JP2004247747A - Semiconductor device, method of manufacturing the same, liquid crystal display device, electroluminescence display device, erectrochromic display device, tv, personal computer, car-navigation system, camera, and video camera - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique by which a thin semiconductor film having the crystallinity corresponding to single crystals can be formed by using the other method than the SOI (silicon-on-impurity) technique, because, when an enhancement TFT is manufactured by using the SOI technique, such a demerit occurs that the number of ion implanting steps increases due to the necessity of injecting impurities into channel regions and, in addition, high-performance semiconductor device having excellent electrical characteristics can be formed by utilizing the thin semiconductor film. <P>SOLUTION: The semiconductor device has a crystalline silicon film having a film thickness of 10-85 nm, an oxide film formed on the silicon film, and a thin film transistor formed on the oxide film and having a gate electrode. The semiconductor device also has an S-value of ≤60-85 mV/dec. The crystalline silicon film is formed by introducing a metallic element which promotes the crystallization of silicon into an amorphous silicon film and crystallizing the amorphous silicon film by performing first heat treatment on the film. Then a thermally oxidized film is formed on the surface of the crystalline silicon film by performing second heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

本明細書で開示する発明は、絶縁表面を有する基体上に形成された半導体薄膜およびその半導体薄膜を利用して形成した半導体装置に関する。特に、半導体薄膜としては、結晶性を有する珪素膜に関する。   The invention disclosed in this specification relates to a semiconductor thin film formed on a substrate having an insulating surface and a semiconductor device formed using the semiconductor thin film. In particular, the present invention relates to a crystalline silicon film as a semiconductor thin film.

また、上記半導体装置として代表的には薄膜トランジスタ(TFT)が知られており、前記薄膜トランジスタは液晶表示装置ならびにEL装置、EC装置等を構成することができる。 A thin film transistor (TFT) is typically known as the semiconductor device, and the thin film transistor can constitute a liquid crystal display device, an EL device, an EC device, and the like.

SOI技術を用いて単結晶珪素膜の上にTFTの活性層を構成する技術が知られているが、その単結晶の膜厚は均一性および制御性の問題から1μmまたはそれ以上が必要であった。また、この様なSOI技術を用いて形成した珪素膜のエネルギーバンドギャップ(以後、単にEgと記載する)は単結晶珪素膜のバルクEgとほぼ等しく約1.1eVである。   A technique of forming an active layer of a TFT on a single crystal silicon film by using the SOI technique is known, but the thickness of the single crystal is required to be 1 μm or more due to the problem of uniformity and controllability. Was. The energy band gap (hereinafter, simply referred to as Eg) of a silicon film formed by using such an SOI technique is approximately 1.1 eV, which is almost equal to the bulk Eg of a single crystal silicon film.

ここで例えば、図2(A)に示す様にSOI技術を用いたTFTの活性層が導電層(N型層201またはP型層202)とチャネルを形成するI層(真性半導体層)203とで構成される場合を考える。この時、破線で示したフェルミレベルを合わせるために接合部のバンドが曲がり、I層203と導電層201、202との間にバンド差が生じる。   Here, for example, as shown in FIG. 2A, the active layer of the TFT using the SOI technique has a conductive layer (N-type layer 201 or P-type layer 202) and an I layer (intrinsic semiconductor layer) 203 forming a channel. Consider the case of At this time, the band at the junction is bent to match the Fermi level indicated by the broken line, and a band difference occurs between the I layer 203 and the conductive layers 201 and 202.

この場合、導電層201、202とI層203との間のエネルギーバンド差は例えば0.5eV前後と小さいため、ゲイト電極に電圧が印加されていない時(無電界時)にもキャリアの移動が比較的容易に行われる。   In this case, since the energy band difference between the conductive layers 201 and 202 and the I layer 203 is small, for example, about 0.5 eV, the movement of carriers does not occur even when no voltage is applied to the gate electrode (when there is no electric field). Relatively easy to do.

即ち、横軸にゲイト電圧(Vg)、縦軸にソース/ドレイン間を流れる電流(Id)をとったグラフを見ると、Nチャネル型TFTのId−Vg特性204はマイナス側に、Pチャネル型TFTのId−Vg特性205はプラス側にしきい値がシフトしてノーマリオンの状態となっている。   That is, in a graph in which the horizontal axis shows the gate voltage (Vg) and the vertical axis shows the current (Id) flowing between the source and the drain, the Id-Vg characteristic 204 of the N-channel TFT is negative, and the P-channel TFT is negative. The threshold value of the Id-Vg characteristic 205 of the TFT is shifted to the plus side and is in a normally-on state.

TFTの電気特性がノーマリオンの状態となる場合、いわゆるデプレッション型TFTとなる。この様なデプレッション型TFTは常にTFTがオン状態にあるという特徴がある。逆に、TFTが常にオフ状態、即ちノーマリオフのタイプをエンハンスメント型TFTと呼ぶ。しかし上述の理由により、SOI構造においてチャネル形成領域を真性半導体で形成しようとすると、必然的にデプレッション型TFTとなってしまっていた。   When the electrical characteristics of the TFT are in a normally-on state, the TFT is a so-called depression type TFT. Such a depletion type TFT is characterized in that the TFT is always on. Conversely, a type in which a TFT is always in an off state, that is, a normally-off type, is called an enhancement type TFT. However, for the above-mentioned reason, when an attempt is made to form a channel formation region of an SOI structure with an intrinsic semiconductor, a depletion type TFT is inevitably formed.

そのため、エンハンスメント型TFTを作製するためには、図2(B)に示す様に、導電層がN型層206ならばP型の、導電層がP型層207ならばN型の導電性を付与する不純物をチャネル領域208に対して注入し、しきい値制御を行うことがなされてきた。   Therefore, in order to manufacture an enhancement type TFT, as shown in FIG. 2B, if the conductive layer is an N-type layer 206, the P-type is used. Impurities to be provided have been implanted into the channel region 208 to perform threshold control.

その結果、図2(B)に示す様に、導電層206、207とI層208との間のエネルギーバンド差は例えば0.7eV前後と広がり、キャリアの移動にとって十分な障壁とすることができる。即ち、Nチャネル型TFTのId−Vg特性209はプラス側に、Pチャネル型TFTのId−Vg特性210はマイナス側にしきい値がシフトしてノーマリオフの状態とすることができる。   As a result, as shown in FIG. 2B, the energy band difference between the conductive layers 206 and 207 and the I layer 208 is widened, for example, to about 0.7 eV, and can be a sufficient barrier for carrier movement. . That is, the threshold value of the Id-Vg characteristic 209 of the N-channel TFT is shifted to the positive side, and the threshold value of the Id-Vg characteristic 210 of the P-channel TFT is shifted to the negative side, so that the TFT can be in a normally-off state.

以上の様に、SOI技術を利用してエンハンスメント型TFTを作製する場合、チャネル領域に不純物を注入する必要があるためイオン注入工程が増えるなどの多少のデメリットは止むを得ないのが現状であった。   As described above, when fabricating an enhancement-type TFT using the SOI technology, it is necessary to implant impurities into the channel region, so that some disadvantages such as an increase in the number of ion implantation steps are unavoidable at present. Was.

また、活性層の膜厚が厚い場合にはパンチスルー現象や短チャネル効果などによりTFTの特性が劣化し易いことが知られている。これを解決するためには活性層の膜厚を薄くすることが効果的であるという報告もなされているが、そのためには50nm程度以下の膜厚にする必要があり、前述の様にSOI技術での達成は極めて困難なことであった。   Further, it is known that when the thickness of the active layer is large, the characteristics of the TFT are easily deteriorated due to a punch-through phenomenon, a short channel effect, and the like. It has been reported that it is effective to reduce the thickness of the active layer in order to solve this problem. However, it is necessary to reduce the thickness to about 50 nm or less. Was extremely difficult to achieve.

本明細書で開示する発明は、SOI技術以外の方法で単結晶に匹敵する結晶性を有する半導体薄膜を形成し、上記問題点の解決を図ることを課題とする。また、前記半導体薄膜を利用して、優れた電気特性を有する高性能な半導体装置を形成する技術を提供することを課題とする。   An object of the invention disclosed in this specification is to form a semiconductor thin film having crystallinity comparable to a single crystal by a method other than the SOI technique, and to solve the above problems. Another object is to provide a technique for forming a high-performance semiconductor device having excellent electric characteristics using the semiconductor thin film.

本明細書で開示する発明の構成は、絶縁性を有する基板上に形成された半導体薄膜であって、前記半導体薄膜は実質的に単結晶と見なせる領域を有する珪素膜であり、前記珪素膜のエネルギーバンドギャップは室温で1.3〜1.9eVであることを特徴とする。また、その珪素膜の膜厚は10〜85nmの範囲である。   The structure of the invention disclosed in this specification is a semiconductor thin film formed over an insulating substrate, wherein the semiconductor thin film is a silicon film having a region substantially regarded as a single crystal, The energy band gap is 1.3 to 1.9 eV at room temperature. The thickness of the silicon film is in the range of 10 to 85 nm.

上記の様な半導体薄膜を利用して形成された活性層は、従来例で述べた様なSOI技術の問題点を解決し得る優れた性能を有するものとなる。その理由について以下に説明する。   An active layer formed by using a semiconductor thin film as described above has excellent performance that can solve the problems of the SOI technology as described in the conventional example. The reason will be described below.

まず第1に、本発明が示す様な構成でなる結晶性を有する珪素膜(結晶性珪素膜)の膜厚は10〜85nmの薄膜として形成することができる点である。結晶性珪素膜を得るには、非晶質珪素膜を結晶化しても良いし、結晶性珪素膜を直接基板上に成膜しても良い。   First, a crystalline silicon film (crystalline silicon film) having a structure as shown in the present invention can be formed as a thin film having a thickness of 10 to 85 nm. In order to obtain a crystalline silicon film, an amorphous silicon film may be crystallized, or a crystalline silicon film may be formed directly on a substrate.

本発明は10〜85nm厚の珪素薄膜に、実質的に単結晶と見なせる領域を形成することが可能であるので、SOI技術における問題であった膜厚に起因するパンチスルー現象や短チャネル効果を低減することができる。   According to the present invention, a region that can be substantially regarded as a single crystal can be formed in a silicon thin film having a thickness of 10 to 85 nm. Can be reduced.

なお、実質的に単結晶と見なせる領域という意味は、その領域においてキャリアの移動を妨げる様な障壁が存在しないということである。即ち、実質的に粒界が存在しないとも言い換えられる。   Note that a region that can be substantially regarded as a single crystal means that there is no barrier that hinders the movement of carriers in that region. In other words, it can be rephrased that there is substantially no grain boundary.

また、本発明の注目すべき特徴は珪素膜のエネルギーバンドギャップ(Eg)に着目した点である。室温(10〜30℃)においてEgが1.3〜1.9eV(好ましくは、1.4〜1.7eV)であることは次の様な利点を奏する。   A notable feature of the present invention is that it focuses on the energy band gap (Eg) of the silicon film. The fact that the Eg is 1.3 to 1.9 eV (preferably 1.4 to 1.7 eV) at room temperature (10 to 30 ° C.) has the following advantages.

図1(A)に示す様に、本発明によるTFTの活性層が導電層(N型層101またはP型層102)とチャネルを形成するI層(真性半導体層)103とで構成される場合を考える。ただし、図2に示した従来例とは異なり、珪素膜のEgが1.3〜1.9eVの間、例えば1.4eVであるとする。   As shown in FIG. 1A, the active layer of a TFT according to the present invention is composed of a conductive layer (N-type layer 101 or P-type layer 102) and an I layer (intrinsic semiconductor layer) 103 forming a channel. think of. However, unlike the conventional example shown in FIG. 2, it is assumed that the Eg of the silicon film is between 1.3 and 1.9 eV, for example, 1.4 eV.

この場合、導電層101、102とI層103との間のエネルギーバンド差は、例えば0.7eV前後と従来例で述べたSOI技術を利用した場合と比べて大きいため、無電界時においてもキャリアの移動は行われない。   In this case, the energy band difference between the conductive layers 101 and 102 and the I layer 103 is, for example, about 0.7 eV, which is larger than when the SOI technology described in the conventional example is used. Is not moved.

即ち、チャネルを形成する領域がI層(真性半導体層)であってもノーマリオフの状態を確保するTFTを実現することが可能となる。本発明者らの知見によると、Egが1.3eV以上、好ましくは1.4eV以上であればこの様な効果を得ることができる。   That is, it is possible to realize a TFT in which a normally-off state is ensured even when a region where a channel is formed is an I layer (intrinsic semiconductor layer). According to the findings of the present inventors, such an effect can be obtained if Eg is 1.3 eV or more, preferably 1.4 eV or more.

ただし、ここで言うエネルギーバンドギャップ(Eg)は、光学吸収スペクトルを測定することにより珪素膜の実効透過率の光波長依存性を求め、前記実効透過率が減少し始める吸収端における光波長の値をE=hc/λで表される式を用いてエネルギー値に変換して算出される値で定義される。   Here, the energy band gap (Eg) is determined by measuring the optical absorption spectrum to determine the light wavelength dependence of the effective transmittance of the silicon film, and determining the value of the light wavelength at the absorption edge at which the effective transmittance starts to decrease. Is converted into an energy value using an equation represented by E = hc / λ.

