JP2003249450A - Preparing method of semiconductor device - Google Patents

Preparing method of semiconductor device

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JP2003249450A
JP2003249450A JP2002369763A JP2002369763A JP2003249450A JP 2003249450 A JP2003249450 A JP 2003249450A JP 2002369763 A JP2002369763 A JP 2002369763A JP 2002369763 A JP2002369763 A JP 2002369763A JP 2003249450 A JP2003249450 A JP 2003249450A
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Japan
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film
hydrogen
semiconductor device
less
semiconductor
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Application number
JP2002369763A
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Japanese (ja)
Inventor
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for preparing a semiconductor device having satisfactory characteristics. <P>SOLUTION: In the preparing method for a semiconductor device, a first amorphous semiconductor film where the concentration of oxygen is set to 7×10<SP>19</SP>cm<SP>-3</SP>or less is formed on an insulating board, the first amorphous semiconductor film is crystallized by heat treatment, and a second amorphous semiconductor film is formed by a magnetron type RF sputtering method using a single crystal silicon as a target under an atmosphere containing argon. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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、格子歪を有するマ
イクロクリスタル構造の半導体を用いた半導体装置に関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device using a semiconductor having a microcrystal structure having lattice strain.

【0002】〔発明の概要〕本発明は、水素または水素
を主成分気体( 残りはアルゴン等の不活性気体) 雰囲気
中における不純物濃度5×1018cm-3以下の半導体タ−ゲ
ットをスパッタさせることによって、7×1019cm-3以下
好ましくは1×1019cm-3以下の酸素濃度のアモルファス
半導体を熱結晶化させることにより、7 ×1019cm-3以下
の酸素濃度の格子歪を有するマイクロクリスタル構造の
半導体を用いた半導体装置に関するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION According to the present invention, a semiconductor target having an impurity concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less in an atmosphere of hydrogen or hydrogen as a main component gas (the rest is an inert gas such as argon) is sputtered. Thus, by thermally crystallizing an amorphous semiconductor having an oxygen concentration of 7 × 10 19 cm -3 or less, preferably 1 × 10 19 cm -3 or less, a lattice strain of an oxygen concentration of 7 × 10 19 cm -3 or less can be obtained. The present invention relates to a semiconductor device using a semiconductor having a microcrystal structure.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来、多結晶半導体装置は、減圧CVD 法
によって550 〜900 ℃の温度で形成されることにより多
結晶半導体膜を得て、この多結晶半導体膜を用いて作製
されていた。
2. Description of the Related Art Conventionally, a polycrystalline semiconductor device has been manufactured by forming a polycrystalline semiconductor film by forming it at a temperature of 550 to 900 ° C. by a low pressure CVD method and using this polycrystalline semiconductor film.

【0004】またプラズマCVD 法によりマイクロクリス
タルを形成することが知られている。
It is also known to form microcrystals by the plasma CVD method.

【0005】[0005]

【従来技術の問題点】減圧CVD 法によって非単結晶半導
体膜を得る場合、大面積基板に均一に成膜するのは困難
であるという問題がある。
[Problems of the prior art] When a non-single crystal semiconductor film is obtained by a low pressure CVD method, it is difficult to form a uniform film on a large-area substrate.

【0006】またプラズマCVD 法によってマイクロクリ
スタルを形成した場合、その成膜工程に時間がかかると
いう問題があった。また大気中に放置しておくと自然酸
化がおき、膜そのものが緻密でないという問題があっ
た。
Further, when the microcrystal is formed by the plasma CVD method, there is a problem that the film forming process takes time. Further, if left in the atmosphere, there is a problem that natural oxidation occurs and the film itself is not dense.

【0007】[0007]

【発明の目的】本発明は、工業的に量産生のよいスパッ
タ法により得られた緻密な自然酸化をしない非単結晶半
導体を熱結晶化させることによって格子歪を有する微結
晶半導体を得ることを発明の目的とする。そしてそれを
絶縁ゲイト型電界効果半導体装置の活性領域、特にチャ
ネル形成領域に用いることを目的としている。
An object of the present invention is to obtain a microcrystalline semiconductor having a lattice strain by thermally crystallizing a dense non-single-crystal semiconductor which does not undergo spontaneous oxidation and which is obtained by a sputtering method which is industrially produced in a good quantity. For the purpose of the invention. Then, it is intended to use it in the active region of the insulating gate type field effect semiconductor device, particularly in the channel forming region.

【0008】[0008]

【発明の構成】本発明は、平均の結晶粒径が5〜400 Å
と小さく、かつその中の水素含有量は5原子%以下であ
る。特に不純物としての酸素は7×1019cm-3またはそれ
以下好ましくは1×1019cm-3以下とすることに特長を有
する。そしてそれぞれの微結晶に格子歪をもたせること
により、ミクロにそれの結晶界面が互いに強く密接し、
結晶粒界でのキャリアにとってのバリアを消滅させんと
している。
The present invention has an average crystal grain size of 5 to 400 Å
And the hydrogen content therein is 5 atomic% or less. In particular, oxygen as an impurity is characterized by being 7 × 10 19 cm -3 or less, preferably 1 × 10 19 cm -3 or less. And by giving each microcrystal a lattice strain, the crystal interfaces of the micro are closely contacted to each other,
It tries to eliminate the barrier for carriers at the grain boundaries.

