JP2006216969A - Semiconductor device and its fabrication process - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having a performance comparable to that of an MOSFET. <P>SOLUTION: An amorphous silicon film is deposited on a substrate having an insulating surface, a metal element for accelerating crystallization by forming a mask insulating film is introduced selectively onto the amorphous silicon film, at least a part of the amorphous silicon film is rendered to crystalline silicon film by first heat treatment, the mask insulating film is removed and an insular crystalline silicon film is formed by patterning, metal element in the insular crystalline silicon film is removed through gettering by performing second heat treatment in an atmosphere containing a halogen element, a thermal oxidation film being employed as a gate insulating film is formed on the surface of the insular crystalline silicon film, a gate electrode is formed on the thermal oxidation film, a source region and a drain region are formed on the insular crystalline silicon film by implanting impurity ions for imparting one conductivity, a metal film is formed on the upper surface of the source region and drain region, and then the source region and drain region are silicificated. <P>COPYRIGHT: (C)2006,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を活性層
とする半導体装置に関する。特に、結晶性珪素膜で活性層を構成した薄膜トランジスタに
関する。
The invention disclosed in this specification relates to a semiconductor device having a semiconductor thin film formed over a base having an insulating surface as an active layer. In particular, the present invention relates to a thin film transistor in which an active layer is formed of a crystalline silicon film.

近年、絶縁表面を有する基体上に形成された半導体薄膜(厚さ数百〜数千Å程度)を用
いて薄膜トランジスタ(TFT)を構成する技術が注目されている。薄膜トランジスタは
ICや電気光学装置のような電子デバイスに広く応用され、特に画像表示装置のスイッチ
ング素子として開発が急がれている。
In recent years, attention has been paid to a technique for forming a thin film transistor (TFT) using a semiconductor thin film (having a thickness of about several hundred to several thousand Å) formed on a substrate having an insulating surface. Thin film transistors are widely applied to electronic devices such as ICs and electro-optical devices, and development of switching devices for image display devices is urgently required.

例えば、液晶表示装置においてはマトリクス状に配列された画素領域を個々に制御する
画素マトリクス回路、画素マトリクス回路を制御する駆動回路、さらに外部からのデータ
信号を処理するロジック回路(プロセッサ回路やメモリ回路など)等のあらゆる電気回路
にTFTを応用する試みがなされている。
For example, in a liquid crystal display device, a pixel matrix circuit that individually controls pixel areas arranged in a matrix, a drive circuit that controls the pixel matrix circuit, and a logic circuit (processor circuit or memory circuit) that processes an external data signal Attempts have been made to apply TFTs to all electrical circuits.

この様なTFTの心臓部ともいうべき重要な部分はチャネル形成領域およびチャネル形
成領域とソース/ドレイン領域とを接合するジャンクション部分である。即ち、活性層が
最もTFTの性能に影響を与えると言える。
An important part that should be called the heart of such a TFT is a channel forming region and a junction part that joins the channel forming region and the source / drain region. That is, it can be said that the active layer most affects the performance of the TFT.

TFTの活性層を構成する半導体薄膜としては、プラズマCVD法や減圧熱CVD法を
用いて形成される珪素(シリコン)膜が一般的に利用されている。
As a semiconductor thin film constituting the active layer of a TFT, a silicon (silicon) film formed by using a plasma CVD method or a low pressure thermal CVD method is generally used.

現状においては、非晶質珪素膜(アモルファスシリコン膜)を用いたTFTが実用化さ
れているが、駆動回路やロジック回路などの様に、さらなる高速動作性能を求められる電
気回路には、結晶性珪素膜(ポリシリコン膜)を利用したTFTが必要とされる。
At present, TFTs using amorphous silicon films (amorphous silicon films) have been put into practical use, but electrical circuits that require higher speed operation performance such as drive circuits and logic circuits have crystallinity. A TFT using a silicon film (polysilicon film) is required.

基体上に結晶性珪素膜を形成する方法としては、本出願人による特開平6-232059号公報
、特開平6-244103号公報に記載された技術が公知である。この公報に記載されている技術
は、珪素の結晶化を助長する金属元素(特にニッケル)を利用することにより、500 〜60
0 ℃、4時間程度の加熱処理によって結晶性の優れた結晶性珪素膜を形成することを可能
とするものである。
As a method for forming a crystalline silicon film on a substrate, techniques described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 6-232059 and 6-244103 by the present applicant are known. The technique described in this publication uses a metal element (especially nickel) that promotes the crystallization of silicon.
A crystalline silicon film having excellent crystallinity can be formed by heat treatment at 0 ° C. for about 4 hours.

また、特開平7-321339に記載された技術は上記技術を応用して基体に概略平行な結晶成
長を行わすものであり、発明者らは形成された結晶化領域を特に横成長領域(またはラテ
ラル成長領域)と呼んでいる。
Further, the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-321339 applies the above technique to perform crystal growth substantially parallel to the substrate, and the inventors set the formed crystallization region in particular as the lateral growth region (or Lateral growth area).

係る技術により形成された結晶性珪素膜は、柱状または針状の結晶がほぼ進行方向を揃
えた状態で集合した結晶構造体を有するため結晶性に優れているといった特徴がある。そ
のため、上記公報記載の技術を用いて形成した結晶性珪素膜をTFTの活性層として利用
すると、高い動作性能を持つことTFTを作製できることが判っている。
The crystalline silicon film formed by such a technique has a feature that it has excellent crystallinity because it has a crystal structure in which columnar or needle-like crystals are gathered in a state where their traveling directions are substantially aligned. For this reason, it has been found that when a crystalline silicon film formed by using the technique described in the above publication is used as an active layer of a TFT, it is possible to produce a TFT having high operating performance.

しかし、この様なTFTを用いて駆動回路を構成してもまだまだ要求される性能を完全
に満たすには及ばない。特に、高速動作と高耐圧特性を同時に実現する極めて高性能な電
気特性を要求される高速ロジック回路を、従来のTFTで構成することは不可能なのが現
状である。
However, even if a drive circuit is configured using such TFTs, the required performance is still not fully satisfied. In particular, it is currently impossible to configure a high-speed logic circuit that requires extremely high-performance electrical characteristics that simultaneously achieve high-speed operation and high breakdown voltage characteristics with conventional TFTs.

以上の様に、電気光学装置等の高性能化を図るためには単結晶シリコンウエハーを用い
て形成されたMOSFETに匹敵する性能を有するTFTを実現しなくてはならない。
As described above, in order to improve the performance of an electro-optical device or the like, a TFT having a performance comparable to a MOSFET formed using a single crystal silicon wafer must be realized.

そこで本明細書で開示する発明は、電気光学装置のさらなる高性能化を実現するための
ブレイクスルーとなる、極めて高性能な薄膜半導体装置およびその作製方法を提供するこ
とを課題とする。
Accordingly, an object of the invention disclosed in this specification is to provide an extremely high performance thin film semiconductor device and a method for manufacturing the same, which can be a breakthrough for realizing higher performance of an electro-optical device.

従来の方法では上述の様な高性能なTFTを得ることができなかった理由として、針状
または柱状結晶の結晶粒界(本明細書における結晶粒界とは、断りがない限り針状または
柱状結晶間の境界を指す)においてキャリア(電子または正孔)が捕獲がされ、TFT特
性を示すパラメータの一つである電界効果移動度の向上が妨げられていたことが考えられ
る。
The reason why a high-performance TFT as described above could not be obtained by the conventional method is that the crystal grain boundaries of needle-like or columnar crystals (the crystal grain boundaries in this specification are needle-like or columnar unless otherwise noted) It is considered that carriers (electrons or holes) are trapped at the boundary between the crystals), and the improvement of field effect mobility, which is one of the parameters indicating the TFT characteristics, is hindered.

例えば、結晶粒界にはシリコン原子の不対結合手(ダングリングボンド)や欠陥(捕獲
)準位が多数存在している。また、結晶化の際に結晶化を助長する金属元素を利用すると
、結晶粒界に金属元素が偏析することが判っている。
For example, many unpaired bonds (dangling bonds) and defects (trapping) levels of silicon atoms exist at the grain boundaries. Further, it has been found that if a metal element that promotes crystallization is used during crystallization, the metal element segregates at the crystal grain boundary.

従って、個々の針状または柱状結晶の内部を移動するキャリアは結晶粒界に接近もしく
は接触すると容易に不対結合手や欠陥準位等にトラップされてしまうため、結晶粒界はキ
ャリアの移動を阻害する「悪性の結晶粒界」として振る舞っていたと考えられる。
Therefore, carriers moving inside individual needle-like or columnar crystals are easily trapped in unpaired bonds, defect levels, etc. when they approach or come into contact with the crystal grain boundaries. It is thought that it was acting as a “malignant grain boundary” to inhibit.

本発明の半導体装置を実現するには、この様な「悪性の結晶粒界」を構造変化させ、キ
ャリアにとって「良性の結晶粒界」に変成させるための技術が不可欠である。即ち、少な
くともキャリアを捕獲する確率が小さく、キャリアの移動を妨げる可能性の小さい結晶粒
界を形成とすることが重要であると言える。
In order to realize the semiconductor device of the present invention, a technique for changing the structure of such a “malignant grain boundary” and transforming it into a “benign crystal grain boundary” for the carrier is indispensable. That is, it can be said that it is important to form a crystal grain boundary that has a low probability of capturing carriers and has a low possibility of hindering the movement of carriers.

そのために本明細書で開示する発明の構成は、
半導体薄膜でなる活性層を有する半導体装置を作製するにあたって、
絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素膜を成膜する工程と、
前記非晶質珪素膜上に選択的にマスク絶縁膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する金属元素を選択的に保持させる工程と、
第1の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくとも一部を結晶性珪素膜に変成させる
工程と、
前記マスク絶縁膜を除去する工程と、
後の活性層として、パターニングにより前記結晶性珪素膜のみで構成される島状半導体
層を形成する工程と、
ハロゲン元素を含む雰囲気中において第2の加熱処理を行うことにより前記島状半導体
層中の前記金属元素をゲッタリング除去すると共に、熱酸化膜でなるゲイト絶縁膜を形成
する工程と、
を少なくとも有し、
前記活性層は前記基体と概略平行な針状または柱状結晶が複数集合して形成されること
を特徴とする。
Therefore, the configuration of the invention disclosed in this specification is as follows.
In manufacturing a semiconductor device having an active layer made of a semiconductor thin film,
Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface;
Selectively forming a mask insulating film on the amorphous silicon film;
Selectively holding a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film;
Transforming at least a part of the amorphous silicon film into a crystalline silicon film by a first heat treatment;
Removing the mask insulating film;
Forming an island-like semiconductor layer composed only of the crystalline silicon film by patterning as a later active layer;
Performing a second heat treatment in an atmosphere containing a halogen element to remove the metal element in the island-shaped semiconductor layer and forming a gate insulating film made of a thermal oxide film;
Having at least
The active layer is formed by collecting a plurality of needle-like or columnar crystals substantially parallel to the substrate.

また、他の発明の構成は、
半導体薄膜でなる活性層を有する半導体装置を作製するにあたって、
絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素膜を成膜する工程と、
前記非晶質珪素膜上に選択的にマスク絶縁膜を形成する工程と、
前記非晶質珪素膜に対して結晶化を助長する金属元素を選択的に保持させる工程と、
第1の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくとも一部を結晶性珪素膜に変成させる
工程と、
前記マスク絶縁膜を除去する工程と、
後の活性層として、パターニングにより前記結晶性珪素膜のみで構成される島状半導体
層を形成する工程と、
ハロゲン元素を含む雰囲気中において第2の加熱処理を行うことにより前記島状半導体
層中の前記金属元素をゲッタリング除去する工程と、
前記第2の加熱処理によって形成された熱酸化膜を除去する工程と、
第3の加熱処理を行うことにより前記島状半導体層表面にゲイト絶縁膜として機能する
熱酸化膜を形成する工程と、
を少なくとも有し、
前記活性層は前記基体と概略平行な針状または柱状結晶が複数集合して形成されること
を特徴とする。
In addition, the configuration of other inventions is as follows:
In manufacturing a semiconductor device having an active layer made of a semiconductor thin film,
Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface;
Selectively forming a mask insulating film on the amorphous silicon film;
Selectively holding a metal element that promotes crystallization of the amorphous silicon film;
Transforming at least a part of the amorphous silicon film into a crystalline silicon film by a first heat treatment;
Removing the mask insulating film;
Forming an island-like semiconductor layer composed only of the crystalline silicon film by patterning as a later active layer;
A step of performing gettering removal of the metal element in the island-shaped semiconductor layer by performing a second heat treatment in an atmosphere containing a halogen element;
Removing the thermal oxide film formed by the second heat treatment;
Forming a thermal oxide film functioning as a gate insulating film on the surface of the island-like semiconductor layer by performing a third heat treatment;
Having at least
The active layer is formed by collecting a plurality of needle-like or columnar crystals substantially parallel to the substrate.

以上の構成に従った作製方法で結晶性珪素膜を形成すると、図9に示す様な外観の薄膜
が得られる。図9は非晶質珪素膜の結晶化手段として特開平7-321339号公報記載の技術を
用いて本発明を実施した場合の拡大顕微鏡写真であり、長さ数百μmにも及ぶ横成長領域
901が形成される。
When a crystalline silicon film is formed by a manufacturing method according to the above configuration, a thin film having an appearance as shown in FIG. 9 is obtained. FIG. 9 is an enlarged photomicrograph when the present invention is carried out using the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-321339 as a means for crystallizing an amorphous silicon film, and a laterally grown region having a length of several hundred μm. 901 is formed.