また、他の発明の構成は、絶縁性を有する基板上に形成された半導体装置であって、前記半導体装置の活性層を構成する半導体薄膜は実質的に単結晶と見なせる領域を有する珪素膜であり、前記珪素膜のエネルギーバンドギャップは室温で1.3〜1.9eVであることを特徴とする。   Another embodiment of the present invention is a semiconductor device formed over an insulating substrate, wherein a semiconductor thin film forming an active layer of the semiconductor device is a silicon film having a region substantially regarded as a single crystal. The energy band gap of the silicon film is 1.3 to 1.9 eV at room temperature.

この様な半導体装置の概略の構造は図1(B)に示す様になる。半導体装置の詳細な構造の説明は実施例に譲るとして、注目すべきは活性層の膜厚が10〜85nmの範囲である点である。勿論、それ以上の膜厚で構成することも可能なのだが、好ましくは50nm以下の膜厚に抑えると良い。   The schematic structure of such a semiconductor device is as shown in FIG. It is noted that the detailed description of the structure of the semiconductor device is given to the embodiment, and the thickness of the active layer is in the range of 10 to 85 nm. Of course, it is possible to form a film with a larger thickness, but it is preferable to suppress the film thickness to 50 nm or less.

この活性層はソース/ドレイン領域となるN型層またはP型層104、105とでチャネル形成領域となるI層106を挟み込んだ構造となっている。本発明が示す半導体装置は、単結晶に匹敵する結晶性を有する珪素膜を、10〜85nmという薄さで形成して活性層とするものであるため、極めて優れた電気特性を有する特徴がある。   This active layer has a structure in which an I layer 106 serving as a channel formation region is sandwiched between an N-type layer or P-type layers 104 and 105 serving as source / drain regions. The semiconductor device according to the present invention is formed by forming a silicon film having crystallinity comparable to that of a single crystal with a thickness of 10 to 85 nm to form an active layer, and thus has a feature of extremely excellent electric characteristics. .

また、チャネル形成領域となるI層106のエネルギーバンドギャップ(Eg)が1.3〜1.9eVと単結晶珪素膜と比較して大きいため、SOI技術によった場合に問題となるしきい値制御を行うことなくノーマリオフの薄膜トランジスタを形成することができる。   In addition, since the energy band gap (Eg) of the I layer 106 serving as a channel formation region is 1.3 to 1.9 eV, which is larger than that of a single crystal silicon film, a threshold value which is a problem when using the SOI technology. A normally-off thin film transistor can be formed without performing control.

本発明の効果としては、
(1)膜厚が10〜85nmと薄く、かつ実質的に単結晶と見なせる領域を有する珪素膜でもって活性層を構成することができる。
(2)Egが1.3〜1.9eV、好ましくは1.4〜1.7eVであることにより、真性半導体層をチャネル形成領域としても良好なノーマリオフ特性を実現することができる。即ち、エンハンスメント型TFTを容易に作製することができる。
The effects of the present invention include:
(1) The active layer can be formed of a silicon film having a thin film thickness of 10 to 85 nm and having a region substantially regarded as a single crystal.
(2) When Eg is 1.3 to 1.9 eV, preferably 1.4 to 1.7 eV, good normally-off characteristics can be realized even when the intrinsic semiconductor layer is used as a channel formation region. That is, an enhancement type TFT can be easily manufactured.

以上示した効果は、本発明が従来のSOI技術の問題点を克服し得る工業上、非常に有益な技術であることを示すものである。また、図6、図10に示した実験データは上記効果を顕著に証明すると言える。   The effects described above show that the present invention is an industrially useful technology that can overcome the problems of the conventional SOI technology. In addition, it can be said that the experimental data shown in FIGS. 6 and 10 remarkably prove the above effect.

以上に示した構成でなる本発明について、以下に記載する実施例でもって詳細な説明を行うこととする。   The present invention having the above-described configuration will be described in detail with embodiments described below.

本実施例では単結晶に匹敵する結晶性を有する半導体薄膜の形成およびその物性に関しての説明を行う。具体的には結晶性に優れた結晶性珪素膜に関して本発明者らが得た知見についての説明を行う。   In this embodiment, formation of a semiconductor thin film having crystallinity comparable to that of a single crystal and its physical properties will be described. Specifically, the knowledge obtained by the present inventors regarding a crystalline silicon film having excellent crystallinity will be described.

なお、本発明者らは単結晶に匹敵する結晶性を有する半導体薄膜の形成方法として既に特開平6−64834号公報記載の技術を開示している。本実施例で作製する方法はその技術に比較的高温の熱酸化工程を加えることで別の付加価値を与えてさらに結晶性を向上させるものである。   The present inventors have already disclosed the technique described in JP-A-6-64834 as a method for forming a semiconductor thin film having crystallinity comparable to that of a single crystal. The method of this embodiment is to add another value to the technique by adding a relatively high temperature thermal oxidation step to the technique to further improve the crystallinity.

まず、半導体薄膜の形成過程を図3を用いて説明する。図3(A)において、301は絶縁表面を有する基板である。ただし、後の結晶化工程の際の加熱工程を考慮して耐熱性に優れた石英基板などを用いることが好ましい。また、石英基板301上には下地膜302として酸化珪素膜を成膜しておく。   First, a process of forming a semiconductor thin film will be described with reference to FIG. In FIG. 3A, reference numeral 301 denotes a substrate having an insulating surface. However, it is preferable to use a quartz substrate or the like having excellent heat resistance in consideration of a heating step in a subsequent crystallization step. A silicon oxide film is formed as a base film 302 on the quartz substrate 301.

次に、非晶質珪素膜303を減圧熱CVD法により100nmの厚さに成膜する。後の熱酸化工程において膜減りが起こるので、その辺りを計算に入れて所望の膜厚よりも厚めに形成しておくと良い。   Next, an amorphous silicon film 303 is formed to a thickness of 100 nm by a low pressure thermal CVD method. Since the film thickness is reduced in the subsequent thermal oxidation step, it is preferable that the thickness be larger than a desired film thickness in consideration of the calculation.

こうして図3(A)に示す状態が得られる。図3(A)に示す状態が得られたら、加熱処理またはレーザーアニール処理もしくは両者を併用した手段により前記非晶質珪素膜の結晶化を行う。   Thus, the state shown in FIG. 3A is obtained. When the state shown in FIG. 3A is obtained, the amorphous silicon film is crystallized by a heat treatment, a laser annealing treatment, or a combination of both.

本実施例では、本発明者らによる特開平6−232059号公報や特開平7−321339号公報記載の技術を用いて結晶化を行う。これらの技術は金属元素(例えばニッケル元素)を保持した状態で500〜700℃、代表的には600〜650℃の温度範囲で、1〜24hr、代表的には4〜12hr程度の加熱処理を行うことで結晶性に優れた珪素膜を得るものである。   In this embodiment, crystallization is performed by using the technique described in JP-A-6-232059 or JP-A-7-321339 by the present inventors. In these techniques, a heat treatment is performed for 1 to 24 hours, typically 4 to 12 hours in a temperature range of 500 to 700 ° C., typically 600 to 650 ° C. while holding a metal element (for example, nickel element). By doing so, a silicon film having excellent crystallinity is obtained.

まず、図3(A)に示す状態において、非晶質珪素膜303の表面に対してUV光の照射を行い、図示しない薄い酸化膜を形成する。この酸化膜は後のニッケル塩溶液を塗布する際に膜面の濡れ性を改善する目的がある。   First, in the state shown in FIG. 3A, the surface of the amorphous silicon film 303 is irradiated with UV light to form a thin oxide film (not shown). The purpose of this oxide film is to improve the wettability of the film surface when a nickel salt solution is applied later.

そして、図示しない酸化膜上に重量換算で10ppmのニッケル元素を含む様に調節した酢酸ニッケル塩溶液を滴下し、スピンコート法により薄いニッケル含有層304を形成する。(図3(B))   Then, a nickel acetate solution adjusted to contain 10 ppm by weight of nickel element is dropped on an oxide film (not shown), and a thin nickel-containing layer 304 is formed by spin coating. (FIG. 3 (B))

図3(B)に示す状態が得られたら、加熱処理を行って非晶質珪素膜303の結晶化を行い、結晶性珪素膜305を得る。本実施例ではこの加熱処理の温度は600℃、処理時間は4hrとする。(図3(C))   When the state shown in FIG. 3B is obtained, heat treatment is performed to crystallize the amorphous silicon film 303, so that a crystalline silicon film 305 is obtained. In this embodiment, the temperature of this heat treatment is 600 ° C., and the treatment time is 4 hours. (FIG. 3 (C))

この様にして得られた結晶性珪素膜305は、上記公報に記載の技術を用いない場合に比べて優れた結晶性を有する。また、本発明者らの知見によると、加熱処理により結晶化させた後にレーザーアニール処理を行うことで、さらに結晶性を向上させることが可能である。   The crystalline silicon film 305 thus obtained has excellent crystallinity as compared with the case where the technique described in the above publication is not used. According to the findings of the present inventors, it is possible to further improve the crystallinity by performing laser annealing after crystallization by heat treatment.

しかし、本発明はさらに結晶性を高める手段として比較的高い温度による加熱処理工程を行う。具体的には、酸素に対して塩素を3%含有させた酸化性雰囲気において、800〜1000℃、好ましくは950℃30minの熱酸化処理を行う。   However, in the present invention, a heat treatment step at a relatively high temperature is performed as a means for further improving the crystallinity. Specifically, thermal oxidation treatment is performed at 800 to 1000 ° C., preferably 950 ° C. for 30 minutes in an oxidizing atmosphere containing 3% of chlorine with respect to oxygen.

こうして形成された結晶性珪素膜306は個々の結晶粒が大きくなり、その結晶の粒内は極めて優れた結晶性を有するものとなる。そしてその結晶性は実質的に単結晶と同等のものであり、本発明者らはこの領域をモノドメイン領域と呼んでいる。なお、図示していないが結晶性珪素膜306の表面には50nmの厚さに熱酸化膜が形成される。(図3(D))   The crystalline silicon film 306 thus formed has large individual crystal grains, and the crystal grains have extremely excellent crystallinity. The crystallinity is substantially equivalent to that of a single crystal, and the present inventors call this region a monodomain region. Although not shown, a thermal oxide film having a thickness of 50 nm is formed on the surface of the crystalline silicon film 306. (FIG. 3 (D))

この熱酸化処理が結晶性珪素膜305に対して与える効果としては以下の内容が期待できる。
(1)膜中または膜表面に存在する金属元素(ニッケル等)等の除去
(2)結晶欠陥等の除去による結晶性改善
(3)珪素膜の薄膜化
The following effects can be expected as effects of the thermal oxidation treatment on the crystalline silicon film 305.
(1) Removal of metal elements (nickel, etc.) existing in the film or on the film surface (2) Improvement of crystallinity by removing crystal defects and the like (3) Thinning of silicon film

(1)は加熱雰囲気に含まれる塩素のゲッタリング効果によるものであり、金属元素の存在に起因する格子歪や転移などの結晶欠陥の除去に寄与する。また、(2)は比較的高い温度の加熱処理によりシリコン(珪素)原子の再配列が起こり、格子間の整合性が改善されることによる。また、(3)は珪素膜が薄膜化することによる様々な利点(短チャネル効果抑制等)に寄与する効果である。   (1) is due to the gettering effect of chlorine contained in the heating atmosphere, and contributes to removal of crystal defects such as lattice distortion and dislocation caused by the presence of a metal element. The reason (2) is due to the rearrangement of silicon (silicon) atoms caused by the heat treatment at a relatively high temperature, thereby improving the matching between lattices. (3) is an effect that contributes to various advantages (such as suppression of a short channel effect) due to the thinning of the silicon film.

本発明者らが、以上の様にして得られた結晶性珪素膜を調べた結果、以下に記載する事実が判明したので説明する。   The present inventors have examined the crystalline silicon film obtained as described above, and have found the following facts.

図4に示したグラフは、本実施例で示した形成過程を経て得られた結晶性珪素膜の光学吸収スペクトルを測定した際の実験データを示すものである。図4において、横軸は通常の可視光領域の光波長であり、縦軸は膜内を透過する前後における光強度の比をとった実効透過率(膜面における反射光成分を排除して計算した透過率)である。なお、珪素膜の膜厚は40nmと60nmの2種類を測定した。   The graph shown in FIG. 4 shows experimental data when measuring the optical absorption spectrum of the crystalline silicon film obtained through the formation process shown in this example. In FIG. 4, the horizontal axis is the light wavelength in the normal visible light range, and the vertical axis is the effective transmittance (calculated by excluding the reflected light component on the film surface), which is the ratio of the light intensity before and after passing through the film. Transmittance). The thickness of the silicon film was measured in two types, 40 nm and 60 nm.

本発明者らは、珪素膜内を光が透過する際には珪素膜のエネルギーバンドギャップ(Eg)に相当するエネルギー損失があると考え、Eg以上のエネルギーを持たない波長領域の光は珪素膜を透過できず、その結果として透過率は小さくなると推測した。換言すれば、透過率が下がり始める波長領域にある光が、ちょうど珪素膜のEgに相当するエネルギーを持っていると予想される。   The present inventors consider that there is an energy loss corresponding to the energy band gap (Eg) of the silicon film when light passes through the silicon film, and light in a wavelength region having no energy equal to or higher than Eg is emitted from the silicon film. Could not be transmitted, and as a result, the transmittance was estimated to be small. In other words, it is expected that the light in the wavelength region where the transmittance starts to decrease has the energy equivalent to the Eg of the silicon film.