【0009】このため、単に格子歪のない多結晶の結晶
粒界では、酸素等がそこに偏析し障壁( バリア) がキャ
リアの移動を阻害するが、本発明においては、かかる格
子歪により、バリアがないまたは無視できる程度である
ため、電子の移動度も5〜300cm2/Vsec と桁違いに優れ
た特長を有せしめた。
Therefore, in a polycrystalline grain boundary having no lattice strain, oxygen segregates there and the barrier inhibits carrier movement. However, in the present invention, such a lattice strain causes a barrier. Since it has no or negligible level, it has an electron mobility of 5 to 300 cm 2 / Vsec, which is an order of magnitude superior.

【0010】本発明は、水素または水素と不活性気体と
を水素を主成分として有する雰囲気中における基板上へ
のスパッタ法による非晶質性( アモルファスまたはそれ
にきわめて近い) 半導体膜( 以下a−Siという) の成膜
工程と、前記スパッタ法によって得た非晶質性の半導体
膜を450 〜700 ℃、代表的には600 ℃の温度で結晶化さ
せる工程を有することにより得た。
The present invention relates to an amorphous (amorphous or very close to) semiconductor film (hereinafter a-Si) formed on a substrate by sputtering in an atmosphere containing hydrogen or hydrogen and an inert gas as main components. And a step of crystallizing the amorphous semiconductor film obtained by the sputtering method at a temperature of 450 to 700 ° C., typically 600 ° C.

【0011】[0011]

【実施例】【Example】

【0012】(実施例1)本実施例は、マグネトロン型
RF(高周波)スパッタ装置によって作製したa-Si膜を熱
結晶化させて、格子歪を有せしめるとともに、その平均
結晶粒径を5〜400 Åと小さく、また含有水素の量は5
原子%以下であり、かつ不純物としての酸素は7×1019
cm-3以下、好ましくは1×1019cm-3以下の凖結晶( セミ
アモルファス Quasi-crystal またはSemi-amrphasとも
いう) の多結晶珪素半導体層を形成した。この微結晶珪
素半導体層を用い、薄膜ランジスタを作製した。
(Embodiment 1) This embodiment is a magnetron type
The a-Si film produced by the RF (radio frequency) sputtering device is thermally crystallized to have a lattice strain, and its average crystal grain size is as small as 5 to 400 Å, and the amount of contained hydrogen is 5
Oxygen as an impurity is less than or equal to 7% 10 19
A polycrystal silicon semiconductor layer of cm 3 or less, preferably 1 × 10 19 cm -3 or less, which was a crystal (also referred to as semi-amorphous Quasi-crystal or Semi-amrphas) was formed. A thin film transistor was manufactured using this microcrystalline silicon semiconductor layer.

【0013】図1に本実施例において作製した薄膜トラ
ンジスタの作製工程を示す。
FIG. 1 shows a manufacturing process of the thin film transistor manufactured in this embodiment.

【0014】まず、ガラス基板(11)上に酸化珪素膜(12)
を以下の条件においてマグネトロン型RFスパッタ法によ
り200nm の厚さに形成した。 O2 100 %雰囲気 成膜温度 150 ℃ RF(13.56MHz)出力 400W 圧力 0.5 Pa 単結晶シリコンをターゲットに使用
First, a silicon oxide film (12) is formed on a glass substrate (11).
Was formed to a thickness of 200 nm by a magnetron type RF sputtering method under the following conditions. O 2 100% atmosphere Film formation temperature 150 ℃ RF (13.56MHz) Output 400W Pressure 0.5 Pa Single crystal silicon is used as a target

【0015】さらにその上に高純度のマグネトロン型RF
スパッタ装置によってチャネル形成領域となるa-Si膜(1
3)を100nm の厚さに成膜する。
Furthermore, a high-purity magnetron type RF
The a-Si film (1
3) is deposited to a thickness of 100 nm.

【0016】このスパッタ法として背圧を1×10-7Pa以
下とし、排気はタ−ボ分子ポンプとクライオポンプとを
用いた。供給する気体の量は5N(99.999%) 以上の純度
を有し、添加気体としては必要に応じて用いるアルゴン
4N以上を有せしめた。タ−ゲットの単結晶シリコンも
5×1018cm-3以下の酸素濃度、例えば1×1018cm-3の酸
素濃度とし、形成される被膜中の不純物としての酸素を
きわめて少なくした。
In this sputtering method, the back pressure was set to 1 × 10 -7 Pa or less, and a turbo molecular pump and a cryopump were used for exhaust. The amount of gas supplied had a purity of 5N (99.999%) or higher, and the additive gas was 4N or higher of argon used as necessary. The single crystal silicon of the target was also made to have an oxygen concentration of 5 × 10 18 cm -3 or less, for example, 1 × 10 18 cm -3 , so that oxygen as an impurity in the formed film was extremely reduced.

