トランジスタ及びpチャネル型トランジス
タを構成するそれぞれの多結晶シリコン薄膜の結晶配向
を制御し、かつ大きな移動度を有するCMOS型トラン
ジスタを提供することにある。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems,
For example, even when a polycrystalline silicon thin film is grown above a glass substrate containing SiO 2 as a main component,
It is an object of the present invention to provide a CMOS transistor which controls the crystal orientation of each polycrystalline silicon thin film constituting an n-channel transistor and a p-channel transistor and has a large mobility.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記した目的は、基板の
上方に積層して設けられた多結晶シリコン薄膜と、チャ
ネル領域と、絶縁膜と、ゲート電極と、ソース電極と、
ドレイン電極とを備えるようにし、ソース電極とドレイ
ン電極とが多結晶シリコン薄膜の少なくとも一部の領域
に上記したチャネル領域を挟んで設けられたソース領域
とドレイン領域とに各々接続されてなる薄膜トランジス
タであって、この薄膜トランジスタは電子をキャリアと
するnチャネル型電界効果薄膜トランジスタと正孔をキ
ャリアとするpチャネル型電界効果薄膜トランジスタに
よって構成され、nチャネル型電界効果薄膜トランジス
タは基板の面に対して略平行な方向に(111)優先配
向した結晶を少なくともその一部に内在させ、またpチ
ャネル型電界効果薄膜トランジスタは基板の面に対して
略平行な方向に(110)優先配向した結晶を少なくと
もその一部に内在させてCMOS型薄膜トランジスタを
形成することにより達成される。
An object of the present invention is to provide a polycrystalline silicon thin film provided over a substrate, a channel region, an insulating film, a gate electrode, a source electrode,
A thin film transistor comprising a drain electrode, and a source electrode and a drain electrode connected to a source region and a drain region, respectively, which are provided on at least a part of the polycrystalline silicon thin film with the channel region interposed therebetween. The thin film transistor is composed of an n-channel type field effect thin film transistor using electrons as carriers and a p-channel type field effect thin film transistor using holes as carriers. The n-channel type field effect thin film transistor is substantially parallel to the surface of the substrate. At least a part of the crystal has a (111) preferential orientation in the direction, and the p-channel field-effect thin film transistor has at least a part of the (110) preferential crystal in a direction substantially parallel to the surface of the substrate. By forming a CMOS thin film transistor internally It is achieved.

【0012】また本発明では、多結晶シリコン薄膜にお
いて、(111)結晶格子面によるX線回折強度と(2
20)結晶格子面によるX線回折強度から求めた結晶配
向指数Aが、nチャネル型電界効果薄膜トランジスタ領
域において0.75≦A≦1.0の範囲を満たし、かつ
pチャネル型電界効果トランジスタ領域においてA≦
0.3の範囲を満たすようにすることにより達成され
る。但し、上記した結晶配向指数A={(111)回折
強度/100}/{(111)回折強度/100+(2
20)回折強度/55}で定義される。
Further, according to the present invention, in the polycrystalline silicon thin film, the X-ray diffraction intensity due to the (111) crystal lattice plane and (2)
20) The crystal orientation index A obtained from the X-ray diffraction intensity by the crystal lattice plane satisfies the range of 0.75 ≦ A ≦ 1.0 in the n-channel type field effect thin film transistor region, and in the p channel type field effect transistor region A ≦
This is achieved by satisfying the range of 0.3. However, the above-mentioned crystal orientation index A = {(111) diffraction intensity / 100} / {(111) diffraction intensity / 100 + (2
20) Defined by diffraction intensity / 55 °.

【0013】また、nチャネル型及びpチャネル型電界
効果薄膜トランジスタ領域における多結晶シリコン薄膜
において、上記した結晶配向特性をそれぞれ有すること
によって、nチャネル型電界効果トランジスタ半導体薄
膜の平均電子移動度は少なくとも200cm/V・S
以上となり、またpチャネル型電界効果トランジスタ半
導体薄膜の平均ホール移動度が少なくとも100cm
/V・S以上とすることにより達成される。
The polycrystalline silicon thin films in the n-channel type and p-channel type field effect thin film transistor regions have the above-mentioned crystal orientation characteristics, respectively, so that the average electron mobility of the n channel type field effect transistor semiconductor thin film is at least 200 cm. 2 / VS
And the average hole mobility of the p-channel field effect transistor semiconductor thin film is at least 100 cm 2.
/ V · S or more.

【0014】そして本発明では、上記したnチャネル型
トランジスタとpチャネル型トランジスタそれぞれの結
晶配向性を制御した多結晶シリコン薄膜は、基板の上方
に非晶質シリコン薄膜を成膜する第1の工程と、この非
晶質シリコン薄膜にレーザ光を照射して非晶質シリコン
薄膜の少なくとも一部の領域を多結晶化する第2の工程
と、この多結晶シリコン膜上に任意の厚さの薄膜を成膜
する第3の工程と、第3の工程で成膜した薄膜を通し
て、特定原子を多結晶シリコン薄膜にイオン注入する第
4の工程と、前記第3の工程で成膜した薄膜を除去する
第5の工程と、イオン注入後の多結晶シリコン薄膜を熱
処理によって再結晶化する第6の工程を経て実現され
る。そして、この第3の工程のイオン注入時にマスクと
して用いる薄膜は、例えば酸化珪素膜が使用可能であ
る。
In the present invention, the above-mentioned polycrystalline silicon thin film in which the crystal orientation of each of the n-channel transistor and the p-channel transistor is controlled is formed by a first step of forming an amorphous silicon thin film above a substrate. A second step of irradiating the amorphous silicon thin film with a laser beam to polycrystallize at least a part of the amorphous silicon thin film; and forming a thin film of an arbitrary thickness on the polycrystalline silicon film. A fourth step of ion-implanting specific atoms into the polycrystalline silicon thin film through the thin film formed in the third step, and removing the thin film formed in the third step. And a sixth step of recrystallizing the polycrystalline silicon thin film after ion implantation by heat treatment. As the thin film used as a mask during the ion implantation in the third step, for example, a silicon oxide film can be used.

【0015】更に本発明では、nチャネル型トランジス
タとpチャネル型トランジスタそれぞれの多結晶シリコ
ン薄膜の結晶配向性を独立に制御するためには、第3の
工程で形成した薄膜をエッチング法を用いて膜厚の厚い
領域と膜厚の薄い領域とを選択的に形成し、この膜厚の
差を利用してイオン注入時におけるイオンの注入深さを
変化させることにより達成される。
Further, in the present invention, in order to independently control the crystal orientation of the polycrystalline silicon thin film of each of the n-channel transistor and the p-channel transistor, the thin film formed in the third step is etched by using an etching method. This is achieved by selectively forming a thick film region and a thin film region, and using this difference in film thickness to change the ion implantation depth during ion implantation.