図3において、透過率が下がり始めるのは光波長が約800nm以下の領域であり、この800nmという波長からEgを求めると約1.5eVであった。この計算はアインシュタインの光子エネルギーの式、Eg=hc/λ(h:プランク定数、c:光速、λ:光波長)から求めた。   In FIG. 3, the transmittance starts to decrease in a region where the light wavelength is about 800 nm or less, and when Eg is obtained from the wavelength of 800 nm, it is about 1.5 eV. This calculation was obtained from Einstein's photon energy equation, Eg = hc / λ (h: Planck constant, c: speed of light, λ: light wavelength).

即ち、本実施例に従って形成された結晶性珪素膜のEgは約1.5eVであり、それ以上のエネルギーを持つ波長領域にある光のみが容易に透過することが可能であると考えられる。   That is, the crystalline silicon film formed according to this embodiment has an Eg of about 1.5 eV, and it is considered that only light in a wavelength region having energy of more than that can be easily transmitted.

この様に、実質的に単結晶と見なせる結晶性珪素膜のEgに着目した点が本発明の注目すべき特徴となっている。なお、Eg=1.3eV(前述の様に、この値ならば活性層の膜厚が薄くともノーマリオフのTFTを実現できる)の場合、先程の光子エネルギーの式から光波長を求めると約950nmである。そこで本発明者らは前述の光波長800nm±150nmの範囲において本発明が有効であると定義し、本発明のEgの上限を1.9eV(光波長650nmに相当)とした。   As described above, a point to which attention is paid to Eg of the crystalline silicon film which can be substantially regarded as a single crystal is a remarkable feature of the present invention. In the case of Eg = 1.3 eV (as described above, a normally-off TFT can be realized even if the thickness of the active layer is small as described above), when the light wavelength is obtained from the above photon energy equation, it is about 950 nm. is there. Therefore, the present inventors have defined that the present invention is effective in the above-mentioned light wavelength range of 800 nm ± 150 nm, and set the upper limit of Eg of the present invention to 1.9 eV (corresponding to a light wavelength of 650 nm).

即ち、本発明の結晶性珪素膜は実質的に単結晶と見なせるが、そのEgが単結晶珪素膜のEg(=1.1eV)よりも大きい、具体的には1.3〜1.9eVである点で単結晶とは異なると言えるのである。また、確実にノーマリオフを実現できて、なおかつ、しきい値を最小限に抑えるためには、好ましくは1.4〜1.7eVであることが好ましい。   In other words, the crystalline silicon film of the present invention can be regarded substantially as a single crystal, but its Eg is larger than Eg (= 1.1 eV) of the single crystal silicon film, specifically, 1.3 to 1.9 eV. It can be said that it is different from a single crystal in a certain point. Further, in order to reliably realize normally-off and to minimize the threshold value, it is preferable that the voltage is preferably 1.4 to 1.7 eV.

従って、本発明が示す様な構成でなる珪素膜は、絶縁基板上に単結晶に匹敵する結晶性を有する珪素膜を得るに際して、従来のSOI技術以上の効果をもたらすものであり、半導体産業に大きく貢献するものと言える。   Therefore, a silicon film having a structure as shown in the present invention is more effective than a conventional SOI technology in obtaining a silicon film having crystallinity comparable to that of a single crystal on an insulating substrate. It can be said that it greatly contributes.

本実施例では実施例1で示した手段により単結晶に匹敵する結晶性を有する半導体薄膜を形成し、それを活性層として利用した薄膜トランジスタの形成過程を図5を用いて説明する。なお、本実施例では形成過程の一例を示すのみであり、構造および数値は本実施例に限ったものではない。   In this embodiment, a semiconductor thin film having crystallinity comparable to that of a single crystal is formed by the means shown in Embodiment 1, and a process of forming a thin film transistor using the semiconductor thin film as an active layer will be described with reference to FIGS. In this embodiment, only an example of the formation process is shown, and the structure and numerical values are not limited to this embodiment.

まず、絶縁性を有した基板501の上に、下地膜502として200nm厚の絶縁膜を成膜する。本実施例では基板501として石英基板を用い、絶縁膜は酸化珪素(SiO2)、酸化窒化珪素(SiOXY)、窒化珪素膜(SiN)等をプラズマCVD法、減圧熱CVD法、スパッタ法等により成膜する。 First, an insulating film with a thickness of 200 nm is formed as a base film 502 over a substrate 501 having an insulating property. In this embodiment, a quartz substrate is used as the substrate 501, and silicon oxide (SiO 2 ), silicon oxynitride (SiO X N Y ), silicon nitride (SiN), or the like is used as an insulating film by a plasma CVD method, a low pressure thermal CVD method, or a sputtering method. The film is formed by a method or the like.

この下地膜502の上に実施例1の手段に従って、実質的に単結晶と見なせる領域(モノドメイン領域)を有する結晶性珪素膜503を形成する。この形成方法は実施例1で詳細に説明したのでここでの説明は省略する。こうして図5(A)に示す状態が得られる。   A crystalline silicon film 503 having a region (monodomain region) substantially regarded as a single crystal is formed on the base film 502 according to the means of the first embodiment. Since this forming method has been described in detail in the first embodiment, the description is omitted here. Thus, the state shown in FIG. 5A is obtained.

なお、504で示されるのは950℃30minの熱酸化により形成された50nm厚の熱酸化膜である。従って、この時点で珪素膜503の膜厚は熱酸化膜504となった分(約25nm)だけ薄くなっている。   Incidentally, what is indicated by 504 is a 50 nm thick thermal oxide film formed by thermal oxidation at 950 ° C. for 30 minutes. Therefore, at this time, the thickness of the silicon film 503 is reduced by the thickness of the thermal oxide film 504 (about 25 nm).

次に、熱酸化膜504を除去した後、結晶性珪素膜503をパターニングして後に活性層の原型となる図示しない島状半導体層を形成する。そして、島状半導体層を形成したら、塩素を含む酸化性雰囲気において再度の加熱処理(熱酸化工程)を行う。なお、この条件は実施例1における条件と同じとする。   Next, after removing the thermal oxide film 504, the crystalline silicon film 503 is patterned to form an island-shaped semiconductor layer (not shown) which becomes a prototype of an active layer later. After the island-shaped semiconductor layer is formed, another heat treatment (thermal oxidation step) is performed in an oxidizing atmosphere containing chlorine. This condition is the same as the condition in the first embodiment.

この加熱処理により図示しない島状半導体層の表面には、後にゲイト絶縁膜として機能する50nmの厚さの熱酸化膜505が形成される。また、同時に活性層506が画定する。活性層506の膜厚はこれまで行われた2回の熱酸化工程によって薄くなり、最終的な膜厚は50nmとなっている。   By this heat treatment, a thermal oxide film 505 having a thickness of 50 nm, which functions as a gate insulating film later, is formed on the surface of the island-shaped semiconductor layer (not shown). At the same time, the active layer 506 is defined. The thickness of the active layer 506 is reduced by the two thermal oxidation steps performed so far, and the final thickness is 50 nm.

なお、本実施例ではこの熱酸化膜505のみをゲイト絶縁膜として利用するが、この上にさらに酸化珪素膜や窒化珪素膜等の他の絶縁膜を積層してゲイト絶縁膜を積層構造とすることも可能である。   In this embodiment, only this thermal oxide film 505 is used as a gate insulating film. However, another insulating film such as a silicon oxide film or a silicon nitride film is further stacked thereon to form a gate insulating film. It is also possible.

また、先に活性層506を覆って酸化珪素膜や窒化珪素膜でなるゲイト絶縁膜を成膜し、その後に塩素を含む酸化性雰囲気における加熱処理を行っても良い。この場合、ゲイト絶縁膜下の活性層表面で熱酸化が行われるので極めて良好なSi/SiO2 界面を形成できる点で効果的である。勿論、ゲイト絶縁膜の膜質改善効果も期待できる。 Alternatively, a gate insulating film made of a silicon oxide film or a silicon nitride film may be first formed to cover the active layer 506, and then heat treatment may be performed in an oxidizing atmosphere containing chlorine. In this case, thermal oxidation is performed on the surface of the active layer below the gate insulating film, which is effective in that an extremely good Si / SiO 2 interface can be formed. Of course, an effect of improving the quality of the gate insulating film can also be expected.

次に、図示しない導電性被膜を200〜250nmの厚さに成膜する。本実施例では、0.2wt%のスカンジウムを含有したアルミニウム膜を用いる。スカンジウムは加熱処理等の際にアルミニウム表面に発生するヒロックやウィスカーといった突起物を抑える効果を持つ。   Next, a conductive film (not shown) is formed to a thickness of 200 to 250 nm. In this embodiment, an aluminum film containing 0.2 wt% of scandium is used. Scandium has the effect of suppressing protrusions such as hillocks and whiskers generated on the aluminum surface during heat treatment or the like.

この状態で電解溶液中においてアルミニウム膜の陽極酸化を行う。電解溶液としては、3%の酒石酸のエチレングリコール溶液をアンモニア水で中和して、PH=6.92に調整したものを使用する。また、白金を陰極として化成電流5mA、到達電圧10Vとして処理する。   In this state, anodization of the aluminum film is performed in an electrolytic solution. As the electrolytic solution, a solution prepared by neutralizing a 3% ethylene glycol solution of tartaric acid with aqueous ammonia to adjust the pH to 6.92 is used. The treatment is performed using platinum as a cathode with a formation current of 5 mA and an ultimate voltage of 10 V.

こうして形成される図示しない薄く緻密な陽極酸化膜は、後に図示しないアルミニウム膜をパターニングする際にフォトレジストとの密着性を高める効果がある。また、電圧印加時間を制御することで膜厚を制御できる。   The thin and dense anodic oxide film (not shown) formed in this manner has an effect of increasing the adhesion to the photoresist when the aluminum film (not shown) is patterned later. Further, the film thickness can be controlled by controlling the voltage application time.

次に、図示しないアルミニウム膜をパターニングして、ゲイト電極の原型となるアルミニウム膜のパターン507を形成する。こうして図5(B)に示す状態が得られる。   Next, an aluminum film (not shown) is patterned to form an aluminum film pattern 507 serving as a prototype of the gate electrode. Thus, the state shown in FIG. 5B is obtained.

次に、図5(C)に示す様に2度目の陽極酸化を行い、多孔質の陽極酸化膜508を形成する。電解溶液は3%のシュウ酸水溶液とし、白金を陰極として化成電流2〜3mA、到達電圧8Vとして処理する。この時、パターン507上にはパターニングに使用した図示しないレジストマスクが存在するため、陽極酸化は基板に対して平行な方向に進行する。また、電圧印加時間を制御することで多孔質の陽極酸化膜508の長さを制御できる。   Next, as shown in FIG. 5C, a second anodic oxidation is performed to form a porous anodic oxide film 508. The electrolytic solution is a 3% oxalic acid aqueous solution, and the treatment is performed using platinum as a cathode at a formation current of 2 to 3 mA and a reaching voltage of 8 V. At this time, since a resist mask (not shown) used for patterning exists on the pattern 507, the anodic oxidation proceeds in a direction parallel to the substrate. The length of the porous anodic oxide film 508 can be controlled by controlling the voltage application time.

さらに、アルミニウム膜のパターニングに使用した図示しないフォトレジストを専用の剥離液で除去した後、3度目の陽極酸化を行う。この陽極酸化には、電解溶液は3%の酒石酸のエチレングリコール溶液をアンモニア水で中和して、PH=6.92に調整したものを使用する。そして、白金を陰極として化成電流5〜6mA、到達電圧40〜100Vとして処理する。   Furthermore, after removing the photoresist (not shown) used for patterning the aluminum film with a dedicated stripper, a third anodic oxidation is performed. For this anodic oxidation, a solution prepared by neutralizing a 3% tartaric acid solution of ethylene glycol with aqueous ammonia to adjust the pH to 6.92 is used. Then, the treatment is carried out using platinum as a cathode at a formation current of 5 to 6 mA and an ultimate voltage of 40 to 100 V.

この際形成される陽極酸化膜509は、非常に緻密、かつ、強固である。そのため、ド−ピング工程などの後工程で生じるダメージや熱からゲイト電極510を保護する効果を持つ。また、その膜厚は50〜150nmとなる。こうして図5(C)に示す状態が得られる。   The anodic oxide film 509 formed at this time is very dense and strong. Therefore, the gate electrode 510 has an effect of protecting the gate electrode 510 from damage and heat generated in a later process such as a doping process. Further, the film thickness becomes 50 to 150 nm. Thus, the state shown in FIG. 5C is obtained.

次いで、イオンドーピング法により、活性層506に対して不純物の注入を行う。例えば、Nチャネル型TFTを作製するならば、不純物としてP(リン)イオンを、Pチャネル型TFTを作製するならば、不純物としてB(ボロン)イオンを注入すれば良い。   Next, an impurity is implanted into the active layer 506 by an ion doping method. For example, if an N-channel TFT is manufactured, P (phosphorus) ions may be implanted as impurities, and if a P-channel TFT is manufactured, B (boron) ions may be implanted as impurities.

この時、イオン注入は2回に分けて行う。まず、1回目のイオン注入を図5(C)に示した状態で行う。このイオン注入工程では多孔質の陽極酸化膜508等がマスクとなり、後にソース/ドレインとなる領域511、512が自己整合的に形成される。   At this time, the ion implantation is performed twice. First, the first ion implantation is performed in a state shown in FIG. In this ion implantation step, the porous anodic oxide film 508 and the like serve as a mask, and regions 511 and 512 which will later become the source / drain are formed in a self-aligned manner.

