JP2003110112A - Device simulation method and semiconductor element - Google Patents

Device simulation method and semiconductor element

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JP2003110112A
JP2003110112A JP2001305750A JP2001305750A JP2003110112A JP 2003110112 A JP2003110112 A JP 2003110112A JP 2001305750 A JP2001305750 A JP 2001305750A JP 2001305750 A JP2001305750 A JP 2001305750A JP 2003110112 A JP2003110112 A JP 2003110112A
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JP
Japan
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grain boundary
semiconductor device
crystal grain
polycrystalline
active layer
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JP2001305750A
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Mutsumi Kimura
睦 木村
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Seiko Epson Corp
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Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polycrystalline semiconductor element of an optimized device structure by determining a device parameter on the basis of a device simulation which accurately processes scattering effects of carriers in a grain boundary. SOLUTION: In a device simulation for the semiconductor element using a polycrystalline semiconductor as an active layer, a polycrystalline semiconductor element of two-dimensional or three-dimensional structure is dividedly formed into a mesh, and in each division of the mesh, the grain boundary (12) that exists between crystal grains in the active layer is processed as a plane region (14) in solving a physical equation, such as an electric potential equation or a carrier continuity equation.

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、半導体素子、特
に、活性層に多結晶半導体を用いた半導体素子に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device using a polycrystalline semiconductor in its active layer.

【0002】[0002]

【従来の技術】多結晶薄膜トランジスタは、活性層に多
結晶半導体を用いた半導体素子であって、液晶ディスプ
レイやエレクトロルミネッセンスディスプレイに代表さ
れる軽量・薄型の表示装置やスキャナ等の装置を実現す
るためのデバイスとして広く用いられている。
2. Description of the Related Art A polycrystalline thin film transistor is a semiconductor element using a polycrystalline semiconductor in an active layer, and is used to realize a light and thin display device represented by a liquid crystal display or an electroluminescence display, and a device such as a scanner. Widely used as a device.

【0003】一般に、半導体素子の製造に先立ち、素子
構造や使用する材料の物性値等をパラメータとしてデバ
イス特性を予測したり、デバイスとしての動作を解析し
たりするデバイスシミュレーションが行なわれ、その結
果に基づいて最終的なデバイス構造や製造条件等が決定
される。
In general, prior to the manufacture of a semiconductor device, a device simulation is performed in which the device characteristics are predicted using the device structure and the physical properties of the materials used as parameters, and the operation of the device is analyzed. Based on this, the final device structure, manufacturing conditions, etc. are determined.

【0004】従って、多結晶薄膜トランジスタに対して
も開発段階でのデバイス特性予測が高精度で可能となれ
ばデバイス構造最適化のための有用なツールと成り得る
と期待されるものの、これまでは多結晶薄膜トランジス
タに対する有効なデバイスシミュレーション方法が提案
されておらず、その結果、所望のデバイス特性を有する
多結晶薄膜トランジスタの構造や製造条件の決定が困難
であるという問題があった。
Therefore, even if it is possible to predict the device characteristics in the development stage with high accuracy even for a polycrystalline thin film transistor, it is expected that it can be a useful tool for optimizing the device structure. No effective device simulation method has been proposed for a crystalline thin film transistor, and as a result, there has been a problem that it is difficult to determine the structure and manufacturing conditions of a polycrystalline thin film transistor having desired device characteristics.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明の発明者が、従
来のデバイス設計手法を多結晶薄膜トランジスタに適用
する場合の問題点について詳細な検討を行った結果、多
結晶薄膜トランジスタのデバイス構造等の決定には、活
性層中に高密度で存在する結晶粒界でのキャリア散乱現
象を考慮して結晶中でのキャリア輸送現象を正しく取り
扱った上でデバイス構造等を決定することが極めて重要
であるということが判明した。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The inventors of the present invention have made a detailed study on the problems in applying the conventional device design method to a polycrystalline thin film transistor, and as a result, determined the device structure of the polycrystalline thin film transistor. For this reason, it is extremely important to properly determine the carrier transport phenomenon in the crystal in consideration of the carrier scattering phenomenon at the crystal grain boundaries existing at high density in the active layer before determining the device structure. It has been found.

【0006】そこで、本発明の目的は、結晶粒界におけ
るキャリアの散乱効果を正確に取り扱うデバイスシミュ
レーションに基づいて活性層中を流れるキャリア流密度
及び活性層中の電位を算出し、これを基にデバイスパラ
メータを決定して設計された多結晶薄膜トランジスタを
提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to calculate the carrier flow density flowing in the active layer and the electric potential in the active layer based on a device simulation that accurately handles the carrier scattering effect at the crystal grain boundaries, and based on this, An object of the present invention is to provide a polycrystalline thin film transistor designed by determining device parameters.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明の多結晶半導体素子のデバイスシミュレーション
方法は、活性層に多結晶半導体を用いた多結晶半導体素
子に対して2次元又は3次元構造の上記多結晶半導体素
子をメッシュに分割し、各メッシュで電位方程式・キャ
リア連続方程式等の物理方程式を解く、多結晶半導体素
子のデバイスシミュレーション方法において、上記活性
層の結晶粒の間に存在する結晶粒界を面領域として取り
扱うことを特徴とする。
To achieve the above object, a device simulation method for a polycrystalline semiconductor device according to the present invention is a two-dimensional or three-dimensional structure for a polycrystalline semiconductor device using a polycrystalline semiconductor in an active layer. In the device simulation method of the polycrystalline semiconductor device, the polycrystal semiconductor device is divided into meshes, and the physical equations such as the potential equation and the carrier continuity equation are solved in each mesh. The feature is that the grain boundary is treated as a surface region.

【0008】かかる構成によれば、結晶粒界を実際に即
して面領域として取り扱うことにより、計算の誤差を減
らして高精度のシミュレーションを実現可能となる。ま
た、結晶粒界を微小な体積領域で近似して取り扱う場合
には、結晶粒界だけではなく、その周囲でも微小なメッ
シュを用いなければならず、計算に時間がかかり、膨大
なメモリも必要となる。この点、結晶粒界を面領域とし
て取り扱うことにより、これ等の高い計算速度や膨大な
メモリ量がシミュレータに必要であるという問題も回避
可能となる。
According to this structure, the crystal grain boundaries are treated as the surface regions in accordance with the actual conditions, so that the calculation error can be reduced and a highly accurate simulation can be realized. In addition, when handling a crystal grain boundary by approximating it in a minute volume region, it is necessary to use a fine mesh not only at the grain boundary but also around the grain boundary, which takes time to calculate and requires a huge memory. Becomes In this respect, by treating the crystal grain boundary as a surface region, it is possible to avoid the problem that the simulator requires such a high calculation speed and a huge amount of memory.

【0009】好ましくは、上記結晶粒界に存在する欠陥
準位を前記面領域に分布しているとして取り扱うことを
特徴とする。それにより、結晶粒界に存在する欠陥準位
を現実に忠実に面領域に分布しているとして取り扱うこ
とにより、計算結果に誤差が減り、高精度のシミュレー
ションが実現可能となる。また、結晶粒界を微小な体積
領域で近似して取り扱う場合、結晶粒界だけではなく、
その周囲でも、微小なメッシュを用いなければならず、
計算速度は遅くなり、膨大なメモリが必要とされること
となるが、結晶粒界に存在する欠陥準位を面領域に分布
しているとして取り扱うことにより、これらの問題が回
避され、高計算速度・必要メモリ低減が実現できる。
Preferably, the defect levels existing in the crystal grain boundaries are treated as being distributed in the plane region. Therefore, by treating the defect levels existing in the crystal grain boundaries as being faithfully distributed in the surface region, the error in the calculation result is reduced, and a highly accurate simulation can be realized. In addition, when the crystal grain boundary is treated by approximating it in a minute volume region, not only the crystal grain boundary but also
Even around it, you have to use a small mesh,
Although the calculation speed becomes slow and a huge amount of memory is required, by treating the defect levels existing at the grain boundaries as being distributed in the plane region, these problems are avoided and high calculation is performed. The speed and required memory can be reduced.

【0010】好ましくは、上記結晶粒界における電位を
計算する方程式が以下の式で表されることを特徴とす
る。
Preferably, the equation for calculating the electric potential at the crystal grain boundary is represented by the following equation.