【0016】そしてまた、上記した第4の工程におい
て、イオン注入エネルギーを制御することによってもイ
オン注入深さを変化させることが可能であるため、nチ
ャネル型トランジスタ及びpチャネル型トランジスタそ
れぞれの領域において多結晶シリコン薄膜の結晶配向性
を独立に制御することが可能である。また、この第4の
工程のイオン注入元素は、例えばSi元素を用いること
により達成される。
In the fourth step, since the ion implantation depth can be changed by controlling the ion implantation energy, the region of each of the n-channel transistor and the p-channel transistor can be changed. It is possible to independently control the crystal orientation of the polycrystalline silicon thin film. The ion implantation element in the fourth step is achieved by using, for example, a Si element.

【0017】更にまた、上記した第6の工程における半
導体薄膜の再結晶化処理を、ランプを用いたラピッドサ
ーマルアニーリング法あるいは450℃以下の雰囲気温
度における炉体中の熱処理法あるいはレーザ光を用いた
熱処理法を用いることによって実現される。
Further, the recrystallization treatment of the semiconductor thin film in the sixth step is performed by a rapid thermal annealing method using a lamp, a heat treatment method in a furnace at an atmosphere temperature of 450 ° C. or less, or a laser beam. This is realized by using a heat treatment method.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を用いて具体的に説明する。図1は一実施例である多
結晶シリコン薄膜の形成工程を説明するための工程概略
図である。先ず、図1(a)に示すように、ひとつの例
としてコーニング7059ガラスを基板101として、
このガラス基板上101に良く知られたプラズマCVD
法を用いて窒化珪素膜102(膜厚50nm)を形成す
る。そして、この上に同じくプラズマCVD法を用いて
酸化珪素膜103(膜厚100nm)を成膜する。更
に、プラズマCVD法を用いて非晶質シリコン膜(膜厚
50nm)を成膜104する。ガラス基板101は石英
やPET(ポリエチレンテレフタレート)等の透明基板
であっても良い。また、LPCVD法(低圧化学的気相
法)やスパッタリング法あるいは蒸着法等を用いて非晶
質シリコン膜104を形成しても良い。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a process schematic diagram for explaining a process of forming a polycrystalline silicon thin film according to one embodiment. First, as shown in FIG. 1A, as one example, Corning 7059 glass is used as a substrate 101.
Well-known plasma CVD on this glass substrate 101
A silicon nitride film 102 (with a thickness of 50 nm) is formed by using the method. Then, a silicon oxide film 103 (thickness: 100 nm) is formed thereon by the same plasma CVD method. Further, an amorphous silicon film (film thickness 50 nm) is formed 104 by using a plasma CVD method. The glass substrate 101 may be a transparent substrate such as quartz or PET (polyethylene terephthalate). Alternatively, the amorphous silicon film 104 may be formed by an LPCVD method (a low-pressure chemical vapor method), a sputtering method, an evaporation method, or the like.

【0019】次に、例えば450℃の炉体中で30分
間、上記した基板上の薄膜をアニール処理することによ
って、非晶質シリコン膜104中に含まれる水素の脱離
処理を行う。本実施例では、炉体中を窒素雰囲気にして
行った。その後、上記した脱水素処理を行った非晶質シ
リコン膜104を例えばXeClレーザ(波長308n
m)を用いてレーザ結晶化を行った。なお本実施例では
レーザ光のエネルギー密度は300〜500mJ/cm
とした。
Next, the thin film on the substrate is annealed for 30 minutes in a furnace at 450 ° C., for example, so that hydrogen contained in the amorphous silicon film 104 is eliminated. In the present embodiment, the furnace was set in a nitrogen atmosphere. Thereafter, the amorphous silicon film 104 on which the above-described dehydrogenation treatment has been performed is, for example, XeCl laser (wavelength 308 n).
m) was used for laser crystallization. In this embodiment, the energy density of the laser beam is 300 to 500 mJ / cm.
And 2 .

【0020】また本実施例では非晶質シリコン膜104
の同一個所に対してレーザ光を複数回照射することによ
り,非晶質シリコン膜104の結晶化を行っている。こ
こで、複数回照射する方法として,一回目のレーザ光を
照射したあと,レーザ光を所定の間隔で非晶質シリコン
膜104上をスキャンさせ、そして再びレーザ光の照射
を行なうというステップを繰り返すようにした。このよ
うにレーザ光の照射及び所定の間隔でスキャンを繰り返
すことによって、非晶質シリコン膜104の同一個所が
実質的には複数回のレーザ光が照射されることになる。
In this embodiment, the amorphous silicon film 104 is used.
By irradiating the same portion with laser light a plurality of times, the amorphous silicon film 104 is crystallized. Here, as a method of irradiating a plurality of times, the steps of irradiating the laser light on the amorphous silicon film 104 at predetermined intervals after irradiating the laser light for the first time and repeating the irradiation of the laser light again are repeated. I did it. By repeating laser light irradiation and scanning at predetermined intervals in this manner, the same portion of the amorphous silicon film 104 is substantially irradiated with laser light a plurality of times.

【0021】この様にして作製した多結晶シリコン結晶
薄膜についてX線回折測定を行い、結晶配向性の評価を
行った。その結果について、以下に説明する。図2は一
例として非晶質シリコン膜104に300mJ/cm2
のエネルギー密度で30回エキシマレーザを照射した直
後の多結晶シリコン薄膜のX線回折測定結果を示したも
のである。この図に示すように(111)結晶面を示す
(111)回折線と(110)結晶面とを示す(22
0)回折線が明瞭に観察された。
An X-ray diffraction measurement was performed on the polycrystalline silicon crystal thin film thus manufactured, and the crystal orientation was evaluated. The results will be described below. FIG. 2 shows an example in which the amorphous silicon film 104 has a thickness of 300 mJ / cm 2.
5 shows the results of X-ray diffraction measurement of a polycrystalline silicon thin film immediately after excimer laser irradiation at an energy density of 30 times. As shown in this figure, the (111) diffraction line indicating the (111) crystal plane and the (110) crystal plane indicate the (22).
0) Diffraction lines were clearly observed.

【0022】一般的に多結晶シリコン膜が完全にランダ
ム配向である場合、(111)回折強度:(220)回
折強度は100:55となる。そこで、今回多結晶シリ
コン膜の結晶配向性を評価する一つの指標として、この
(111)回折強度と(220)回折強度を用いて、以
下に示す配向指数Aを定義した。A={(111)回折
強度/100}/{(111)回折強度/100+(2
20)回折強度/55}上記の定義式を用いれば、配向
指数が1に近づくほど、より(111)優先配向である
ことを示しており、また配向指数が0に近づくほど、よ
り(110)優先配向であることを示している。またこ
の配向指数が0.5であればランダム配向であることを
示している。
Generally, when the polycrystalline silicon film is completely randomly oriented, the (111) diffraction intensity: (220) diffraction intensity is 100: 55. Therefore, as one index for evaluating the crystal orientation of the polycrystalline silicon film, the following orientation index A is defined using the (111) diffraction intensity and the (220) diffraction intensity. A = {(111) diffraction intensity / 100} / {(111) diffraction intensity / 100 + (2
20) Diffraction intensity / 55 ° Using the above definition expression, the closer the orientation index is to 1, the more the (111) preferred orientation is indicated, and the closer the orientation index is to 0, the more the (110) orientation. This indicates that the orientation is preferred. When the orientation index is 0.5, it indicates that the orientation is random orientation.