さらに、多孔質の陽極酸化膜508を除去して、2回目のドーピングを行う。このイオン注入工程ではゲイト電極510がマスクとなり、ソース領域511、ドレイン領域512と比較して不純物濃度の低い、低濃度不純物領域513、514が自己整合的に形成される。また、ゲイト電極307の直下は不純物が全く注入されないため、チャネル形成領域515が自己整合的に形成される。   Further, the porous anodic oxide film 508 is removed, and the second doping is performed. In this ion implantation step, the gate electrode 510 serves as a mask, and low-concentration impurity regions 513 and 514 having a lower impurity concentration than the source region 511 and the drain region 512 are formed in a self-aligned manner. In addition, since no impurity is implanted immediately below the gate electrode 307, the channel formation region 515 is formed in a self-aligned manner.

このようにして形成される低濃度不純物領域514は特にLDD領域と呼ばれ、チャネル領域515とドレイン領域512との間に高電界が形成されるのを抑制する効果を持つ。また、チャネル形成領域515と低濃度不純物領域513、514との間には、厳密には緻密な陽極酸化膜509の膜厚分だけのオフセット領域が形成されるが、その幅が100nm以下である時は実質的に機能しない。   The low-concentration impurity region 514 thus formed is particularly called an LDD region, and has an effect of suppressing formation of a high electric field between the channel region 515 and the drain region 512. Strictly, an offset region is formed between the channel formation region 515 and the low-concentration impurity regions 513 and 514 by the thickness of the dense anodic oxide film 509, but the width is 100 nm or less. Time does not work practically.

次いで、KrFエキシマレーザーを200〜300mJ/cm2のエネルギー密度で照射することによって、イオン注入された不純物イオンの活性化を行なう。なお、活性化は300〜450℃2hrの熱アニールによっても良いし、レーザーアニールと熱アニールとを併用しても良い。 Then, irradiation with a KrF excimer laser at an energy density of 200 to 300 mJ / cm 2 activates the implanted impurity ions. The activation may be performed by thermal annealing at 300 to 450 ° C. for 2 hours, or laser annealing and thermal annealing may be used in combination.

以上の様な不純物イオンの注入および活性化を経て、図5(D)に示す状態が得られる。次に、層間絶縁膜516をプラズマCVD法により成膜する。層間絶縁膜516としては、酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜等を用いることができる。また、その膜厚は0.5〜1.0μmもあれば良い。   Through the implantation and activation of the impurity ions as described above, the state shown in FIG. 5D is obtained. Next, an interlayer insulating film 516 is formed by a plasma CVD method. As the interlayer insulating film 516, a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, or the like can be used. Further, the film thickness may be 0.5 to 1.0 μm.

また、層間絶縁膜516としてポリイミドに代表される有機性樹脂材料を用いることも可能である。このような有機性樹脂材料は被膜形成が簡便であり、容易に膜厚を稼ぐことができる上、デバイス形状による凹凸を緩和して優れた平坦表面を実現することが可能である。   Alternatively, an organic resin material represented by polyimide can be used for the interlayer insulating film 516. Such an organic resin material is easy to form a film, can easily increase the film thickness, and can reduce unevenness due to device shape to realize an excellent flat surface.

第1の層間絶縁膜516を成膜したら、ソース領域511、ドレイン領域512にコンタクトホールを形成して、図示しないアルミニウム膜を300nmの厚さに成膜する。次いで、図示しないアルミニウム膜をパターニングして、ソース電極517、ドレイン電極518を形成する。   After forming the first interlayer insulating film 516, contact holes are formed in the source region 511 and the drain region 512, and an aluminum film (not shown) is formed to a thickness of 300 nm. Next, a source electrode 517 and a drain electrode 518 are formed by patterning an aluminum film (not shown).

最後に、水素雰囲気中において350℃1hr程度の加熱処理を行い、未結合手の水素終端処理を施して半導体装置の水素化を行う。こうして図5(E)に示す様な構造の半導体装置が完成する。   Finally, heat treatment is performed at 350 ° C. for about 1 hour in a hydrogen atmosphere, and hydrogen termination of dangling bonds is performed to hydrogenate the semiconductor device. Thus, a semiconductor device having a structure as shown in FIG.

本発明が示す様な図5(E)に示される半導体装置は、活性層が実質的に単結晶珪素膜で構成されており、Egが1.3〜1.9eV以上と単結晶珪素膜のバルクEgよりも大きいので、極めて優れたスイッチング機能を備えたものとなる。また、その膜厚が10〜85nmと極めて薄いため、パンチスルーや短チャネル効果などの劣化を抑制することができる。   In the semiconductor device shown in FIG. 5E as shown in the present invention, the active layer is substantially composed of a single crystal silicon film, and the Eg is 1.3 to 1.9 eV or more and the single crystal silicon film has Since it is larger than the bulk Eg, it has a very excellent switching function. Further, since the film thickness is extremely thin, that is, 10 to 85 nm, deterioration such as punch-through and short channel effect can be suppressed.

本実施例に従って本発明者らが作製した図5(E)に示される半導体装置の電気特性を図6に示す。図6(A)はNチャネル型TFTの電気特性(Id−Vg特性)、図6(B)はPチャネル型TFTの電気特性を示している。なお、横軸のVGはゲイト電圧値、縦軸のIDはソース/ドレイン間を流れる電流値である。また、601、603で示されるId−Vg曲線はドレイン電圧VD=1Vの時の特性を示し、602、604で示されるId−Vg曲線はドレイン電圧VD=5Vの時の特性を示している。   FIG. 6 shows electrical characteristics of the semiconductor device shown in FIG. 5E manufactured by the present inventors according to this embodiment. FIG. 6A shows the electric characteristics (Id-Vg characteristics) of an N-channel TFT, and FIG. 6B shows the electric characteristics of a P-channel TFT. Note that VG on the horizontal axis is a gate voltage value, and ID on the vertical axis is a current value flowing between the source and the drain. Further, the Id-Vg curves 601 and 603 show the characteristics when the drain voltage VD = 1V, and the Id-Vg curves 602 and 604 show the characteristics when the drain voltage VD = 5V.

まず、注目すべきはしきい値のシフトが極めて小さい点である。605、606で示される領域は電流値IDの立ち上がり部分であるが、Nチャネル型TFTは曲線601、602のどちらもVG=−0.5V程度で立ち上がっている。これは、ゲイト電圧VG=0Vの時には殆ど電流が流れず、ノーマリオフの状態となっていることを示すものである。   First, it should be noted that the threshold value shift is extremely small. The regions indicated by 605 and 606 are the rising portions of the current value ID. In the N-channel TFT, both the curves 601 and 602 rise at VG = about -0.5V. This indicates that almost no current flows when the gate voltage VG = 0 V, and the device is in a normally-off state.

また、同様に606で示される領域において、Pチャネル型TFTでは曲線603、604のどちらもVG=0〜−0.5V程度で立ち上がっている。即ち、ノーマリオフの状態となっていることが明らかである。   Similarly, in the region indicated by 606, in the P-channel type TFT, both curves 603 and 604 rise at VG = 0 to -0.5V. That is, it is clear that the device is in the normally-off state.

ここで、図6(A)、(B)に示される電気特性から求めた、薄膜トランジスタの代表的な特性パラメータを表1に示す。なお、パラメータ値は40ポイント測定の平均値でもって表し、そのばらつきを標準偏差σを用いて示す。また、表1において、L/W=8/8μmとはチャネル長L、チャネル幅Wを表しており、TOX=56nmとは活性層の膜厚が56nmであることを示している。 Here, Table 1 shows typical characteristic parameters of the thin film transistor obtained from the electric characteristics shown in FIGS. 6A and 6B. Note that the parameter value is represented by an average value of the 40-point measurement, and the variation is shown using the standard deviation σ. In Table 1, L / W = 8/8 μm indicates the channel length L and channel width W, and T OX = 56 nm indicates that the thickness of the active layer is 56 nm.

表1に示したデータはVD=1Vの時の測定データであるが、オフ電流(Ioff)がN型で0.03pA、P型で1.65pAと極めて小さい。オフ電流が小さいことはスイッチング素子としての機能に優れると共に消費電力が小さいことを示唆している。また、しきい値(Vth)はN型で−0.25V、P型で−1.36Vと小さく、ほぼ問題なくノーマリオフとなっていることが判る。   The data shown in Table 1 is measured data when VD = 1 V, and the off-state current (Ioff) is extremely small at 0.03 pA for N-type and 1.65 pA for P-type. A small off-state current suggests that the function as a switching element is excellent and that power consumption is small. Further, the threshold value (Vth) is as small as -0.25 V for the N type and -1.36 V for the P type, and it can be seen that it is normally off without any problem.

また、本発明が示す半導体装置が実質的に単結晶でなる活性層を有している事を、サブスレッシュホールド値(S値)と電界効果移動度(μFE)が明らかにしている。S値はN型、P型ともに80mV/decであり、μFEはN型で200cm2/Vs、P型で160cm2/Vsである。これらの値は本発明が示す薄膜トランジスタが極めて優れた特性を有していることの証拠であり、本発明の効果を顕著に示していると言える。 Further, it has been clarified that the semiconductor device according to the present invention has an active layer substantially composed of a single crystal in terms of a subthreshold value (S value) and a field effect mobility (μFE). The S value is 80 mV / dec for both N-type and P-type, and μFE is 200 cm 2 / Vs for N-type and 160 cm 2 / Vs for P-type. These values are evidence that the thin film transistor according to the present invention has extremely excellent characteristics, and it can be said that the effect of the present invention is remarkably exhibited.

実際には、S値が60mV/dec付近の単結晶珪素と殆ど変わらない特性を有するTFTも存在した。この極めて優れたS値を有することも本発明の構成でなる半導体薄膜の特徴の一つであり、S値が85mV/dec以下、好ましくは75mV/dec以下という特徴を有していると言える。   Actually, there is a TFT having a characteristic that is almost the same as that of single crystal silicon having an S value of about 60 mV / dec. Having an extremely excellent S value is also one of the characteristics of the semiconductor thin film having the structure of the present invention, and it can be said that the semiconductor thin film has a characteristic that the S value is 85 mV / dec or less, preferably 75 mV / dec or less.

なお、本発明者らはId−Vg曲線を測定する際にゲイト電圧VGを−3V〜3Vの範囲で変化させ、そのゲイト電圧を変化させるステップ幅を細かくすることで精度の高い測定を実現している。この事を前述のS値を例にとって説明しておく。   The present inventors have realized a highly accurate measurement by changing the gate voltage VG in the range of -3 V to 3 V when measuring the Id-Vg curve, and reducing the step width of changing the gate voltage. ing. This will be described using the aforementioned S value as an example.

図16に示すのは、図16(A)〜(D)がNチャネル型TFTについて、図16(E)〜(H)がPチャネル型TFTについてゲイト電圧VGのステップ幅を4条件振った時のId−Vg曲線(電気特性)である。   FIGS. 16A to 16D show the case where the step width of the gate voltage VG is varied by four conditions for the N-channel TFT and FIGS. 16E to 16H for the P-channel TFT. 5 is an Id-Vg curve (electrical characteristics) of the sample.

図16(A)を見ると、ステップ幅は0.5Vであり、その時に計算から求めたS値は139mV/decであった。またこの時、Id−Vg曲線はステップ幅が荒いので直線的な形状となっている。そして、VGステップ幅を0.25V(図16(B))、0.1V(図16(C))、0.05V(図16(D))と細かくしていくと、それにつれてId−Vg曲線も滑らかなものとなり、S値も小さくなっていく傾向にある。最終的には、図16(D)に示す様に、ステップ幅0.05Vの時にS値は83mVにまで小さくなっている。   Referring to FIG. 16A, the step width was 0.5 V, and the S value obtained by the calculation at that time was 139 mV / dec. At this time, the Id-Vg curve has a linear shape because the step width is rough. When the VG step width is reduced to 0.25 V (FIG. 16B), 0.1 V (FIG. 16C), and 0.05 V (FIG. 16D), Id−Vg The curve also becomes smooth, and the S value tends to decrease. Finally, as shown in FIG. 16D, when the step width is 0.05 V, the S value is reduced to 83 mV.

この事は、Pチャネル型TFTにおいても同様であり、図16(E)、(F)、(G)、(H)とステップ幅を細かくしていく事でS値はそれぞれ162mV/dec、84mV/dec、76mV/dec、74mV/decと小さくなっていく。   The same applies to the P-channel type TFT, and the S value becomes 162 mV / dec and 84 mV by reducing the step width in FIGS. 16 (E), (F), (G) and (H). / Dec, 76 mV / dec, and 74 mV / dec.

この様に、VGステップ幅を細かくすることで精度の良い測定を行うことが可能であり、本明細書中の電気特性はかかる精度の高い測定方法により得られた実験結果でもって示されている。   As described above, accurate measurement can be performed by reducing the VG step width, and the electrical characteristics in this specification are shown by experimental results obtained by such a highly accurate measurement method. .

本発明の特徴の一つとして、以上の様な精度の高い測定により得られたS値が85mV/dec以下であることが挙げられる。この値は通常単結晶珪素膜を用いた場合に得られる値(約60mV/dec)に非常に近く、本発明が示す構成の珪素膜の結晶性が極めて良いものであることが判る。   One of the features of the present invention is that the S value obtained by the above-described highly accurate measurement is 85 mV / dec or less. This value is very close to the value normally obtained when a single crystal silicon film is used (about 60 mV / dec), and it can be seen that the crystallinity of the silicon film having the structure shown in the present invention is extremely good.