【0011】ε1(∂ψ/∂n1)+ε2(∂ψ/∂n2)=−σ ここで、ψ:電位、σ:電荷面密度、ε1:結晶粒界の片側
の誘電率、ε2:結晶粒界の他側の誘電率、n1:結晶粒界
の片側の法線ベクトルの成分、n2:結晶粒界の他側の法
線ベクトルの成分である。
Ε 1 (∂ψ / ∂n 1 ) + ε 2 (∂ψ / ∂n 2 ) = − σ where ψ: potential, σ: charge surface density, ε 1 : dielectric on one side of grain boundary , Ε 2 : dielectric constant on the other side of the crystal grain boundary, n 1 : component of a normal vector on one side of the crystal grain boundary, and n 2 : component of a normal vector on the other side of the crystal grain boundary.

【0012】かかる構成によれば、多結晶半導体素子の
デバイスシミュレーション方法において、結晶粒界を面
領域として取り扱う場合でも、ポアソン方程式におい
て、右辺のρが結晶粒界において特異点つまりρ=∞と
なってしまい、ψが計算できなくなるという現象を回避
し、電位方程式を解くことが可能となる。
According to this structure, in the device simulation method for a polycrystalline semiconductor device, even when the crystal grain boundary is treated as a plane region, in the Poisson equation, ρ on the right side is a singular point at the crystal grain boundary, that is, ρ = ∞. It is possible to solve the potential equation by avoiding the phenomenon that ψ cannot be calculated.

【0013】好ましくは、上記結晶粒界におけるキャリ
アの散乱効果(Thermionic Emissioneffect)を考慮する
ことを特徴とする。それにより、多結晶半導体素子のデ
バイスシミュレーション方法において、結晶粒界を面領
域として取り扱う場合でも、電子・正孔のキャリア連続
方程式において、ψから計算されるEが計算できなくな
るという現象を回避し、キャリア輸送方程式を解くこと
が可能となる。
It is preferable that the carrier scattering effect (Thermionic Emission effect) at the crystal grain boundary is taken into consideration. Thereby, in the device simulation method of the polycrystalline semiconductor element, even when the crystal grain boundary is treated as a surface region, in the carrier continuity equation of electrons and holes, the phenomenon that E calculated from ψ cannot be calculated, It is possible to solve the carrier transport equation.

【0014】好ましくは、上記結晶粒界を通過するキャ
リア流密度が以下の式で表されることを特徴とする。
Preferably, the carrier flow density passing through the crystal grain boundary is represented by the following equation.

【0015】J=(1−c/2)v(n−n)/4 (1−c/2)v/4=A/(qN) ここで、J:キャリア流密度、c:キャリア流が結晶
粒界にトラップされる割合、v:電子平均熱速度、
:結晶粒界の片側のキャリア密度、n:結晶粒界
の他側のキャリア密度、A:実効Richardson定数、
T:絶対温度、q:素電荷、N:実効状態密度であ
る。
J t = (1-c / 2) v (n 1 -n 2 ) / 4 (1-c / 2) v / 4 = A * T 2 / (qN e ), where J t : carrier Flow density, c: ratio of carrier flow trapped in grain boundaries, v: electron average thermal velocity,
n 1 : carrier density on one side of the crystal grain boundary, n 2 : carrier density on the other side of the crystal grain boundary, A * : effective Richardson constant,
T: absolute temperature, q: elementary charge, N e : effective density of states.

【0016】それにより、具体的にThermionic Emissio
n効果を表す方法が与えられ、実際に多結晶半導体素子
のデバイスシミュレーションを実行することが可能とな
る。
As a result, specifically, Thermionic Emissio
A method for expressing the n-effect is provided, and it becomes possible to actually perform a device simulation of a polycrystalline semiconductor device.

【0017】好ましくは、上記多結晶半導体素子が、活
性層に多結晶シリコンを用いた薄膜トランジスタであ
る、多結晶シリコン薄膜トランジスタであることを特徴
とする。それにより、多結晶シリコン薄膜トランジスタ
のデバイスシミュレーションにおいて、シミュレーショ
ンの高精度化、高計算速度化、シミュレーションに必要
とするメモリ量の低減等が実現可能となる。
Preferably, the polycrystalline semiconductor element is a polycrystalline silicon thin film transistor which is a thin film transistor using polycrystalline silicon for an active layer. As a result, in the device simulation of the polycrystalline silicon thin film transistor, it is possible to improve the accuracy of the simulation, increase the calculation speed, reduce the amount of memory required for the simulation, and the like.

【0018】好ましくは、上記多結晶半導体素子が、活
性層に多結晶シリコンを用い、レーザー結晶化のプロセ
スにより多結晶シリコンの結晶化が行われる、レーザー
結晶化多結晶シリコン薄膜トランジスタであることを特
徴とする。
Preferably, the polycrystalline semiconductor element is a laser-crystallized polycrystalline silicon thin film transistor in which polycrystalline silicon is used for an active layer and polycrystalline silicon is crystallized by a laser crystallization process. And

【0019】かかる構成とすることにより、結晶粒界の
キャリア輸送メカニズムがトランジスタ特性に対して特
に支配的であるレーザー結晶化多結晶薄膜トランジスタ
において、最適なデバイスシミレーションを行うことが
可能となる。また、シミュレーションの高精度化、高計
算速度化、必要メモリの低減が可能となる。
With such a structure, it is possible to perform optimum device simulation in a laser-crystallized polycrystalline thin film transistor in which the carrier transport mechanism of crystal grain boundaries is particularly dominant for transistor characteristics. Further, it is possible to improve the accuracy of simulation, increase the calculation speed, and reduce the required memory.

【0020】また、本発明の半導体素子は、活性層に多
結晶半導体を用いた半導体素子における結晶粒界での自
由キャリアの散乱効果を考慮してキャリア流密度
(Jt)及び電位(ψ)を次式により算出し、これを基
にデバイス特性を支配するパラメータを決定することに
より設計される。
Further, in the semiconductor device of the present invention, the carrier flow density (J t ) and the potential (ψ) are taken into consideration in consideration of the scattering effect of free carriers at the crystal grain boundaries in the semiconductor device using the polycrystalline semiconductor in the active layer. Is calculated by the following equation, and the parameters governing the device characteristics are determined based on this.

【0021】 Jt=(1−c/2)・v・(n1−n2)/4 ここで、c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割
合、v:電子平均熱速度、n1:結晶粒界の片側のキャ
リア密度、n2:結晶粒界の他側のキャリア密度であ
る。
J t = (1−c / 2) · v · (n 1 −n 2 ) / 4, where c is the ratio of the carrier flow trapped in the grain boundaries, v is the average electron thermal velocity, and n is 1 : carrier density on one side of the crystal grain boundary, n 2 : carrier density on the other side of the crystal grain boundary.

【0022】 また、ε1(∂ψ/∂n1)+ε2(∂ψ/∂n2)=−σ σ:電荷面密度 ε1:結晶粒界の片側の誘電率 ε2:結晶粒界の他側の誘電率 n1:結晶粒界の片側の法線ベクトルの成分 n2:結晶粒界の他側の法線ベクトルの成分 好ましくは、上記半導体素子は活性層に多結晶シリコン
を用いた多結晶薄膜トランジスタであり、より好ましく
は、活性層の多結晶化をレーザー結晶化のプロセスによ
り行って作製された多結晶薄膜トランジスタであるかか
る構成とすることにより、結晶粒界のキャリア輸送メカ
ニズムがトランジスタ特性に対して特に支配的であるレ
ーザー結晶化多結晶薄膜トランジスタにおいて、最適化
されたデバイス構造を有する多結晶半導体素子が得られ
る。
Further, ε 1 (∂ψ / ∂n 1 ) + ε 2 (∂ψ / ∂n 2 ) = − σ σ: charge surface density ε 1 : dielectric constant on one side of the crystal grain boundary ε 2 : crystal grain boundary Dielectric constant n 1 on the other side: component of a normal vector on one side of the crystal grain boundary n 2 : component of a normal vector on the other side of the crystal grain boundary Preferably, the semiconductor element uses polycrystalline silicon for the active layer. It is a polycrystalline thin film transistor, and more preferably, it is a polycrystalline thin film transistor manufactured by performing the polycrystallization of the active layer by the process of laser crystallization. With such a structure, the carrier transport mechanism of the grain boundary is a transistor. In the laser crystallized polycrystalline thin film transistor, which is particularly dominant in characteristics, a polycrystalline semiconductor element having an optimized device structure can be obtained.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の半導体素子について詳述する。 (キャリア密度流および電位の算出)図5は、活性層に
多結晶シリコンを用いて構成した多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタの構造断面図である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The semiconductor device of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. (Calculation of Carrier Density Flow and Potential) FIG. 5 is a structural cross-sectional view of a polycrystalline silicon thin film transistor configured by using polycrystalline silicon for the active layer.