【0023】図3はレーザーエネルギー密度と配向指数
との関係を表わしている。レーザエネルギー密度が低い
場合の配向指数は0.5程度であることから、特定の結
晶方位が配向せず、いわゆるランダム配向であることが
判る。またレーザエネルギー密度の増加とともに配向指
数は1に近づき(111)優先配向することが判る。
FIG. 3 shows the relationship between the laser energy density and the orientation index. Since the orientation index when the laser energy density is low is about 0.5, it can be seen that a specific crystal orientation is not oriented but what is called random orientation. Also, it can be seen that the orientation index approaches 1 as the laser energy density increases, and the (111) preferential orientation occurs.

【0024】次に図1(b)に示すように、プラズマC
VD法を用いてSiOからなる絶縁膜105を多結晶
シリコン膜104上に形成する。この絶縁膜105はこ
の後引き続き行われるSiイオン注入の際のマスクとな
るものである。そこで、絶縁膜105の厚さによってイ
オン注入の深さを変化させることが出来るが、このとき
のイオン注入深さが多結晶シリコン膜の結晶性にどのよ
うに影響するかを検証するために、本実施例では10n
m、50nm、150nmの厚さの異なる絶縁膜105
を成膜した。この絶縁膜の膜厚が薄いほど注入イオンは
より深くまで到達することになる。
Next, as shown in FIG.
An insulating film 105 made of SiO 2 is formed on the polycrystalline silicon film 104 by using the VD method. This insulating film 105 serves as a mask for subsequent Si ion implantation. Therefore, the depth of the ion implantation can be changed depending on the thickness of the insulating film 105. In order to verify how the ion implantation depth at this time affects the crystallinity of the polycrystalline silicon film, In this embodiment, 10n
insulating films 105 having different thicknesses of m, 50 nm, and 150 nm
Was formed. As the thickness of the insulating film is smaller, the implanted ions reach deeper.

【0025】次に図1(c)に示すように、絶縁膜10
5を通して上記した多結晶シリコン膜104に対してイ
オン注入を行った。本実施例では、注入用イオンとして
Si原子を用いた。そして図1(d)に示すように、フ
ッ酸溶液を用いてイオン注入の際に用いた絶縁膜105
を完全に除去する。そして最後に、シリコン層に内在す
るイオン注入時のダメージを回復させ,再結晶化させる
ためにRTA(ラピッドサーマルアニーリング)法によ
るリカバリーアニールを行い、多結晶シリコン膜106
を形成した。なおダメージ層の活性化アニールはRTA
の代わりに炉体を用いたアニール処理であっても可能で
ある。
Next, as shown in FIG.
5, ions were implanted into the polycrystalline silicon film 104 described above. In the present embodiment, Si atoms were used as ions for implantation. Then, as shown in FIG. 1D, the insulating film 105 used for ion implantation using a hydrofluoric acid solution is used.
Is completely removed. Finally, recovery annealing by RTA (rapid thermal annealing) is performed to recover damage due to ion implantation existing in the silicon layer and to recrystallize the silicon layer.
Was formed. The activation annealing of the damaged layer is performed by RTA.
Instead, an annealing process using a furnace body is also possible.

【0026】図4には、絶縁膜105の膜厚を10n
m、50nm、150nmと変化させた場合について、
多結晶シリコン膜106の結晶配向性とレーザーエネル
ギー密度との関係を示す。結晶配向性は前述した配向指
数Aを用いて示してある。なお本実施例では、Siイオ
ン注入の際の加速エネルギーは50keVとした。
FIG. 4 shows that the thickness of the insulating film 105 is 10 n.
m, 50 nm, and 150 nm.
The relationship between the crystal orientation of the polycrystalline silicon film 106 and the laser energy density is shown. The crystal orientation is shown using the orientation index A described above. In this example, the acceleration energy at the time of Si ion implantation was set to 50 keV.

【0027】絶縁膜105であるSiO膜の膜厚が厚
い(150nm)の場合の配向指数はイオン注入前の配
向指数(図3参照)と比較してほとんど変化しないこと
が判る。すなわち、イオン注入前に(111)配向を示
したシリコン膜はイオン注入後も(111)配向を保持
していることになり、またランダム配向を示したシリコ
ン膜は、イオン注入後もランダム配向であることを意味
している。
It can be seen that the orientation index when the thickness of the SiO 2 film as the insulating film 105 is large (150 nm) is hardly changed as compared with the orientation index before ion implantation (see FIG. 3). That is, the silicon film having the (111) orientation before the ion implantation has the (111) orientation after the ion implantation, and the silicon film having the random orientation has the random orientation even after the ion implantation. It means there is.

【0028】一方、絶縁膜105(SiO膜)の膜厚
が50nmである場合、イオン注入前後においてレーザ
ーエネルギー密度と配向指数Aとの関係が大きく変化す
る。即ち、イオン注入を行なわなければ(111)配向
を示すようなレーザーエネルギー密度(例えば450m
J/cm)であっても、またランダム配向を示すよう
なレーザーエネルギー密度(例えば350mJ/c
)であってもイオン注入によって結晶配向性が崩
れ、(110)配向が顕著になる。そして絶縁膜105
(SiO膜)の膜厚を10nmとしてイオン注入を行
った場合には、イオン注入前の多結晶シリコンの配向指
数Aに係らず、またレーザーエネルギー密度の大きさに
係らず、特定の結晶配向面を持たない、いわゆるランダ
ム配向を示すことが判った。
On the other hand, when the thickness of the insulating film 105 (SiO 2 film) is 50 nm, the relationship between the laser energy density and the orientation index A greatly changes before and after ion implantation. That is, if ion implantation is not performed, the laser energy density (for example, 450 m
J / cm 2 ), or a laser energy density (for example, 350 mJ / c) showing random orientation.
Even with m 2 ), the crystal orientation is broken by ion implantation, and the (110) orientation becomes remarkable. And the insulating film 105
When the ion implantation is performed with the thickness of the (SiO 2 film) being 10 nm, regardless of the orientation index A of the polycrystalline silicon before the ion implantation and the magnitude of the laser energy density, the specific crystal orientation is obtained. It was found that the film had a random orientation without a surface.

【0029】図4に示したように、イオン注入の有無に
よる配向指数Aとレーザーエネルギー密度との関係の変
化については、次の様に解釈することができる。即ち、
絶縁膜105(SiO膜)が厚い場合(例えば本実施
例で示した150nmの場合)、SiO膜の膜厚が厚
すぎるため、注入イオンが絶縁膜105を通過してその
下方に位置する多結晶シリコン膜104まではほとんど
到達しない。従って、その後の回復アニールでも結晶配
向性イオン注入の前後でほとんど変化することなく、イ
オン注入前の多結晶シリコンの配向性がそのまま保存さ
れている。
As shown in FIG. 4, the change in the relationship between the orientation index A and the laser energy density depending on the presence or absence of ion implantation can be interpreted as follows. That is,
When the insulating film 105 (SiO 2 film) is thick (for example, in the case of 150 nm described in this embodiment), the implanted ions pass through the insulating film 105 and are located below the SiO 2 film because the SiO 2 film is too thick. It hardly reaches the polycrystalline silicon film 104. Therefore, even after the recovery annealing, the orientation of the polycrystalline silicon before the ion implantation is preserved as it is, without substantially changing before and after the crystal orientation ion implantation.