なお、この横成長領域901は針状または柱状結晶が結晶化を助長する金属元素を添加
した領域(902で示される)に対してほぼ垂直に、かつ、互いに概略平行に結晶成長し
ていくため、結晶方向が揃っているという特徴がある。また、903で示されるのは向か
い合った添加領域902から延びてきた針状または柱状結晶がぶつかり合って形成された
巨視的な結晶粒界(針状または柱状結晶間の結晶粒界とは区別する)である。
The laterally grown region 901 grows substantially perpendicularly to the region (indicated by 902) in which needle-like or columnar crystals are added with a metal element that promotes crystallization and substantially parallel to each other. The crystal orientation is aligned. In addition, what is indicated by reference numeral 903 is a macroscopic grain boundary formed by collision of needle-like or columnar crystals extending from the opposite addition region 902 (distinguishable from a grain boundary between needle-like or columnar crystals). ).

さらに、図9に示す横成長領域の内部に着目して、結晶粒内部を25万倍にまで拡大した
TEM写真が図10(A)である。また、図14(A)の構造を模式的に表したのが図1
4(B)である。
Further, focusing on the inside of the lateral growth region shown in FIG. 9, a TEM photograph in which the inside of the crystal grain is enlarged to 250,000 times is FIG. 10 (A). FIG. 1A schematically shows the structure of FIG.
4 (B).

即ち、本発明の結晶性珪素膜は巨視的には図9の様に大きな横成長領域901で構成さ
れる様に見えるが、実は横成長領域901を微視的に観察すると、図10(B)に示す様
に針状または柱状結晶1001が複数集合して構成される様な結晶構造体となっている。
That is, the crystalline silicon film of the present invention macroscopically appears to be composed of a large lateral growth region 901 as shown in FIG. 9, but when the lateral growth region 901 is observed microscopically, FIG. As shown in FIG. 5A, the crystal structure is formed by a plurality of acicular or columnar crystals 1001.

また、図10(B)において1002で示されるのが針状または柱状結晶同士の境界を
示す結晶粒界であり、結晶粒界1002の延びる方向から、針状または柱状結晶1001
が互いに概略平行な方向に結晶成長したことが確認できる。
In FIG. 10B, reference numeral 1002 denotes a crystal grain boundary indicating a boundary between needle-like or columnar crystals, and the needle-like or columnar crystal 1001 from the direction in which the crystal grain boundary 1002 extends.
It can be confirmed that the crystals grew in directions substantially parallel to each other.

また、本発明の半導体装置は、ハロゲン元素を含む雰囲気による加熱処理によって結晶
化を助長する金属元素(本明細書ではニッケルを主例とする)がゲッタリング除去され、
1×1018atoms/cm3 以上の濃度で残留していたニッケルが 1×1018atoms/cm3 以下(好ま
しくは 1×1017atoms/cm3 以下)に低減されていることがSIMS分析(二次イオン質量
分析)によって確認されている。
In the semiconductor device of the present invention, a metal element that promotes crystallization by heat treatment in an atmosphere containing a halogen element (in this specification, nickel is a main example) is gettered and removed.
SIMS analysis shows that nickel remaining at a concentration of 1 × 10 18 atoms / cm 3 or more is reduced to 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less (preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less). Secondary ion mass spectrometry).

勿論、汚染等により混入した他の金属元素(Cu、Al等)も同様にゲッタリング除去
されていると考えられる。
Of course, it is considered that other metal elements (Cu, Al, etc.) mixed due to contamination or the like are also gettered and removed.

また、この時、ニッケルと結合していたシリコン原子はその結合が切れ、多くの不対結
合手を形成するが、上記ハロゲン雰囲気中における加熱処理の間に酸素と結合して酸化物
(酸化珪素)を形成する。その結果、「悪性の結晶粒界」であった領域には酸化珪素が形
成され、実質的に酸化珪素が結晶粒界として機能する構成になると考えられる。
At this time, the silicon atom bonded to nickel is broken and forms many dangling bonds. However, it is bonded to oxygen during the heat treatment in the halogen atmosphere to form an oxide (silicon oxide). ). As a result, it is considered that silicon oxide is formed in a region that was a “malignant grain boundary”, and the silicon oxide substantially functions as a crystal grain boundary.

この様にして形成された結晶粒界1002は、酸化珪素と結晶珪素との界面が格子欠陥
を殆ど含まない整合性に優れた状態になると推測される。これは、熱酸化により酸化珪素
が形成される過程と、ニッケルの触媒作用によりシリコン原子同士あるいはシリコン原子
と酸素原子との再結合が促進される過程との相乗効果によって欠陥の原因となる格子間シ
リコン原子が消費されるからである。
It is presumed that the crystal grain boundary 1002 formed in this way is in an excellent state in which the interface between silicon oxide and crystalline silicon contains almost no lattice defects. This is due to the synergistic effect of the process in which silicon oxide is formed by thermal oxidation and the process in which recombination between silicon atoms or silicon atoms and oxygen atoms is promoted by the catalytic action of nickel. This is because silicon atoms are consumed.

即ち、図10において1002で示される結晶粒界は、キャリアを捕獲する様な欠陥が
殆どなく、針状または柱状結晶内部を移動するキャリアにとって、単にエネルギー的な障
壁としてのみ機能する「良性の結晶粒界」として振る舞うと考えられる。
That is, the crystal grain boundary denoted by reference numeral 1002 in FIG. 10 has almost no defects that capture carriers and functions only as an energy barrier for carriers moving inside the needle-like or columnar crystals. It is thought to behave as a “grain boundary”.

また、この様な結晶粒界は優先的に熱酸化反応が進行するので熱酸化膜が他の領域より
も厚く形成される。そのため、熱酸化膜をゲイト絶縁膜として利用する際に、結晶粒界近
傍に印加されるゲイト電圧が見かけ上小さくなることもエネルギー的な障壁になりうると
推測される。
Further, since the thermal oxidation reaction preferentially proceeds in such a crystal grain boundary, the thermal oxide film is formed thicker than other regions. For this reason, when the thermal oxide film is used as the gate insulating film, it is estimated that the gate voltage applied in the vicinity of the crystal grain boundary can be an apparent energy barrier.

ただし、後述のTFT特性を考慮すると、結晶粒界1002のエネルギー障壁はキャリ
アの移動を完全に妨げる程高いものではなく、結晶粒界を越えて移動するキャリアがかな
りの確率で存在すると推測される。
However, in consideration of the TFT characteristics described later, the energy barrier of the crystal grain boundary 1002 is not so high as to completely prevent carrier movement, and it is assumed that carriers moving beyond the crystal grain boundary exist with a considerable probability. .

また、この加熱処理を700 ℃を超える(代表的には800 〜1100℃)と比較的高い温度で
行う場合には針状または柱状結晶の内部に存在する転位や積層欠陥といった結晶欠陥がほ
ぼ消滅してしまう。さらに、残存したシリコン原子の不対結合手は膜中に含まれる水素や
ハロゲン元素によって終端される。
In addition, when this heat treatment is performed at a relatively high temperature exceeding 700 ° C. (typically 800 to 1100 ° C.), crystal defects such as dislocations and stacking faults existing inside the needle-like or columnar crystals are almost disappeared. Resulting in. Furthermore, the remaining dangling bonds of silicon atoms are terminated by hydrogen or halogen elements contained in the film.

従って本発明者らは、以上の様にして得られる図10(A)に示す状態において、複数
の針状または柱状結晶の内部の領域を「キャリアにとって実質的に単結晶と見なせる領域
」として定義している。
Therefore, the present inventors define a region inside a plurality of needle-like or columnar crystals as “a region that can be regarded as a substantially single crystal for carriers” in the state shown in FIG. 10A obtained as described above. is doing.

「キャリアにとって実質的に単結晶と見なせる」とは、キャリアが移動するに際してキ
ャリアの移動を妨げる障壁がないことを意味しており、結晶欠陥や粒界がないこと、エネ
ルギー的に障壁となるポテンシャルバリアが存在しないことなどと言い換えられる。
The phrase “substantially regarded as a single crystal for carriers” means that there are no barriers that prevent the carriers from moving when carriers move, and there are no crystal defects or grain boundaries, and potential for energy barriers. In other words, there is no barrier.

本発明は上記のような構成でなる結晶性珪素膜を利用してTFTに代表される半導体装
置の活性層を構成し、駆動回路やロジック回路を構成するに足る高性能な半導体装置を実
現するものである。
The present invention forms an active layer of a semiconductor device typified by a TFT using the crystalline silicon film having the above-described configuration, and realizes a high-performance semiconductor device sufficient to form a drive circuit and a logic circuit. Is.

以上のような本発明の構成について、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 configuration of the present invention as described above will be described in detail in the embodiments described below.

本明細書で開示する発明によれば、単結晶シリコン上に作製したMOSFETに匹敵す
る高い性能を有したTFTを実現することができる。また、本発明のTFTで構成したリ
ングオシレータは従来のTFTで構成されたリングオシレータに比べて20倍の高速動作
が可能である。
According to the invention disclosed in this specification, a TFT having high performance comparable to a MOSFET manufactured over single crystal silicon can be realized. Further, the ring oscillator constituted by the TFT of the present invention can operate 20 times faster than the ring oscillator constituted by the conventional TFT.

さらに、この様な高い特性を有しているにも拘わらずチャネル長が1μm以下という微
細領域においても極めて高い耐圧特性を有しており、短チャネル効果が効果的に抑制され
ていることが確認できる。
Moreover, despite having such high characteristics, it has been confirmed that even in the fine region where the channel length is 1 μm or less, it has extremely high breakdown voltage characteristics, and the short channel effect is effectively suppressed. it can.

以上の様なTFTを用いて構成される集積化回路を電気光学装置に適用することで、電
気光学装置のさらなる高性能化が実現できる。また、電気光学装置を応用した応用製品も
高性能、高付加価値化することができる。
By applying the integrated circuit configured using the TFT as described above to the electro-optical device, it is possible to further improve the performance of the electro-optical device. In addition, applied products that apply electro-optical devices can also have high performance and high added value.

本実施例では本発明の作製方法に従って形成した結晶性珪素膜を、薄膜トランジスタ(
TFT)の活性層として利用した例を示す。図1に示すのはTFTの作製工程の一実施例
である。
In this embodiment, a crystalline silicon film formed according to the manufacturing method of the present invention is formed using a thin film transistor (
An example used as an active layer of TFT) will be described. FIG. 1 shows an embodiment of a TFT manufacturing process.

なお、本実施例で利用する非晶質珪素膜の結晶化手段は、特開平7-321339号公報に記載
された技術である。従って、本実施例ではその概略を記載するに止めるので詳細は前記公
報を参照すると良い。
Incidentally, the means for crystallizing the amorphous silicon film used in this embodiment is a technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-321339. Therefore, in this embodiment, only the outline is described, so the details should be referred to the above publication.

まず絶縁表面を有する基体101を用意する。本実施例では石英基板上に下地膜として
酸化珪素膜102を2000Åの厚さに成膜する。酸化珪素膜102の成膜方法としては減圧
熱CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法などを用いれば良い。また、TFT作製工程
の上限温度が700 ℃以下である場合には基体101としてガラス基板を用いることも可能
である。
First, a base 101 having an insulating surface is prepared. In this embodiment, a silicon oxide film 102 is formed to a thickness of 2000 mm as a base film on a quartz substrate. As a method for forming the silicon oxide film 102, a low pressure thermal CVD method, a plasma CVD method, a sputtering method, or the like may be used. Further, when the upper limit temperature of the TFT manufacturing process is 700 ° C. or lower, a glass substrate can be used as the substrate 101.

なお、後に非晶質珪素膜を結晶化する際、下地膜が緻密である方が得られる結晶性珪素
膜の結晶性が良いことが本発明者らの研究により判っている。また、膜中に 5×1017〜 2
×1019atoms/cm3 の酸素が含まれると好ましい。膜中に含まれた酸素は後の結晶か助長す
る金属元素のゲッタリング処理の際に重要な役割を果たす。
In addition, when crystallizing an amorphous silicon film later, it has been found by the present inventors that the crystallinity of a crystalline silicon film obtained by a denser base film is better. In the film, 5 × 10 17 〜 2
It is preferable that oxygen of × 10 19 atoms / cm 3 is contained. Oxygen contained in the film plays an important role in the subsequent gettering treatment of the metal element that promotes the crystal.

次に、非晶質珪素膜103を 750Åの厚さに減圧熱CVD法によって成膜する。成膜ガ
スとしてはジシラン(Si2 6 )、トリシラン(Si3 8 )等を用いれば良い。なお
、減圧熱CVD法により成膜した非晶質珪素膜は後の結晶化の際に自然核発生率が小さい
。この事は個々の結晶が相互干渉する(ぶつかりあって成長が止まる)割合が減るため、
横成長幅を大きくする上で望ましい。
Next, an amorphous silicon film 103 is formed to a thickness of 750 mm by low pressure thermal CVD. As a film forming gas, disilane (Si 2 H 6 ), trisilane (Si 3 H 8 ), or the like may be used. Note that the amorphous silicon film formed by the low pressure thermal CVD method has a small natural nucleus generation rate in the subsequent crystallization. This reduces the rate at which the individual crystals interfere with each other (collision stops and growth stops)
This is desirable for increasing the lateral growth width.