【0024】多結晶シリコン薄膜トランジスタは、基板
1上にCVD法等により成長させた多結晶シリコン膜
に、ゲート領域、ソース領域5、及びドレイン領域6を
形成し、該多結晶シリコン膜上には熱酸化法等で成長さ
せたシリコン酸化膜によりゲート絶縁膜3が形成されて
いる。そして、該ゲート酸化膜上にはゲート電極4が形
成され、ゲート電極4下の多結晶シリコン膜をゲート領
域として動作させる。
In the polycrystalline silicon thin film transistor, a gate region, a source region 5 and a drain region 6 are formed in a polycrystalline silicon film grown on a substrate 1 by a CVD method or the like, and a heat treatment is performed on the polycrystalline silicon film. The gate insulating film 3 is formed of a silicon oxide film grown by an oxidation method or the like. Then, the gate electrode 4 is formed on the gate oxide film, and the polycrystalline silicon film under the gate electrode 4 is operated as a gate region.

【0025】図5において、基板1と多結晶シリコン膜
の界面からゲート絶縁膜3に向けて多結晶シリコン膜中
を斜めに貫通する直線は、多結晶シリコン膜を構成する
相互に結晶方位の異なるシリコン結晶によって形成され
る結晶粒界12である。単結晶薄膜トランジスタと比較
した場合の多結晶薄膜トランジスタの特徴は、トランジ
スタを形成する半導体膜が多結晶で構成されているため
に半導体膜中には相互に結晶方位が異なる結晶粒が存在
し、その結果各結晶粒間には結晶粒界12が存在すると
いうことである。
In FIG. 5, straight lines obliquely penetrating through the polycrystalline silicon film from the interface between the substrate 1 and the polycrystalline silicon film toward the gate insulating film 3 have different crystal orientations constituting the polycrystalline silicon film. It is a crystal grain boundary 12 formed by a silicon crystal. The characteristic of the polycrystalline thin film transistor when compared with the single crystal thin film transistor is that since the semiconductor film forming the transistor is composed of polycrystalline, there are crystal grains with different crystal orientations in the semiconductor film, and as a result, This means that there is a crystal grain boundary 12 between each crystal grain.

【0026】このように活性層が多結晶からなる半導体
素子のデバイスパラメータの決定にあたっては、結晶粒
界がキャリアの輸送現象に及ぼす効果を充分に考慮する
必要があり、そのために結晶粒界近傍の領域をどのよう
なモデルとして取り扱うかが極めて重要となってくる。
As described above, in determining the device parameters of the semiconductor element in which the active layer is made of polycrystal, it is necessary to sufficiently consider the effect of the crystal grain boundaries on the carrier transport phenomenon. It is extremely important to consider what kind of model the area should be treated as.

【0027】図1(b)は、本発明の半導体素子を設計
するにあたって採用したデバイスシミュレーション用の
「面領域モデル」である。
FIG. 1B is a "plane area model" for device simulation adopted in designing the semiconductor device of the present invention.

【0028】一般に、デバイスシミュレーションを実行
するためには、取り扱われる物理系を多数のメッシュで
分割し、各メッシュ毎に定まる境界条件が満足されるよ
うに演算を実行する。従って、上記メッシュをどのよう
に設定するかにより、シミュレーション結果の精度が定
まる。換言すれば、多結晶半導体中の結晶粒界及びその
近傍領域でいかなるメッシュを設定するかによってデバ
イス設計手法としての有効性が定まるのである。
Generally, in order to execute a device simulation, a physical system to be handled is divided into a large number of meshes, and an operation is executed so that a boundary condition defined for each mesh is satisfied. Therefore, the accuracy of the simulation result is determined by how the mesh is set. In other words, the effectiveness as a device design method is determined by what kind of mesh is set in the crystal grain boundaries in the polycrystalline semiconductor and in the vicinity thereof.

【0029】本発明の半導体素子を設計するために採用
した面領域モデルでは、多結晶11中に含まれる結晶粒
界12を面領域14として取り扱うこととしている。そ
の結果、面領域14に隣接する多結晶領域11において
も大きなメッシュが設定される。
In the surface area model adopted for designing the semiconductor device of the present invention, the crystal grain boundary 12 contained in the polycrystal 11 is treated as the surface area 14. As a result, a large mesh is set even in the polycrystalline region 11 adjacent to the surface region 14.

【0030】これに対して、従来のデバイスシミュレー
ション方法では「微小体積領域モデル」が採用されてお
り、結晶粒界12を微小体積領域13で近似するという
取り扱いがなされていた。このようなモデルを採用する
場合には、シミュレーション結果を高精度とし且つその
高収束性を担保するためにメッシュサイズを連続的に変
化させる必要性から、図1(a)に示すように、微小体
積領域13だけではなくその近傍の多結晶領域11でも
メッシュサイズを小さく設定する必要が生じる。
On the other hand, in the conventional device simulation method, the "small volume region model" is adopted and the crystal grain boundary 12 is approximated by the small volume region 13. When such a model is adopted, since it is necessary to make the simulation result highly accurate and to continuously change the mesh size in order to ensure the high convergence, as shown in FIG. It is necessary to set the mesh size small not only in the volume region 13 but also in the polycrystalline region 11 in the vicinity thereof.

【0031】このように、本発明の半導体素子を設計す
るに際して採用した面領域モデルと、従来のシミュレー
ション方法で採用されていた微小体積領域モデルとで
は、シミュレーションを実行するためのメッシュの設定
の仕方に大きな差異がある。
As described above, in the surface area model used for designing the semiconductor device of the present invention and the minute volume area model used in the conventional simulation method, the mesh setting method for executing the simulation is set. There is a big difference.

【0032】図1(a)及び図1(b)のように設定さ
れたメッシュを利用して、実際にどのような演算に基づ
いてデバイスシミュレーションが実行されるかについて
以下に説明する。
Using the meshes set as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), what kind of calculation is actually used to execute the device simulation will be described below.

【0033】先ず面領域モデルを採用するデバイスシミ
ュレーション方法では、結晶粒界に存在する欠陥準位は
上記面領域に分布するものとして取り扱われる。
First, in the device simulation method employing the surface area model, the defect levels existing in the crystal grain boundaries are treated as being distributed in the surface area.

【0034】ここで、結晶粒界における電位(ψ)の計
算は、次式で表されるガウスの法則に基づいて実行され
る。
Here, the calculation of the electric potential (ψ) at the crystal grain boundary is executed based on Gauss's law represented by the following equation.

【0035】 ε1(∂ψ/∂n1)+ε2(∂ψ/∂n2)=−σ (σは電荷面密度、ε1は結晶粒界の片側の誘電率、ε2
は結晶粒界の他側の誘電率、n1は結晶粒界の片側の法
線ベクトルの成分、n2は結晶粒界の他側の法線ベクト
ルの成分) 更に、本発明の半導体素子の設計においては、従来のデ
バイスシミュレーション方法において無視されていた結
晶粒界におけるキャリアの散乱効果を考慮する。より具
体的には、結晶粒界におけるThermionic E
mission効果を考慮した取り扱いがなされてい
る。
Ε 1 (∂ψ / ∂n 1 ) + ε 2 (∂ψ / ∂n 2 ) = − σ (σ is the charge surface density, ε 1 is the dielectric constant on one side of the grain boundary, and ε 2
Is the dielectric constant on the other side of the crystal grain boundary, n 1 is the component of the normal vector on one side of the crystal grain boundary, and n 2 is the component of the normal vector on the other side of the crystal grain boundary. In the design, the carrier scattering effect at the grain boundaries, which was ignored in the conventional device simulation method, is considered. More specifically, thermionic E at grain boundaries
It is handled in consideration of the mission effect.

【0036】この取り扱いによれば、結晶粒界を通過す
るキャリア流密度(J)は、J=(1−c/2)・
v・(n−n)/4により与えられる。
According to this handling, the carrier flow density (J t ) passing through the grain boundaries is J t = (1-c / 2) ·
given by v · (n 1 −n 2 ) / 4.

【0037】ここで、cはキャリア流が結晶粒界にトラ
ップされる割合、vは電子の平均熱速度、n及びn
は結晶粒界の片側及び他側のキャリア密度である。
Here, c is the rate at which the carrier flow is trapped in the grain boundaries, v is the average heat velocity of electrons, and n 1 and n 2
Is the carrier density on one side and the other side of the grain boundary.