【0017】成膜条件は、水素含有比20〜100%、アルゴ
ン含有比80〜0%、例えば水素含有100 %とした。かかる
雰囲気下において、 H2/(H2+Ar)=100%(分圧比) 成膜温度 150 ℃ RF(13.56MHz) 出力 400W 全圧力 0.5Pa とし、ターゲットは高純度Siターゲットを用いた。
The film forming conditions were a hydrogen content ratio of 20 to 100% and an argon content ratio of 80 to 0%, for example, a hydrogen content of 100%. In such an atmosphere, H 2 / (H 2 + Ar) = 100% (partial pressure ratio), film formation temperature 150 ° C. RF (13.56 MHz) output 400 W, total pressure 0.5 Pa, and a high-purity Si target was used.

【0018】この後、450 〜700 ℃、例えば600 ℃の温
度で10時間の時間をかけ、水素または不活性気体中、本
実施例においては水素100%雰囲気中においてa-Si膜(1
3)の熱結晶化を行った。いわゆる微結晶( またはセミア
モルファス) といわれるものであった。
After that, the temperature of 450 to 700 ° C., for example 600 ° C., is applied for 10 hours, and the a-Si film (1) is formed in hydrogen or an inert gas, in this embodiment, 100% hydrogen atmosphere.
Thermal crystallization of 3) was performed. It was so-called microcrystal (or semi-amorphous).

【0019】かかる方法にて形成されたアモルファスシ
リコン膜および熱処理により結晶化後の被膜中の不純物
純度をSIMS( 二次イオン等量分析) 法により調べた。す
ると成膜中の不純物濃度のうち、酸素8×1018cm-3、炭
素3×1016cm-3であった。また水素は4×1020cm-3を有
し、珪素の密度を4×1022cm-3とすると、1原子%に相
当する量であった。これらをタ−ゲットの単結晶シリコ
ンの酸素濃度1×1018cm-3を基準として調べた。またこ
のSIMS分析は成膜後被膜の深さ方向の分布( デプスプロ
フィル) を調べ、その最小値を基準とした。なぜなら表
面は大気との自然酸化した酸化珪素があるからである。
これらの値は結晶化処理後であっても特に大きな変化は
なく、酸素の不純物濃度は8×1018cm-3であった。この
実施例において、酸素を念のために増やし、例えばN2O
を0.1cc/sec 、10cc/secと添加してみた。すると結晶化
後の酸素濃度は1×1020cm-3、4×1020cm-3と多くなっ
た。しかしかかる被膜を用いた時、同時に、結晶化に必
要な温度を700 ℃以上にするか、または結晶化時間を少
なくとも5倍以上にすることによって、初めて結晶化が
できた。即ち工業的に基板のガラスの軟化温度を考慮す
ると、700 ℃以下好ましくは600 ℃以下での処理は重要
であり、またより結晶化に必要な時間を少なくすること
も重要である。しかし酸素濃度等の不純物をどのように
少なくしても、450 ℃以下では熱アニ−ルによるa-Si半
導体の結晶化は実験的には不可能であった。
The impurity purity in the amorphous silicon film formed by such a method and in the film after crystallization by heat treatment was examined by SIMS (secondary ion equivalent analysis) method. Then, of the impurity concentrations during film formation, oxygen was 8 × 10 18 cm −3 and carbon was 3 × 10 16 cm −3 . Further, hydrogen had a concentration of 4 × 10 20 cm -3 , and when the density of silicon was 4 × 10 22 cm -3 , the amount was equivalent to 1 atomic%. These were investigated with reference to the oxygen concentration of 1 × 10 18 cm −3 of the target single crystal silicon. In this SIMS analysis, the distribution in the depth direction (depth profile) of the film after film formation was examined, and the minimum value was used as a reference. This is because the surface has silicon oxide that is naturally oxidized with the atmosphere.
These values did not change significantly even after the crystallization treatment, and the oxygen impurity concentration was 8 × 10 18 cm −3 . In this example, oxygen is added just in case, for example N 2 O.
Was added as 0.1cc / sec and 10cc / sec. Then, the oxygen concentration after crystallization increased to 1 × 10 20 cm -3 and 4 × 10 20 cm -3 . However, when such a coating was used, at the same time, the temperature required for crystallization was 700 ° C. or more, or the crystallization time was at least 5 times or more, whereby crystallization could be achieved. That is, considering industrially the softening temperature of the glass of the substrate, the treatment at 700 ° C. or lower, preferably 600 ° C. or lower is important, and it is also important to further reduce the time required for crystallization. However, no matter how the impurities such as oxygen concentration were reduced, it was experimentally impossible to crystallize the a-Si semiconductor by thermal annealing below 450 ° C.

【0020】また本発明においては、もしかかる高品質
のスパッタ装置を用いた結果として、装置からのリ−ク
等により成膜中の酸素濃度が1×1020cm-3またはそれ以
上となった場合は、かかる本発明の特性を期待すること
ができない。
Further, in the present invention, if such a high quality sputtering apparatus is used, the oxygen concentration during film formation becomes 1 × 10 20 cm -3 or higher due to a leak from the apparatus. In such a case, the characteristics of the present invention cannot be expected.