以下にその理由についての考察を説明する。なお、この考察は本発明が示す珪素膜を単結晶と見なし、単結晶珪素膜の半導体物性を解析した式を利用して上記理由の説明を行おうとする試みである。従って、通常のポリシリコンやアモルファスシリコンでは、以下に記載の論理展開は適用できないと考えている。   The reason for this will be described below. Note that this consideration is an attempt to explain the above-mentioned reason by using a formula obtained by analyzing a semiconductor property of a single crystal silicon film assuming that the silicon film shown in the present invention is a single crystal. Therefore, it is considered that the logic development described below cannot be applied to ordinary polysilicon or amorphous silicon.

まず、質量作用の法則によりチャネル形成領域における真性キャリア密度niは、ni=(NcNv)1/2-Eg/2kTとなる。Ncは伝導帯の実効状態密度、Nvは価電子帯の実効状態密度、Egはエネルギーバンドギャップ、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。 First, the intrinsic carrier density ni in the channel formation region becomes ni = (NcNv) 1/2 e- Eg / 2kT according to the law of mass action. Nc is the effective state density of the conduction band, Nv is the effective state density of the valence band, Eg is the energy band gap, k is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature.

この式から、Egが大きくなると真性キャリア密度niが小さくなることが判る。本発明の構成でなる珪素膜は、実質的に単結晶でありながらEgが1.3〜1.9eVという特徴があるため、単結晶に比べて真性キャリア密度niは小さくなる傾向にあると考えられる。   From this equation, it can be seen that the intrinsic carrier density ni decreases as Eg increases. Since the silicon film having the structure of the present invention has a characteristic of Eg of 1.3 to 1.9 eV while being substantially single crystal, the intrinsic carrier density ni tends to be smaller than that of the single crystal. Can be

また、ゲイト電圧を印加した際に形成される空乏層の幅Xdは、Xd=(2εSε0φS/qni)1/2で表される。εSは珪素の比誘電率、ε0は真空の誘電率、φSは珪素の表面ポテンシャル、qはキャリアの電荷である。φSがある値に達すると空乏層の幅はそれ以上広がらなくなる。この時点に注目して考えると、前述の式により真性キャリア密度niが小さい程、空乏層の幅Xdは大きくなることが判る。 The width Xd of the depletion layer formed upon applying a gate voltage, Xd = (2ε S ε 0 φ S / qni) represented by 1/2. ε S is the relative dielectric constant of silicon, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, φ S is the surface potential of silicon, and q is the charge of the carrier. When φ S reaches a certain value, the width of the depletion layer does not increase any more. Considering this point, it is understood from the above equation that the width Xd of the depletion layer increases as the intrinsic carrier density ni decreases.

この事は、空乏層容量Cdが小さくなることを意味しており、その事は空乏層容量Cdが、Cd=εSε0/Xdで求められることからも明らかである。そして、この空乏層容量CdがS値に対して大きく影響するパラメータの一つであることが判っている。 This means that the capacitance Cd of the depletion layer is reduced, which is apparent from the fact that the capacitance Cd of the depletion layer is obtained by Cd = ε S ε 0 / Xd. It has been found that the depletion layer capacitance Cd is one of the parameters that greatly affects the S value.

一般的にS値とは前述のId−Vg曲線において、Idを一桁変化させるのに必要なVgの変化量でもって定義される。そして、その値は、ln10・kT/q〔1+(Cd+Cit)/C0X〕で表される。ここで、Citは界面準位の等価容量、C0Xはゲイト容量である。なお、本実施例の半導体装置は熱酸化膜をゲイト絶縁膜として利用することにより極めて整合性の良好なSi/SiO2界面を実現している(界面準位が極めて少ない)のでCitの項は無視することができる。 In general, the S value is defined by the amount of change in Vg required to change Id by one digit in the aforementioned Id-Vg curve. Then, the value is represented by ln10 · kT / q [1+ (Cd + Cit) / C 0X ]. Here, Cit is the equivalent capacitance of the interface state, and C 0X is the gate capacitance. Note that the semiconductor device of this embodiment realizes a Si / SiO 2 interface with extremely good matching by using a thermal oxide film as a gate insulating film (the interface state is extremely small). Can be ignored.

この式からは、C0X=一定として考えると空乏層容量Cdが小さくなる程S値が小さくなることが判る。従って、空乏層容量Cdが無視できるレベルにまで小さくなった状態、即ちCd=0と見なせる状態においてS値は最小値をとり、この状態が単結晶珪素の理想状態のS値(理想S値)であると考えられている。 From this equation, it is understood that assuming that C 0x = constant, the S value decreases as the depletion layer capacitance Cd decreases. Therefore, in a state where the depletion layer capacitance Cd is reduced to a negligible level, that is, in a state where Cd = 0 can be considered, the S value takes a minimum value, and this state is an S value in an ideal state of single crystal silicon (ideal S value). Is believed to be.

実際には、単結晶珪素の理想S値は約60mV/decであると言われている。本実施例で示した半導体装置のS値は概略60〜85mV/decの範囲内に納まっているが、時には60mV/dec以下となる場合もあった。この現象はSOI技術を用いた場合にもたびたび報告されている事実である。   Actually, it is said that the ideal S value of single crystal silicon is about 60 mV / dec. Although the S value of the semiconductor device shown in this embodiment falls within a range of approximately 60 to 85 mV / dec, sometimes it becomes 60 mV / dec or less. This phenomenon is a fact that has been frequently reported even when SOI technology is used.

この事実について、本発明者らは次の様に考えた。上述の理論展開に従えば、エネルギーバンドギャップEgが大きい程(ただし、単結晶と見なせることが仮定)、S値は小さくなると考えられる。しかし実際には、本実施例が示す半導体装置は理想S値よりも大きい値となってしまっている。   With respect to this fact, the present inventors considered as follows. According to the above theoretical development, it is considered that the S value decreases as the energy band gap Eg increases (provided that it can be regarded as a single crystal). However, actually, the value of the semiconductor device shown in this embodiment is larger than the ideal S value.

これは、本実施例の半導体装置の活性層の膜厚が50nmと薄いことに起因していると考えられる。なぜならば、ゲイト電圧を印加してゆくに従い空乏層の幅Xdは広がっていくが、その幅が50nm以上となってしまうと膜厚に制限されてそれ以上空乏層が広がらない。即ち、空乏層容量Cdはそれ以上小さくなり得ないので、S値もそこで制限されてしまうのである。   This is considered to be due to the fact that the thickness of the active layer of the semiconductor device of this example is as thin as 50 nm. This is because the width Xd of the depletion layer increases as the gate voltage is applied, but when the width exceeds 50 nm, the thickness is limited and the depletion layer does not further expand. That is, since the depletion layer capacitance Cd cannot be reduced any further, the S value is also limited there.

以上の様に推測すると、本発明が示す構成において、何故図6、表1に示した様な極めて優れた電気特性を有する薄膜トランジスタを作製することができたか、の理由に一つの説明が付くことになる。   As presumed as described above, one explanation may be given as to why the thin film transistor having extremely excellent electric characteristics as shown in FIG. 6 and Table 1 could be manufactured in the structure shown in the present invention. become.

また、前述の理論展開の中ではゲイト容量C0X=一定として空乏層容量CdとS値とを関連づけたが、実際にはゲイト容量C0Xはゲイト絶縁膜の膜厚T0Xによって変化する。そこで、本発明者らはゲイト絶縁膜の膜厚T0Xが10、25、50nmの3条件の場合について、空乏層容量CdとS値との関係をシミュレーションしたので以下に記載する。 In the above theoretical development, the gate capacitance C 0X = constant and the depletion layer capacitance Cd is associated with the S value. However, the gate capacitance C 0X actually varies depending on the thickness T 0X of the gate insulating film. Then, the present inventors simulated the relationship between the depletion layer capacitance Cd and the S value under the three conditions of the thickness T 0X of the gate insulating film of 10, 25, and 50 nm.

前述のS値の算出式において、Cit=0と考えると、S=ln10・kT/q(1+Cd/C0X)であり、室温300Kにおいてln10・kT/q=0.06であるのでCd=(S/0.06−1)C0Xとなる。 In the calculation equation of the above S-value, considering that Cit = 0, a S = ln10 · kT / q ( 1 + Cd / C 0X), Cd = because it is ln10 · kT / q = 0.06 at room temperature 300K ( the S / 0.06-1) C 0X.

ここで、ゲイト絶縁膜の膜厚T0Xが10、25、50nmの3条件の場合について、ゲイト容量C0Xを計算すると、C0X=εrε0S/T0Xにおいてεr=3.8、ε0=8.85×10-14(F/cm)、S=6.4×10-7(cm2)(チャネル領域の面積をL/W=8/8μmとして算出)であるから次の様な結果が得られる。
0X=10nmの時:C0X=3.36×10-7(F/cm2
0X=25nmの時:C0X=1.35×10-7(F/cm2
0X=50nmの時:C0X=6.73×10-8(F/cm2
Here, when the gate capacitance C 0X is calculated under three conditions where the thickness T 0X of the gate insulating film is 10, 25, and 50 nm, ε r = 3.8 at C 0X = ε r ε 0 S / T 0X . , Ε 0 = 8.85 × 10 −14 (F / cm), S = 6.4 × 10 −7 (cm 2 ) (calculated assuming that the area of the channel region is L / W = 8/8 μm). Is obtained.
When T 0X = 10 nm: C 0X = 3.36 × 10 −7 (F / cm 2 )
When T 0X = 25 nm: C 0X = 1.35 × 10 −7 (F / cm 2 )
When T 0X = 50 nm: C 0X = 6.73 × 10 −8 (F / cm 2 )

ここで先程の式Cd=(S/0.06−1)C0Xにおいて、T0X=10nmの時のCdをCd,10、SをS10としてC0Xを代入すると、
Cd,10=5.60×10-6・S10−3.36×10-7(F/cm2
が得られる。また同様に、T0X=25、50nmの時の空乏層容量Cd,25、Cd,50は、
Cd,25=2.25×10-6・S25−1.35×10-7(F/cm2
Cd,50=1.12×10-6・S50−6.73×10-8(F/cm2
の式で求められる。
Here in the previous formula Cd = (S / 0.06-1) C 0X, when the Cd when the T 0X = 10 nm and Cd, 10, S Substituting C 0X as S 10,
Cd, 10 = 5.60 × 10 −6 · S 10 −3.36 × 10 −7 (F / cm 2 )
Is obtained. Similarly, depletion layer capacitance Cd, 25, Cd, 50 when the T 0X = 25,50nm is
Cd, 25 = 2.25 × 10 -6 · S 25 -1.35 × 10 -7 (F / cm 2 )
Cd, 50 = 1.12 × 10 −6 .S 50 −6.73 × 10 −8 (F / cm 2 )
It is calculated by the following equation.

これらの式をもとに、横軸にS値、縦軸に空乏層容量Cdをとり、任意のS値に対してCdのとる値をシミュレーションした結果を図17に示す。空乏層容量Cd=0の時、S値は理想S値(=0.06V/dec)となっていることが判る。   Based on these equations, the horizontal axis represents the S value and the vertical axis represents the depletion layer capacitance Cd, and FIG. 17 shows the result of simulating the value of Cd for an arbitrary S value. It can be seen that when the depletion layer capacitance Cd = 0, the S value is an ideal S value (= 0.06 V / dec).

また、図17からはゲイト絶縁膜の膜厚T0X薄い程、空乏層容量Cdが大きくなる傾向にあることが確認できる。また、T0Xが厚い膜ほど直線の傾きが小さい、即ちCdの変化に対して敏感であることが推測される。従って、本発明ではCdを小さく抑えることでS値が改善されていると推測されるので、ゲイト絶縁膜の膜厚を少なくとも50nm以上とすることが好ましい。 Also, from FIG. 17, it can be confirmed that the depletion layer capacitance Cd tends to increase as the thickness T 0X of the gate insulating film decreases . It is also assumed that the film having a larger T 0X has a smaller slope of the straight line, that is, is more sensitive to a change in Cd. Therefore, in the present invention, it is presumed that the S value is improved by suppressing Cd to be small. Therefore, it is preferable that the thickness of the gate insulating film be at least 50 nm or more.

実施例2で説明した様に、本発明が示す半導体装置はS値が小さく、移動度が高いという特徴があるため、高速動作を必要とする回路を構成する際に非常に有効である。例えば、同一基板上に画素マトリクス回路と周辺駆動回路とを備えたアクティブマトリクス型表示装置では、周辺駆動回路に配置されるシフトレジスタ等が高速動作必要とする。   As described in the second embodiment, the semiconductor device according to the present invention has a small S value and a high mobility, and thus is very effective in forming a circuit requiring high-speed operation. For example, in an active matrix display device including a pixel matrix circuit and a peripheral driving circuit on the same substrate, a shift register or the like provided in the peripheral driving circuit requires high-speed operation.