【0038】なお、上記関係式を、実効Richard
son定数A、及び実効状態密度Nを用いて、(1
−c/2)・v/4=A・T/(q・N)の関係
式に基づいて、J=(n−n)・A・T
(q・N)と表現してもよい。ここで、Tは絶対温
度、qは素電荷である。
The above relational expression is converted into the effective Richard.
Using the son constant A * and the effective density of states N e , (1
-C / 2) · v / 4 = A * · T 2 / ( based on the q · N e) of the equation, J t = (n 1 -n 2) · A * · T 2 /
It may be expressed as (q · N e ). Here, T is absolute temperature and q is elementary charge.

【0039】上記の実効Richardson定数A
は結晶粒界の質に依存する定数で、結晶方位が揃ってい
るときや隣接結晶粒が正常に接続しているときなどは大
きく、その場合のキャリア流密度Jは大きな値をと
る。一方、結晶方位が揃っていないときや結晶粒界に酸
化膜が存在しているときなどは、実効Richards
on定数Aは小さく、キャリア流密度Jは小さな値
となる。なお、注意深く作製された良質の多結晶シリコ
ンの実効Richardson定数Aは、11A/c
/Kであることが知られている。
The above-mentioned effective Richardson constant A *
Is a constant that depends on the quality of the crystal grain boundary, and is large when the crystal orientations are aligned or when adjacent crystal grains are normally connected. In that case, the carrier flow density J t has a large value. On the other hand, when the crystal orientations are not uniform or when an oxide film exists at the crystal grain boundaries, the effective Richards
The on constant A * is small and the carrier flow density J t is a small value. Note that the effective Richardson constant A * of carefully manufactured high-quality polycrystalline silicon is 11 A / c.
It is known to be m 2 / K 2 .

【0040】これに対して、従来のデバイスシミュレー
ション方法では、電位方程式としてポアソン方程式Δψ
=−ρ/ε (ψは電位、ρは電荷体積密度、εは誘電
率)が採用され、キャリア輸送方程式として電子及び正
孔のキャリア連続方程式として、 ∇・{(−n・μn・E)−(D・∇n)}−G=0 ∇・{(−n・μ・E)−(D・∇n)}−G=0 (n又はnは各々電子又は正孔のキャリア密度、μ
n又はμは各々電子又は正孔の移動度、Eは電界強
度、D又はDは各々電子又は正孔の拡散係数、Gは
キャリア生成・消滅割合)が採用されていた。
On the other hand, in the conventional device simulation method, the Poisson equation Δψ is used as the potential equation.
= −ρ / ε (ψ is the potential, ρ is the charge volume density, and ε is the dielectric constant), and the carrier continuity equation for electrons and holes is ∇ · {(− n n · μ n · E) - (D n · ∇n n)} - G = 0 ∇ · {(-n p · μ p · E) - (D p · ∇n p)} - G = 0 (n n or n p is Electron or hole carrier density, μ
n or μ p is electron or hole mobility, E is electric field strength, D n or D p is electron or hole diffusion coefficient, and G is carrier generation / annihilation ratio.

【0041】ポアソン方程式を基礎とする従来のシミュ
レーション方法において結晶粒界を面領域として取り扱
おうとすると、上記ポアソン方程式の右辺に含まれるρ
が結晶粒界においてρ=∞となってしまい、電位(ψ)
を解析的に求めることができない。このため、上記電子
又は正孔のキャリア連続方程式によりψから算出される
べきEも計算することができなくなる。故に、ポアソン
方程式を基礎とする従来の多結晶半導体素子のデバイス
シミュレーション方法では、結晶粒界を面領域として取
り扱うことは不可能であった。
In the conventional simulation method based on the Poisson equation, when the grain boundary is treated as a surface region, ρ included in the right side of the Poisson equation is used.
Becomes ρ = ∞ at the grain boundary, and the potential (ψ)
Cannot be obtained analytically. Therefore, it becomes impossible to calculate E that should be calculated from ψ by the electron or hole carrier continuity equation. Therefore, in the conventional device simulation method for a polycrystalline semiconductor device based on the Poisson equation, it is impossible to treat the crystal grain boundary as a plane region.

【0042】これに対して、ガウスの法則を基礎とする
デバイスシミュレーション方法によれば、結晶粒界を面
領域として取り扱うため、求めるべき物理量に相当する
解が発散してしまうという問題が解消される。
On the other hand, according to the device simulation method based on Gauss's law, since the crystal grain boundaries are treated as plane regions, the problem that the solution corresponding to the desired physical quantity diverges is solved. .

【0043】この様に、本発明の半導体素子の設計で採
用するデバイスシミュレーション方法によれば、ガウス
の法則を基礎とし、且つ、結晶粒界におけるキャリアの
散乱効果を考慮することにより、多結晶半導体のデバイ
スシミュレーションを高精度で実行することが可能とな
る。
As described above, according to the device simulation method employed in the design of the semiconductor device of the present invention, the polycrystalline semiconductor is based on the Gauss' law and considering the carrier scattering effect at the grain boundary. It becomes possible to execute the device simulation of the above with high accuracy.

【0044】本発明の半導体素子設計で採用したデバイ
スシミュレーション方法の多結晶半導体への有効性を確
認するために、ドーパントを微量にドープした多結晶シ
リコン膜中に存在する結晶粒界を想定し、微小体積領域
モデルと面領域モデルとで結晶粒界近傍でのポテンシャ
ル分布を求めて比較した。
In order to confirm the effectiveness of the device simulation method adopted in the semiconductor device design of the present invention for a polycrystalline semiconductor, a grain boundary existing in a polycrystalline silicon film doped with a small amount of a dopant is assumed, The potential distributions near the grain boundaries were obtained and compared between the small volume region model and the surface region model.

【0045】図2は、このようにして得られた結晶粒界
近傍でのポテンシャルを示す図である。なお、微小体積
領域モデルによるシミュレーションは、微小領域体積幅
を1nmとしこれに隣接するメッシュ幅も1nmとして
実行している。
FIG. 2 is a diagram showing the potential in the vicinity of the crystal grain boundaries thus obtained. The simulation using the minute volume region model is performed with the minute region volume width set to 1 nm and the mesh width adjacent to it set to 1 nm.

【0046】一般に、結晶粒界はキャリアの捕獲中心と
して作用し、結晶粒界近傍にはキャリアトラップが高密
度で存在することが知られており、一旦キャリアがトラ
ップに捕獲されると捕獲されたキャリアのもつ電荷分だ
け局所的に電荷が蓄積された状態となって、いわゆるポ
テンシャルバリアが形成される。そして、キャリアの捕
獲によって結晶粒界にポテンシャルバリアが形成される
と、このポテンシャルバリアよりも低い熱励起エネルギ
を持った自由キャリアは結晶粒界を通過することができ
ず該結晶粒界の捕獲中心にトラップされ新たなポテンシ
ャルバリアの形成に寄与するというプロセスが繰り返さ
れる。図2において結晶粒界に相当する位置0nmにお
いてポテンシャルの値が大きな値を取るのは、結晶粒界
に存在する欠陥準位がキャリアをトラップして帯電しポ
テンシャルバリアを形成しているためである。
In general, it is known that the crystal grain boundary acts as a trapping center for carriers, and carrier traps are present at a high density in the vicinity of the crystal grain boundary. Once the carriers are trapped by the traps, they are trapped. A so-called potential barrier is formed by locally accumulating electric charges corresponding to the electric charges of the carriers. When a potential barrier is formed at the crystal grain boundary by capturing carriers, free carriers having lower thermal excitation energy than this potential barrier cannot pass through the crystal grain boundary and the trapping center of the crystal grain boundary. The process of being trapped in and contributing to the formation of a new potential barrier is repeated. In FIG. 2, the potential has a large value at the position 0 nm corresponding to the crystal grain boundary because the defect level existing in the crystal grain boundary traps carriers and charges them to form a potential barrier. .

【0047】図2から明らかなように、微小体積領域モ
デルと面領域モデルではシミュレーションにより求めた
ポテンシャル分布に差異が認められ、特に、結晶粒界で
のポテンシャル形状が大きく異なる。この差異は、自由
キャリア密度分布や多結晶シリコン膜の電気伝導度のシ
ミュレーション結果にも影響を及ぼす。
As is clear from FIG. 2, the potential distribution obtained by the simulation is different between the minute volume region model and the surface region model, and in particular, the potential shape at the grain boundary is greatly different. This difference also affects the simulation results of the free carrier density distribution and the electrical conductivity of the polycrystalline silicon film.