【0021】かくの如くにして7×1019cm-3以下の酸素
濃度であること、および熱処理温度が450 〜700 ℃であ
ることが決められた。もちろん、ゲルマニウムにおいて
は、またはシリコンとゲルマニウムとの化合物半導体で
ある場合にはアニ−ル温度を約100 ℃下げることができ
た。
Thus, it was determined that the oxygen concentration was 7 × 10 19 cm -3 or less and the heat treatment temperature was 450 to 700 ° C. Of course, in germanium, or in the case of a compound semiconductor of silicon and germanium, the anneal temperature could be lowered by about 100 ° C.

【0022】この微結晶半導体は格子歪を有し、以下図
4に示されたレ−ザラマン分析デ−タで明らかなよう
に、低波数側に単結晶シリコンに比べてシフトしてい
た。
This microcrystalline semiconductor had a lattice distortion and was shifted to the low wave number side as compared with single crystal silicon, as is apparent from the laser Raman analysis data shown in FIG.

【0023】以下に本発明の半導体装置である絶縁ゲイ
ト型電解効果トランジスタの作製方法を記す。即ち、本
発明方法によって得られた熱結晶化させた微結晶珪素半
導体に対してデバイス分離パターニングを行い、図1
(a) の形状を得た。
A method of manufacturing an insulating gate type field effect transistor which is a semiconductor device of the present invention will be described below. That is, the device isolation patterning is performed on the thermally crystallized microcrystalline silicon semiconductor obtained by the method of the present invention, and FIG.
The shape of (a) was obtained.

【0024】つぎに、n+ a-Si膜(14)を以下に示す条件
でマグネトロン型RFスパッタ法により50nmの厚さに成
膜した。成膜条件は、水素分圧比20〜99%以上( 本実施
例では80%) 、アルゴン分圧比80〜0%( 本実施例では
19%) 、PH3 分圧比0.1 %〜10%( 実施例では1%) の
雰囲気中において、 成膜温度 150 ℃ RF(13.56MHz) 出力 400W 全圧力 0.5Pa であり、ターゲットとして単結晶( 酸素濃度1×1018cm
-3)Si をターゲットとして用いた。
Next, an n + a-Si film (14) was formed in a thickness of 50 nm by a magnetron type RF sputtering method under the following conditions. The film forming conditions are as follows: hydrogen partial pressure ratio of 20 to 99% or more (80% in this embodiment), argon partial pressure ratio of 80 to 0% (in this embodiment).
19%), PH 3 partial pressure ratio of 0.1% to 10% (1% in the example), film formation temperature 150 ° C RF (13.56MHz) output 400W total pressure 0.5Pa, single crystal (oxygen) as a target. Concentration 1 × 10 18 cm
-3 ) Si was used as the target.

【0025】また、この一導電型を有する半導体層の作
製のためには、はPCVD法を用いてもよい。さらに、活性
層を形成した後、ソ−スおよびドレインを形成するた
め、不純物(例えばB( ホウ素) 、P( リン) 、As( 砒
素))をイオン注入法により添加してもよい。この後ゲー
ト領域パターニングを行い図1(b)の形状を得た。
In order to manufacture the semiconductor layer having one conductivity type, the PCVD method may be used. Further, after forming the active layer, impurities (for example, B (boron), P (phosphorus), As (arsenic)) may be added by an ion implantation method in order to form a source and a drain. After that, gate region patterning was performed to obtain the shape shown in FIG.

【0026】つぎにゲート酸化珪素膜(15)を100nm の厚
さにマグネトロン型RFスパッタ法により以下の条件で
成膜し、図1(c) の形状を得た。 酸素雰囲気 100% 圧力0.5pa, 成膜温度100 ℃ RF(13.56MHz)出力400W 単結晶シリコンのターゲットまたは合成石英のターゲッ
ト使用した。
Next, a gate silicon oxide film (15) was formed to a thickness of 100 nm by a magnetron type RF sputtering method under the following conditions to obtain the shape shown in FIG. 1 (c). Oxygen atmosphere 100% pressure 0.5pa, film formation temperature 100 ℃ RF (13.56MHz) Output 400W Single crystal silicon target or synthetic quartz target was used.

【0027】つぎにコンタクトホール開けパターニング
を行い、図1(d) の形状をえた。最後に真空蒸着により
アルミニウム電極(16)を300nm の厚さに形成し、パター
ニングすることににより図1(e) の形状を得、その後水
素熱アニ−ルを水素100 %雰囲気中において375 ℃の温
度で30min 行い、薄膜トランジスタを完成させた。この
水素熱アニールは多結晶珪素半導体と酸化珪素絶縁膜と
の界面凖位を低減させ、デバイス特性を向上させるため
である。
Next, contact hole opening patterning was performed to obtain the shape shown in FIG. 1 (d). Finally, an aluminum electrode (16) was formed to a thickness of 300 nm by vacuum evaporation and patterned to obtain the shape shown in FIG. 1 (e). Then, a hydrogen thermal anneal was performed at 375 ° C. in a 100% hydrogen atmosphere. The thin film transistor was completed by carrying out the heating for 30 minutes. This hydrogen thermal anneal is for reducing the interface level between the polycrystalline silicon semiconductor and the silicon oxide insulating film and improving the device characteristics.