勿論、非晶質珪素膜103の成膜方法として、プラズマCVD法、スパッタ法等を用い
ることも可能である。
Of course, as a method for forming the amorphous silicon film 103, a plasma CVD method, a sputtering method, or the like can be used.

次に、500 〜1200Åの厚さの酸化珪素膜104をプラズマCVD法またはスパッタ法に
より成膜し、後に結晶化を助長する金属元素を導入する領域のみを選択的にエッチング除
去する。即ち、この酸化珪素膜104は非晶質珪素膜103に対してニッケルを選択的に
導入するためのマスク絶縁膜として機能する。
Next, a silicon oxide film 104 having a thickness of 500 to 1200 mm is formed by a plasma CVD method or a sputtering method, and only a region where a metal element for promoting crystallization is introduced is selectively removed by etching. That is, the silicon oxide film 104 functions as a mask insulating film for selectively introducing nickel into the amorphous silicon film 103.

酸化珪素膜104によって露呈される領域105は、紙面に垂直な方向に長手方向を有
するスリット状に形成されている。(図1(A))
The region 105 exposed by the silicon oxide film 104 is formed in a slit shape having a longitudinal direction in a direction perpendicular to the paper surface. (Fig. 1 (A))

次に、酸素雰囲気中においてUV光を照射し、領域105によって露呈した非晶質珪素
膜103の表面に極薄い酸化膜(図示せず)を形成する。この酸化膜は、後に結晶化を助
長する金属元素を導入する際の溶液塗布工程で溶液の濡れ性を改善するためのものである
Next, UV light is irradiated in an oxygen atmosphere to form an extremely thin oxide film (not shown) on the surface of the amorphous silicon film 103 exposed by the region 105. This oxide film is for improving the wettability of the solution in the solution coating step when a metal element that promotes crystallization is introduced later.

なお、結晶化を助長する金属元素としては、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、O
s、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類の元素が用いられるが、本
実施例ではNi(ニッケル)を例にとって説明する。
Note that the metal elements that promote crystallization include Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, and O.
One or more kinds of elements selected from s, Ir, Pt, Cu, and Au are used. In the present embodiment, description will be made taking Ni (nickel) as an example.

次に、所定の濃度(本実施例では重量換算で10ppm)でニッケルを含有したニッケル硝酸
塩溶液(またはニッケル酢酸塩溶液)を滴下し、スピンコート法によりニッケルを含有し
た薄い水膜106を形成する。非晶質珪素膜中に添加するニッケル濃度は溶液塗布工程に
おいてニッケル塩溶液の濃度を調節することで容易に制御することができる。(図1(B
))
Next, a nickel nitrate solution (or nickel acetate solution) containing nickel at a predetermined concentration (10 ppm in terms of weight in this embodiment) is dropped, and a thin water film 106 containing nickel is formed by spin coating. . The concentration of nickel added to the amorphous silicon film can be easily controlled by adjusting the concentration of the nickel salt solution in the solution coating process. (Fig. 1 (B
))

次に、不活性雰囲気中において450 ℃、1時間程度の水素出しを行った後、500 〜700
℃、代表的には550 〜600 ℃の温度で 4〜8 時間の加熱処理(第1の加熱処理)を加えて
非晶質珪素膜103の結晶化を行う。こうして結晶性珪素膜107が得られる。(図1(
C))
Next, after dehydrogenating at 450 ° C. for about 1 hour in an inert atmosphere, 500 to 700
The amorphous silicon film 103 is crystallized by applying a heat treatment (first heat treatment) for 4 to 8 hours at a temperature of ° C., typically 550 to 600 ° C. Thus, the crystalline silicon film 107 is obtained. (Fig. 1 (
C))

この時、結晶成長は針状または柱状結晶が基板に概略平行な方向に進行する。本実施例
の場合は、105で示される領域が図面の手前方向から奥手方向に長手方向を有するスリ
ット状となっているので、矢印108で示されるように結晶成長は概略一方向に向かって
進行する。この時、結晶成長は数百μm以上に渡って行わすことができる。
At this time, crystal growth proceeds in a direction in which needle-like or columnar crystals are substantially parallel to the substrate. In the case of the present example, the region indicated by 105 has a slit shape having a longitudinal direction from the front side to the back side of the drawing, so that the crystal growth proceeds substantially in one direction as indicated by an arrow 108. To do. At this time, crystal growth can be performed over several hundred μm or more.

なお、109で示されるのはニッケル添加領域であり、横成長領域107に比べて高い
濃度でニッケルを含有している。添加領域109は結晶核が過度に密集して結晶成長する
ため結晶性はあまり良くない。従って、後に形成する活性層は添加領域109を除いた領
域で構成される。
Reference numeral 109 denotes a nickel-added region, which contains nickel at a higher concentration than the lateral growth region 107. The added region 109 is not very good in crystallinity because crystal nuclei are densely grown to grow crystals. Therefore, the active layer to be formed later is constituted by a region excluding the addition region 109.

結晶化の際、水膜106に含有されたニッケルは図示しない酸化膜を通して非晶質珪素
膜103中に拡散し、結晶化を促進する触媒として機能する。具体的にはニッケルとシリ
コンとが反応してシリサイドを形成し、それが結晶核となって結晶化が進行する。
During crystallization, nickel contained in the water film 106 diffuses into the amorphous silicon film 103 through an oxide film (not shown) and functions as a catalyst for promoting crystallization. Specifically, nickel and silicon react to form silicide, which becomes crystal nuclei and crystallization proceeds.

この時、結晶成長は結晶核が発生した領域から針状または柱状の結晶が基板に概略平行
な方向に伸びて進行する。この際、加熱処理の温度が600 ℃を超えるとニッケルの触媒作
用と無関係に自然核発生が生じてしまう。するとニッケルシリサイドを結晶核とする針状
または柱状結晶の結晶成長が阻害され、結晶成長の成長幅が短くなるため好ましくない。
従って、自然核発生が少なく、導入したニッケルのみによって結晶核が発生する様な条件
とすることが望ましい。
At this time, crystal growth proceeds from a region where crystal nuclei are generated, with needle-like or columnar crystals extending in a direction substantially parallel to the substrate. At this time, if the temperature of the heat treatment exceeds 600 ° C., spontaneous nucleation occurs regardless of the catalytic action of nickel. Then, the crystal growth of needle-like or columnar crystals having nickel silicide as a crystal nucleus is hindered, and the growth width of the crystal growth is shortened, which is not preferable.
Therefore, it is desirable that the conditions be such that the generation of crystal nuclei occurs only with the introduced nickel, with less generation of natural nuclei.

次に、結晶化のための加熱処理が終了したら、ニッケルを選択的に添加するためのマス
ク絶縁膜となった酸化珪素膜104を除去する。この工程はバッファードフッ酸等により
容易に行なわれる。
Next, when the heat treatment for crystallization is completed, the silicon oxide film 104 which is a mask insulating film for selectively adding nickel is removed. This step is easily performed with buffered hydrofluoric acid or the like.

なお、後のハロゲン元素を含む雰囲気中での加熱処理の前および/または後に結晶性珪
素膜105に対してエキシマレーザーによるレーザーアニールを施しても構わない。ただ
し、レーザー照射により結晶性珪素膜の結晶性は改善しうるが、珪素膜表面に凹凸が形成
されやすいので注意が必要である。
Note that laser annealing using an excimer laser may be performed on the crystalline silicon film 105 before and / or after the subsequent heat treatment in an atmosphere containing a halogen element. However, the crystallinity of the crystalline silicon film can be improved by laser irradiation, but care must be taken because irregularities are easily formed on the surface of the silicon film.

次に、得られた結晶性珪素膜107をパターニングして島状半導体層110を形成する
。島状半導体層110は後にTFTの活性層として機能する。なお、本発明では島状半導
体層の配置が重要である。その事については後述する。
Next, the obtained crystalline silicon film 107 is patterned to form an island-shaped semiconductor layer 110. The island-shaped semiconductor layer 110 functions later as an active layer of the TFT. In the present invention, the arrangement of the island-like semiconductor layers is important. This will be described later.

また、本実施例では島状半導体層116を形成した後に次のハロゲン元素を含む雰囲気
中での加熱処理を行なうが、逆に島状半導体層を形成する前にハロゲン元素を含む雰囲気
中での加熱処理を行なっても構わない。
In this embodiment, after the island-shaped semiconductor layer 116 is formed, heat treatment is performed in an atmosphere containing the next halogen element. Conversely, before the island-shaped semiconductor layer is formed, the heat treatment is performed in an atmosphere containing the halogen element. Heat treatment may be performed.

しかし、結晶性珪素膜107を島状に加工してからの方が表面積が増すので、効率良く
ニッケルをゲッタリングする上で好ましい。
However, since the surface area is increased after the crystalline silicon film 107 is processed into an island shape, it is preferable for efficient gettering of nickel.

また、島状半導体層110はドライエッチング法で形成されるが、その時島状半導体層
のエッジに残留したプラズマダメージがTFTのリーク電流の原因となる恐れがある。本
実施例の場合、島状半導体層110のエッジは熱酸化されるのでプラズマダメージの除去
も兼ねている。
In addition, the island-shaped semiconductor layer 110 is formed by a dry etching method. At this time, plasma damage remaining on the edge of the island-shaped semiconductor layer may cause a leakage current of the TFT. In the case of this embodiment, the edge of the island-like semiconductor layer 110 is thermally oxidized, so that it also serves to remove plasma damage.

次に、上記工程により得られた島状半導体層110に対してハロゲン元素を含む雰囲気
において加熱処理(第2の加熱処理)を行う。加熱処理の温度範囲は700 ℃を超える温度
であり、好ましくは800 〜1000℃(代表的には950 ℃)とし、処理時間は 1〜24時間、代
表的には 6〜12時間とする。
Next, heat treatment (second heat treatment) is performed on the island-shaped semiconductor layer 110 obtained through the above steps in an atmosphere containing a halogen element. The temperature range of the heat treatment is a temperature exceeding 700 ° C., preferably 800 to 1000 ° C. (typically 950 ° C.), and the treatment time is 1 to 24 hours, typically 6 to 12 hours.

本実施例では、酸素(O2 )雰囲気中に対して塩化水素(HCl)を0.5 〜10体積%の
濃度で含有させた雰囲気中において、950 ℃、30分の加熱処理を行う。なお、HCl濃度
を上記濃度以上とすると、結晶性珪素膜の膜表面に膜厚と同程度の凹凸が生じてしまうた
め好ましくない。
In this embodiment, heat treatment is performed at 950 ° C. for 30 minutes in an atmosphere containing hydrogen chloride (HCl) at a concentration of 0.5 to 10% by volume with respect to an oxygen (O 2 ) atmosphere. Note that it is not preferable that the HCl concentration be equal to or higher than the above concentration because unevenness of the same degree as the film thickness occurs on the surface of the crystalline silicon film.

そして、この加熱処理により島状半導体層110の表面では約250 Åの珪素膜が酸化さ
れて 500Åの熱酸化膜111が形成され、島状半導体層110の膜厚は約 500Åとなる。
As a result of this heat treatment, a silicon film of about 250 mm is oxidized on the surface of the island-shaped semiconductor layer 110 to form a thermal oxide film 111 of 500 mm, and the film thickness of the island-shaped semiconductor layer 110 is about 500 mm.

ゲッタリングのための加熱処理は、その効果を得るために700 ℃以上の温度で行なうこ
とが重要である。それ以下の温度では膜表面に形成された熱酸化膜がブロッキング層とな
って十分なゲッタリング効果を得られなくなるからである。
It is important that the heat treatment for gettering is performed at a temperature of 700 ° C. or higher in order to obtain the effect. This is because if the temperature is lower than that, the thermal oxide film formed on the film surface becomes a blocking layer and a sufficient gettering effect cannot be obtained.

また、ゲッタリング処理は処理温度、処理雰囲気、処理時間を適宜設定することで様々
な条件を設定できる。例えば、処理時間を長くして実効的なゲッタリング時間を長めに設
定したい場合、処理温度を下げるか、ハロゲン元素の含有量を減らすことで達成できる。
In addition, various conditions can be set for the gettering process by appropriately setting the processing temperature, the processing atmosphere, and the processing time. For example, when it is desired to lengthen the processing time and set a longer effective gettering time, this can be achieved by lowering the processing temperature or reducing the content of the halogen element.

また、本実施例では、島状半導体層110中に含有される(厳密には針状または柱状結
晶の結晶粒界に偏析している)ニッケルをハロゲン元素によってゲッタリング除去する目
的と、熱酸化膜を形成してそれをゲイト絶縁膜として活用する目的との両方を兼ねている
In this embodiment, nickel contained in the island-shaped semiconductor layer 110 (strictly segregated at the grain boundaries of needle-like or columnar crystals) is gettered and removed by a halogen element, and thermal oxidation is performed. It serves both as the purpose of forming a film and using it as a gate insulating film.

勿論、両方の目的を別々に分けて、ゲッタリングのための加熱処理と、熱酸化膜(ゲイ
ト絶縁膜)形成のための加熱処理(第3の加熱処理)とを別々に行なうこともできる。
Of course, it is possible to separately perform the heat treatment for gettering and the heat treatment (third heat treatment) for forming the thermal oxide film (gate insulating film) by dividing both purposes separately.