【0048】上記面領域モデルに基づいて算出した自由
キャリア密度分布や多結晶シリコン膜の電気伝導度の結
果を、多結晶シリコン膜について測定して得られた実測
値と比較すると良い一致を示すことが確認され、本発明
の半導体素子の設計で採用したデバイスシミュレーショ
ン方法の妥当性及び有効性が確認できた。
The results of the free carrier density distribution calculated based on the above surface area model and the electric conductivity of the polycrystalline silicon film are compared with the actual measurement values obtained by measuring the polycrystalline silicon film, showing good agreement. Was confirmed, and the validity and effectiveness of the device simulation method adopted in the design of the semiconductor device of the present invention could be confirmed.

【0049】なお、本実施例では、自由キャリアとして
電子を、キャリアトラップとしてアクセプタ様トラップ
を想定してシミュレーションを行っているが、自由キャ
リアとして正孔を、キャリアトラップとしてドナー様ト
ラップを想定しても、同様な解析をなし得ることは言う
までもない。
In the present embodiment, the simulation is performed assuming electrons as free carriers and acceptor-like traps as carrier traps, but holes are assumed as free carriers and donor-like traps as carrier traps. Needless to say, a similar analysis can be performed.

【0050】上述した面領域モデルに基づいたデバイス
シミュレーション方法によれば、シミュレーション方法
としての有効性に加え、メッシュ幅がシミュレーション
結果に及ぼす影響を考慮する必要性から開放されるとい
う別の利点もある。
According to the device simulation method based on the above-mentioned surface area model, in addition to the effectiveness as the simulation method, there is another advantage that it is not necessary to consider the influence of the mesh width on the simulation result. .

【0051】例えば、図3は微小体積領域モデルにおい
て微小体積領域に隣接するメッシュ幅を変化させた場合
の結晶粒界近傍のポテンシャル分布を求めた結果であ
る。ここで微小体積領域に隣接するメッシュ幅は、1〜
3nmまで1nm間隔で変化させている。図3から明ら
かなように、微小体積領域モデルにおいてはポテンシャ
ル分布がメッシュ幅に依存して大きく変化することが読
み取れる。
For example, FIG. 3 shows the results of obtaining the potential distribution in the vicinity of the crystal grain boundaries when the mesh width adjacent to the minute volume region is changed in the minute volume region model. Here, the mesh width adjacent to the minute volume region is 1 to
The distance is changed to 1 nm at intervals of 3 nm. As is clear from FIG. 3, it can be read that the potential distribution greatly changes depending on the mesh width in the minute volume region model.

【0052】これに対し、面領域モデルでは上記の現象
は起こらない。面領域モデルでは、面領域に隣接する多
結晶領域のメッシュは大きなメッシュ幅として設定され
るために、メッシュ幅がシミュレーション結果に及ぼす
影響を考慮する必要がないのである。 (本発明の半導体素子の設計手順)次に、上述したデバ
イスシミュレーション方法により、設計すべき半導体素
子のデバイスパラメータを最適化する手順を以下に説明
する。
On the other hand, the above phenomenon does not occur in the surface area model. In the surface area model, since the mesh of the polycrystalline area adjacent to the surface area is set to have a large mesh width, it is not necessary to consider the influence of the mesh width on the simulation result. (Design Procedure of Semiconductor Element of the Present Invention) Next, the procedure for optimizing the device parameters of the semiconductor element to be designed by the above-described device simulation method will be described below.

【0053】図6は、本発明の半導体素子のデバイス特
性をシミュレーションするためのデバイスシミュレータ
を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a device simulator for simulating the device characteristics of the semiconductor device of the present invention.

【0054】デバイスシミュレータ31は、制御手段3
2と、入力手段33と、演算手段34と、出力手段35
の各手段により構成され、制御手段32はデバイスシミ
ュレータ31全体の制御を行なう手段である。
The device simulator 31 includes the control means 3
2, input means 33, calculation means 34, output means 35
The control means 32 is a means for controlling the entire device simulator 31.

【0055】また、入力手段33は、印加すべきゲート
電圧等のシミュレーション条件を入力するためのシミュ
レーション条件入力手段36と、半導体素子の構造・形
状や活性層として動作する多結晶のグレインサイズ等の
結晶性のパラメータを入力するデバイス構造入力手段3
7から構成され、演算手段34は、上述した理論に基づ
いてデバイス中を流れるキャリア流の密度を算出するた
めのキャリア流密度・電位演算手段38と、その結果及
び入力手段33により入力された種種の条件に基づいて
所望するデバイス特性を算出するためのデバイス特性演
算手段39により構成されている。
The input means 33 includes a simulation condition input means 36 for inputting a simulation condition such as a gate voltage to be applied, a structure / shape of a semiconductor element, a grain size of a polycrystal operating as an active layer, and the like. Device structure input means 3 for inputting crystallinity parameters
7, the calculation means 34 is a carrier flow density / potential calculation means 38 for calculating the density of the carrier flow flowing in the device based on the above-mentioned theory, and the result and the seed species input by the input means 33. The device characteristic calculation means 39 for calculating a desired device characteristic based on the condition

【0056】図7は、デバイスシミュレータ31により
デバイスシミュレーションを実行する際の処理手順を示
している。
FIG. 7 shows a processing procedure when the device simulator 31 executes the device simulation.

【0057】先ず、半導体素子のゲート電圧条件等のシ
ミュレーションデータが、入力手段33のシミュレーシ
ョン条件入力手段36により入力される(S46)。
First, the simulation data such as the gate voltage condition of the semiconductor element is input by the simulation condition input means 36 of the input means 33 (S46).

【0058】また、半導体素子の構造及び形状等のデバ
イス構造に関するデータは、デバイス構造入力手段37
から入力される(S47)。ここで、デバイス構造デー
タとは、例えば、ゲート酸化膜厚、ソース・ドレイン間
隔、活性層の結晶性、コンタクト孔形状、配線形状、ド
ーパント濃度等であり、その内容は設計しようとするデ
バイスに応じて自由に設定し得るものである。なお、上
記デバイス構造データは、デバイスシュミレータ31の
利用者により直接入力されるものであっても良く、デバ
イスシミュレータ31とは別に設けられたプロセスシミ
ュレータによって算出されたデータを入力されたもので
あっても良い。
Data concerning the device structure, such as the structure and shape of the semiconductor element, is stored in the device structure input means 37.
Is input from (S47). Here, the device structure data is, for example, the gate oxide film thickness, the source / drain spacing, the crystallinity of the active layer, the contact hole shape, the wiring shape, the dopant concentration, etc., and the contents thereof depend on the device to be designed. Can be freely set. The device structure data may be directly input by a user of the device simulator 31, or may be data input by a process simulator provided separately from the device simulator 31. Is also good.

【0059】キャリア流密度・電位演算手段38は、デ
バイス構造入力手段37から上記デバイス構造データを
受け取り、上述した関係式に基づいてキャリア流密度及
び電位を算出する。
The carrier flow density / potential calculation means 38 receives the device structure data from the device structure input means 37 and calculates the carrier flow density and the potential based on the above relational expression.

【0060】そして、デバイス特性演算手段39は、上
記シミュレーションデータ及び算出されたキャリア流密
度・電位の値を受け取ってC−V特性等のデバイス特性
を算出し(S49)、その結果が出力手段35により出
力される。
The device characteristic calculation means 39 receives the simulation data and the calculated carrier flow density / potential values and calculates device characteristics such as CV characteristics (S49), and the result is output means 35. Is output by.

【0061】デバイスシミュレータ31の利用者は、上
記出力されたデバイス特性と設計特性とを比較しながら
図7に示した手順を繰り返すことにより、ゲート酸化膜
厚、ソース・ドレイン間隔、活性層の結晶性、コンタク
ト孔形状、配線形状、ドーパント濃度等のデバイスパラ
メータを最適化して所望の特性が得られるデバイス構造
を最適化するのである。 (結晶粒界を考慮した多結晶薄膜トランジスタ)次に、
上述のデバイスシミュレーションにより決定されたデバ
イス構造を有する本発明の薄膜トランジスタの製造工程
について図面を参照して説明する。
The user of the device simulator 31 repeats the procedure shown in FIG. 7 while comparing the output device characteristics with the design characteristics, to thereby obtain the gate oxide film thickness, the source / drain spacing, and the crystal of the active layer. Device parameters such as the conductivity, contact hole shape, wiring shape, dopant concentration, etc. are optimized to optimize the device structure capable of obtaining desired characteristics. (Polycrystalline thin film transistor in consideration of grain boundaries) Next,
A manufacturing process of the thin film transistor of the present invention having a device structure determined by the above device simulation will be described with reference to the drawings.