【0030】一方、絶縁膜105(SiO膜)が極端
に薄い場合(例えば本実施例で示した10nmである場
合)、注入イオンが多結晶シリコン膜104に十分に到
達する。その結果、イオン注入前の多結晶シリコン膜1
04の結晶構造を完全に破壊し、すべて非晶質シリコン
に変化させてしまうことになる。従って、その後の再結
晶化アニールによっても、特定の結晶方位に成長するこ
となく、ランダムの方位に成長すると考えられる。
On the other hand, when the insulating film 105 (SiO 2 film) is extremely thin (for example, when the thickness is 10 nm shown in this embodiment), the implanted ions sufficiently reach the polycrystalline silicon film 104. As a result, the polycrystalline silicon film 1 before ion implantation is formed.
This completely destroys the crystal structure of No. 04 and completely changes it to amorphous silicon. Therefore, it is considered that even after subsequent recrystallization annealing, the crystal grows in a random orientation without growing in a specific crystal orientation.

【0031】ところで、絶縁膜105(SiO膜)が
極端に厚くもなく、また薄くもないような場合、例えば
50nmであるような場合、単結晶シリコンのイオン注
入で観察される、いわゆるチャネリング現象が生じてい
ると推測される。チャネリング現象とは、注入イオンが
結晶を構成している原子に衝突せず、格子間を抜けて行
く現象である。結晶格子を構成する原子の幾何学的配置
から、単結晶シリコンの場合には、(110)面に対し
て垂直にイオン注入を行った場合、最もチャネリングが
起き易い。多結晶シリコン膜104のイオン注入におい
ても同様な現象が起こりうると考えられ、多結晶シリコ
ン膜104を構成する結晶粒子のうち(110)結晶方
位を有する結晶粒子で構成された結晶格子の場合は、薄
膜の垂直方向から入射される注入イオンに対してダメー
ジが最も少ない。
When the insulating film 105 (SiO 2 film) is neither extremely thick nor thin, for example, 50 nm, a so-called channeling phenomenon observed by ion implantation of single crystal silicon. Is presumed to have occurred. The channeling phenomenon is a phenomenon in which implanted ions pass through interstitial spaces without colliding with atoms constituting a crystal. Due to the geometrical arrangement of the atoms constituting the crystal lattice, channeling is most likely to occur in the case of single crystal silicon when ion implantation is performed perpendicular to the (110) plane. It is considered that a similar phenomenon can occur in the ion implantation of the polycrystalline silicon film 104. In the case of a crystal lattice composed of crystal particles having a (110) crystal orientation among the crystal particles constituting the polycrystalline silicon film 104, In addition, the implanted ions incident from the vertical direction of the thin film are least damaged.

【0032】一方、(111)結晶方位をはじめ、その
他の方位を有する結晶粒子で構成された結晶格子に対し
て注入イオンが衝突する確率がより高く、その結果、結
晶格子が受けるダメージは大きくなると推測される。従
って、イオン注入後の多結晶シリコン膜104は、(1
10)方位を持つ結晶粒子が優先的に残存し、さらにこ
の(110)方位の結晶粒子が優先したシリコン膜10
4を再結晶化させることによって、新たに生成された多
結晶シリコン膜106は(110)優先配向し易くなる
と考えられる。
On the other hand, the probability that the implanted ions collide with a crystal lattice composed of crystal grains having other orientations including the (111) crystal orientation is higher, and as a result, the damage to the crystal lattice is increased. Guessed. Therefore, the polycrystalline silicon film 104 after the ion implantation is (1)
10) The crystal grains having the orientation preferentially remain, and the crystal grains having the (110) orientation preferentially remain.
It is considered that the recrystallization of No. 4 facilitates the (110) preferential orientation of the newly generated polycrystalline silicon film 106.

【0033】以上に述べた様に、多結晶シリコン膜10
4上に任意の厚さの絶縁膜105を設けた後、この絶縁
膜105を介してSiイオン注入を行い、その後再結晶
化させることによって、(111)配向や(110)配
向をもつ多結晶シリコン膜106を形成することが可能
になる。尚、本実施例においては、絶縁膜105の厚さ
を変化させることによってSiイオン注入の深さを制御
しているが、イオン注入エネルギーを制御することによ
っても同様の効果が得られる。即ち、より深くイオン注
入を行う場合には、高エネルギーを有するSiイオンを
用いてイオン注入を行なえば良い。
As described above, the polycrystalline silicon film 10
After an insulating film 105 having an arbitrary thickness is provided on the substrate 4, Si ions are implanted through the insulating film 105 and then recrystallized to obtain a polycrystal having a (111) orientation or a (110) orientation. The silicon film 106 can be formed. In this embodiment, the depth of the Si ion implantation is controlled by changing the thickness of the insulating film 105, but the same effect can be obtained by controlling the ion implantation energy. That is, when ion implantation is performed deeper, ion implantation may be performed using Si ions having high energy.

【0034】次に、他の実施例であるCMOS型薄膜ト
ランジスタについて説明する。図5は薄膜トランジスタ
の概要を示す断面図であって、ガラス基板201上の第
1下地層202、第2下地層203、nチャネル型半導
体シリコン層204,pチャネル型半導体シリコン層2
06,絶縁層207,電極層208,絶縁層209,コ
ンタクトホール210,電極211の積層構造からなっ
ている。
Next, a CMOS type thin film transistor according to another embodiment will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an outline of a thin film transistor, in which a first underlayer 202, a second underlayer 203, an n-channel semiconductor silicon layer 204, and a p-channel semiconductor silicon layer 2 on a glass substrate 201 are shown.
06, an insulating layer 207, an electrode layer 208, an insulating layer 209, a contact hole 210, and an electrode 211.

【0035】図6は本実施例における薄膜トランジスタ
の工程を詳しく説明したものである。先ず、図6(a)
に示すように、ひとつの例としてコーニング7059ガ
ラス基板201上に良く知られたプラズマCVD法を用
いて第1の下地層である窒化珪素膜202(膜厚50n
m)を形成する。そして、この上に同じくプラズマCV
D法を用いて第2の下地層である酸化珪素膜203(膜
厚100nm)を成膜する。更に、プラズマCVD法を
用いて非晶質シリコン膜204(膜厚50nm)を成膜
する。ガラス基板は上記したコーニングガラスに限ら
ず、石英やPET(ポリエチレンテレフタレート)等の
透明基板であっても良い。また、LPCVD法(低圧化
学的気相法)やスパッタリング法あるいは蒸着法等を用
いて非晶質シリコン膜204を形成しても良い。
FIG. 6 illustrates in detail the steps of the thin film transistor in this embodiment. First, FIG.
As shown in FIG. 1, as one example, a silicon nitride film 202 (50 nm thick) as a first underlayer is formed on a Corning 7059 glass substrate 201 by using a well-known plasma CVD method.
m). And on top of this, the plasma CV
A silicon oxide film 203 (thickness: 100 nm) as a second base layer is formed by Method D. Further, an amorphous silicon film 204 (50 nm thick) is formed by a plasma CVD method. The glass substrate is not limited to the above-mentioned corning glass, and may be a transparent substrate such as quartz or PET (polyethylene terephthalate). Alternatively, the amorphous silicon film 204 may be formed by an LPCVD method (a low-pressure chemical vapor method), a sputtering method, an evaporation method, or the like.