また、島状半導体層の上に酸化珪素膜でなるゲイト絶縁膜をプラズマCVD法、減圧熱
CVD法、スパッタ法のいずれかの手段によって成膜し、その後、上記ハロゲン元素を含
む雰囲気における加熱処理を行なっても良い。
Further, a gate insulating film made of a silicon oxide film is formed on the island-like semiconductor layer by any one of a plasma CVD method, a low pressure thermal CVD method, and a sputtering method, and then heat treatment in an atmosphere containing the halogen element. May be performed.

なお、本実施例ではハロゲン元素を含む化合物してHClガスを用いる例を示したが、
それ以外のガスとして、HF、NF3 、HBr、Cl2 、ClF3 、BCl3 、F2 、B
2 等のハロゲンを含む化合物から選ばれた一種または複数種のものを用いることが出来
る。また、一般にハロゲンの水素化物または有機物(炭水素化物)を用いることもできる
In this embodiment, an example in which HCl gas is used as a compound containing a halogen element is shown.
As other gases, HF, NF 3 , HBr, Cl 2 , ClF 3 , BCl 3 , F 2 , B
One or a plurality of compounds selected from compounds containing halogen such as r 2 can be used. In general, a hydride of halogen or an organic substance (carbon hydride) can also be used.

この工程においては針状または柱状結晶の結晶粒界に偏析したニッケルがハロゲン元素
の作用によりゲッタリングされ、揮発性の塩化ニッケルとなって大気中へ離脱して除去さ
れると考えられる。
In this step, it is considered that nickel segregated at the crystal grain boundaries of the needle-like or columnar crystals is gettered by the action of the halogen element and becomes volatile nickel chloride which is released into the atmosphere and removed.

以上のゲッタリング工程によりニッケルが含まれない又はデバイス特性に影響を与えな
い程度( 1×1018atoms/cm3 以下、好ましくは 1×1017atoms/cm3 以下)にまで低減され
た島状半導体層110が得られることがSIMS分析により確認されている。また、本明
細書における不純物濃度はSIMS分析で得られた計測値の最小値でもって定義される。
(図1(D))
The above gettering process reduces the island shape to a level that does not contain nickel or affects device characteristics (1 × 10 18 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 17 atoms / cm 3 or less) It is confirmed by SIMS analysis that the semiconductor layer 110 is obtained. Moreover, the impurity concentration in this specification is defined by the minimum value of the measured values obtained by SIMS analysis.
(Figure 1 (D))

なお、本発明者らの知見では結晶化の助長に利用されたニッケルは針状または柱状結晶
の結晶粒界に多く偏析する傾向にあり、針状または柱状結晶の内部には実質的には殆ど含
まれないと考えられる。
According to the knowledge of the present inventors, nickel used for promoting crystallization tends to segregate a lot at the crystal grain boundaries of the needle-like or columnar crystals, and the inside of the needle-like or columnar crystals is substantially hardly present. Not considered to be included.

ところが、現状のSIMS分析では結晶内部と結晶粒界の両方の情報を拾ってしまうの
で、本明細書中におけるニッケルの濃度は、厳密には結晶内部と結晶粒界とに含まれるニ
ッケル濃度を平均化した平均濃度を意味する。
However, since the current SIMS analysis picks up information on both the inside of the crystal and the grain boundary, strictly speaking, the nickel concentration in this specification is an average of the nickel concentration contained in the inside of the crystal and the grain boundary. Mean average concentration.

また、ゲッタリング工程を行なった場合、結晶性珪素膜中にはゲッタリング処理に使用
したハロゲン元素が 1×1015〜 1×1020atoms/cm3 の濃度で残存する。その際、結晶性珪
素膜と熱酸化膜との間に高濃度に分布する傾向がある。
When the gettering process is performed, the halogen element used for the gettering process remains in the crystalline silicon film at a concentration of 1 × 10 15 to 1 × 10 20 atoms / cm 3 . At that time, it tends to be distributed at a high concentration between the crystalline silicon film and the thermal oxide film.

なお、上記ゲッタリング工程において除去されたニッケルは結晶化の際に針状または柱
状結晶の結晶粒界へと押し出されて偏析したものである。即ち、結晶粒界ではニッケルシ
リサイドとして存在していたと考えられる。
The nickel removed in the gettering step is segregated by being pushed out to the crystal grain boundaries of the needle-like or columnar crystals during crystallization. That is, it is thought that it existed as nickel silicide in the crystal grain boundary.

ニッケルシリサイドとして存在していたニッケルは塩化ニッケルとなって離脱し、ニッ
ケルとの結合を切られたシリコンの不対結合手は結晶粒界に多く存在する状態となる。
Nickel that has existed as nickel silicide is separated as nickel chloride, and a large number of dangling bonds of silicon that is disconnected from nickel are present in the crystal grain boundaries.

しかし上記工程は酸化性雰囲気中において、比較的高い温度で行われるため形成された
不対結合手は容易に酸素と結合して酸化物( SiOX で表される酸化珪素)を形成すると考
えられる。即ち、本発明者らは上記一連の加熱工程によって、結晶性珪素膜は酸化珪素が
結晶粒界として機能する様な結晶構造体となると考えている。
But the process in an oxidizing atmosphere, is believed to form a relatively dangling bonds formed to be done at high temperatures oxides coupled with readily oxygen (silicon oxide represented by SiO X) . That is, the present inventors believe that the crystalline silicon film becomes a crystal structure in which silicon oxide functions as a crystal grain boundary by the series of heating steps.

また、残存した不対結合手は島状半導体層110中に含まれる水素やハロゲン元素によ
って終端されるか、シリコン同士の再結合によって補償され、さらに、転位や積層欠陥と
いった結晶欠陥はシリコン原子の再結合や再配列によってほぼ消滅してしまうので、針状
または柱状結晶の内部の結晶性も著しく改善されると考えられる。
The remaining dangling bonds are terminated by hydrogen or halogen elements contained in the island-like semiconductor layer 110 or compensated by recombination of silicon, and crystal defects such as dislocations and stacking faults are caused by silicon atoms. It is considered that the crystallinity inside the needle-like or columnar crystal is remarkably improved because it is almost disappeared by recombination and rearrangement.

従って、島状半導体層110はハロゲン雰囲気での加熱処理によりニッケルがデバイス
特性に支障がない程度にまで充分除去され、かつ、島状半導体層110を構成する針状ま
たは柱状結晶は著しく結晶性が改善されており、キャリアにとって実質的に単結晶と見な
せる領域を有した結晶構造体で構成されている。
Therefore, the island-shaped semiconductor layer 110 is sufficiently removed by heat treatment in a halogen atmosphere to the extent that nickel does not hinder device characteristics, and the needle-like or columnar crystals constituting the island-like semiconductor layer 110 have extremely high crystallinity. It is improved and is composed of a crystal structure having a region which can be regarded as a single crystal for carriers.

以上の様にして、ゲイト絶縁膜(熱酸化膜)111の形成まで終了したら、次にゲイト
電極を構成するためのアルミニウム膜(図示せず)を2500Åの厚さにスパッタ法でもって
成膜する。このアルミニウム膜中には、ヒロックやウィスカー防止のためにスカンジウム
を0.2重量%含有させる。
After completing the formation of the gate insulating film (thermal oxide film) 111 as described above, an aluminum film (not shown) for forming a gate electrode is then formed by sputtering to a thickness of 2500 mm. . This aluminum film contains 0.2% by weight of scandium to prevent hillocks and whiskers.

なお、本実施例ではゲイト電極(ゲイト線む含む)を形成する材料としてアルミニムを
主成分とする材料を用いているが、他にもタングステン、タンタル、モリブデン等を用い
ることもできる。また、導電性を付与した結晶性珪素膜をゲイト電極として活用しても構
わない。
In this embodiment, a material mainly composed of aluminum is used as a material for forming the gate electrode (including the gate line), but tungsten, tantalum, molybdenum, or the like can also be used. Alternatively, a crystalline silicon film imparted with conductivity may be used as a gate electrode.

アルミニウム膜を成膜したら、その表面に図示しない極薄い陽極酸化膜を形成する。こ
の陽極酸化膜は、3%の酒石酸を含んだエチレングリコール溶液をアンモニア水で中和し
たものを電解溶液として行う。即ち、この電解溶液中において、アルミニウム膜を陽極、
白金を陰極として陽極酸化を行う。
When the aluminum film is formed, an extremely thin anodic oxide film (not shown) is formed on the surface. This anodic oxide film is obtained by neutralizing an ethylene glycol solution containing 3% tartaric acid with aqueous ammonia as an electrolytic solution. That is, in this electrolytic solution, the aluminum film is an anode,
Anodization is performed using platinum as a cathode.

この工程で形成される陽極酸化膜は緻密な膜質を有し、後に形成されるレジストマスク
との密着性を向上させるために機能する。なお、この陽極酸化膜の膜厚は100 Å程度とす
る。また膜厚は印加電圧によって制御することができる。
The anodized film formed in this step has a dense film quality and functions to improve adhesion with a resist mask to be formed later. The film thickness of this anodic oxide film is about 100 mm. The film thickness can be controlled by the applied voltage.

次に、図1(D)に示す様に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
る島状のアルミニウム膜のパターン112を形成する。なおこの際利用したレジストマス
ク(図示せず)はそのまま残存させておく。(図2(A))
Next, as shown in FIG. 1D, the aluminum film is patterned to form an island-shaped aluminum film pattern 112 which becomes a prototype of the gate electrode. The resist mask (not shown) used at this time is left as it is. (Fig. 2 (A))

そして、再びアルミニウム膜のパターン112を陽極とした陽極酸化を行う。ここでは
、電解溶液として3%のシュウ酸水溶液を用いる。この陽極酸化工程においては、図示し
ないレジストマスクが存在するために陽極酸化がアルミニウムのパターン112の側面の
みにおいて進行する。従って、図2(B)において113で示されるように陽極酸化膜が
形成される。
Then, anodization is performed again using the aluminum film pattern 112 as an anode. Here, a 3% oxalic acid aqueous solution is used as the electrolytic solution. In this anodic oxidation process, since there is a resist mask (not shown), the anodic oxidation proceeds only on the side surface of the aluminum pattern 112. Accordingly, an anodic oxide film is formed as indicated by 113 in FIG.

またこの工程で形成される陽極酸化膜113は、多孔質状を有しており、その成長距離
も数μmまで行わせることができる。この多孔質状の陽極酸化膜113の膜厚は0.7 μm
とする。またこの陽極酸化膜113の膜厚は陽極酸化時間によって制御することができる
Further, the anodic oxide film 113 formed in this step has a porous shape, and the growth distance can be increased to several μm. The thickness of the porous anodic oxide film 113 is 0.7 μm.
And The thickness of the anodic oxide film 113 can be controlled by the anodic oxidation time.

図2(B)に示す多孔質状の陽極酸化膜113を形成したら、図示しないレジストマス
クを取り除く。そして、再度の陽極酸化を行うことにより、緻密な陽極酸化膜114を形
成する。この陽極酸化工程は、前述の緻密な陽極酸化膜を形成したのと同じ条件で行う。
When the porous anodic oxide film 113 shown in FIG. 2B is formed, the resist mask (not shown) is removed. A dense anodic oxide film 114 is formed by performing anodic oxidation again. This anodic oxidation step is performed under the same conditions as those for forming the above-described dense anodic oxide film.

ただし、形成する膜厚を900 Åとする。この工程においては、多孔質状の陽極酸化膜1
13の内部に電解溶液が進入するために図2(B)に示すように陽極酸化膜114が形成
される。また、陽極酸化膜114の膜厚を1500Å以上というように厚くすると、後の不純
物イオンの注入工程において、オフセットゲイト領域を形成することができる。
However, the film thickness to be formed is 900 mm. In this step, the porous anodic oxide film 1
In order for the electrolytic solution to enter 13, an anodic oxide film 114 is formed as shown in FIG. Further, when the thickness of the anodic oxide film 114 is increased to 1500 mm or more, an offset gate region can be formed in a subsequent impurity ion implantation step.

また、以上の工程を経てゲイト電極115が画定する。緻密な陽極酸化膜114は、後
の工程においてゲイト電極115の表面を保護したり、ヒロックやウィスカーの発生を抑
制するために機能する。
Further, the gate electrode 115 is defined through the above steps. The dense anodic oxide film 114 functions to protect the surface of the gate electrode 115 and to suppress generation of hillocks and whiskers in a later process.

次に、緻密な陽極酸化膜114まで形成したら、この状態においてソース/ドレイン領
域を形成するための不純物イオンの注入を行う。Nチャネル型のTFTを作製するならば
P(リン)イオンの注入を行い、Pチャネル型のTFTを作製するならばB(ボロン)イ
オンの注入を行えば良い。
Next, when the dense anodic oxide film 114 is formed, impurity ions are implanted to form source / drain regions in this state. If an N-channel TFT is manufactured, P (phosphorus) ions are implanted. If a P-channel TFT is manufactured, B (boron) ions are implanted.

この工程において、高濃度に不純物が添加されたソース領域116とドレイン領域11
7が形成される。
In this step, the source region 116 and the drain region 11 doped with impurities at a high concentration are used.
7 is formed.