【0062】図4は、本発明の多結晶薄膜トランジスタ
の製造工程を示す図である。なお、本実施例では、ガラ
ス等の絶縁基板上に、トランジスタを作製する半導体層
としてシリコン薄膜を成膜する場合を例に説明する。ま
た、本実施例の多結晶シリコン薄膜トランジスタは、結
晶粒界のキャリア輸送メカニズムがトランジスタ特性に
対して特に支配的であるレーザー結晶化多結晶シリコン
薄膜トランジスタである。
FIG. 4 is a diagram showing a manufacturing process of the polycrystalline thin film transistor of the present invention. In this embodiment, a case where a silicon thin film is formed as a semiconductor layer for forming a transistor on an insulating substrate such as glass will be described as an example. The polycrystalline silicon thin film transistor of this example is a laser crystallized polycrystalline silicon thin film transistor in which the carrier transport mechanism of crystal grain boundaries is particularly dominant for transistor characteristics.

【0063】先ず、絶縁基板1上に、シリコン原子供給
源としてシラン系の反応性ガスを使用することとし、例
えばジシラン(Si)ガスを用いた減圧CVD
(LPCVD)法や、例えばモノシラン(SiH)ガ
スを用いたプラズマエンハンスメントCVD(PECV
D)法により、アモルファス状のシリコン膜2を成膜す
る。ここで、シリコン膜2は、その膜厚が上述したデバ
イスシミュレーションにより最適なものとして予め算出
された膜厚となるように成膜される。
First, a silane-based reactive gas is used as a silicon atom supply source on the insulating substrate 1, for example, low pressure CVD using disilane (Si 2 H 6 ) gas.
(LPCVD) method or plasma enhancement CVD (PECV) using, for example, monosilane (SiH 4 ) gas
The amorphous silicon film 2 is formed by the method D). Here, the silicon film 2 is formed so that the film thickness thereof is a film thickness calculated in advance as an optimum film thickness by the device simulation described above.

【0064】これに続き、成膜されたアモルファスシリ
コン膜2に、アモルファス状態のシリコン原子が結晶化
するために必要なエネルギを外部から供給せしめて再結
晶化させ多結晶シリコン膜2が形成される(図4
(a))。ここで、多結晶のグレインサイズや結晶方位
等の結晶性は、上述のデバイスシミュレーションによ
り、要求されるキャリア移動度等の諸特性が得られるよ
うに予め設定されている。また、再結晶化手法は、かか
る結晶性を実現するために最適な手法及び条件が選択さ
れることとなるが、例えば図4(a)のようにエキシマ
レーザ等を用いて光照射するレーザ結晶化法や熱処理炉
中で熱処理を施して固相成長させたりする手法が選択さ
れる。
Subsequently, the formed amorphous silicon film 2 is re-crystallized by supplying the energy necessary for crystallization of amorphous silicon atoms from the outside to form a polycrystalline silicon film 2. (Fig. 4
(A)). Here, the crystallinity such as the grain size and crystal orientation of the polycrystal is set in advance so that various characteristics such as the required carrier mobility can be obtained by the above device simulation. Further, in the recrystallization method, an optimum method and conditions are selected in order to realize such crystallinity. For example, as shown in FIG. 4A, a laser crystal for light irradiation using an excimer laser or the like is used. A chemical treatment method or a method of performing solid phase growth by performing heat treatment in a heat treatment furnace is selected.

【0065】このようにして形成された多結晶シリコン
膜2は、フォトリソグラフィー技術を用いて所望のパタ
ーニングが施され、更に、後にゲート酸化膜として利用
されることとなる誘電体膜3が形成される。この誘電体
膜は、例えば熱CVD法により形成されたシリコン酸化
膜(SiO)であり、基板全面に堆積される(図4
(b))。
The polycrystalline silicon film 2 thus formed is subjected to desired patterning by using a photolithography technique, and further a dielectric film 3 which will be used as a gate oxide film later is formed. It This dielectric film is, for example, a silicon oxide film (SiO x ) formed by a thermal CVD method, and is deposited on the entire surface of the substrate (FIG. 4).
(B)).

【0066】次に、閾値調整のために活性層への不純物
ドーピングを行うが、精度の良いドーピングレベル制御
が容易かつ正確に行えるイオン注入法を採用している。
ドーピングされるべき元素の種類は、薄膜トランジスタ
の設計により定まるが、本実施例の場合には、n型の薄
膜トランジスタの場合について示しており、シリコン結
晶中でアクセプタとして作用するIII族不純物のボロン
(B)が注入される(図4(b))。また、イオン注入
されるべきドーピング量は、予めシミュレーションによ
り算出された値に設定される。
Next, impurity doping is performed on the active layer to adjust the threshold value, but an ion implantation method is employed which allows easy and accurate doping level control with high accuracy.
The type of element to be doped is determined by the design of the thin film transistor, but in the case of the present embodiment, the case of an n-type thin film transistor is shown, and the group III impurity boron (B) that acts as an acceptor in the silicon crystal is shown. ) Is injected (FIG. 4 (b)). The doping amount to be ion-implanted is set to a value calculated in advance by simulation.

【0067】上記活性層中へのドーピング工程に続い
て、ゲート電極4を形成するための薄膜形成を行う。ゲ
ート電極材料として選択された金属やポリシリコン等の
薄膜をCVD法やスパッタリング法により基板全面に堆
積させた後、フォトリソグラフィーにより所望のゲート
電極形状となるようにパターニングが施される(図4
(c))。
Subsequent to the doping process into the active layer, a thin film for forming the gate electrode 4 is formed. After depositing a thin film of metal or polysilicon selected as a gate electrode material on the entire surface of the substrate by a CVD method or a sputtering method, patterning is performed by photolithography so as to have a desired gate electrode shape (FIG. 4).
(C)).

【0068】更に、ソース領域5及びドレイン領域6の
導電型をn型とするために、例えばリン(P)がイオ
ン注入される(図4(c))。この工程において、既に
パターニングされたゲート電極4がマスクとして利用さ
れ自己整合的にリン(P)が注入されることとなる。す
なわち、ゲート電極直下の多結晶シリコン膜領域へのリ
ン注入はなく、図4(b)の工程でボロンのイオン注入
がされた状態が維持される。
Further, in order to make the conductivity type of the source region 5 and the drain region 6 n + type, for example, phosphorus (P) is ion-implanted (FIG. 4C). In this step, the already patterned gate electrode 4 is used as a mask to implant phosphorus (P) in a self-aligned manner. That is, there is no phosphorus implantation into the polycrystalline silicon film region immediately below the gate electrode, and the state in which boron ions are implanted in the step of FIG. 4B is maintained.

【0069】活性層領域へのボロン注入、及びソース領
域5及びドレイン領域6へのリン注入がなされた後、こ
れらのイオン注入により乱された結晶格子状態を回復さ
せると共にボロンとリンをドーパントとして電気的に活
性化するための処理が施される。
After the implantation of boron into the active layer region and the implantation of phosphorus into the source region 5 and the drain region 6, the crystal lattice state disturbed by these ion implantations is restored, and boron and phosphorus are used as dopants. Processing for activating the image is performed.

【0070】上記ドーパントの活性化法としては種種の
方法が知られているが、例えば基板を長時間高温に保持
する熱活性化法を選択すれば、簡単な装置でドーパント
活性化が実行できるから低コストで薄膜トランジスタの
製造が行えるという利点がある。また、ドーパント活性
化は上記の熱活性化法に限定されるものではなく、例え
ばレーザ活性化法によることとしても良い。なお、ドー
パント活性化をレーザ活性化法により行う場合には、図
4(a)に示したアモルファスシリコン薄膜の結晶化工
程で使用するレーザと同一のレーザ光源を用いることと
しても良く、これとは別の異なる波長のレーザ光源を設
けて用いることとしても良い。
Various methods are known as the method for activating the above-mentioned dopants. For example, if a thermal activation method for holding the substrate at a high temperature for a long time is selected, the dopant activation can be executed with a simple apparatus. There is an advantage that a thin film transistor can be manufactured at low cost. Further, the dopant activation is not limited to the above thermal activation method, and may be, for example, a laser activation method. When the dopant activation is performed by the laser activation method, the same laser light source as the laser used in the crystallization process of the amorphous silicon thin film shown in FIG. 4A may be used. A laser light source having another different wavelength may be provided and used.