この様な駆動回路は、通常Nチャネル型TFTとPチャネル型TFTとを相補的に組み合わせたCMOS回路でもって構成する。そこで、本実施例は実施例2で示したTFTでもってCMOS構造を形成する例を示す。図7〜図9に本実施例の作製工程を示す。なお、本発明により形成される結晶性珪素膜の応用範囲は広く、CMOS構造を形成する方法は本実施例に限ったものではない。   Such a drive circuit is usually constituted by a CMOS circuit in which an N-channel TFT and a P-channel TFT are complementarily combined. Therefore, this embodiment shows an example in which a CMOS structure is formed using the TFT shown in the second embodiment. 7 to 9 show a manufacturing process of this embodiment. The application range of the crystalline silicon film formed according to the present invention is wide, and the method of forming the CMOS structure is not limited to this embodiment.

まず実施例1に示す構成に従って、ガラス基板701上に酸化珪素膜702を成膜し、その上にモノドメイン領域を有した結晶性珪素膜を得る。そしてそれをパターニングすることによりモノドメイン領域のみで構成されたNチャネル型TFTの活性層703とPチャネル型TFTの活性層704を得る。   First, a silicon oxide film 702 is formed on a glass substrate 701 according to the structure shown in Embodiment 1, and a crystalline silicon film having a monodomain region is obtained thereon. By patterning them, an active layer 703 of an N-channel TFT and an active layer 704 of a P-channel TFT composed of only a monodomain region are obtained.

活性層703、704を形成したら、実施例2で説明した様に熱酸化工程を行い、ゲイト絶縁膜として機能する熱酸化膜705を形成する。厚さは熱酸化工程の処理温度、処理時間で制御できるが、本実施例では実施例1、2と同様に50nmとする。   After the formation of the active layers 703 and 704, a thermal oxidation process is performed as described in the second embodiment to form a thermal oxide film 705 functioning as a gate insulating film. Although the thickness can be controlled by the processing temperature and the processing time of the thermal oxidation step, in this embodiment, it is set to 50 nm as in the first and second embodiments.

こうして図7(A)に示す状態を得る。図7(A)に示す状態を得たら、図7(B)に示すように後にゲイト電極を構成することになるアルミニウム膜706を成膜する。このアルミニウム膜はヒロックやウィスカーの発生を抑制するためにスカンジウムを0.2wt重量%含有させる。アルミニウム膜の成膜方法はスパッタ法や電子ビーム蒸着法を用いて行う。   Thus, the state shown in FIG. 7A is obtained. After the state shown in FIG. 7A is obtained, an aluminum film 706 that will form a gate electrode later is formed as shown in FIG. 7B. This aluminum film contains scandium at 0.2 wt% in order to suppress generation of hillocks and whiskers. The aluminum film is formed by a sputtering method or an electron beam evaporation method.

ヒロックやウィスカーというのは、アルミニウムの異常成長に起因する刺状あるいは針状の突起物のことである。ヒロックやウィスカーの存在は、隣合う配線間や上下間に離間した配線間においてショートやクロスクトークが発生する原因となる。   Hillocks and whiskers are bar-like or needle-like protrusions caused by abnormal growth of aluminum. The presence of hillocks or whiskers causes a short circuit or crosstalk between adjacent wirings or between wirings separated vertically.

アルミニウム膜以外の材料としてはタンタル、モリブデン等の陽極酸化可能な金属を利用することができる。また、アルミニウム膜の代わりに導電性を付与した珪素膜を用いることも可能である。   Anodizable metals such as tantalum and molybdenum can be used as materials other than the aluminum film. Further, instead of the aluminum film, a silicon film provided with conductivity can be used.

アルミニウム膜706を成膜したら、電解溶液中においてアルミニウム膜706を陽極とした陽極酸化を行い、薄く緻密な陽極酸化膜707を成膜する。この陽極酸化の形成条件は実施例2によれば良い。(図7(B))   After the formation of the aluminum film 706, anodic oxidation is performed in an electrolytic solution using the aluminum film 706 as an anode to form a thin and dense anodic oxide film 707. The conditions for forming this anodic oxidation may be according to the second embodiment. (FIG. 7 (B))

次にレジストマスク708と709を形成する。そしてこのレジストマスク708と709を利用してアルミニウム膜706をパターニングして、ゲイト電極の原型となるアルミニウム膜のパターン710、711を形成する。このようにして図7(C)に示す状態を得る。   Next, resist masks 708 and 709 are formed. The aluminum film 706 is patterned by using the resist masks 708 and 709 to form aluminum film patterns 710 and 711 serving as gate electrode prototypes. Thus, the state shown in FIG. 7C is obtained.

次に、実施例2と同様の条件でもってアルミニウム膜のパターン710、711の側面に多孔質の陽極酸化膜712、713を形成する。本実施例ではこの多孔質の陽極酸化膜712、713の膜厚を0.7μmとする。こうして図7(D)に示す状態を得る。   Next, porous anodic oxide films 712 and 713 are formed on the side surfaces of the aluminum film patterns 710 and 711 under the same conditions as in the second embodiment. In this embodiment, the thickness of the porous anodic oxide films 712 and 713 is set to 0.7 μm. Thus, the state shown in FIG. 7D is obtained.

次に、実施例2と同様の条件でもって緻密で強固な陽極酸化膜714、715の形成を行う。ただし、本実施例ではこの膜厚が70nmとなる様に到達電圧を調節する。また、この工程によりゲイト電極71、72が画定する。構造としては図7(E)の様な状態となっている。   Next, dense and strong anodic oxide films 714 and 715 are formed under the same conditions as in the second embodiment. However, in this embodiment, the attained voltage is adjusted so that the film thickness becomes 70 nm. In addition, gate electrodes 71 and 72 are defined by this process. The structure is as shown in FIG.

次に、図7(E)に示す状態においてN型を付与する不純物としてP(リン)イオンを全面にドーピングする。このドーピングは、0.2〜5×1015/cm2、好ましくは1〜2×1015/cm2という高いドーズ量で行う。ドーピング方法としてはプラズマドーピング法やイオンドーピング法を用いる。 Next, in the state shown in FIG. 7E, P (phosphorus) ions are doped over the entire surface as an impurity imparting N-type. This doping is performed at a high dose of 0.2 to 5 × 10 15 / cm 2 , preferably 1 to 2 × 10 15 / cm 2 . As a doping method, a plasma doping method or an ion doping method is used.

この図7(E)に示す工程の結果、高濃度にPイオンが注入された領域716〜719が形成される。これらの領域は後にソース/ドレイン領域として機能する。(図7(E))   As a result of the step shown in FIG. 7E, regions 716 to 719 in which P ions are implanted at a high concentration are formed. These regions will later function as source / drain regions. (FIG. 7E)

次に、酢酸、硝酸、リン酸を混合した混酸溶液を用いて多孔質状の陽極酸化膜712と713を除去する。この時、陽極酸化膜712、713の直下に位置した活性層領域は、イオン注入されていないため実質的に真性である。   Next, the porous anodic oxide films 712 and 713 are removed using a mixed acid solution in which acetic acid, nitric acid, and phosphoric acid are mixed. At this time, the active layer region located immediately below the anodic oxide films 712 and 713 is substantially intrinsic since no ions are implanted.

次に、右側のPチャネル型の薄膜トランジスタを構成する素子を覆うようにしてレジストマスク720を形成する。こうして図8(A)に示す状態を得る。図8(A)に示す状態を得たら、図8(B)に示すように再びPイオンの注入を行う。このPイオンの注入は、ドーズ量を0.1〜5×1014/cm2、好ましくは0.3〜1×1014/cm2という低い値とする。 Next, a resist mask 720 is formed so as to cover an element forming a P-channel thin film transistor on the right side. Thus, the state shown in FIG. When the state shown in FIG. 8A is obtained, P ions are implanted again as shown in FIG. The dose of this P ion is set to a low value of 0.1 to 5 × 10 14 / cm 2 , preferably 0.3 to 1 × 10 14 / cm 2 .

即ち、図8(B)で示す工程で行われるPイオンの注入はそのドーズ量を図7(E)に示す工程において行われたドーズ量に比較して低いものとする。すると、この工程の結果、722と724の領域がライトドープされた低濃度不純物領域となる。また、721と725の領域は、より高濃度にPイオンが注入された高濃度不純物領域となる。   That is, the dose of the P ions implanted in the step shown in FIG. 8B is lower than that in the step shown in FIG. Then, as a result of this step, the regions 722 and 724 become lightly doped low concentration impurity regions. The regions 721 and 725 are high-concentration impurity regions into which P ions are implanted at a higher concentration.

この工程において、721の領域がNチャネル型の薄膜トランジスタのソース領域となる。そして722と724が低濃度不純物領域、725がドレイン領域となる。また、723で示される領域は実質的に真性なチャネル形成領域となる。なお、724で示される領域が一般にLDD(ライトドープドレイン)領域と称される領域である。   In this step, the region 721 becomes a source region of the N-channel thin film transistor. 722 and 724 are low concentration impurity regions, and 725 is a drain region. The region denoted by 723 is a substantially intrinsic channel forming region. The region indicated by 724 is a region generally called an LDD (lightly doped drain) region.

また、特に図示しないが陽極酸化膜714でイオン注入を遮られた領域がチャネル形成領域723と低濃度不純物領域722、724との間に存在する。この領域はオフセットゲイト領域と呼ばれ、陽極酸化膜714の膜厚分の距離を有する。   Although not particularly shown, a region whose ion implantation is blocked by the anodic oxide film 714 exists between the channel formation region 723 and the low-concentration impurity regions 722 and 724. This region is called an offset gate region and has a distance corresponding to the thickness of the anodic oxide film 714.

オフセットゲイト領域はイオン注入されず実質的に真性であるが、ゲイト電圧が印加されないためチャネルを形成せず、電界強度を緩和し、劣化を抑制する抵抗成分として機能する。ただし、その距離(オフセット幅)が短い場合、実効的なオフセット領域として機能しない。本実施例ではその幅が70nmであるのでオフセット領域としては機能しない。   Although the offset gate region is substantially intrinsic without being ion-implanted, it does not form a channel because no gate voltage is applied, and functions as a resistance component that relaxes electric field intensity and suppresses deterioration. However, if the distance (offset width) is short, it does not function as an effective offset area. In this embodiment, since the width is 70 nm, it does not function as an offset region.

次に、レジストマスク720を除去して、図8(C)に示すように左側のNチャネル型の薄膜トランジスタを覆うレジストマスク726を形成する。そして、図8(C)に示す状態においてP型を付与する不純物としてB(ボロン)イオンの注入を行う。ここでは、Bイオンのドーズ量を0.2〜10×1015/cm2、好ましくは1〜2×1015/cm2程度とする。このドーズ量は図7(E)に示す工程におけるドーズ量と同程度とすることができる。 Next, the resist mask 720 is removed, and a resist mask 726 covering the left N-channel thin film transistor is formed as illustrated in FIG. Then, in the state shown in FIG. 8C, B (boron) ions are implanted as impurities imparting P-type. Here, the dose of B ions is set to 0.2 to 10 × 10 15 / cm 2 , preferably, to about 1 to 2 × 10 15 / cm 2 . This dose can be approximately the same as the dose in the step shown in FIG.

この工程により高濃度不純物領域718、719がN型からP型へと反転してPチャネル型TFTのソース領域727、ドレイン領域728が形成される。また、ゲイト電極72の直下にはチャネル形成領域729が形成される。   By this step, the high-concentration impurity regions 718 and 719 are inverted from N-type to P-type to form a source region 727 and a drain region 728 of the P-channel TFT. Further, a channel formation region 729 is formed immediately below the gate electrode 72.

次に、図8(C)に示す工程の終了後、レジストマスク726を取り除き、図8(D)に示す状態を得る。この状態で注入された不純物の活性化と不純物イオンが注入された領域のアニールを行うためにレーザー光の照射を行う。   Next, after the step illustrated in FIG. 8C is completed, the resist mask 726 is removed to obtain a state illustrated in FIG. In this state, laser light irradiation is performed to activate the implanted impurities and anneal the region into which the impurity ions have been implanted.

図8(D)に示す状態を得たら、図9(A)に示すように層間絶縁膜730を400nmの厚さに成膜する。層間絶縁膜730は酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜のいずれでも良く、多層構造としても良い。これら珪化膜の成膜方法は、プラズマCVD法や熱CVD法を用いればよい。   When the state shown in FIG. 8D is obtained, an interlayer insulating film 730 is formed to a thickness of 400 nm as shown in FIG. The interlayer insulating film 730 may be any of a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, and a silicon nitride film, and may have a multilayer structure. As a method for forming these silicide films, a plasma CVD method or a thermal CVD method may be used.

次にコンタクトホールの形成を行い、Nチャネル型の薄膜トランジスタ(NTFT)のソース電極731、Pチャネル型の薄膜トランジスタ(PTFT)のソース電極732を形成する。また、ドレイン電極733はNチャネル型TFTとPチャネル型TFTとで共有する様な構成とすることでCMOS構造が実現される。(図8(B))   Next, a contact hole is formed, and a source electrode 731 of an N-channel thin film transistor (NTFT) and a source electrode 732 of a P-channel thin film transistor (PTFT) are formed. Further, a CMOS structure is realized by using a configuration in which the drain electrode 733 is shared by the N-channel TFT and the P-channel TFT. (FIG. 8 (B))

以上の様な過程を経て、図8(B)に示す構造でなるCMOS回路を作製することができる。CMOS回路を直列に奇数組接続して形成した閉回路はリングオシレータと呼ばれ、半導体装置の動作速度を評価する際に用いられる。   Through the above process, a CMOS circuit having the structure illustrated in FIG. 8B can be manufactured. A closed circuit formed by connecting an odd number of CMOS circuits in series is called a ring oscillator, and is used when evaluating the operation speed of a semiconductor device.