【0036】次に非晶質シリコン膜204を形成したガ
ラス基板201を450℃の炉体中で30分間のアニー
ル処理を行ない、非晶質シリコン膜204の脱水素処理
を行う。この際、炉体中の雰囲気は窒素雰囲気にて行っ
た。その後、上記した非晶質シリコン膜204をXeC
lレーザ(波長308nm,パルス幅20nsec)を
用いて結晶化処理を行った。レーザ光の種類はエキシマ
レーザであるKrFレーザ(波長248nm)、YAG
レーザ、Arレーザ等であっても構わない。また、結晶
化の条件は、レーザ光のエネルギー密度を450mJ/
cm、照射回数30回で行った。尚、レーザ光の照射
雰囲気は窒素雰囲気下で実施した。
Next, the glass substrate 201 on which the amorphous silicon film 204 has been formed is annealed in a furnace at 450 ° C. for 30 minutes to dehydrogenate the amorphous silicon film 204. At this time, the atmosphere in the furnace body was a nitrogen atmosphere. After that, the above-mentioned amorphous silicon film 204 is
The crystallization process was performed using 1 laser (wavelength 308 nm, pulse width 20 nsec). The type of laser light is a KrF laser (wavelength: 248 nm) which is an excimer laser, YAG
A laser, an Ar laser, or the like may be used. The crystallization conditions were such that the energy density of the laser beam was 450 mJ /
cm 2 and 30 times of irradiation. The laser irradiation was performed in a nitrogen atmosphere.

【0037】本実施例では非晶質シリコン膜204の同
一個所に対してレーザ光を複数回照射することにより,
非晶質シリコン膜204の結晶化を行っている。ここ
で、複数回照射する方法として,一回目のレーザ光を照
射したあと,レーザ光を所定の間隔で非晶質シリコン膜
204上をスキャンさせ、そして再びレーザ光の照射を
行なうというステップを繰り返すようにした。このよう
にレーザ光の照射及び所定の間隔でスキャンを繰り返す
ことによって、非晶質シリコン膜204の同一個所が実
質的には複数回のレーザ光が照射されることになる。
In this embodiment, the same portion of the amorphous silicon film 204 is irradiated with laser light a plurality of times,
The crystallization of the amorphous silicon film 204 is performed. Here, as a method of irradiating a plurality of times, the steps of irradiating the laser light on the amorphous silicon film 204 at predetermined intervals after irradiating the first laser light, and irradiating the laser light again are repeated. I did it. By repeating the laser light irradiation and the scan at a predetermined interval in this manner, the same portion of the amorphous silicon film 204 is substantially irradiated with the laser light a plurality of times.

【0038】次に、図6(b)に示すように、プラズマ
CVD法を用いてSiOからなる絶縁膜205(膜厚
150nm)を、上記の結晶化処理を施した非晶質シリ
コン膜204(以下、多結晶シリコン膜204とする)
上に形成する。この絶縁膜205はこの後引き続き行わ
れるSiイオン注入の際のマスクとなるものである。そ
して、良く知られたフォトリソグラフィー法を用いて絶
縁膜205を所定のパターンに形成する。ここで、図中
に示すように、nチャネル型トランジスタ及びpチャネ
ル型トランジスタが形成される領域において、絶縁膜2
05の膜厚を変化させた。即ち、nチャネル型トランジ
スタ領域での膜厚は、最初に成膜した膜厚そのものであ
って150nmであり、pチャネル型トランジスタ領域
での膜厚は50nmとした。
Next, as shown in FIG. 6B, an insulating film 205 (film thickness: 150 nm) made of SiO 2 is formed by a plasma CVD method to form an amorphous silicon film 204 having been subjected to the above-mentioned crystallization process. (Hereinafter referred to as a polycrystalline silicon film 204)
Form on top. This insulating film 205 serves as a mask for subsequent Si ion implantation. Then, the insulating film 205 is formed in a predetermined pattern by using a well-known photolithography method. Here, as shown in the figure, in a region where the n-channel transistor and the p-channel transistor are formed, the insulating film 2 is formed.
The film thickness of No. 05 was changed. That is, the film thickness in the n-channel transistor region was 150 nm, which is the film thickness formed first, and the film thickness in the p-channel transistor region was 50 nm.

【0039】次に、図6(c)に示すように、パターニ
ングした絶縁膜205を通して上記した多結晶シリコン
膜204に対してイオン注入を行い、nチャネル型トラ
ンジスタのためのシリコン層220とpチャネル型トラ
ンジスタのためのシリコン層230を形成する。その
後、絶縁膜205はフッ酸溶液を用いて完全に除去され
る。そして、nチャネル用シリコン層220及びpチャ
ネル用シリコン層230に内在するイオン注入時のダメ
ージを回復させ,再結晶化させるためにRTA(ラピッ
ドサーマルアニーリング)法を用いたリカバリーアニー
ルを行う。尚、ダメージ領域の活性化アニールは炉体を
用いたアニール処理であっても可能である。
Next, as shown in FIG. 6C, ions are implanted into the polycrystalline silicon film 204 through the patterned insulating film 205 to form a silicon layer 220 for an n-channel transistor and a p-channel A silicon layer 230 for a type transistor is formed. After that, the insulating film 205 is completely removed using a hydrofluoric acid solution. Then, recovery annealing using an RTA (rapid thermal annealing) method is performed in order to recover damage at the time of ion implantation existing in the n-channel silicon layer 220 and the p-channel silicon layer 230 and to perform recrystallization. Note that the activation annealing of the damaged region can be performed by an annealing process using a furnace body.