【0028】なお図1(e) に示す薄膜トランジスタにお
い て、Sはソ−ス電極、Gはゲイト電極、Dはドレイ
ン電極である。また本実施例において作製した薄膜トラ
ンジスタ図1(e) のチャンネル部(17)の大きさは100
×100μm の大きさである。
In the thin film transistor shown in FIG. 1 (e), S is a source electrode, G is a gate electrode, and D is a drain electrode. In addition, the size of the channel part (17) of the thin film transistor shown in FIG.
The size is × 100 μm.

【0029】以上が本実施例において作製した多結晶珪
素半導体層を用いた薄膜トランジスタの作製方法である
が、本発明の効果を示すためにチャネル形成領域である
図1(a) のa-Si層(13)をマグネトロン型RFスパッタ法
により成膜する際の条件である水素の濃度および不本意
に混入する酸素濃度を変化させた実施例を5例作製した
ので以下にその作製方法を示す。
The above is the method of manufacturing a thin film transistor using the polycrystalline silicon semiconductor layer manufactured in this embodiment. In order to show the effect of the present invention, the a-Si layer of FIG. 1 (a) which is a channel forming region is formed. Five examples were prepared in which the concentration of hydrogen and the concentration of oxygen mixed involuntarily as conditions for forming the film of (13) by the magnetron type RF sputtering method were changed.

【0030】(実施例2)本実施例は実施例1の作製法
においてチャネル形成領域となる図1(a) の(13)を作製
する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H2/(H2+Ar)=0%(分圧比) とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したもの
である。酸素濃度は2×1020cm-3を有していた。
(Embodiment 2) In this embodiment, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering is H 2 / (when forming (13) of FIG. 1 (a), which becomes the channel forming region in the manufacturing method of Embodiment 1. H 2 + Ar) = 0% (partial pressure ratio), and other conditions were the same as in Example 1. The oxygen concentration was 2 × 10 20 cm -3 .

【0031】(実施例3)本実施例は実施例1の作製法
においてチャネル形成領域となる図1(a) の(13)を作製
する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H2/(H2+Ar)=20% (分圧比) とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したもの
である。成膜中の酸素濃度は7×1019cm-3を有してい
た。
(Embodiment 3) In this embodiment, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering is H 2 / (when forming (13) of FIG. 1 (a), which becomes the channel forming region in the manufacturing method of Embodiment 1. H 2 + Ar) = 20% (partial pressure ratio), and the others were manufactured by the same method as in Example 1. The oxygen concentration during film formation was 7 × 10 19 cm -3 .

【0032】(実施例4)本実施例は実施例1の作製法
においてチャネル形成領域となる図1(a) の(13)を作製
する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H2/(H2+Ar)=50% (分圧比) とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したもの
である。成膜中の酸素濃度は3×1019cm-3を有してい
た。
(Embodiment 4) In this embodiment, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering when manufacturing (13) of FIG. 1 (a), which becomes the channel forming region in the manufacturing method of Embodiment 1, is H 2 / ( H 2 + Ar) = 50% (partial pressure ratio), and other conditions were the same as in Example 1. The oxygen concentration during film formation was 3 × 10 19 cm −3 .

【0033】(実施例5)本実施例は実施例1の作製法
においてチャネル形成領域となる図1(a) の(13)を作製
する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を H2/(H2+Ar)= 80% (分圧比) とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したもの
である。成膜中の酸素濃度は1×1019cm-3を有してい
た。
(Embodiment 5) In this embodiment, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering when manufacturing (13) of FIG. 1 (a), which becomes the channel formation region in the manufacturing method of Embodiment 1, is H 2 / ( H 2 + Ar) = 80% (partial pressure ratio), and others were manufactured by the same method as in Example 1. The oxygen concentration during the film formation was 1 × 10 19 cm −3 .

【0034】以下、上記実施例の電気的特性を比較した
結果を示す。図2は完成した本実施例1〜5のチャネル
部(第6図eの(17)におけるキャリアの移動度μ(FIELD
MOBILITY)とスパッタ時における水素分圧比( PH /P
TOTA=H2/(H2+Ar))の関係をグラフ化したものである。
図2におけるプロット点と実施例との対応関係を以下に
表1として示す。
The results of comparing the electrical characteristics of the above examples will be shown below. FIG. 2 shows the completed channel portions of the first to fifth embodiments (carrier mobility μ (FIELD in (17) of FIG. 6e).
MOBILITY) hydrogen partial pressure ratio during sputtering (P H / P
It is a graph of the relationship of TOTA = H 2 / (H 2 + Ar)).
Table 1 below shows the correspondence between the plot points in FIG. 2 and the examples.