【0071】上記ドーパント活性化に続いて、基板上に
形成された個々のトランジスタを互いに電気的に絶縁す
るための層間絶縁膜7を形成し(図4(d))、更に、
ソース領域5及びドレイン領域6の上に形成された誘電
体膜3及び層間絶縁膜7をフォトリソグラフィ技術によ
り除去してコンタクトホールを開穴した後、ソース電極
8及びドレイン電極9用の薄膜を堆積した後、ソース電
極8及びドレイン電極9としてパターニングする。この
ようにして、多結晶薄膜トランジスタが完成する(図4
(d))。
Subsequent to the above dopant activation, an interlayer insulating film 7 for electrically insulating the individual transistors formed on the substrate from each other is formed (FIG. 4 (d)).
The dielectric film 3 and the interlayer insulating film 7 formed on the source region 5 and the drain region 6 are removed by photolithography to open contact holes, and then thin films for the source electrode 8 and the drain electrode 9 are deposited. After that, the source electrode 8 and the drain electrode 9 are patterned. In this way, a polycrystalline thin film transistor is completed (FIG. 4).
(D)).

【0072】なお、本実施例では、活性層の導電型をp
型とし、注入されるドーパントとしてボロンを選択し、
ゲート電圧−ドレイン電流特性を電圧プラス側にシフト
させているが、例えばアルミニウム(Al)等の他のア
クセプタ不純物をドーパントとして選択しても良いこと
は言うまでもない。また、トランジスタの設計上の要請
により活性層をn型の導電型としても良い。この場合に
は、リン(P)等のドナー不純物をドーパントとして選
択すれば良い。
In this embodiment, the conductivity type of the active layer is p.
Mold and select boron as the implanted dopant,
Although the gate voltage-drain current characteristic is shifted to the voltage plus side, it goes without saying that another acceptor impurity such as aluminum (Al) may be selected as the dopant. Further, the active layer may have an n-type conductivity type depending on the design requirements of the transistor. In this case, a donor impurity such as phosphorus (P) may be selected as the dopant.

【0073】上記実施例では、活性層へのドーピング手
法としてドーパントの質量分析を伴うイオン注入法を選
択した例を示しているが、ドーピング手法はこれに限定
されるものではない。すなわち、ドーパントの質量分析
を伴うことなくドーピングを行う他のドーピング方法で
あっても良い。特に、質量分析を伴わないイオンドープ
法を採用する場合には、イオンドーピングによる活性
層、ゲート絶縁膜、基板絶縁膜、あるいはそれらの界面
に存在する転位等の構造的欠陥や固定電荷等の電気的欠
陥を低減させることが可能となる利点がある。一方、質
量分析を伴うイオン注入法を採用する場合には、余分な
イオン衝撃によって、活性層、ゲート絶縁膜、基板絶縁
膜、あるいはそれらの界面に誘起される転位等の構造的
欠陥や固定電荷等の電気的欠陥を抑制させることが可能
となる。従って、所望する薄膜トランジスタの特性を得
るために最適な手法を適宜選択すれば良い。
In the above-mentioned embodiment, an example in which the ion implantation method with mass spectrometry of the dopant is selected as the doping method for the active layer is shown, but the doping method is not limited to this. That is, another doping method may be used in which doping is performed without mass spectrometry of the dopant. In particular, when adopting the ion doping method without mass spectrometry, structural defects such as dislocations existing at the active layer, the gate insulating film, the substrate insulating film, or their interfaces due to the ion doping, and electrical charges such as fixed electric charges. There is an advantage that it is possible to reduce the physical defects. On the other hand, when the ion implantation method accompanied by mass spectrometry is adopted, structural defects such as dislocations or fixed charges induced in the active layer, the gate insulating film, the substrate insulating film, or their interfaces due to excessive ion bombardment are used. It is possible to suppress electrical defects such as. Therefore, an optimum method may be appropriately selected to obtain desired characteristics of the thin film transistor.

【0074】更に、活性層へのドーピングはアモルファ
スシリコン層の多結晶化工程後に行う必要はなく、アモ
ルファスシリコンの成膜と同時に行うこととしてもよ
い。例えばイオンドープ法によりドーピングを行う場合
には、トランジスタの母材となるシリコン元素を含むガ
スとドーパント元素を含むガスを同時に使用してアモル
ファスシリコン膜を成膜することにより、ドーパントと
なる不純物を含有したアモルファスシリコン膜が得られ
る。
Furthermore, the doping of the active layer does not have to be performed after the step of polycrystallizing the amorphous silicon layer, but may be performed simultaneously with the film formation of the amorphous silicon. For example, in the case of performing doping by an ion doping method, an amorphous silicon film is formed by using a gas containing a silicon element, which is a base material of a transistor, and a gas containing a dopant element at the same time, so as to contain impurities serving as a dopant. An amorphous silicon film is obtained.

【0075】なお、活性層領域、ソース領域、及びドレ
イン領域への不純物ドーピング工程は、それらの層への
ドーピングが実現される限りどのような製造工程順で設
定されても良いことは言うまでもない。活性層領域には
必ずしもドーピングを行う必要はない。
Needless to say, the impurity doping process for the active layer region, the source region, and the drain region may be set in any manufacturing process order as long as the doping of these layers is realized. It is not always necessary to dope the active layer region.

【0076】なお、本実施例では、活性層に多結晶シリ
コンを用いた多結晶シリコン薄膜トランジスタに対して
本発明のデバイスシミュレーション方法を適用したが、
活性層にGaAs等の他の多結晶を用いた多結晶半導体
素子に対しても適用可能である。
In this example, the device simulation method of the present invention was applied to a polycrystalline silicon thin film transistor using polycrystalline silicon for the active layer.
It can also be applied to a polycrystalline semiconductor device using other polycrystal such as GaAs in the active layer.

【0077】[0077]

【発明の効果】本発明によれば、活性層に多結晶半導体
を用いた半導体素子の設計にあたり、活性層の結晶粒界
を面領域モデルとしてとらえ、結晶粒界におけるキャリ
アの散乱効果を正確に取り扱うデバイスシミュレーショ
ンに基づいてキャリア流密度及び電位が算出され、これ
らに基づいてデバイスパラメータが決定されているた
め、最適化されたデバイス構造を有する多結晶半導体素
子の提供が可能となる。
According to the present invention, in designing a semiconductor device using a polycrystalline semiconductor in the active layer, the grain boundary of the active layer is regarded as a surface area model, and the carrier scattering effect in the grain boundary is accurately measured. Since the carrier flow density and the potential are calculated based on the device simulation to be handled, and the device parameters are determined based on these, it is possible to provide a polycrystalline semiconductor element having an optimized device structure.

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

【図1】図1(a)は、結晶粒界の微小体積領域モデル
を示す図である。図1(b)は、結晶粒界の面領域モデ
ルを示す図である。
FIG. 1A is a diagram showing a model of a minute volume region of a grain boundary. FIG. 1B is a diagram showing a surface area model of a crystal grain boundary.

【図2】図2は、結晶粒界の微小体積領域モデル及び面
領域モデルにより結晶粒界近傍のポテンシャルをシミュ
レーションした結果である。
FIG. 2 is a result of simulating a potential in the vicinity of a crystal grain boundary using a minute volume region model and a surface region model of the crystal grain boundary.

【図3】図3は、微小体積領域モデルにより結晶粒界近
傍のポテンシャルをシミュレーションする際のメッシュ
幅を変化させて算出したポテンシャル分布の結果であ
る。
FIG. 3 is a result of a potential distribution calculated by changing a mesh width when simulating a potential in the vicinity of a crystal grain boundary by a minute volume region model.

【図4】図4は、多結晶シリコン薄膜トランジスタの製
造工程を説明する図である。
FIG. 4 is a diagram illustrating a manufacturing process of a polycrystalline silicon thin film transistor.

【図5】図5は、多結晶シリコン薄膜トランジスタの構
造断面図である。
FIG. 5 is a structural cross-sectional view of a polycrystalline silicon thin film transistor.

【図6】図6は、本発明の半導体素子を製造するための
デバイスシミュレータのブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram of a device simulator for manufacturing a semiconductor device of the present invention.