【0040】次に、図6(d)に示すように、フォトリ
ソグラフィー法を用いてシリコン膜220及び230に
所定のパターンを形成する。その後、引き続いて例えば
プラズマCVD法を用いてSiOからなる絶縁膜20
7をパターニングされた多結晶シリコン膜221及び2
31を覆うようにして形成する。尚、本実施例ではSi
絶縁膜207の膜厚を100nmとした。更に、ゲ
ート電極となる電極層208を良く知られたスパッタリ
ング法を用いて形成する。ここでは、電極層208とし
てTiW(膜厚200nm)を用いた。続いて、この電
極層208をフォトリソグラフィー法を用いて所定のパ
ターンに加工した後、電極層208をマスクとして上記
した多結晶シリコン膜221および231に対してイオ
ン注入を行い、nチャネル型チャネル領域221a,n
チャネル型ソース領域221b,nチャネル型ドレイン
領域221b、またpチャネル型チャネル領域231
a,nチャネル型ソース領域231b,nチャネル型ド
レイン領域231bを形成する。なお本実施例では、n
チャネル型半導体を形成する場合にはnチャネル型の不
純物としてリンを注入し,またpチャネル型半導体を形
成する場合にはpチャネル型の不純物として,ボロンを
注入する。
Next, as shown in FIG. 6D, a predetermined pattern is formed on the silicon films 220 and 230 by using the photolithography method. Thereafter, the insulating film 20 made of SiO 2 is successively formed using, for example, a plasma CVD method.
7 are patterned polycrystalline silicon films 221 and 2
31 is formed. In this embodiment, Si
The thickness of the O 2 insulating film 207 was set to 100 nm. Further, an electrode layer 208 serving as a gate electrode is formed by a well-known sputtering method. Here, TiW (thickness: 200 nm) was used as the electrode layer 208. Subsequently, the electrode layer 208 is processed into a predetermined pattern using a photolithography method, and then ion implantation is performed on the polycrystalline silicon films 221 and 231 using the electrode layer 208 as a mask to form an n-channel type channel region. 221a, n
Channel type source region 221b, n channel type drain region 221b, and p channel type channel region 231
a, n-channel type source region 231b and n-channel type drain region 231b are formed. In this embodiment, n
When a channel type semiconductor is formed, phosphorus is implanted as an n-channel type impurity, and when a p-channel type semiconductor is formed, boron is implanted as a p-channel type impurity.

【0041】更に、多結晶シリコン層221及び231
に内在するイオン注入時のダメージを回復させるため,
RTA(ラピッドサーマルアニーリング)法による活性
化アニールを行う。ダメージ層の活性化アニールは炉体
を用いたアニール処理であっても可能である。
Further, the polysilicon layers 221 and 231
In order to recover the damage caused by ion implantation inherent in
Activation annealing is performed by RTA (rapid thermal annealing). The activation annealing of the damaged layer can be performed by an annealing process using a furnace body.

【0042】その後、再びプラズマCVD法によりSi
絶縁層209(膜厚500nm)を電極層208を
覆うようにして形成する。そして、このSiO絶縁層
209の所定の位置にソース領域221b、231b及
びドレイン領域221b、231bとの電気的な接続を
確保するためのコンタクトホール210を形成し、更に
コンタクトホール210の内部を埋め込むようにしてソ
ース領域221b、231b及びドレイン領域221
b、231bに対応させた電極層211(材質TiW/
Alの多層膜)を形成する。
Thereafter, the Si is again formed by the plasma CVD method.
An O 2 insulating layer 209 (with a thickness of 500 nm) is formed so as to cover the electrode layer 208. Then, a contact hole 210 for securing electrical connection with the source region 221b, 231b and the drain region 221b, 231b is formed at a predetermined position of the SiO 2 insulating layer 209, and the inside of the contact hole 210 is buried. Thus, the source regions 221b and 231b and the drain region 221
b, 231b (material TiW /
(A multilayer film of Al).

【0043】最後に、水素中にて400℃、60分のア
ニール処理を施して、図6(e)に示した多結晶シリコ
ン膜を用いた薄膜トランジスタが完成する。
Finally, an annealing process is performed in hydrogen at 400 ° C. for 60 minutes to complete the thin film transistor using the polycrystalline silicon film shown in FIG.

【0044】ここで、上記で作製されたnチャネル型及
びpチャネル型トランジスタの特性を評価した結果を以
下に示す。図7及び図8は、各々nチャネル型トランジ
スタ及びpチャネル型トランジスタの電界効果移動度と
結晶配向指数との関係を示したものである。この図から
も明らかのように電界効果移動度と結晶配向指数とが極
めて強い相関を示し、特にnチャネル型トランジスタに
おいては、(111)結晶配向した多結晶シリコン膜か
らなるチャネル領域を有するトランジスタが形成されて
おり、その配向指数Aを0.75以上にすればトランジ
スタの電界効果移動度として200cm2/Vs以上の
特性を実現することが出来る。
Here, the results of evaluating the characteristics of the n-channel and p-channel transistors manufactured above are shown below. FIGS. 7 and 8 show the relationship between the field-effect mobility and the crystal orientation index of an n-channel transistor and a p-channel transistor, respectively. As is clear from this figure, the field-effect mobility and the crystal orientation index show a very strong correlation. In particular, in the case of an n-channel transistor, a transistor having a channel region made of a polycrystalline silicon film with a (111) crystal orientation is used. When the orientation index A is set to 0.75 or more, characteristics of a transistor having a field-effect mobility of 200 cm 2 / Vs or more can be realized.

【0045】また、図8に示したpチャネル型トランジ
スタにおいても同様に電界効果移動度と結晶配向指数と
が極めて強い相関を示し、(110)結晶配向した多結
晶シリコン膜からなるチャネル領域を有するトランジス
タが形成されていることが明白である。そして、多結晶
シリコン層の配向指数Aを0.3以下とすることにより
100cm2/Vs以上の電界効果移動度を有するpチ
ャネル型トランジスタを実現することが出来る。
Similarly, the p-channel transistor shown in FIG. 8 has a very strong correlation between the field-effect mobility and the crystal orientation index, and has a channel region made of a (110) crystal-oriented polycrystalline silicon film. It is clear that a transistor has been formed. By setting the orientation index A of the polycrystalline silicon layer to 0.3 or less, a p-channel transistor having a field-effect mobility of 100 cm2 / Vs or more can be realized.

【0046】以上で述べたように、図6を用いて説明し
た一連のプロセスにより、nチャネル領域及びpチャネ
ル領域の結晶配向性を独立に制御して、しかも同時に形
成することが可能である。そして、各々の領域における
結晶配向性を制御した結果、nチャネル型トランジスタ
においては200cm/V・s以上の高移動度を、ま
たpチャネル型トランジスタにおいて100cm/V
・s以上の高移動度を同時に得ることができる。従っ
て、上記で述べたトランジスタの構造及びそのプロセス
は、例えばアクティブマトリックス型の液晶表示装置に
おける駆動用トランジスタやドライバー回路に応用する
ことが可能である。
As described above, according to the series of processes described with reference to FIG. 6, it is possible to independently control the crystal orientation of the n-channel region and the p-channel region and to form them simultaneously. Then, as a result of controlling the crystal orientation in each region, a high mobility of 200 cm 2 / V · s or more is obtained in the n-channel transistor and 100 cm 2 / V in the p-channel transistor.
・ High mobility of s or more can be obtained at the same time. Therefore, the structure and process of the transistor described above can be applied to, for example, a driving transistor and a driver circuit in an active matrix liquid crystal display device.

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明により、nチャネル領域及びpチ
ャネル領域を構成する多結晶シリコン膜の結晶配向を各
々独立に制御することが可能であり、しかも一連のプロ
セスの中で同時に形成することが出来る。
According to the present invention, the crystal orientations of the polycrystalline silicon films constituting the n-channel region and the p-channel region can be controlled independently of each other, and can be formed simultaneously in a series of processes. I can do it.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】多結晶シリコン薄膜の形成工程を説明するため
の図である。
FIG. 1 is a view for explaining a step of forming a polycrystalline silicon thin film.