ここで本実施例に従って作製したCMOS回路でリングオシレータを構成し、リングオシレータの発振周波数を調べた結果を図10に示す。測定は9、19、51組(段)のCMOS回路を接続したリングオシレータで行い、電源電圧と発振周波数の関係を求めた。   Here, FIG. 10 shows the result of configuring a ring oscillator with a CMOS circuit manufactured according to the present embodiment and examining the oscillation frequency of the ring oscillator. The measurement was performed using a ring oscillator to which 9, 19, and 51 sets (stages) of CMOS circuits were connected, and the relationship between the power supply voltage and the oscillation frequency was obtained.

図10によると、例えば電源電圧10(V)、19段のリングオシレータは62.6MHzの発振周波数を実現しており、極めて動作速度が速いことが判る。なお、図11には、実施例3において、熱酸化工程(単結晶化工程)を含まないで作製したCMOS回路で構成したリングオシレータの測定結果を示す。ただし、電源電圧6(V)未満では動作が確認できなかったので省略した。   According to FIG. 10, for example, a power supply voltage of 10 (V), a 19-stage ring oscillator realizes an oscillation frequency of 62.6 MHz, and it can be seen that the operation speed is extremely high. FIG. 11 shows the measurement results of the ring oscillator formed of the CMOS circuit manufactured in Example 3 without including the thermal oxidation step (single crystallization step). However, the operation was not confirmed when the power supply voltage was lower than 6 (V), so the description was omitted.

図11において、例えば電源電圧10(V)、19段のリングオシレータは6.5MHzの発振周波数であり、本発明の構成を有するCMOS回路は、一般的な条件で作製した低温ポリシリコンTFTに比べ約10倍程度の動作速度を有することが判明した。   In FIG. 11, for example, a power supply voltage of 10 (V), a 19-stage ring oscillator has an oscillation frequency of 6.5 MHz, and a CMOS circuit having the configuration of the present invention is compared with a low-temperature polysilicon TFT manufactured under general conditions. It has been found that the operating speed is about 10 times.

この様な結果は、実施例3で述べた様にS値が極めて小さいことが大きな要因の一つであることは確かである。従って、本実施例で説明した様な高速動作可能な回路を構成する場合、回路TFTのS値は85mV/dec以下、好ましくは75mV/dec以下であることが必要である。   It is certain that such a result is one of the major factors because the S value is extremely small as described in the third embodiment. Therefore, when configuring a circuit capable of high-speed operation as described in the present embodiment, the S value of the circuit TFT needs to be 85 mV / dec or less, preferably 75 mV / dec or less.

実施例1〜3に記載した陽極酸化工程は、配線を形成した基板(陽極)と白金電極(陰極)を電解溶液に浸漬した液相処理である。装置の概略は図12(A)に示す様になる。   The anodic oxidation process described in Examples 1 to 3 is a liquid phase treatment in which a substrate (anode) on which wiring is formed and a platinum electrode (cathode) are immersed in an electrolytic solution. The outline of the apparatus is as shown in FIG.

図12(A)において、恒温槽1201内は電解溶液1202で満たされている。電解溶液1202は、多孔質状の陽極酸化物を形成するのであれば3%シュウ酸水溶液、緻密な陽極酸化物を形成するのであれば3%酒石酸のエチレングリコール溶液などが用いられる。   In FIG. 12A, the inside of a thermostat 1201 is filled with an electrolytic solution 1202. As the electrolytic solution 1202, a 3% oxalic acid aqueous solution is used to form a porous anodic oxide, and a 3% tartaric acid ethylene glycol solution is used to form a dense anodic oxide.

そして、電解溶液1202には陽極となる被処理基板1203および陰極となる白金電極1204が浸漬され、それぞれの端子から引き出された接続線はポテンシオメーター1205へと接続される。ポテンシオメーター1205とは、電流・電圧を一定に保つための制御装置である。   Then, a substrate to be processed 1203 serving as an anode and a platinum electrode 1204 serving as a cathode are immersed in the electrolytic solution 1202, and connection wires drawn from respective terminals are connected to a potentiometer 1205. The potentiometer 1205 is a control device for keeping current and voltage constant.

図12(A)に示す様な状態で電気化学的な回路を構成したら、最初は定電流処理を行い、基板1203と白金電極1204との間(正確には基板1203上の配線と電解溶液との間)の電圧が到達電圧に達したら、そのままの電圧を保持したまま定電圧処理を行う。この時、図中矢印で示すような方向に電流が流れ、基板上の配線は電流を供給されて陽極酸化される。   When an electrochemical circuit is formed in a state as shown in FIG. 12A, first, a constant current process is performed, and between the substrate 1203 and the platinum electrode 1204 (more precisely, the wiring on the substrate 1203, the electrolytic solution, When the voltage of (2) reaches the attained voltage, constant voltage processing is performed while maintaining the voltage as it is. At this time, a current flows in a direction indicated by an arrow in the drawing, and the wiring on the substrate is supplied with the current and anodized.

他の酸化物形成方法としては、プラズマ酸化法が知られている。だが、プラズマ酸化法は被処理配線の表面近傍に酸化物を形成する分には問題ないが、本発明の様に配線そのものを酸化物に変成する目的には適していない。しかし、配線を保護する目的で配線表面に酸化物を形成する場合においては、前述の陽極酸化と同様の効果を得ることができる。図12(B)に、プラズマ酸化法を用いる場合の装置構成の一例を示す。   As another oxide formation method, a plasma oxidation method is known. However, the plasma oxidation method has no problem in forming an oxide near the surface of the wiring to be processed, but is not suitable for the purpose of transforming the wiring itself into an oxide as in the present invention. However, when an oxide is formed on the surface of the wiring for the purpose of protecting the wiring, the same effect as the above-described anodic oxidation can be obtained. FIG. 12B illustrates an example of a device configuration in the case where a plasma oxidation method is used.

図12(B)において、接地された処理室1206内には、互いに対向した第1の電極1207、第2の電極1208が設置されている。基板1209は第1の電極1207に保持されており、第1の電極1207は接地されている。また、第2の電極1208はブロッキングコンデンサ1210を介して交流電源1211に接続され、交流電圧が印加される構成となっている。   In FIG. 12B, a first electrode 1207 and a second electrode 1208 facing each other are provided in a grounded processing chamber 1206. The substrate 1209 is held by a first electrode 1207, and the first electrode 1207 is grounded. The second electrode 1208 is connected to an AC power supply 1211 via a blocking capacitor 1210, so that an AC voltage is applied.

なお、1212で示されるのはプラズマ励起ガスの導入口であり、1213で示されるのは励起ガスを処理室1206外へと排出する排出口であって図示しない真空ポンプへ連結している。なお、本装置にマグネット等を設けて磁場を形成し、いわゆるECRモードのプラズマ装置とすることもできる。   Reference numeral 1212 denotes an inlet for the plasma excitation gas, and reference numeral 1213 denotes an outlet for discharging the excitation gas out of the processing chamber 1206, which is connected to a vacuum pump (not shown). It is to be noted that a so-called ECR mode plasma device can be formed by providing a magnet or the like in the present device to form a magnetic field.

図12(B)に示すプラズマ装置において、導入口1212からプラズマ励起ガスとして酸素を含むガスを処理室1206内へ導入し、交流電圧を第2の電極1208に対して印加する。すると、第1の電極1207と第2の電極1208との間にプラズマ1214が発生する。そして、基板1209上に形成された配線は酸素プラズマにより酸化され、その表面には配線材料と同じ物質をその組成に含む酸化物が形成される。   In the plasma device illustrated in FIG. 12B, a gas containing oxygen as a plasma excitation gas is introduced into the treatment chamber 1206 from the introduction port 1212, and an AC voltage is applied to the second electrode 1208. Then, plasma 1214 is generated between the first electrode 1207 and the second electrode 1208. Then, the wiring formed on the substrate 1209 is oxidized by oxygen plasma, and an oxide containing the same substance as the wiring material in its composition is formed on the surface thereof.

以上の様に、配線を保護する目的に形成される酸化物は液相陽極酸化法のみでなく、プラズマ酸化法を用いても得ることが可能である。   As described above, the oxide formed for the purpose of protecting the wiring can be obtained not only by the liquid phase anodic oxidation method but also by the plasma oxidation method.

実施例1〜実施例3では、本発明を適用する薄膜トランジスタとしてプレーナ型TFTを形成する例を示したが、場合によっては他のタイプのTFT、例えば図13に示す様な構造を有する逆スタガ型TFTを用いて本発明を実施することも可能である。   Embodiments 1 to 3 show an example in which a planar type TFT is formed as a thin film transistor to which the present invention is applied. However, in some cases, another type of TFT, for example, an inverted staggered type having a structure as shown in FIG. The present invention can be implemented using a TFT.

逆スタガ型TFTの作製工程についての詳細は特開平5−275452号公報等に記載してあるので、公知の技術により作製すれば良い。従って、本実施例では詳細な説明は省略することとし、その構造のみを図13に示すに留め、活性層1301の構成のみについて言及しておく。   The details of the manufacturing process of the inverted staggered TFT are described in JP-A-5-275452 and the like, and may be manufactured by a known technique. Therefore, in this embodiment, a detailed description is omitted, only the structure is shown in FIG. 13, and only the configuration of the active layer 1301 is mentioned.

実施例2で示した様な700〜1000℃、代表的には950℃の温度範囲での加熱処理を行う必要がある場合、活性層1301の形成前にゲイト電極1302を形成する逆スタガ型TFTへの応用は不可能である。   In the case where it is necessary to perform the heat treatment in the temperature range of 700 to 1000 ° C., typically 950 ° C. as described in Embodiment 2, an inverted staggered TFT in which a gate electrode 1302 is formed before the formation of the active layer 1301 Application to is impossible.

そこで、本実施例の様に逆スタガ型TFTへ応用する場合においては特開平6−64834号公報記載の技術により結晶化した結晶性珪素膜を用いて活性層1301を構成すれば良い。同公報記載の技術であれば、ゲイト電極1301の耐熱性以下の温度でモノドメイン領域を有する珪素膜を構成することが可能である。   Therefore, when applied to an inverted staggered TFT as in this embodiment, the active layer 1301 may be formed using a crystalline silicon film crystallized by the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-64834. According to the technique described in the publication, it is possible to form a silicon film having a monodomain region at a temperature lower than the heat resistance of the gate electrode 1301.

本実施例では、本発明の構成を有する半導体装置を利用して電気光学装置を構成する例を示す。電気光学装置としては、液晶表示装置、EL(エレクトロルミネッセンス)表示装置、EC(エレクトロクロミックス)表示装置などが挙げられる。   In this embodiment, an example in which an electro-optical device is formed using a semiconductor device having the structure of the present invention will be described. Examples of the electro-optical device include a liquid crystal display device, an EL (electroluminescence) display device, and an EC (electrochromics) display device.

例えば、同一基板上に画素マトリクス回路と周辺駆動回路とを集積化した構成でなるアクティブマトリクス型液晶表示装置は図14に示す様な構成とすることができる。なお、図14に示す集積化回路は画素マトリクス回路と周辺駆動回路以外に、メモリ回路やCPU回路といったコントロール回路を備えたSOG(システム・オン・ガラス)タイプの表示装置である。   For example, an active matrix liquid crystal display device having a structure in which a pixel matrix circuit and a peripheral driver circuit are integrated on the same substrate can have a structure as shown in FIG. Note that the integrated circuit illustrated in FIG. 14 is an SOG (system-on-glass) type display device including a control circuit such as a memory circuit or a CPU circuit in addition to the pixel matrix circuit and the peripheral driver circuit.

図14において、1401は画素マトリクス回路であり、通常百数十万個のTFTがマトリクス状に配置されて、液晶へ印加する電圧の制御を行っている。また、1402は垂直走査用駆動回路、1403は水平走査用駆動回路である。これらの駆動回路は、シフトレジスタ回路、バッファ回路、サンプリング回路等で構成されており、ゲイト信号やビデオ信号の制御を行う。また、1404はコントロール回路であり、CPU回路やメモリ回路等で構成される。   In FIG. 14, reference numeral 1401 denotes a pixel matrix circuit in which hundreds of hundreds of thousands of TFTs are usually arranged in a matrix to control the voltage applied to the liquid crystal. Reference numeral 1402 denotes a vertical scanning driving circuit, and 1403 denotes a horizontal scanning driving circuit. These drive circuits include a shift register circuit, a buffer circuit, a sampling circuit, and the like, and control a gate signal and a video signal. Reference numeral 1404 denotes a control circuit, which includes a CPU circuit, a memory circuit, and the like.

本発明の構成を有する半導体装置は、高速動作性に極めて優れる点が最大の特徴であるので、実施例3に示した様なCMOS回路を構成して周辺駆動回路、特にシフトレジスタ回路の様な高速動作性が要求される箇所に配置するのが最も好ましいと言える。   The most characteristic of the semiconductor device having the structure of the present invention is that the semiconductor device is extremely excellent in high-speed operation. It can be said that it is most preferable to dispose it at a place where high-speed operation is required.

また、図14に示した様な液晶表示装置や、他のEL表示装置、EC表示装置といったアクティブタイプの表示装置の応用商品としてはTVカメラ、パーソナルコンピュータ、カーナビゲーションシステム、TVプロジェクタなどのテレビ(TV)、ビデオカメラ等が挙げられる。これら応用用途の簡単な説明を図15を用いて行う。   Further, as an applied product of an active type display device such as a liquid crystal display device as shown in FIG. 14 and other EL display devices and EC display devices, TV cameras, personal computers, car navigation systems, and TV projectors ( TV), a video camera and the like. A brief description of these applications will be given with reference to FIG.