【0035】[0035]

【表1】 [Table 1]

【0036】図2によれば水素分圧が0%の時は酸素濃度
が2×1020cm-3もあるため、3×10 -1cm2V/secときわめ
て小さく、また他方、本発明の如く20%以上また酸素濃
度7×1019cm-3以下において顕著に高い移動度2cm2/Vs
ec以上μ(FIELD MOBILITY)が得られていることがわか
る。
According to FIG. 2, when the hydrogen partial pressure is 0%, the oxygen concentration is
Is 2 × 1020cm-3There is also 3 × 10 -1cm2V / sec and bull
On the other hand, as in the present invention, the oxygen concentration is 20% or more.
7 × 1019cm-3Remarkably high mobility of 2 cm below2/ Vs
Is it clear that μ (FIELD MOBILITY) is obtained above ec?
It

【0037】これは水素を添加すると、スパッタ内のチ
ャンバ中での酸素を水とし、それをクライオポンプで積
極的に除去できたためと推定される。図3はしきい値電
圧とスパッタ時における水素分圧比(PH/PTOTAL=H2/(H2+
Ar))の関係をグラフ化したものである。
It is presumed that this is because, when hydrogen was added, oxygen in the chamber in the sputter was turned into water and could be removed positively by the cryopump. Figure 3 shows the threshold voltage and the hydrogen partial pressure ratio (P H / P TOTAL = H 2 / (H 2 +
It is a graph of the relationship of Ar)).

【0038】水素分圧比(PH/PTOTAL=H2/(H2+Ar))と実
施例番号の対応関係は表1の場合と同じである。しきい
値電圧が低いほど薄膜トランジスタを動作させる動作電
圧、すなわちゲイト電圧が低くてよいことになり、デバ
イスとしての良好な特性が得られることを考えると、図
3の結果は、水素の分圧比の高い20%以上条件のスパッ
タ法によって、スレッシュホ−ルド電圧8V以下のノ−
マリオフの状態を得ることができる。即ち、チャネル形
成領域となる図1(a)の(13)に示されるa-Si膜を得
て、このa-Si膜を再結晶化させることによって得られる
微結晶珪素半導体層を用いたデバイス(本実施例では薄
膜トランジスタ)は良好な電気的特性を示すことがわか
る。
The correspondence between the hydrogen partial pressure ratio (P H / P TOTAL = H 2 / (H 2 + Ar)) and the example number is the same as in Table 1. Considering that the lower the threshold voltage is, the lower the operating voltage for operating the thin film transistor, that is, the lower the gate voltage is, and good characteristics as a device can be obtained, the result of FIG. A threshold voltage of 8 V or less can be obtained by a sputtering method under conditions of high 20% or more.
You can get the state of Marioff. That is, a device using a microcrystalline silicon semiconductor layer obtained by obtaining an a-Si film shown in (13) of FIG. 1A to be a channel formation region and recrystallizing the a-Si film. It can be seen that (the thin film transistor in this example) exhibits good electrical characteristics.

【0039】a-Si膜を熱結晶化させた多結晶珪素半導体
層のレ−ザラマンスペクトルを示したものである。図4
に表された表示記号と実施例番号およびスパッタ時の水
素分圧比との関係を表2に示す。
The laser Raman spectrum of the polycrystalline silicon semiconductor layer obtained by thermally crystallizing the a-Si film is shown. Figure 4
Table 2 shows the relationship between the display symbol shown in, the example number, and the hydrogen partial pressure ratio during sputtering.

【0040】[0040]

【表2】 [Table 2]

【0041】図4を見ると曲線(42)に比較して曲線(4
3)、すなわちチャネル形成領域(図1(e)の(17)) と
なるa-Si半導体層を作製する際のスパッタ時における水
素の分圧比が0%の場合と100 %の場合を比較すると、
熱アニ−ルにより結晶化させた場合は、スパッタ時にお
ける水素の分圧比が100%の場合のラマンスペクトルは顕
著にその結晶性を有し、かつその平均の結晶粒径は半値
幅より5〜400 Å代表的には50〜300 Åである。そして
単結晶シリコンのピ−ク値の520cm -1よりも低波数側に
ずれ、明らかに格子歪を有する。このことは本発明の特
徴を顕著に示している。すなわち水素を添加したスパッ
タ法によるa-Si膜の作製の効果は、そのa-Si膜を熱結晶
化させて初めて現れるものであるということである。
As shown in FIG. 4, the curve (4
3) In other words, comparing the case where the hydrogen partial pressure ratio during sputtering is 0% and 100% when the a-Si semiconductor layer that becomes the channel formation region ((17) in FIG. 1 (e)) is produced, ,
When crystallized by thermal annealing, the Raman spectrum when the partial pressure ratio of hydrogen at the time of sputtering is 100% has a remarkable crystallinity, and the average crystal grain size is 5 to more than the half width. 400 Å Typically 50 to 300 Å. Then, the peak value of 520 cm -1 of the single crystal silicon is shifted to the lower wave number side, and the lattice strain is obviously present. This clearly shows the feature of the present invention. That is, the effect of producing an a-Si film by the hydrogen-added sputtering method appears only when the a-Si film is thermally crystallized.

【0042】このように格子歪を有すると、微結晶粒の
互いが無理に縮んでいるため、互いの結晶粒界での密接
が強くなり、結晶粒界でのキャリアにとってのエネルギ
バリアもそこでの酸素等の不純物の偏析も発生しにく
い。結果として高いキャリア移動度を期待することがで
きる。
With such a lattice strain, since the fine crystal grains are forcibly contracted with each other, the close contact between the crystal grain boundaries becomes strong, and the energy barrier for carriers at the crystal grain boundaries also increases. Segregation of impurities such as oxygen is also unlikely to occur. As a result, high carrier mobility can be expected.