次に、酢酸とリン酸と硝酸とを混合した混酸を用いて、多孔質状の陽極酸化膜113を
選択的に除去した後に再度Pイオンのイオン注入を行なう。このイオン注入は、先のソー
ス/ドレイン領域を形成する際よりも低ドーズ量でもって行なわれる。(図2(C))
Next, using a mixed acid in which acetic acid, phosphoric acid and nitric acid are mixed, the porous anodic oxide film 113 is selectively removed, and then ion implantation of P ions is performed again. This ion implantation is performed with a lower dose than in the previous formation of the source / drain regions. (Fig. 2 (C))

すると、ソース領域116、ドレイン領域117と比較して不純物濃度の低い、低濃度
不純物領域118、119が形成される。そしてゲイト電極115直下の120で示され
る領域が自己整合的にチャネル形成領域となる。
Then, low-concentration impurity regions 118 and 119 having a lower impurity concentration than the source region 116 and the drain region 117 are formed. A region indicated by 120 immediately below the gate electrode 115 becomes a channel formation region in a self-aligning manner.

なお、チャネル形成領域120とドレイン領域117との間に配置された低濃度不純物
領域119は特にLDD(ライトドープドレイン領域)領域と呼ばれ、チャネル形成領域
120とドレイン領域117との間に形成される高電界を緩和する効果を有する。
Note that the low concentration impurity region 119 disposed between the channel formation region 120 and the drain region 117 is particularly called an LDD (lightly doped drain region) region, and is formed between the channel formation region 120 and the drain region 117. It has the effect of relaxing the high electric field.

また、チャネル形成領域120(厳密には針状または柱状結晶の内部)は真性または実
質的に真性な領域で構成されている。真性または実質的に真性な領域であるとは、活性化
エネルギーがほぼ1/2 (フェルミレベルが禁制帯の中央に位置する)であり、かつ、スピ
ン密度よりも不純物濃度が低い領域であること、あるいは意図的にPやBといった不純物
を添加しないアンドープ領域であることを意味している。
Further, the channel formation region 120 (strictly speaking, inside the needle-like or columnar crystal) is constituted by an intrinsic or substantially intrinsic region. An intrinsic or substantially intrinsic region is a region where the activation energy is approximately 1/2 (the Fermi level is located at the center of the forbidden band) and the impurity concentration is lower than the spin density. Or an undoped region where impurities such as P and B are not intentionally added.

さらに、上記の不純物イオンの注入工程の後、レーザー光または赤外光または紫外光の
照射を行うことによって、イオン注入が行われた領域のアニールを行う。この処理によっ
て、添加イオンの活性化と、イオン注入時に活性層が受けた損傷の回復が行なわれる。
Further, after the impurity ion implantation step, laser light, infrared light, or ultraviolet light irradiation is performed to anneal the ion-implanted region. By this treatment, activation of the added ions and recovery of damage caused to the active layer at the time of ion implantation are performed.

また、ここでプラズマ水素化処理を300 〜350 ℃の温度範囲で0.5 〜1時間行うと効果
的である。この工程は活性層からの水素脱離によって生成した不対結合手を再び水素終端
するものである。この工程を行なうと活性層中には 1×1021atoms / cm3 以下、好ましく
は 1×1015〜 1×1021atoms / cm3 の濃度で水素が添加される。
Further, here, it is effective to perform the plasma hydrogenation treatment in the temperature range of 300 to 350 ° C. for 0.5 to 1 hour. In this step, dangling bonds generated by hydrogen desorption from the active layer are again hydrogen-terminated. When this step is performed, hydrogen is added to the active layer at a concentration of 1 × 10 21 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 15 to 1 × 10 21 atoms / cm 3 .

こうして図2(C)に示す状態が得られたら、次に層間絶縁膜121成膜する。層間絶
縁膜121は、酸化珪素膜、または窒化珪素膜、または酸化窒化珪素膜、または有機性樹
脂膜、またはそれらの膜の積層膜でもって構成される。(図2(D))
When the state shown in FIG. 2C is thus obtained, an interlayer insulating film 121 is formed next. The interlayer insulating film 121 includes a silicon oxide film, a silicon nitride film, a silicon oxynitride film, an organic resin film, or a stacked film of these films. (Fig. 2 (D))

窒化珪素膜を用いると、前工程で添加した水素がデバイス外部へ再放出するのを防ぐこ
とが出来るので好ましい。
The use of a silicon nitride film is preferable because hydrogen added in the previous step can be prevented from being released again outside the device.

また、有機性樹脂膜であるポリイミドを用いると、比誘電率が小さいので上下配線間の
寄生容量を低減することができる。また、スピンコート法で形成できるので容易に膜厚を
稼ぐことができ、スループットの向上が図れる。
In addition, when polyimide which is an organic resin film is used, since the relative dielectric constant is small, the parasitic capacitance between the upper and lower wirings can be reduced. In addition, since the film can be formed by a spin coating method, the film thickness can be easily increased and the throughput can be improved.

次に、層間絶縁膜121コンタクトホールの形成を行い、ソース電極122とドレイン
電極123とを形成する。さらに350℃の水素雰囲気中において加熱処理を行うことに
より、素子全体の水素化を行い、図2(D)に示すTFTが完成する。
Next, an interlayer insulating film 121 contact hole is formed, and a source electrode 122 and a drain electrode 123 are formed. Further, by performing heat treatment in a hydrogen atmosphere at 350 ° C., the entire element is hydrogenated, and the TFT shown in FIG. 2D is completed.

図2(D)に示すTFTは説明のため最も単純な構造となっているが、本実施例の作製
工程手順に多少の変更・追加を加えることで適宜所望のTFT構造とすることは容易であ
る。従えばアクティブマトリクス型表示装置の画素マトリクス回路を構成する画素TFT
や、ロジック回路を構成する回路TFT(インバータ回路、シフトレジスタ回路、プロセ
ッサ回路、メモリ回路等)を作製することが可能である。
Although the TFT shown in FIG. 2D has the simplest structure for explanation, it is easy to make a desired TFT structure as appropriate by adding some changes and additions to the manufacturing process procedure of this embodiment. is there. Accordingly, the pixel TFT constituting the pixel matrix circuit of the active matrix display device
Alternatively, a circuit TFT (an inverter circuit, a shift register circuit, a processor circuit, a memory circuit, or the like) that forms a logic circuit can be manufactured.

ここで、前述の様に島状半導体層110を形成する際に、その配置が重要である理由に
ついて説明する。説明は図3を用いて行なう。
Here, the reason why the arrangement of the island-like semiconductor layer 110 is important as described above will be described. The description will be given with reference to FIG.

本実施例を実施した場合、針状または柱状結晶が互いに概略平行に成長するため、結晶
粒界が一方向に揃っているという特徴がある。また、結晶化を助長する金属元素を選択的
に添加することで、針状または柱状結晶が結晶成長する方向を自由に制御することが可能
である。この事は非常に重要な意味を持っている。
When this example is carried out, needle-like or columnar crystals grow in substantially parallel to each other, so that the crystal grain boundaries are aligned in one direction. In addition, by selectively adding a metal element that promotes crystallization, it is possible to freely control the direction in which needle-like or columnar crystals grow. This has a very important meaning.

ここで絶縁表面を有する基体上に島状半導体層を形成した一実施例を図3に示す。図3
に示すのは、アクティブマトリクス型液晶表示装置を作製するにあたって基体301上に
マトリクス状に配置された島状半導体層である。
FIG. 3 shows an embodiment in which an island-like semiconductor layer is formed on a substrate having an insulating surface. FIG.
Shown are island-shaped semiconductor layers arranged in a matrix on the substrate 301 in manufacturing an active matrix liquid crystal display device.

なお、302の破線で示される領域はニッケルを選択的に導入するための領域が存在し
た場所である。また、303は横成長領域が互いにぶつかり合って形成された巨視的な粒
界が存在した場所である。これらは島状半導体層を形成した後では確認できないため点線
で示すことにする。
In addition, the area | region shown with the broken line 302 is a place where the area | region for selectively introduce | transducing nickel existed. Reference numeral 303 denotes a place where a macroscopic grain boundary formed by the laterally grown regions colliding with each other exists. Since these cannot be confirmed after the island-shaped semiconductor layer is formed, they are indicated by dotted lines.

また、本実施例で示した手段で結晶化を行なう場合、針状または柱状結晶はニッケル添
加領域302に対して概略垂直な方向(図中において矢印で示される方向)に成長する。
Further, when crystallization is performed by the means shown in this embodiment, needle-like or columnar crystals grow in a direction substantially perpendicular to the nickel-added region 302 (direction indicated by an arrow in the figure).

従って、図3の様に島状半導体304を配置することで、チャネル方向と、針状または
柱状結晶の結晶粒界とを同じ方向に揃えることができる。しかも、ニッケル添加領域30
2を基板301の端から端まで達する様に設計することで、基板全面において前述の様な
構成を実現することが可能である。
Therefore, by disposing the island-shaped semiconductor 304 as shown in FIG. 3, the channel direction and the crystal grain boundary of the needle-like or columnar crystal can be aligned in the same direction. Moreover, the nickel addition region 30
By designing 2 so as to reach the end of the substrate 301, the above-described configuration can be realized on the entire surface of the substrate.

この様な構成とすると、チャネル方向と針状または柱状結晶の並ぶ方向とが一致するこ
とになる。換言すればチャネル方向と、針状または柱状結晶の内部を移動するキャリアの
移動方向とが一致することに他ならない。
With such a configuration, the channel direction and the direction in which the needle-like or columnar crystals are arranged coincide with each other. In other words, the channel direction and the moving direction of the carriers moving inside the needle-like or columnar crystal are exactly the same.

即ち、TFTの活性層として機能する際に、チャネル形成領域においてキャリアの移動
を妨げるエネルギー障壁が極めて少ないことを意味しており、動作速度のさらなる向上が
期待できるのである。
That is, when functioning as an active layer of a TFT, this means that there are very few energy barriers that hinder the movement of carriers in the channel formation region, and further improvement in the operation speed can be expected.

従って、本実施例に示したTFTは、針状または柱状結晶の延びる方向とチャネル方向
とが一致する様な構成とすることで、非常に高速な動作を実現することができる。
Therefore, the TFT shown in this embodiment can realize a very high-speed operation by adopting a configuration in which the direction in which the needle-like or columnar crystal extends and the channel direction coincide with each other.

ここで、本実施例に従って本発明者らが作製した図2(D)に示される半導体装置の電
気特性を図4に示す。図4(A)はNチャネル型TFTの電気特性(Id-Vg 特性) 、図4
(B)はPチャネル型TFTの電気特性を示している。なお、Id-Vg 特性を示すグラフは
10点分の測定結果をまとめて表示する。
Here, FIG. 4 shows the electrical characteristics of the semiconductor device shown in FIG. 2D manufactured by the present inventors in accordance with this embodiment. 4A shows the electrical characteristics (Id-Vg characteristics) of the N-channel TFT, FIG.
(B) shows the electrical characteristics of the P-channel TFT. Note that the graph showing the Id-Vg characteristics displays the measurement results for 10 points together.

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、401、403で示されるId-Vg 特性(Id-Vg 曲線)はドレイン電圧VD=1Vの
時の特性を示し、402、404で示されるId-Vg 特性はドレイン電圧VD=5Vの時の
特性を示している。また、405、406はドレイン電圧VD=1Vの時のリーク電流を
示している。
VG on the horizontal axis is the gate voltage value, and ID on the vertical axis is the current value flowing between the source and drain.
Also, Id-Vg characteristics (Id-Vg curves) indicated by 401 and 403 indicate characteristics when the drain voltage VD = 1V, and Id-Vg characteristics indicated by 402 and 404 indicate characteristics when the drain voltage VD = 5V. The characteristics are shown. Reference numerals 405 and 406 denote leakage currents when the drain voltage VD = 1V.

なお、オフ領域(図4(A)では-1V 以下、図4(B)では-1V 以上)のドレイン電流
(Ioff) と、オンおよび/オフ領域のリーク電流(IG)は、殆どが 1×10-13 A(測定下限
界)以下であるので、図4(A)、(B)ではノイズと混同されてしまっている。
Note that the drain current (Ioff) in the off region (-1V or less in FIG. 4A and -1V or more in FIG. 4B) and the leakage current (IG) in the on and / or off regions are almost 1 ×. Since it is below 10 -13 A (lower limit of measurement), it is confused with noise in Figs. 4 (A) and 4 (B).

ここで、図4(A)、(B)に示される電気特性から求めた、本発明によるTFTの代
表的な特性パラメータを表1、表2に示す。なお、表1はNチャネル型TFTの電気特性
(任意の20点測定)の結果であり、表2はPチャネル型TFTの電気特性(任意の20点測
定)の結果を示している。
Here, Table 1 and Table 2 show typical characteristic parameters of the TFT according to the present invention obtained from the electric characteristics shown in FIGS. 4 (A) and 4 (B). Table 1 shows the results of electrical characteristics (arbitrary 20 points measurement) of the N-channel TFT, and Table 2 shows the results of electrical characteristics (arbitrary 20 points measurement) of the P-channel TFT.