図15(A)はTVカメラであり、本体2001、カメラ部2002、表示装置2003、操作スイッチ2004で構成される。表示装置2003はビューファインダーとして利用される。   FIG. 15A illustrates a TV camera, which includes a main body 2001, a camera unit 2002, a display device 2003, and operation switches 2004. The display device 2003 is used as a viewfinder.

図15(B)はパーソナルコンピュータであり、本体2101、カバー部2102、キーボード2103、表示装置2104で構成される。表示装置2104はモニターとして利用され、対角十数インチもサイズが要求される。   FIG. 15B illustrates a personal computer, which includes a main body 2101, a cover portion 2102, a keyboard 2103, and a display device 2104. The display device 2104 is used as a monitor, and requires a size as large as ten and several inches diagonal.

図15(C)はカーナビゲーションシステムであり、本体2201、表示装置2202、操作スイッチ2203、アンテナ2204で構成される。表示装置2202はモニターとして利用されるが、地図の表示が主な目的なので解像度の許容範囲は比較的広いと言える。   FIG. 15C illustrates a car navigation system, which includes a main body 2201, a display device 2202, operation switches 2203, and an antenna 2204. Although the display device 2202 is used as a monitor, it can be said that the allowable range of resolution is relatively wide because the main purpose is to display a map.

図15(D)はTVプロジェクタであり、本体2301、光源2302、表示装置2303、ミラー2304、2305、スクリーン2306で構成される。表示装置2303に映し出された画像がスクリーン2306に投影されるので、表示装置2303は高い解像度が要求される。   FIG. 15D illustrates a TV projector, which includes a main body 2301, a light source 2302, a display device 2303, mirrors 2304 and 2305, and a screen 2306. Since the image projected on the display device 2303 is projected on the screen 2306, the display device 2303 requires a high resolution.

図15(E)はビデオカメラであり、本体2401、表示装置2402、接眼部2403、操作スイッチ2404、テープホルダー2405で構成される。表示装置2402に映し出された撮影画像は接眼部2403を通してリアルタイムに見ることができるので、使用者は画像を見ながらの撮影が可能となる。   FIG. 15E illustrates a video camera, which includes a main body 2401, a display device 2402, an eyepiece 2403, operation switches 2404, and a tape holder 2405. Since a captured image projected on the display device 2402 can be viewed in real time through the eyepiece 2403, the user can capture an image while viewing the image.

以上の様に、本発明の応用範囲は極めて広く、半導体回路を有する様々な製造品に対して適用することが可能である。   As described above, the application range of the present invention is extremely wide, and the present invention can be applied to various manufactured products having a semiconductor circuit.

本発明の構成を説明するための図。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of the present invention. 従来の活性層のバンド状態を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating a band state of a conventional active layer. 半導体薄膜の形成工程を示す図。The figure which shows the formation process of a semiconductor thin film. 透過率測定の結果を示す図。The figure which shows the result of a transmittance measurement. 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。4A to 4C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. 薄膜トランジスタの電気特性を示す図。FIG. 4 illustrates electric characteristics of a thin film transistor. 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。4A to 4C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。4A to 4C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。4A to 4C illustrate a manufacturing process of a thin film transistor. リングオシレータの測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of a ring oscillator. リングオシレータの測定結果を示す図。The figure which shows the measurement result of a ring oscillator. 陽極酸化装置およびプラズマ酸化装置の構成を示す図。The figure which shows the structure of an anodic oxidation apparatus and a plasma oxidation apparatus. 逆スタガ型TFTの構造を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a structure of an inverted staggered TFT. アクティブマトリクス型液晶表示装置の構成を示す図。FIG. 3 illustrates a structure of an active matrix liquid crystal display device. 電気光学装置の応用例を示す図。FIG. 9 illustrates an application example of an electro-optical device. 薄膜トランジスタの電気特性を示す図。FIG. 4 illustrates electric characteristics of a thin film transistor. 空乏層容量とS値の関係を示す図。The figure which shows the relationship between depletion layer capacity and S value.

Claims (23)

膜厚が10〜85nmの結晶性珪素膜と、前記結晶性珪素膜上の酸化膜と、前記酸化膜上のゲート電極とを有する薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜トランジスタのS値は60〜85mV/dec以下であることを特徴とする半導体装置。
A thin film transistor including a crystalline silicon film having a thickness of 10 to 85 nm, an oxide film over the crystalline silicon film, and a gate electrode over the oxide film;
The semiconductor device according to claim 1, wherein an S value of the thin film transistor is 60 to 85 mV / dec or less.
膜厚が10〜85nmの結晶性珪素膜と、前記結晶性珪素膜上の酸化膜と、前記酸化膜上の酸化珪素膜又は窒化珪素膜と、前記酸化珪素膜又は窒化珪素膜上のゲート電極とを有する薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜トランジスタのS値は60〜85mV/dec以下であることを特徴とする半導体装置。
A crystalline silicon film having a thickness of 10 to 85 nm, an oxide film on the crystalline silicon film, a silicon oxide film or a silicon nitride film on the oxide film, and a gate electrode on the silicon oxide film or the silicon nitride film And a thin film transistor having
The semiconductor device according to claim 1, wherein an S value of the thin film transistor is 60 to 85 mV / dec or less.
膜厚が10〜85nmの結晶性珪素膜と、前記結晶性珪素膜上の熱酸化膜と、前記熱酸化膜上のゲート電極とを有する薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜トランジスタのS値は60〜85mV/dec以下であることを特徴とする半導体装置。
A thin film transistor including a crystalline silicon film having a thickness of 10 to 85 nm, a thermal oxide film on the crystalline silicon film, and a gate electrode on the thermal oxide film;
The semiconductor device according to claim 1, wherein an S value of the thin film transistor is 60 to 85 mV / dec or less.
膜厚が10〜85nmの結晶性珪素膜と、前記結晶性珪素膜上の熱酸化膜と、前記熱酸化膜上の酸化珪素膜又は窒化珪素膜と、前記酸化珪素膜又は窒化珪素膜上のゲート電極とを有する薄膜トランジスタを有し、
前記薄膜トランジスタのS値は60〜85mV/dec以下であることを特徴とする半導体装置。
A crystalline silicon film having a thickness of 10 to 85 nm, a thermal oxide film on the crystalline silicon film, a silicon oxide film or a silicon nitride film on the thermal oxide film, and a film on the silicon oxide film or the silicon nitride film. A thin film transistor having a gate electrode;
The semiconductor device according to claim 1, wherein an S value of the thin film transistor is 60 to 85 mV / dec or less.
膜厚が10〜85nmの結晶性珪素膜と、前記結晶性珪素膜上の酸化膜と、前記酸化膜上のゲート電極とを有するNチャネル型の薄膜トランジスタ及びPチャネル型の薄膜トランジスタを有し、
前記Nチャネル型の薄膜トランジスタ及び前記Pチャネル型の薄膜トランジスタのS値は60〜85mV/dec以下であることを特徴とする半導体装置。
An N-channel thin film transistor and a P-channel thin film transistor each including a crystalline silicon film having a thickness of 10 to 85 nm, an oxide film over the crystalline silicon film, and a gate electrode over the oxide film;
A semiconductor device, wherein the S value of the N-channel thin film transistor and the P-channel thin film transistor is 60 to 85 mV / dec or less.
膜厚が10〜85nmの結晶性珪素膜と、前記結晶性珪素膜上の熱酸化膜と、前記熱酸化膜上のゲート電極とを有するNチャネル型の薄膜トランジスタ及びPチャネル型の薄膜トランジスタを有し、
前記Nチャネル型の薄膜トランジスタ及び前記Pチャネル型の薄膜トランジスタのS値は60〜85mV/dec以下であることを特徴とする半導体装置。
An N-channel thin film transistor and a P-channel thin film transistor each including a crystalline silicon film having a thickness of 10 to 85 nm, a thermal oxide film on the crystalline silicon film, and a gate electrode on the thermal oxide film ,
A semiconductor device, wherein the S value of the N-channel thin film transistor and the P-channel thin film transistor is 60 to 85 mV / dec or less.
請求項5又は6において、ゲート電極はアルミニウム、タンタル、モリブデン又は導電性を付与した珪素膜からなることを特徴とする半導体装置。     7. The semiconductor device according to claim 5, wherein the gate electrode is made of aluminum, tantalum, molybdenum, or a silicon film having conductivity. 請求項1乃至6のいずれか一項において、前記結晶性珪素膜は実質的に単結晶と見なせる領域を有していることを特徴とする半導体装置。     7. The semiconductor device according to claim 1, wherein the crystalline silicon film has a region that can be substantially regarded as a single crystal. 請求項1乃至6のいずれか一項において、前記結晶性珪素膜はモノドメイン領域を有していることを特徴とする半導体装置。     The semiconductor device according to claim 1, wherein the crystalline silicon film has a monodomain region. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とする液晶表示装置。     A liquid crystal display device using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とするエレクトロルミネッセンス表示装置。     An electroluminescent display device using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とするエレクトロクロミックス表示装置。     An electrochromic display device using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とするTV。     A TV using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とするパーソナルコンピュータ。     A personal computer using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とするカーナビゲーションシステム。     A car navigation system using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とするカメラ。     A camera using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至9のいずれか一に記載の半導体装置を用いたことを特徴とするビデオカメラ。     A video camera using the semiconductor device according to claim 1. 非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
第1の加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第2の加熱処理を行って前記結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film,
Performing a first heat treatment to crystallize the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: performing a second heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on a surface of the crystalline silicon film.
非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
第1の加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第2の加熱処理を行って前記結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜を除去し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして島状の結晶性珪素膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film,
Performing a first heat treatment to crystallize the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Performing a second heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on the surface of the crystalline silicon film;
Removing the thermal oxide film,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming an island-shaped crystalline silicon film by patterning the crystalline silicon film.
非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
第1の加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第2の加熱処理を行って前記結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜を除去し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして島状の結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第3の加熱処理を行って前記島状の結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film,
Performing a first heat treatment to crystallize the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Performing a second heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on the surface of the crystalline silicon film;
Removing the thermal oxide film,
Patterning the crystalline silicon film to form an island-shaped crystalline silicon film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: performing a third heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on a surface of the island-shaped crystalline silicon film.
非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
第1の加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第2の加熱処理を行って前記結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜を除去し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして島状の結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第3の加熱処理を行って前記島状の結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜上に酸化珪素膜又は窒化珪素膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film,
Performing a first heat treatment to crystallize the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Performing a second heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on the surface of the crystalline silicon film;
Removing the thermal oxide film,
Patterning the crystalline silicon film to form an island-shaped crystalline silicon film;
Performing a third heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on the surface of the island-shaped crystalline silicon film;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising forming a silicon oxide film or a silicon nitride film on the thermal oxide film.
非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
第1の加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第2の加熱処理を行って前記結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜を除去し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして島状の結晶性珪素膜を形成し、
前記島状の結晶性珪素膜上に酸化珪素膜又は窒化珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第3の加熱処理を行って熱酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film,
Performing a first heat treatment to crystallize the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Performing a second heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on the surface of the crystalline silicon film;
Removing the thermal oxide film,
Patterning the crystalline silicon film to form an island-shaped crystalline silicon film;
Forming a silicon oxide film or a silicon nitride film on the island-shaped crystalline silicon film;
A method for manufacturing a semiconductor device, wherein a third heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film.
非晶質珪素膜に珪素の結晶化を助長する金属元素を導入し、
第1の加熱処理を行って前記非晶質珪素膜を結晶化して結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第2の加熱処理を行って前記結晶性珪素膜の表面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜を除去し、
前記結晶性珪素膜をパターニングして第1の島状の結晶性珪素膜及び第2の島状の結晶性珪素膜を形成し、
塩素を含有した酸化性雰囲気中で第3の加熱処理を行って前記第1の島状の結晶性珪素膜の表面及び前記第2の島状の結晶珪素膜の表面に熱酸化膜を形成し、
前記熱酸化膜上にアルミニウム、タンタル、モリブデン又は導電性を付与した珪素膜からなるゲート電極を形成し、
前記第1の島状の結晶性珪素膜はNチャネル型の薄膜トランジスタの活性層に用いられ、
前記第2の島状の結晶性珪素膜はPチャネル型の薄膜トランジスタの活性層に用いられることを特徴とする半導体装置の作製方法。
Introducing a metal element that promotes crystallization of silicon into the amorphous silicon film,
Performing a first heat treatment to crystallize the amorphous silicon film to form a crystalline silicon film;
Performing a second heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on the surface of the crystalline silicon film;
Removing the thermal oxide film,
Patterning the crystalline silicon film to form a first island-like crystalline silicon film and a second island-like crystalline silicon film;
Performing a third heat treatment in an oxidizing atmosphere containing chlorine to form a thermal oxide film on the surface of the first island-shaped crystalline silicon film and the surface of the second island-shaped crystalline silicon film; ,
Forming a gate electrode made of aluminum, tantalum, molybdenum or a silicon film having conductivity on the thermal oxide film;
The first island-shaped crystalline silicon film is used for an active layer of an N-channel thin film transistor,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second island-shaped crystalline silicon film is used for an active layer of a P-channel thin film transistor.
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