【0043】一般に電界効果トランジスタである薄膜ト
ランジスタにおいてドレイン電圧VDが低い場合、ドレイ
ン電流IDとドレイン電圧VDとの関係は以下の式によって
表される。 ID=(W/L) μC(VG-VT)VD (Solid.State electronics.Vol.24.No.11.pp.1059.198
1.Printed in Britain) 上式において、Wはチャンネル幅、Lはチャネル長、μ
はキャリアの移動度、Cはゲイト酸化膜の静電容量、VG
はゲート電圧、VTはしきい値電圧として定着している。
Generally, when the drain voltage VD is low in a thin film transistor which is a field effect transistor, the relationship between the drain current ID and the drain voltage VD is expressed by the following equation. ID = (W / L) μC (VG-VT) VD (Solid.State electronics.Vol.24.No.11.pp.1059.198
1.Printed in Britain) In the above formula, W is the channel width, L is the channel length, μ
Is the carrier mobility, C is the capacitance of the gate oxide film, VG
Is a gate voltage and VT is a threshold voltage.

【0044】上記スパッタ時における不活性気体として
はArを用いたが、その他Heなどの他の不活性気体、また
はSiH4、Si2H6 などの反応性気体をプラズマ化させたも
のを雰囲気気体の一部に添加して用いても良い。本実施
例のマグネトロン型RFスパッタ法によるa-Si膜の成膜に
おいて、水素濃度は5 〜100 %、成膜温度は室温〜500
℃の範囲、RF出力は500 Hz〜100GHzの範囲において、出
力100W〜10MWの範囲で任意に選ぶことができ、またパル
スエネルギー発信源と組み合わせてもよい。さらに強力
な光照射( 波長100 〜500nm 以下) エネルギーを加えて
光スパッタを行ってもよい。
Ar was used as the inert gas during the above-mentioned sputtering, but other inert gas such as He or a reactive gas such as SiH 4 and Si 2 H 6 which is made into plasma is an atmosphere gas. You may add and use it for some. In forming the a-Si film by the magnetron type RF sputtering method of this embodiment, the hydrogen concentration is 5 to 100%, and the film forming temperature is room temperature to 500%.
In the range of ° C, the RF output is in the range of 500 Hz to 100 GHz, the output can be arbitrarily selected in the range of 100 W to 10 MW, and may be combined with a pulse energy source. Photo-sputtering may be performed by applying more intense light irradiation (wavelength 100 to 500 nm or less) energy.

【0045】これは、水素という軽い原子をよりプラズ
マ化させ、スパッタリングに必要な正イオンを効率よく
生成させて、スパッタによって成膜される膜中に水素ま
たは水素原子を均一に添加し、結果として酸素の混入を
7×1019cm-3以下、好ましくは1×1019cm-3以下におさ
えた半導体の成膜のためである。
This is because light atoms such as hydrogen are made to be more plasma, positive ions necessary for sputtering are efficiently generated, and hydrogen or hydrogen atoms are uniformly added to the film formed by sputtering. As a result, This is for forming a semiconductor film in which the mixing of oxygen is suppressed to 7 × 10 19 cm -3 or less, preferably 1 × 10 19 cm -3 or less.

【0046】本発明は明細書において非晶質性の半導体
膜を単にa-Si膜として略記した。しかしこれはシリコン
半導体を主な半導体とするが、ゲルマニウム、SixGe1-x
(0<x<1) であってもよい。これは真性半導体のみならず
PまたはN型の半導体であってもよい。
In the present invention, an amorphous semiconductor film is simply referred to as an a-Si film in the specification. However, although this mainly uses silicon semiconductors, germanium, SixGe 1-x
It may be (0 <x <1). This may be a P or N type semiconductor as well as an intrinsic semiconductor.

【0047】また前記他の反応性気体を上記の手段に応
用してもよい。
Further, the other reactive gas may be applied to the above means.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明の構成とすることによって、工業
的に有用なスパッタ法により得られた非単結晶半導体を
熱結晶化させ多結晶半導体を得る工程において、問題と
なる熱結晶化困難の問題を解決することができ、しかも
この多結晶半導体層を用いて高性能な薄膜トランジスタ
を作製することができた。
With the structure of the present invention, in the process of thermally crystallizing a non-single-crystal semiconductor obtained by an industrially useful sputtering method to obtain a polycrystalline semiconductor, it is difficult to thermally crystallize. It was possible to solve the problem and to fabricate a high-performance thin film transistor using this polycrystalline semiconductor layer.

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

【図1】 本実施例1〜6の作製工程を示す。FIG. 1 shows a manufacturing process of Examples 1 to 6.

【図2】 本実施例で作製した薄膜トランジスタの作製
工程において、チャネル形成領域となるa-Si膜の作製時
に添加する水素の分圧比と本実施例で作製した薄膜トラ
ンジスタにおけるキャリアの移動度との関係を示したも
のである。
FIG. 2 shows a relationship between a partial pressure ratio of hydrogen added at the time of manufacturing an a-Si film to be a channel formation region and a carrier mobility in a thin film transistor manufactured in this example in a manufacturing process of a thin film transistor manufactured in this example. Is shown.