表1、表2において特に注目すべき点は、サブスレッショルド特性(S値、S-value)
が60〜100mV/dec の間に収まる程小さく、移動度(μFE、モビリティ)が150 〜300cm2/V
s という様に極めて大きいことである。なお、本明細書中において移動度とは電界効果移
動度を意味する。
Of particular note in Tables 1 and 2 are the sub-threshold characteristics (S value, S-value).
Is small enough to fit between 60-100 mV / dec and mobility (μFE, mobility) is 150-300 cm 2 / V
It is extremely large like s. In the present specification, mobility means field effect mobility.

これらの測定データは従来のTFTでは達成不可能な値であり、まさに本発明によるT
FTが単結晶上に作製したMOSFETに匹敵する極めて高性能なTFTであることを証
明している。
These measured data are values that cannot be achieved with a conventional TFT, and are exactly the values of T according to the present invention.
The FT proves to be a very high performance TFT comparable to a MOSFET fabricated on a single crystal.

また同時に、本発明によるTFTは非常に劣化に強いことが繰り返し測定による加速劣
化試験によって確認されている。経験的には高速動作するTFTは劣化しやすいという欠
点を有しているのだが、本発明によるTFTは劣化もなく、極めて高い耐圧特性を有して
いることが判明している。
At the same time, the TFT according to the present invention is confirmed to be very resistant to deterioration by an accelerated deterioration test by repeated measurement. Empirically, TFTs that operate at high speed have the disadvantage of being easily deteriorated, but it has been found that the TFTs according to the present invention have no deterioration and have extremely high breakdown voltage characteristics.

また、表1、表2には参考として平均値および標準偏差(σ値)も記載する。標準偏差
は平均値からの分散(バラツキ)の尺度として用いられる。一般的には測定結果(母集団
)が正規分布(ガウシアン分布)に従うとすると、平均値を中心に±1σの内に全体の68
.3%、±2σの内に95.4%、±3σの内に99.7%が入ることが知られている。
Tables 1 and 2 also list average values and standard deviations (σ values) for reference. The standard deviation is used as a measure of dispersion (variation) from the average value. In general, if the measurement results (population) follow a normal distribution (Gaussian distribution), the entire value is within ± 1σ around the average value.
It is known that 95.4% falls within .3%, ± 2σ, and 99.7% falls within ± 3σ.

例えば、本発明により作製したNチャネル型TFTを100 個測定すれば、その内約95個
のTFTのS値が60〜100mV/dec (Pチャネル型TFTの場合も70〜100mV/dec ) の範囲
に収まることを意味している。
For example, if 100 N-channel TFTs manufactured according to the present invention are measured, the S value of about 95 TFTs is in the range of 60 to 100 mV / dec (70 to 100 mV / dec for P-channel TFTs). Means it fits in.

本発明者らは、本実施例のTFT特性の分散をより正確に評価するため、540 個のTF
Tを測定し、その結果から平均値および照準偏差を求めた。その結果、S値の平均値は80
.5mV/dec(n-ch)、80.6mV/dec(p-ch)であり、標準偏差は5.8(n-ch) 、11.5(p-ch)であった
。また、移動度(max) の平均値は194.0cm2/Vs(n-ch) 、131.8cm2/Vs(p-ch) であり、標準
偏差は38.5(n-ch)、10.2(p-ch)であった。
In order to more accurately evaluate the dispersion of the TFT characteristics of this example, the present inventors have made 540 TFs.
T was measured, and the average value and aiming deviation were determined from the results. As a result, the average value of S values is 80
0.5 mV / dec (n-ch) and 80.6 mV / dec (p-ch), with standard deviations of 5.8 (n-ch) and 11.5 (p-ch). The average mobility (max) is 194.0cm 2 / Vs (n-ch), 131.8cm 2 / Vs (p-ch), and the standard deviation is 38.5 (n-ch), 10.2 (p-ch) )Met.

即ち、本発明を利用したNチャネル型TFTにおいては、以下に示す様なTFT特性を
得ることができる。
(1)S値のσ値が10mV/dec以内、好ましくは5mV/dec 以内に収まる。
(2)S値が80±30mV/dec以内、好ましくは80±15mV/dec以内に収まる。
(3)μFEのσ値が40cm2/Vs以内、好ましくは35cm2/Vs以内に収まる。
That is, in the N-channel TFT using the present invention, the following TFT characteristics can be obtained.
(1) The S value σ value is within 10 mV / dec, preferably within 5 mV / dec.
(2) The S value is within 80 ± 30 mV / dec, preferably within 80 ± 15 mV / dec.
(3) The σ value of μFE is within 40 cm 2 / Vs, preferably within 35 cm 2 / Vs.

また、本発明を利用したPチャネル型TFTにおいては、以下に示す様なTFT特性を
得ることができる。
(1)S値のσ値が15mV/dec以内、好ましくは10mV/dec以内に収まる。
(2)S値が 80±45mV/dec以内、好ましくは80±30mV/dec以内に収まる。
(3)μFEのσ値が15cm2/Vs以内、好ましくは10cm2/Vs以内に収まる。
Further, in the P-channel TFT using the present invention, the following TFT characteristics can be obtained.
(1) The σ value of the S value is within 15 mV / dec, preferably within 10 mV / dec.
(2) S value is within 80 ± 45 mV / dec, preferably within 80 ± 30 mV / dec.
(3) The σ value of μFE is within 15 cm 2 / Vs, preferably within 10 cm 2 / Vs.

以上の様に、本発明によるTFTは極めて優れた電気特性を実現するものであり、これ
まで単結晶上に作製したMOSFETのみが使用されていた様な複雑なSRAM回路やD
RAM回路等、高速動作を必要とするロジック回路を構成することが可能である。
As described above, the TFT according to the present invention realizes extremely excellent electrical characteristics, such as a complicated SRAM circuit or D which has been used only in a MOSFET manufactured up to now on a single crystal.
A logic circuit that requires high-speed operation, such as a RAM circuit, can be configured.

また、本実施例ではシングルゲイト構造のTFTの作製工程例のみを記載しているが、
ダブルゲイト構造のTFTやそれ以上のゲイト電極を有するマルチゲイト構造のTFTに
対しても適用することができる。
In this example, only a manufacturing process example of a TFT having a single gate structure is described.
The present invention can also be applied to a TFT having a double gate structure and a TFT having a multigate structure having a gate electrode higher than that.

また、ゲイト電極として結晶性珪素膜を用いて逆スタガ型TFTを作製することも可能
である。即ち、本発明は活性層の結晶性を高めることで実現できるものであって、TFT
構造は問わずに実施することができる。
It is also possible to produce an inverted staggered TFT using a crystalline silicon film as the gate electrode. That is, the present invention can be realized by increasing the crystallinity of the active layer.
Any structure can be implemented.

〔本発明で得られる結晶構造体に関する知見〕
本発明によって得られる結晶性珪素膜が図10(A)に示される様な針状または柱状結
晶の集合体でなる結晶構造体であることは既に述べた。ここでは、本発明による結晶構造
体と他の方法で形成された結晶構造体との比較を行なう。
[Knowledge about Crystal Structure Obtained by the Present Invention]
It has already been described that the crystalline silicon film obtained by the present invention is a crystal structure made up of acicular or columnar crystal aggregates as shown in FIG. Here, a comparison is made between a crystal structure according to the present invention and a crystal structure formed by another method.

図11に示す写真は、実施例1の手順で非晶質珪素膜の結晶化までを終えた試料のTE
M写真である。即ち、ハロゲン元素を含む加熱処理を行なっていない結晶性珪素膜の結晶
構造を示している。
The photograph shown in FIG. 11 shows the TE of the sample after the crystallization of the amorphous silicon film was completed by the procedure of Example 1.
It is M photograph. That is, the crystal structure of a crystalline silicon film not subjected to heat treatment containing a halogen element is shown.

図11において確認できる様に、結晶化直後の針状または柱状結晶の内部には多数の転
位欠陥(1101で示される円内)が存在する。しかしながら、図10(A)に示すTE
M写真では、その様な転位欠陥は確認されず、きれいな結晶構造となっていることが判る
As can be confirmed in FIG. 11, a large number of dislocation defects (inside a circle indicated by 1101) exist in the needle-like or columnar crystal immediately after crystallization. However, the TE shown in FIG.
In the M photograph, such dislocation defects are not confirmed, and it can be seen that the crystal structure is clean.

この事は、本発明においてハロゲン元素を含む雰囲気での加熱処理が結晶性の改善に大
きく寄与していることの証拠となる。
This is evidence that heat treatment in an atmosphere containing a halogen element greatly contributes to improvement of crystallinity in the present invention.

また、図12に示す結晶構造体は、非晶質珪素膜の結晶化条件を本発明とは異なるもの
とした場合の例である。具体的には、窒素雰囲気中で600 ℃48時間の加熱処理を行うこと
で非晶質珪素膜を結晶化し、900 〜1100℃程度の温度で熱酸化処理を施してある。
The crystal structure shown in FIG. 12 is an example in the case where the crystallization condition of the amorphous silicon film is different from that of the present invention. Specifically, an amorphous silicon film is crystallized by performing a heat treatment at 600 ° C. for 48 hours in a nitrogen atmosphere, and a thermal oxidation treatment is performed at a temperature of about 900 to 1100 ° C.

以上の様にして形成した結晶性珪素膜は、図12(A)に示す様に個々の結晶粒が大き
く、不規則に分布する粒界によって分割された状態となっている。また、図12(A)を
模式的に表したものが図12(B)である。
The crystalline silicon film formed as described above has a large individual crystal grain as shown in FIG. 12A, and is divided by irregularly distributed grain boundaries. FIG. 12B schematically shows FIG. 12A.

図12(B)において、結晶粒1201は不規則な粒界1202によって囲まれた状態
となっている。従って、実際に図12(A)に示す結晶構造体をTFTの活性層として利
用すると、不規則な粒界1202によって生ずるエネルギー障壁がキャリアの移動を阻害
してしまう。
In FIG. 12B, the crystal grains 1201 are surrounded by irregular grain boundaries 1202. Therefore, when the crystal structure shown in FIG. 12A is actually used as the active layer of the TFT, the energy barrier generated by the irregular grain boundary 1202 hinders carrier movement.

一方、図10(A)に示す様な結晶構造体は、図10(B)に示す様に、結晶粒界10
02がある程度の規則性をもって配列した状態となっている。従って、針状または柱状結
晶の内部において、キャリアの移動を阻害するエネルギー障壁はないと考えられる。
On the other hand, a crystal structure as shown in FIG. 10A has a crystal grain boundary 10 as shown in FIG.
02 is arranged with a certain degree of regularity. Therefore, it is considered that there is no energy barrier that hinders carrier movement inside the needle-like or columnar crystal.

なお、本発明者らが針状または柱状結晶の配列状態を1〜5万倍程度の広視野で観察し
た結果、針状または柱状結晶がジグザグに進行する様な場合があることが確認されている
。これは、結晶成長がエネルギー的に安定な方向へ向かうことに起因する現象であり、結
晶方向が転換した箇所には一種の粒界が形成されていると推測される。
In addition, as a result of observing the array state of needle-like or columnar crystals with a wide field of view of about 1 to 50,000 times, the present inventors have confirmed that the needle-like or columnar crystals may progress zigzag. Yes. This is a phenomenon caused by crystal growth in a direction that is stable in terms of energy, and it is presumed that a kind of grain boundary is formed at a location where the crystal direction is changed.

しかしながら本発明者らは、針状または柱状結晶の内部に生じうるこの粒界はエネルギ
ー的に不活性な双晶粒界の如きものではないかと推測している。即ち、結晶方向は異なる
が、整合性良く連続的に結合した粒界であり、キャリアの移動を妨げる程のエネルギー障
壁とならない(実質的に粒界と見なされない)粒界であると考えている。
However, the present inventors speculate that this grain boundary that may occur inside a needle-like or columnar crystal is like an energetically inactive twin grain boundary. In other words, it is a grain boundary that has different crystal directions but is continuously bonded with good consistency, and does not become an energy barrier that prevents carrier movement (substantially not considered a grain boundary). Yes.

以上の様に、通常のプロセスで結晶化した多結晶シリコン(ポリシリコン)膜は、図1
2(A)に示す様な結晶構造を有し、キャリアの移動を遮る様に不規則な粒界が分布する
ため、高い移動度を達成することが困難である。
As described above, the polycrystalline silicon (polysilicon) film crystallized by the normal process is shown in FIG.
Since it has a crystal structure as shown in FIG. 2A and irregular grain boundaries are distributed so as to block the movement of carriers, it is difficult to achieve high mobility.

しかしながら、本発明による結晶性シリコン膜は図10(A)に示す様な結晶構造を有
し、結晶粒界が概略一方向に揃っている上、針状または柱状結晶の内部は実質的にエネル
ギー障壁となる粒界が存在しないと考えられる。即ち、キャリアは何ら阻害されることな
く結晶内部を移動することが可能となるので、極めて高い移動度を達成することができる
However, the crystalline silicon film according to the present invention has a crystal structure as shown in FIG. 10A, the crystal grain boundaries are aligned in one direction, and the inside of the needle-like or columnar crystal is substantially energy. It is thought that there is no grain boundary as a barrier. That is, the carrier can move inside the crystal without being obstructed at all, so that extremely high mobility can be achieved.

特に、本発明により得られる針状または柱状結晶の注目すべき点は、凹凸や応力等に起
因する歪みを避けながら(結晶方向を変えながら)数十〜数百μmもの距離を連続的に成
長していくと考えられる点である。
In particular, the remarkable point of the acicular or columnar crystals obtained by the present invention is that the distance of several tens to several hundreds of μm is continuously grown while avoiding distortion caused by unevenness and stress (changing the crystal direction). It is a point that will be considered.