【図2】代表的な多結晶シリコン膜のX線回折測定結果
である。
FIG. 2 shows a result of X-ray diffraction measurement of a typical polycrystalline silicon film.

【図3】レーザ光による結晶化条件(照射エネルギー密
度)と多結晶シリコン膜の結晶配向性との関係を示した
図である。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between crystallization conditions (irradiation energy density) by laser light and crystal orientation of a polycrystalline silicon film.

【図4】イオン注入後の多結晶シリコン膜の結晶配向性
を説明するための図である。
FIG. 4 is a view for explaining the crystal orientation of a polycrystalline silicon film after ion implantation.

【図5】多結晶シリコン膜を用いたCMOS型薄膜トラ
ンジスタの断面構造図である。
FIG. 5 is a sectional structural view of a CMOS thin film transistor using a polycrystalline silicon film.

【図6】CMOS型薄膜トランジスタの形成工程を説明
するための図である。
FIG. 6 is a diagram illustrating a process of forming a CMOS thin film transistor.

【図7】nチャネル領域の結晶配向性と電界効果移動度
との関係を説明するための図である。
FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the crystal orientation of the n-channel region and the field-effect mobility.

【図8】pチャネル領域の結晶配向性と電界効果移動度
との関係を説明するための図である。
FIG. 8 is a diagram for explaining the relationship between the crystal orientation of the p-channel region and the field-effect mobility.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101…基板、102…第1下地層、103…第2下地
層、104…非晶質シリコン層、105…絶縁膜層、1
06…多結晶シリコン層、201…基板、202…第1
下地層、203…第2下地層、204…非晶質シリコン
層、205…絶縁膜層、207…絶縁層、208…電極
層、209…絶縁層、210…コンタクトホール、21
1…電極、220、230…シリコン層、221、23
1…多結晶シリコン層、221a、231a…チャネル
領域、221b、231b…ソース、ドレイン
Reference numeral 101: substrate, 102: first underlayer, 103: second underlayer, 104: amorphous silicon layer, 105: insulating film layer, 1
06 ... polycrystalline silicon layer, 201 ... substrate, 202 ... first
Underlayer, 203: second underlayer, 204: amorphous silicon layer, 205: insulating film layer, 207: insulating layer, 208: electrode layer, 209: insulating layer, 210: contact hole, 21
1: electrodes, 220, 230 ... silicon layers, 221, 23
1 polycrystalline silicon layer, 221a, 231a channel region, 221b, 231b source, drain

フロントページの続き (72)発明者 高崎 幸男 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 (72)発明者 後藤 順 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 (72)発明者 斉藤 勝俊 千葉県茂原市早野3300番地 株式会社日立 製作所ディスプレイグループ内 Fターム(参考) 5F048 AB10 AC04 BA10 BA16 BB09 BE08 BG07 5F052 AA02 AA11 AA17 AA24 BA01 BB01 BB02 BB07 DA02 DB02 DB03 EA02 HA06 JA01 JA04 5F110 AA01 BB02 BB04 CC02 DD01 DD02 DD03 DD13 DD14 DD17 EE06 EE44 FF02 FF30 GG02 GG13 GG17 GG25 GG42 GG43 GG45 GG47 HJ01 HJ13 HJ23 HL03 HL06 HL11 NN04 NN23 NN35 NN78 PP01 PP02 PP03 PP04 PP05 PP13 PP29 PP32 PP35 PP38 PP40 QQ11 QQ24Continuing from the front page (72) Inventor Yukio Takasaki 3300 Hayano, Mobara-shi, Chiba Prefecture, Hitachi, Ltd.Display Group (72) Inventor Jun Goto 3300, Hayano, Mobara-shi, Chiba Prefecture, Hitachi, Ltd. Person Katsutoshi Saito 3300 Hayano, Mobara-shi, Chiba Prefecture F-term in Display Group, Hitachi, Ltd. (reference) CC02 DD01 DD02 DD03 DD13 DD14 DD17 EE06 EE44 FF02 FF30 GG02 GG13 GG17 GG25 GG42 GG43 GG45 GG47 HJ01 HJ13 HJ23 HL03 HL06 HL11 NN04 NN23 NN35 NN78 PP01 PP02 PP03 PP04 PP05 PP13 PP29 PP32 Q