【図3】本実施例で作製した薄膜トランジスタの作製工
程において、チャネル形成領域となるa-Si膜の作製時に
添加する水素の分圧比と、本実施例で作製した薄膜トラ
ンジシタにおけるしきい値との関係を示したものであ
る。
3A and 3B show a partial pressure ratio of hydrogen added at the time of manufacturing an a-Si film to be a channel formation region and a threshold value in a thin film transistor manufactured in this example in a manufacturing process of a thin film transistor manufactured in this example. It shows the relationship.

【図4】 本実施例において作製した多結晶珪素半導体
のラマンスペクトルを示したものである。
FIG. 4 shows a Raman spectrum of a polycrystalline silicon semiconductor manufactured in this example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11・・・ガラス基板 12・・・酸化珪素膜 13・・・微結晶半導体の活性層 14・・・n+ a-Si膜 15・・・ゲート酸化膜 16・・・アルミ電極 17・・・チャネル形成領域 S・・・・・ソ−ス電極 G・・・・・ゲイト電極 D・・・・・ドレイン電極11 ... Glass substrate 12 ... Silicon oxide film 13 ... Microcrystalline semiconductor active layer 14 ... N + a-Si film 15 ... Gate oxide film 16 ... Aluminum electrode 17 ... Channel formation region S ... Source electrode G ... Gate electrode D ... Drain electrode

フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 29/786 H01L 29/78 618A Fターム(参考) 4K029 BA35 BB10 BD01 DC39 EA00 EA05 GA01 5F052 AA17 DA02 DA03 DB07 JA01 5F103 AA08 BB22 DD16 GG03 HH04 LL13 PP15 RR05 RR06 5F110 AA01 CC01 DD02 DD13 EE03 EE43 FF02 FF28 GG01 GG02 GG03 GG14 GG16 GG25 GG33 GG34 GG43 GG60 HK03 HK09 HK16 HK21 HK25 HK32 HK33 HK35 PP01 PP10 PP13 QQ08 QQ24 Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01L 29/786 H01L 29/78 618A F term (reference) 4K029 BA35 BB10 BD01 DC39 EA00 EA05 GA01 5F052 AA17 DA02 DA03 DB07 JA01 5F103 AA08 BB22 DD16 GG03 HH04 LL13 PP15 RR05 RR06 5F110 AA01 CC01 DD02 DD13 EE03 EE43 FF02 FF28 GG01 GG02 GG03 GG14 GG16 GG25 GG33 GG34 GG43 GG60 HK03 QP25 HK03 QP25 HK03 HK32 HK32 HK32 HK32 HK32 HK32 HK32 HK32 HK32 HK32

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】アルゴンを含む雰囲気下、半導体ターゲッ
トを用いたマグネトロン型RFスパッタ法により、酸素
濃度が7×1019cm−3以下である非晶質性半導体
膜を絶縁基板上に形成することを特徴とする半導体装置
の作製方法。
1. An amorphous semiconductor film having an oxygen concentration of 7 × 10 19 cm −3 or less formed on an insulating substrate by a magnetron RF sputtering method using a semiconductor target in an atmosphere containing argon. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
【請求項2】アルゴンを含む雰囲気下、シリコンをター
ゲットに用いたマグネトロン型RFスパッタ法により、
酸素濃度が7×1019cm−3以下である非晶質性半
導体膜を絶縁基板上に形成することを特徴とする半導体
装置の作製方法。
2. A magnetron type RF sputtering method using silicon as a target in an atmosphere containing argon,
A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises forming an amorphous semiconductor film having an oxygen concentration of 7 × 10 19 cm −3 or less on an insulating substrate.
【請求項3】アルゴンを含む雰囲気下、単結晶シリコン
をターゲットに用いたマグネトロン型RFスパッタ法に
より、酸素濃度が7×1019cm−3以下である非晶
質性半導体膜を絶縁基板上に形成することを特徴とする
半導体装置の作製方法。
3. An amorphous semiconductor film having an oxygen concentration of 7 × 10 19 cm −3 or less is formed on an insulating substrate by a magnetron RF sputtering method using a single crystal silicon as a target in an atmosphere containing argon. A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises forming the semiconductor device.
【請求項4】絶縁基板上に酸素濃度が7×1019cm
−3以下である第1の非晶質性半導体膜を形成し、前記
第1の非晶質性半導体膜を熱処理により結晶化し、アル
ゴンを含む雰囲気下、単結晶シリコンをターゲットに用
いたマグネトロン型RFスパッタ法により、第2の非晶
質性半導体膜を形成することを特徴とする半導体装置の
作製方法。
4. The oxygen concentration on the insulating substrate is 7 × 10 19 cm.
-3 or less, a first amorphous semiconductor film is formed, the first amorphous semiconductor film is crystallized by a heat treatment, and a single crystal silicon is used as a target in an atmosphere containing argon. A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises forming a second amorphous semiconductor film by an RF sputtering method.
【請求項5】 請求項1乃至請求項4のいずれか一にお
いて、前記酸素濃度が1×1019cm−3以下である
ことを特徴とする半導体装置の作製方法。
5. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the oxygen concentration is 1 × 10 19 cm −3 or less.
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