本発明者らの推測が正しければ、本発明による結晶性珪素膜は結晶内部にキャリアトラ
ップとなりうる粒界を形成しないで成長していく、特殊な結晶の集合体で構成される全く
新しい結晶構造体であると言える。
If the inventors' assumption is correct, the crystalline silicon film according to the present invention grows without forming a grain boundary that can be a carrier trap inside the crystal, and is a completely new crystal structure composed of a special crystal aggregate. It can be said that it is a body.

本実施例は実施例1で示したTFTでもってCMOS回路を形成する例である。CMO
S回路は実施例1で示した様な構造のNチャネル型TFTとPチャネル型TFTとを相補
的に組み合わせて構成される。
This embodiment is an example in which a CMOS circuit is formed using the TFT shown in the first embodiment. CMO
The S circuit is configured by complementarily combining an N-channel TFT and a P-channel TFT having the structure shown in the first embodiment.

本実施例におけるCMOS回路の作製工程の一実施例を図5、図6を用いて説明する。
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回路を形成する
方法は本実施例に限ったものではない。
One embodiment of a manufacturing process of the CMOS circuit in this embodiment will be described with reference to FIGS.
Note that the application range of the crystalline silicon film formed according to the present invention is wide, and the method for forming a CMOS circuit is not limited to this embodiment.

まず実施例1に示す作製手順に従って、石英基板501上に酸化珪素膜502を成膜し
、その上に結晶性珪素膜(図示せず)を得る。そしてそれをパターニングすることにより
Nチャネル型TFTの島状半導体層503とPチャネル型TFTの島状半導体層504と
を形成する。
First, according to the manufacturing procedure shown in Embodiment 1, a silicon oxide film 502 is formed on a quartz substrate 501, and a crystalline silicon film (not shown) is obtained thereon. Then, the island-shaped semiconductor layer 503 of the N-channel TFT and the island-shaped semiconductor layer 504 of the P-channel TFT are formed by patterning it.

島状半導体層503、504を形成したら、ハロゲン元素を含む雰囲気における加熱処
理を行なう。本実施例では処理条件を実施例1と同じものとする。こうして、ゲイト絶縁
膜として機能する熱酸化膜505、506が500 Åの厚さで形成される。
After the island-shaped semiconductor layers 503 and 504 are formed, heat treatment is performed in an atmosphere containing a halogen element. In this embodiment, the processing conditions are the same as those in the first embodiment. Thus, thermal oxide films 505 and 506 functioning as gate insulating films are formed with a thickness of 500 mm.

なお、ここでは説明を簡単にするために一組のNチャネル型TFTとPチャネル型TF
Tとを形成する例を示す。実際には同一ガラス基板上に数百以上の単位でNチャネル型T
FTとPチャネル型TFTとが形成される。
Here, for simplicity of explanation, a pair of N-channel TFT and P-channel TF is used.
An example of forming T is shown. Actually, N-channel type T in hundreds or more on the same glass substrate
FT and P-channel TFT are formed.

次に、後にゲイト電極の原型を構成するアルミニウム膜(図示せず)を成膜し、パター
ニングしてアルミニウム膜のパターン507、508を形成する(パターン形成後もパタ
ーニングに使用したレジストマスクは残しておく)。
Next, an aluminum film (not shown) constituting a prototype of the gate electrode is formed later and patterned to form aluminum film patterns 507 and 508 (the resist mask used for patterning remains after pattern formation). deep).

このアルミニウム膜は実施例1同様、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0.2 wt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。
As in Example 1, this aluminum film contains scandium in an amount of 0.2 wt% in order to suppress generation of hillocks and whiskers. The aluminum film is formed by sputtering or electron beam evaporation.

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、隣合う配線間や上限間に離間
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 stab-like or needle-like protrusions resulting from abnormal growth of aluminum. The presence of hillocks and whiskers causes a short circuit and crosstalk between adjacent wirings and between wirings separated between upper limits.

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。
As materials other than the aluminum film, anodizable metals such as tantalum and molybdenum can be used. It is also possible to use a silicon film provided with conductivity instead of the aluminum film.

こうして図5(A)の状態が得られる。アルミニウム膜のパターン507、508を形
成したら、次に、実施例1と同様の条件でもってアルミニウム膜のパターン507、50
8の側面に多孔質の陽極酸化膜509、510を形成する。本実施例ではこの多孔質の陽
極酸化膜509、510の膜厚を0.7 μmとする。
In this way, the state of FIG. After the aluminum film patterns 507 and 508 are formed, the aluminum film patterns 507 and 50 are then subjected to the same conditions as in the first embodiment.
Porous anodic oxide films 509, 510 are formed on the side surfaces of 8. In this embodiment, the thickness of the porous anodic oxide films 509 and 510 is 0.7 μm.

さらにに、実施例1と同様の条件でもって緻密で強固な陽極酸化膜511、512の形
成を行う。ただし、本実施例ではこの膜厚が700 Å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513、514が画定する。こうして図5(B)の様な状態
が得られる。
Further, dense and strong anodic oxide films 511 and 512 are formed under the same conditions as in the first embodiment. However, in this embodiment, the ultimate voltage is adjusted so that the film thickness becomes 700 mm. In addition, gate electrodes 513 and 514 are defined by this process. Thus, a state as shown in FIG. 5B is obtained.

次に、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 〜 5×1015atoms/cm2 、好ましくは 1〜 2×1015atoms/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, the entire surface is doped with P (phosphorus) ions as an impurity imparting N-type conductivity. This doping is performed at a high dose of 0.2 to 5 × 10 15 atoms / cm 2 , preferably 1 to 2 × 10 15 atoms / cm 2 . As a doping method, a plasma doping method or an ion doping method is used.

この図5(C)に示す工程の結果、高濃度にPイオンが注入された領域515〜518
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5(C)
As a result of the process shown in FIG. 5C, regions 515 to 518 in which P ions are implanted at a high concentration.
Is formed. These regions later function as source / drain regions. (Fig. 5 (C)
)

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509と
510を除去する。この時、陽極酸化膜509、510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 509 and 510 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 509 and 510 is
Since it is not ion-implanted, it is substantially intrinsic.

次に、図5(D)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〜 5×1014atoms/cm2 、好ましくは 0.2〜 1×1014atoms/cm2 という低い値
とする。
Next, as shown in FIG. 5D, P ions are implanted again. This implantation of P ions has a dose amount as low as 0.1 to 5 × 10 14 atoms / cm 2 , preferably 0.2 to 1 × 10 14 atoms / cm 2 .

即ち、図5(D)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5(C)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
、領域515〜518に比較して不純物濃度の低い低濃度不純物領域519〜522が形
成される。
That is, the implantation amount of P ions performed in the step shown in FIG. 5D is lower than the dose amount performed in the step shown in FIG. Then, as a result of this step, low concentration impurity regions 519 to 522 having a lower impurity concentration than regions 515 to 518 are formed.

図5(D)に示す工程が終了した時点でNチャネル型TFTの活性層が完成する。即ち
、Nチャネル型TFTのソース領域515、ドレイン領域516、低濃度不純物領域(ま
たはLDD領域)519、520、チャネル形成領域523が画定する。
When the step shown in FIG. 5D is completed, the active layer of the N-channel TFT is completed. That is, a source region 515, a drain region 516, low-concentration impurity regions (or LDD regions) 519 and 520, and a channel formation region 523 of the N-channel TFT are defined.

また、特に図示しないが陽極酸化膜511でイオン注入を遮られた領域がチャネル形成
領域523と低濃度不純物領域519、520との間に存在する。この領域はオフセット
領域と呼ばれ、陽極酸化膜511の膜厚でその距離が決定される。
Although not particularly illustrated, a region where ion implantation is blocked by the anodic oxide film 511 exists between the channel formation region 523 and the low-concentration impurity regions 519 and 520. This region is called an offset region, and the distance is determined by the thickness of the anodic oxide film 511.

オフセッ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700 Åであるのでオフセット領域としては機能しない。
The offset region is substantially intrinsic without being ion-implanted, but does not form a channel because a gate voltage is not applied, and functions as a resistance component that relaxes electric field strength and suppresses deterioration.
However, when the distance (offset width) is short, it does not function as an effective offset region. In this embodiment, since the width is 700 mm, it does not function as an offset area.

次に、図6(A)に示すように左側のNチャネル型TFTを覆うレジストマスク524
を形成する。そして、図6(A)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。
Next, as shown in FIG. 6A, a resist mask 524 covering the left N-channel TFT is left.
Form. Then, B (boron) ions are implanted as an impurity imparting P-type in the state shown in FIG.

ここでは、Bイオンのドーズ量を 0.2〜10×1015atoms/cm2 、好ましくは 1〜 2×1015
atoms/cm2 程度とする。このドーズ量は図5(C)に示すPイオン注入工程におけるドー
ズ量と同程度またはそれ以上とする。
Here, the dose amount of B ions is 0.2 to 10 × 10 15 atoms / cm 2 , preferably 1 to 2 × 10 15.
About atoms / cm 2 . This dose amount is set to be approximately the same as or more than the dose amount in the P ion implantation step shown in FIG.

この工程により不純物(Pイオン)領域517、518、521、521の導電型は全
てN型からP型へと反転し、Pチャネル型TFTのソース領域525、ドレイン領域52
6が形成される。また、ゲイト電極514の直下にはチャネル形成領域527が形成され
る。
Through this process, the conductivity types of the impurity (P ion) regions 517, 518, 521, and 521 are all inverted from the N type to the P type, and the source region 525 and the drain region 52 of the P channel TFT are obtained.
6 is formed. A channel formation region 527 is formed immediately below the gate electrode 514.

次に、図6(A)に示す工程の終了後、レジストマスク524を取り除き、基板全面に
レーザー光または赤外光や紫外光等の強光を照射する。この工程により添加された不純物
イオンの活性化と、不純物イオンが注入された領域の損傷の回復が行なわれる。(図6(
B))
Next, after the step shown in FIG. 6A, the resist mask 524 is removed, and the entire surface of the substrate is irradiated with intense light such as laser light, infrared light, or ultraviolet light. The impurity ions added by this step are activated and the damage of the region into which the impurity ions are implanted is recovered. (Fig. 6 (
B))

次に、図6(B)に示す状態を得たら、層間絶縁膜528を4000Åの厚さに成膜する。
層間絶縁膜528は酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜、窒化珪素膜、有機性樹脂膜のいずれで
も良く、多層構造としても良い。これら絶縁膜の成膜方法は、プラズマCVD法、熱CV
D法、スピンコート法を用いればよい。
Next, when the state shown in FIG. 6B is obtained, an interlayer insulating film 528 is formed to a thickness of 4000 mm.
The interlayer insulating film 528 may be any of a silicon oxide film, a silicon oxynitride film, a silicon nitride film, and an organic resin film, and may have a multilayer structure. These insulating films can be formed by plasma CVD, thermal CV
A D method or a spin coating 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TFTのソース電極529、Pチャ
ネル型TFTのソース電極530を形成する。また、ドレイン電極531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回路が実現され
る。(図6(C))
Next, contact holes are formed, and a source electrode 529 of an N-channel TFT and a source electrode 530 of a P-channel TFT are formed. The drain electrode 531 is configured to be shared by the N-channel TFT and the P-channel TFT, thereby realizing a CMOS circuit. (Fig. 6 (C))

以上の様な過程を経て、図6(C)に示す構造でなるCMOS回路を作製することがで
きる。CMOS回路は最も単純な構成のインバータ回路であり、CMOSインバータ回路
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 shown in FIG. 6C can be manufactured. A CMOS circuit is an inverter circuit having the simplest configuration, and a closed circuit formed by connecting an odd number of CMOS inverter circuits in series is called a ring oscillator and is used for evaluating the operation speed of a semiconductor device.

ここで図7(A)に示す上面写真は、本実施例に従って作製したCMOS回路を組み合
わせて構成したリングオシレータ回路である。本発明者らは本発明を利用して実際にアク
ティブマトリクス型液晶表示装置を試作し、その駆動回路の動作性能をリングオシレータ
で確認した。
Here, the top view photograph shown in FIG. 7A is a ring oscillator circuit configured by combining CMOS circuits manufactured according to this embodiment. The present inventors actually made a prototype of an active matrix type liquid crystal display device using the present invention, and confirmed the operation performance of the drive circuit with a ring oscillator.

なお、図7(A)に示すリングオシレータを構成するCMOS回路のゲイト電極幅は約
0.6 μmと細く、チャネル形成領域は通常ならば短チャネル効果が発生する程度にまで微
細化されている。
The gate electrode width of the CMOS circuit constituting the ring oscillator shown in FIG.
As thin as 0.6 μm, the channel formation region is usually miniaturized to such an extent that a short channel effect occurs.

また、図7(B)には参考としてシフトレジスタ回路の写真を示す。図7(B)に示す
シフトレジスタ回路は試作した周辺駆動回路を構成する重要な回路の一つであり、画素領
域のアドレスを指定するロジック回路である。特に、水平走査用(ソース側用)シフトレ
ジスタ回路は実動作時に数MHz〜数十MHz程度の非常に高い周波数での駆動を要求さ
れる。
FIG. 7B shows a photograph of the shift register circuit as a reference. The shift register circuit shown in FIG. 7B is one of important circuits constituting the prototype peripheral drive circuit, and is a logic circuit for designating the address of the pixel region. In particular, the horizontal scanning (source side) shift register circuit is required to be driven at a very high frequency of about several MHz to several tens of MHz during actual operation.