【図7】図7は、本発明の半導体素子を製造するための
デバイスシミュレータの動作を説明するフローチャート
である。
FIG. 7 is a flow chart for explaining the operation of the device simulator for manufacturing the semiconductor device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 多結晶シリコン膜 3 ゲート絶縁膜 4 ゲート電極 5 ソース領域 6 ドレイン領域 11 多結晶半導体 12 結晶粒界 13 微小体積領域 14 面領域 1 substrate 2 Polycrystalline silicon film 3 Gate insulation film 4 gate electrode 5 Source area 6 drain region 11 Polycrystalline semiconductor 12 grain boundaries 13 Micro volume region 14-sided area

フロントページの続き Fターム(参考) 5F052 AA02 AA11 DA02 DB02 DB03 JA01 5F110 AA25 BB01 BB10 CC02 EE02 EE09 EE44 EE45 FF02 FF29 GG02 GG04 GG13 GG32 GG45 GG47 GG51 GG52 HJ01 HJ13 HJ23 NN02 PP01 PP03 QQ11Continued front page    F term (reference) 5F052 AA02 AA11 DA02 DB02 DB03                       JA01                 5F110 AA25 BB01 BB10 CC02 EE02                       EE09 EE44 EE45 FF02 FF29                       GG02 GG04 GG13 GG32 GG45                       GG47 GG51 GG52 HJ01 HJ13                       HJ23 NN02 PP01 PP03 QQ11

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】活性層に多結晶半導体を用いた多結晶半導
体素子に対して2次元又は3次元構造の前記多結晶半導
体素子をメッシュに分割し、各メッシュで電位方程式・
キャリア連続方程式等の物理方程式を解く、多結晶半導
体素子のデバイスシミュレーション方法において、 前記活性層の結晶粒の間に存在する結晶粒界を面領域と
して取り扱うことを特徴とする多結晶半導体素子のデバ
イスシミュレーション方法。
1. A polycrystalline semiconductor device having a two-dimensional or three-dimensional structure is divided into meshes for a polycrystalline semiconductor device using a polycrystalline semiconductor in an active layer, and each mesh has a potential equation.
In a device simulation method of a polycrystalline semiconductor device for solving a physical equation such as a carrier continuity equation, a device of a polycrystalline semiconductor device characterized in that a crystal grain boundary existing between crystal grains of the active layer is treated as a plane region. Simulation method.
【請求項2】請求項1記載の多結晶半導体素子のデバイ
スシミュレーション方法において、 前記結晶粒界に存在する欠陥準位を前記面領域に分布し
ているとして取り扱うことを特徴とする多結晶半導体素
子のデバイスシミュレーション方法。
2. The polycrystalline semiconductor device device simulation method according to claim 1, wherein the defect levels existing in the crystal grain boundaries are treated as being distributed in the plane region. Device simulation method.
【請求項3】請求項1又は2記載の多結晶半導体素子の
デバイスシミュレーション方法において、 前記結晶粒界における電位を計算する方程式が以下の式
で表されることを特徴とする多結晶半導体素子のデバイ
スシミュレーション方法。 ε1(∂ψ/∂n1)+ε2(∂ψ/∂n2)=−σ ψ:電位 σ:電荷面密度 ε1:結晶粒界の片側の誘電率 ε2:結晶粒界の他側の誘電率 n1:結晶粒界の片側の法線ベクトルの成分 n2:結晶粒界の他側の法線ベクトルの成分
3. The method for simulating a polycrystalline semiconductor device according to claim 1, wherein the equation for calculating the potential at the crystal grain boundary is represented by the following equation: Device simulation method. ε 1 (∂ψ / ∂n 1 ) + ε 2 (∂ψ / ∂n 2 ) = − σ ψ: Electric potential σ: Charge surface density ε 1 : Dielectric constant on one side of the grain boundary ε 2 : Grain boundary Dielectric constant of other side n 1 : Component of normal vector on one side of grain boundary n 2 : Component of normal vector on other side of grain boundary
【請求項4】請求項1乃至3のいずれかに記載の多結晶
半導体素子のデバイスシミュレーション方法において、 前記結晶粒界におけるキャリアの散乱効果を考慮するこ
とを特徴とする多結晶半導体素子のデバイスシミュレー
ション方法。
4. The device simulation method for a polycrystalline semiconductor device according to claim 1, wherein the scattering effect of carriers at the crystal grain boundaries is taken into consideration. Method.
【請求項5】請求項4記載の多結晶半導体素子のデバイ
スシミュレーション方法において、 前記結晶粒界を通過するキャリア流密度が以下の式で表
されることを特徴とする多結晶半導体素子のデバイスシ
ミュレーション方法。 J=(1−c/2)v(n−n)/4 (1−c/2)v/4=A/(qN) J:キャリア流密度 c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割合 v:電子平均熱速度 n:結晶粒界の片側のキャリア密度 n:結晶粒界の他側のキャリア密度 A:実効Richardson定数 T:絶対温度 q:素電荷 N:実効状態密度
5. The device simulation method for a polycrystalline semiconductor device according to claim 4, wherein the carrier flow density passing through the crystal grain boundaries is represented by the following equation. Method. J t = (1-c / 2) v (n 1 -n 2) / 4 (1-c / 2) v / 4 = A * T 2 / (qN e) J t: carrier flow density c: carrier flow Trapped in the crystal grain boundary v: average electron thermal velocity n 1 : carrier density on one side of the crystal grain boundary n 2 : carrier density on the other side of the crystal grain boundary A * : effective Richardson constant T: absolute temperature q: Elementary charge N e : effective density of states
【請求項6】請求項1乃至5のいずれかに記載の多結晶
半導体素子のデバイスシミュレーション方法において、 前記多結晶半導体素子が、活性層に多結晶シリコンを用
いた薄膜トランジスタである、多結晶シリコン薄膜トラ
ンジスタであることを特徴とする、多結晶半導体素子の
デバイスシミュレーション方法。
6. The method for simulating a polycrystalline semiconductor device according to claim 1, wherein the polycrystalline semiconductor device is a thin film transistor using polycrystalline silicon for an active layer. 2. A device simulation method for a polycrystalline semiconductor device, comprising:
【請求項7】請求項6記載の多結晶半導体素子のデバイ
スシミュレーション方法において、 前記多結晶半導体素子が、活性層に多結晶シリコンを用
い、レーザー結晶化のプロセスにより多結晶シリコンの
結晶化が行われる、レーザー結晶化多結晶シリコン薄膜
トランジスタであることを特徴とする、多結晶半導体素
子のデバイスシミュレーション方法。
7. The method of simulating a polycrystalline semiconductor device according to claim 6, wherein the polycrystalline semiconductor device uses polycrystalline silicon for an active layer, and the polycrystalline silicon is crystallized by a laser crystallization process. A method for simulating a polycrystalline semiconductor device, which is characterized by being a laser crystallized polycrystalline silicon thin film transistor.
【請求項8】活性層に多結晶半導体を用いた半導体素子
であって、 前記活性層中の結晶粒界を通過するキャリア流密度(J
t)を Jt=(1−c/2)・v・(n1−n2)/4 c:キャリア流が結晶粒界にトラップされる割合 v:電子平均熱速度 n1:結晶粒界の片側のキャリア密度 n2:結晶粒界の他側のキャリア密度 で算出し、 前記活性層中の電位(ψ)を ε1(∂ψ/∂n1)+ε2(∂ψ/∂n2)=−σ σ:電荷面密度 ε1:結晶粒界の片側の誘電率 ε2:結晶粒界の他側の誘電率 n1:結晶粒界の片側の法線ベクトルの成分 n2:結晶粒界の他側の法線ベクトルの成分 で算出し、 前記算出されたキャリア流密度及び電位を基にデバイス
パラメータを決定して設計された半導体素子。
8. A semiconductor device using a polycrystalline semiconductor in an active layer, wherein a carrier flow density (J) passing through a crystal grain boundary in the active layer is used.
The t) J t = (1- c / 2) · v · (n 1 -n 2) / 4 c: ratio carrier flow are trapped in the crystal grain boundaries v: electron mean thermal velocity n 1: crystal grain boundary Carrier density n 2 on one side of: is calculated from the carrier density on the other side of the crystal grain boundary, and the potential (ψ) in the active layer is ε 1 (∂ψ / ∂n 1 ) + ε 2 (∂ψ / ∂n 2 ) = − Σ σ: charge surface density ε 1 : dielectric constant on one side of the crystal grain boundary ε 2 : dielectric constant on the other side of the crystal grain boundary n 1 : component of normal vector on one side of the crystal grain boundary n 2 : crystal A semiconductor element designed by calculating with a component of a normal vector on the other side of a grain boundary, and determining device parameters based on the calculated carrier flow density and potential.
【請求項9】前記半導体素子は活性層に多結晶シリコン
を用いた多結晶薄膜トランジスタであることを特徴とす
る請求項8に記載の半導体素子。
9. The semiconductor device according to claim 8, wherein the semiconductor device is a polycrystalline thin film transistor using polycrystalline silicon for an active layer.
【請求項10】前記半導体素子は活性層の多結晶化をレ
ーザー結晶化のプロセスにより行って作製されること、
を特徴とする請求項8又は9に記載の半導体素子。
10. The semiconductor device is produced by polycrystallizing an active layer by a laser crystallization process,
The semiconductor device according to claim 8 or 9, characterized in that.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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