Claims (14)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】基板の上方に積層して設けられた半導体薄
膜と、チャネル領域と、絶縁膜と、ゲート電極と、ソー
ス電極と、ドレイン電極とを備え、前記ソース電極と前
記ドレイン電極とが前記半導体薄膜の少なくとも一部の
領域に前記チャネル領域を挟んで設けられたソース領域
とドレイン領域とに各々接続されてなる薄膜トランジス
タであって、該薄膜トランジスタは電子をキャリアとす
るnチャネル型電界効果薄膜トランジスタと、正孔をキ
ャリアとするpチャネル型電界効果薄膜トランジスタに
よって構成され、前記nチャネル型電界効果薄膜トラン
ジスタは基板の面に対して略平行な方向に(111)優
先配向した結晶を少なくともその一部に内在させ、かつ
前記pチャネル型電界効果薄膜トランジスタは基板の面
に対して略平行な方向に(110)優先配向した結晶を
少なくともその一部に内在させてなることを特徴とする
CMOS型薄膜トランジスタ。
1. A semiconductor device comprising: a semiconductor thin film laminated on a substrate; a channel region; an insulating film; a gate electrode; a source electrode; and a drain electrode, wherein the source electrode and the drain electrode are A thin film transistor connected to a source region and a drain region provided at least in part of the semiconductor thin film with the channel region interposed therebetween, wherein the thin film transistor is an n-channel type field effect thin film transistor using electrons as carriers. And a p-channel field-effect thin film transistor having holes as carriers, wherein the n-channel field-effect thin film transistor has, at least in part, a crystal that is (111) preferentially oriented in a direction substantially parallel to the surface of the substrate. And the p-channel field effect thin film transistor is substantially parallel to the surface of the substrate. CMOS thin film transistor, wherein (110) to become by endogenous to at least a portion thereof preferentially oriented crystal to the direction.
【請求項2】前記半導体薄膜は、多結晶シリコン薄膜で
あることを特徴する請求項1記載のCMOS型薄膜トラ
ンジスタ。
2. The CMOS thin film transistor according to claim 1, wherein said semiconductor thin film is a polycrystalline silicon thin film.
【請求項3】前記多結晶シリコン薄膜において、(11
1)結晶格子面によるX線回折強度と(220)結晶格
子面によるX線回折強度から求めた結晶配向指数Aが、
前記nチャネル型電界効果薄膜トランジスタ領域におい
て0.75≦A≦1.0の範囲であり、かつ前記pチャ
ネル型電界効果トランジスタ領域においてA≦0.3の
範囲であることを特徴とする請求項2に記載のCMOS
型薄膜トランジスタ。但し、A={(111)回折強度
/100}/{(111)回折強度/100+(22
0)回折強度/55}
3. The polycrystalline silicon thin film according to claim 1, wherein (11)
1) The crystal orientation index A obtained from the X-ray diffraction intensity by the crystal lattice plane and the X-ray diffraction intensity by the (220) crystal lattice plane is:
3. The range of 0.75 ≦ A ≦ 1.0 in the n-channel field-effect transistor region and the range of A ≦ 0.3 in the p-channel field-effect transistor region. 4. CMOS described in
Type thin film transistor. Where A = {(111) diffraction intensity / 100} /} (111) diffraction intensity / 100 + (22
0) Diffraction intensity / 55 °
【請求項4】前記nチャネル型電界効果トランジスタ半
導体薄膜の平均電子移動度が少なくとも200cm
V・S以上であり、前記pチャネル型電界効果トランジ
スタ半導体薄膜の平均ホール移動度が少なくとも100
cm/V・S以上であることを特徴とする請求項1に
記載のCMOS型薄膜トランジスタ。
4. An n-channel type field effect transistor semiconductor thin film having an average electron mobility of at least 200 cm 2 /
V · S or more, and the average hole mobility of the p-channel field effect transistor semiconductor thin film is at least 100.
2. The CMOS thin film transistor according to claim 1, wherein the thickness is not less than cm 2 / V · S.
【請求項5】基板の上方に非晶質シリコン薄膜を成膜す
る第1の工程と、該非晶質シリコン薄膜にレーザ光を照
射して前記非晶質シリコン薄膜の少なくとも一部の領域
に結晶化シリコン薄膜を形成する第2の工程と、前記の
シリコン薄膜上に任意の厚さの薄膜を成膜する第3の工
程と、前記第3の工程で成膜した薄膜を通して、特定原
子を前記結晶化シリコン薄膜にイオン注入する第4の工
程と、前記第3の工程で成膜した薄膜を除去する第5の
工程と、前記イオン注入後の結晶化シリコン薄膜を熱処
理によって再結晶化する第6の工程を備えてなることを
特徴とするCMOS型薄膜トランジスタの製造方法。
5. A first step of forming an amorphous silicon thin film above a substrate, and irradiating the amorphous silicon thin film with a laser beam to crystallize at least a part of the amorphous silicon thin film. A second step of forming a silicon nitride thin film, a third step of forming a thin film of an arbitrary thickness on the silicon thin film, and passing the specific atoms through the thin film formed in the third step. A fourth step of implanting ions into the crystallized silicon thin film, a fifth step of removing the thin film formed in the third step, and a step of recrystallizing the crystallized silicon thin film after the ion implantation by heat treatment. 6. A method for manufacturing a CMOS thin film transistor, comprising:
【請求項6】前記第3の工程で形成する薄膜が、酸化珪
素膜であることを特徴とする請求項5記載のCMOS型
薄膜トランジスタの製造方法。
6. The method according to claim 5, wherein the thin film formed in the third step is a silicon oxide film.
【請求項7】前記第3の工程で形成する薄膜の厚さを変
化させることによって、前記第4の工程で行なわれるイ
オン注入深さを制御することを特徴とする請求項5に記
載のCMOS型薄膜トランジスタの製造方法。
7. The CMOS according to claim 5, wherein the depth of the ion implantation performed in the fourth step is controlled by changing the thickness of the thin film formed in the third step. Method of manufacturing a thin film transistor.
【請求項8】前記第3の工程で形成された薄膜に、エッ
チング法を用いて膜厚の厚い第1の領域と膜厚の薄い第
2の領域とを選択的に形成し、前記第1の領域の下方に
位置する前記結晶化シリコン膜の結晶配向性と、前記第
2の領域の下方に位置する多前記結晶化シリコン膜の結
晶配向性とがそれぞれ異なることを特徴とする請求項5
に記載のCMOS型薄膜トランジスタの製造方法。
8. A first region having a large thickness and a second region having a small thickness are selectively formed on the thin film formed in the third step by using an etching method. 6. The crystal orientation of the crystallized silicon film located below the second region and the crystal orientation of the polycrystalline silicon film located below the second region are different from each other.
3. The method for manufacturing a CMOS thin film transistor according to item 1.
【請求項9】前記第4の工程においてイオン注入エネル
ギーを変化させることによって、前記結晶化シリコン膜
に注入されるイオンの深さを変化させ、前記結晶化シリ
コン膜の結晶配向性を制御することを特徴とする請求項
5に記載のCMOS型薄膜トランジスタの製造方法。
9. The method according to claim 4, wherein the ion implantation energy is changed in the fourth step to change the depth of ions implanted into the crystallized silicon film and to control the crystal orientation of the crystallized silicon film. 6. The method for manufacturing a CMOS thin film transistor according to claim 5, wherein
【請求項10】前記第4の工程において、前記結晶化シ
リコン膜へ注入するイオンエネルギーを制御することに
よって前記結晶化シリコン膜に注入エネルギーの大きな
第1の領域と注入エネルギーの小さな第2の領域とを選
択的に形成し、前記第1の領域の下方に位置する前記結
晶化シリコン膜の結晶配向性と、前記第2の領域の下方
に位置する前記結晶化シリコン膜の結晶配向性とがそれ
ぞれ異なることを特徴とする請求項5に記載のCMOS
型薄膜トランジスタの製造方法。
10. A first region having a large implantation energy and a second region having a small implantation energy in said crystallized silicon film by controlling ion energy to be implanted into said crystallized silicon film in said fourth step. Are selectively formed, and the crystal orientation of the crystallized silicon film located below the first region and the crystal orientation of the crystallized silicon film located below the second region are different. 6. The CMOS according to claim 5, wherein the CMOSs are different from each other.
Method of manufacturing a thin film transistor.
【請求項11】前記第4の工程において、イオン注入元
素としてSiを用いることを特徴とする請求項5記載の
CMOS型薄膜トランジスタの製造方法。
11. The method according to claim 5, wherein in the fourth step, Si is used as an ion implantation element.
【請求項12】前記第6の工程において、ラピッドサー
マルアニーリング法を用いて前記結晶化シリコン膜を再
結晶化することを特徴とする請求項5記載のCMOS型
薄膜トランジスタの製造方法。
12. The method according to claim 5, wherein, in the sixth step, the crystallized silicon film is recrystallized by using a rapid thermal annealing method.
【請求項13】前記第6の工程において、炉体中450
℃以下の温度雰囲気を用いて前記結晶化シリコン膜を再
結晶化することを特徴とする請求項5記載のCMOS型
薄膜トランジスタの製造方法。
13. The method according to claim 6, wherein in the sixth step, 450
6. The method according to claim 5, wherein the crystallized silicon film is recrystallized in an atmosphere at a temperature equal to or lower than C.
【請求項14】前記第6の工程において、レーザ光を用
いて前記結晶化シリコン膜を再結晶化することを特徴と
する請求項5記載のCMOS型薄膜トランジスタの製造
方法。
14. The method according to claim 5, wherein, in the sixth step, the crystallized silicon film is recrystallized using a laser beam.
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