リングオシレータ回路の発振周波数は9、19、51組(段)のCMOS回路を接続し
たリングオシレータで測定した。その結果、電源電圧3〜5V、9段のリングオシレータ
で 300MHz以上、中には500 MHzを超える発振周波数が得られており、極めて動作速
度が速いことが判明した。
The oscillation frequency of the ring oscillator circuit was measured with a ring oscillator to which 9, 19, and 51 sets (stages) of CMOS circuits were connected. As a result, it was found that an oscillation frequency of 300 MHz or higher, more than 500 MHz was obtained with a 9-stage ring oscillator with a power supply voltage of 3 to 5 V, and the operating speed was extremely high.

これらの値は従来の作製工程で作製したリングオシレータに比べて20倍近い動作速度
を有することを意味している。また、1〜5Vの範囲で電源電圧を振っても常に数十〜数
百MHzの発振周波数を実現している。
These values mean that the operating speed is nearly 20 times that of a ring oscillator manufactured in the conventional manufacturing process. Moreover, even if the power supply voltage is varied in the range of 1 to 5 V, an oscillation frequency of several tens to several hundreds of MHz is always realized.

リングオシレータ回路は動作速度を評価するためのテストパターンであり、実際にシフ
トレジスタ回路やプロセッサ回路といったロジック回路を構成した場合には動作速度が減
少するのを避けられない。これはロジック回路自体に様々な付加容量が加わるためである
The ring oscillator circuit is a test pattern for evaluating the operation speed. When a logic circuit such as a shift register circuit or a processor circuit is actually configured, it is inevitable that the operation speed decreases. This is because various additional capacitors are added to the logic circuit itself.

しかし、本発明を利用したCMOS回路はその様な付加価値が加わった状況においても
、問題なく高速動作させることが可能であり、あらゆるロジック回路の要求に応える性能
を有している。
However, a CMOS circuit using the present invention can be operated at high speed without any problem even in a situation where such added value is added, and has a performance meeting the requirements of all logic circuits.

さらに、チャネル長が0.6 μmと極めて微細化されているにも拘わらず、本実施例に示
した様な極めて高速な動作にも耐えうる高い耐圧特性をも有していることは、本発明によ
るTFTが短チャネル効果に殆ど影響されず、極めて高い信頼性を有していることを意味
している。
Furthermore, despite the extremely fine channel length of 0.6 μm, the present invention also has a high breakdown voltage characteristic that can withstand extremely high speed operation as shown in this embodiment. This means that the TFT is hardly affected by the short channel effect and has extremely high reliability.

〔本発明の構成から導かれる推察〕
実施例1および実施例2で示した様に、本発明に従って作製したTFTは極めて高い性
能(高速動作特性、高耐圧特性)を実現している。特に、S値が60〜100mV/dec 、電界効
果移動度(μFE) が 150〜300cm2/Vs の範囲に収まる(後述するが実際の電界効果移動度
はもっと高いと考えられる)など従来のTFTでは到底成しえなかった事である。
[Inference derived from the configuration of the present invention]
As shown in Example 1 and Example 2, TFTs manufactured according to the present invention achieve extremely high performance (high-speed operation characteristics, high breakdown voltage characteristics). In particular, conventional TFTs that have an S value of 60 to 100 mV / dec and a field effect mobility (μFE) in the range of 150 to 300 cm 2 / Vs (which is considered to be higher in actual field effect mobility, as will be described later). Then it was impossible to achieve.

また、この様な高速動作特性を有していながら劣化に強いという特徴は、経験的にも特
異な現象と言えよう。そこで、本発明者らは本発明によるTFTが何故これほどまで耐劣
化性に優れているかを考察し、そこから一つの理論を推察したので以下に記載する。
In addition, it can be said that this characteristic of being resistant to deterioration while having such a high-speed operation characteristic is a peculiar phenomenon from experience. Therefore, the present inventors considered why the TFT according to the present invention is so excellent in deterioration resistance, and inferred one theory from the reason, will be described below.

TFTの耐圧(ソース−ドレイン間耐圧)を高めるためにはオフセット領域やLDD領
域をチャネル形成領域とソース/ドレイン領域との間に設けることが一般的にである。し
かしながら本発明者らの経験では、その様な構造としても移動度が150cm2/Vs を超えると
かなりの劣化が起こることが判っている。
In order to increase the breakdown voltage (source-drain breakdown voltage) of a TFT, an offset region or an LDD region is generally provided between a channel formation region and a source / drain region. However, the inventors' experience has shown that even with such a structure, significant degradation occurs when the mobility exceeds 150 cm 2 / Vs.

そこで本発明者らは、本発明によるTFTの耐圧が高い理由として針状または柱状結晶
の結晶粒界の影響を重視した。この結晶粒界はハロゲン元素を含む加熱処理によって結晶
化を助長する金属元素が除去されると同時に、シリコン原子の不対結合手が酸素と結合し
て、酸化物(酸化珪素)で構成されている。
Therefore, the inventors attach importance to the influence of the crystal grain boundary of the needle-like or columnar crystal as the reason why the TFT of the present invention has a high breakdown voltage. This crystal grain boundary is composed of an oxide (silicon oxide) in which a metal element that promotes crystallization is removed by heat treatment containing a halogen element, and at the same time, dangling bonds of silicon atoms are combined with oxygen. Yes.

即ち、本発明者らはチャネル形成領域に局部的に存在する結晶粒界(酸化物領域)がソ
ース領域とドレイン領域の間、特にチャネル形成領域とドレイン領域との間にかかる高電
界を効果的に緩和していると推測した。
That is, the present inventors effectively applied a high electric field in which a grain boundary (oxide region) locally existing in the channel formation region is applied between the source region and the drain region, particularly between the channel formation region and the drain region. I guessed it was relaxed.

具体的には、酸化物領域でなる結晶粒界が特にドレイン領域から広がる空乏層電荷によ
り形成される電界を抑え、ドレイン電圧が高くなった状態(ドレイン側空乏層電荷が増加
した状態)においても、ソース側の拡散電位を変化させない様に機能していると考えたの
である。
Specifically, the electric field formed by the depletion layer charge that spreads from the drain region, particularly in the oxide region, is suppressed, and the drain voltage is increased (the drain side depletion layer charge is increased). It was thought that it functions so as not to change the diffusion potential on the source side.

以上をまとめると、本発明による結晶性珪素膜を活性層に活用した場合、チャネル形成
領域は以下の構成を満たしていると見なせる。
(1)キャリアが移動する(キャリアにとって)実質的に真性な領域(針状または柱状
結晶の内部)が存在する。
(2)キャリアの移動を抑制する又はチャネル方向(ソース−ドレイン間を結ぶ方向)
にかかる電界を緩和する不純物領域(酸化物領域)が存在する。
In summary, when the crystalline silicon film according to the present invention is used for the active layer, the channel formation region can be regarded as satisfying the following configuration.
(1) There is a substantially intrinsic region (inside the needle-like or columnar crystal) where the carrier moves (for the carrier).
(2) Suppressing carrier movement or channel direction (direction connecting source and drain)
There is an impurity region (oxide region) that relaxes the electric field applied to the substrate.

従って、上記2つの構成を満たす、換言すればキャリアにとって実質的に真性なチャネ
ル形成領域と、局部的に形成された不純物領域とを有する構成とすることで本発明が示す
様な優れた特性のTFTを作製しうると考えられる。
Therefore, by satisfying the above two configurations, in other words, having a channel formation region that is substantially intrinsic to the carrier and a locally formed impurity region, it has excellent characteristics as shown in the present invention. It is considered that a TFT can be manufactured.

以上の構成は、多少の推測を交えてではあるが、本発明者らの実験データから導かれる
ものである。そこで、本発明者らはこの構成を人為的に創り出すことで同様の効果を得る
ことができるのではないかと予想した。
The above configuration is derived from the experimental data of the present inventors, although with some assumptions. Therefore, the present inventors expected that the same effect could be obtained by artificially creating this configuration.

その結果、本発明者らは短チャネル効果の抑制に効果的な構成を提案するに至った。こ
こではその概略について、以下に記載する。なお、以下に記載する考察は現状においては
推測の範囲に止まるものである。
As a result, the present inventors have proposed a configuration effective for suppressing the short channel effect. Here, the outline is described below. In addition, the considerations described below are limited to the scope of estimation at present.

一般的にデバイス素子(MOSFET、TFT等)の微細化が進みチャネル長が短くな
るにつれて、短チャネル効果が問題となる。短チャネル効果とは、しきい値電圧の低下、
パンチスルー現象に伴う耐圧の劣化およびサブスレッショルド特性の劣化などの総称であ
る。
In general, as the device element (MOSFET, TFT, etc.) becomes finer and the channel length becomes shorter, the short channel effect becomes a problem. The short channel effect is a decrease in threshold voltage,
It is a general term for the breakdown of breakdown voltage and the deterioration of subthreshold characteristics associated with the punch-through phenomenon.

特に問題となるパンチスルー現象はソース側の拡散電位がドレイン側の電界に影響され
て低下し、チャネルが形成されない状態でもソース/ドレイン間に電流が流れる現象であ
る。即ち、ドレイン側の空乏層がソース領域にまで広がることで、ドレイン電界がソース
側に影響を与えるのである。
A particularly problematic punch-through phenomenon is a phenomenon in which the diffusion potential on the source side decreases due to the influence of the electric field on the drain side, and a current flows between the source and drain even when no channel is formed. That is, the drain depletion layer extends to the source region, so that the drain electric field affects the source side.

そこで本発明者らは本発明の結晶粒界(酸化物領域)の効果に注目して、チャネル長が
0.01〜2 μm程度の短チャネルTFTにおいては、チャネル形成領域に対して人為的かつ
局部的に不純物領域を設けることで、ドレイン側の空乏層の広がりを抑制する効果が得ら
れると推測した。
Therefore, the present inventors pay attention to the effect of the grain boundary (oxide region) of the present invention, and the channel length is
In a short channel TFT of about 0.01 to 2 μm, it is estimated that an effect of suppressing the spread of the depletion layer on the drain side can be obtained by providing the impurity region artificially and locally in the channel formation region.

この様な構成は活性層を図8に示す様な構成とすることで達成できると考えられる。図
8(A)において、801はソース領域、802はドレイン領域、803はチャネル形成
領域であり、チャネル形成領域803の中には人為的に不純物領域804が形成される。
また、チャネル形成領域803中、不純物領域804以外の領域805は、実質的に真性
な領域であり、キャリアが移動する領域となる。
Such a configuration can be achieved by making the active layer as shown in FIG. In FIG. 8A, reference numeral 801 denotes a source region, 802 denotes a drain region, and 803 denotes a channel formation region. An impurity region 804 is artificially formed in the channel formation region 803.
In the channel formation region 803, a region 805 other than the impurity region 804 is a substantially intrinsic region and serves as a region where carriers move.

ここで図8(A)に示す構造は、図10に示す本発明の結晶構造体を模した構造である
点が重要である。即ち、図10の1001で示される結晶粒界は図8(A)の不純物領域
804に相当し、図10の針状または柱状結晶は図8(A)のキャリアが移動する領域8
05に相当するのである。
Here, it is important that the structure shown in FIG. 8A is a structure imitating the crystal structure of the present invention shown in FIG. That is, the crystal grain boundary indicated by 1001 in FIG. 10 corresponds to the impurity region 804 in FIG. 8A, and the needle-like or columnar crystal in FIG.
This corresponds to 05.

従って、チャネル形成領域803内に配置された不純物領域804はチャネル形成領域
内に局部的にビルトインポテンシャル(エネルギー障壁とも言える)の大きい領域を形成
し、そのエネルギー障壁によってドレイン側空乏層の広がりを効果的に抑制すると推測で
きる。
Accordingly, the impurity region 804 disposed in the channel formation region 803 locally forms a region with a large built-in potential (also referred to as an energy barrier) in the channel formation region, and the energy barrier effectively spreads the drain side depletion layer. It can be speculated that it will be suppressed.

また、図8(A)をA−A’で切断した断面図を図8(B)に示す。806は絶縁表面
を有する基板である。また、図8(A)をB−B’で切断した断面図を図8(C)に示す
FIG. 8B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. Reference numeral 806 denotes a substrate having an insulating surface. 8C is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG.

なお、図8(C)においてwpi,nは不純物領域804の幅を表し、wpa,mはキャリアが
移動する領域の幅を表す。ここでn、mはチャネル形成領域803内において、wpi,nが
n番目の不純物領域の幅であり、wpa,mがm番目のキャリアが移動する領域であることを
意味している。
In FIG. 8C, wpi, n represents the width of the impurity region 804, and wpa, m represents the width of the region in which carriers move. Here, n and m in the channel formation region 803 mean that wpi, n is the width of the nth impurity region, and wpa, m is a region where the mth carrier moves.

また、wpi,nおよびwpa,mの幅はある範囲の条件を満たす必要がある。そのことについ
て以下に説明する。
The widths of wpi, n and wpa, m must satisfy a certain range of conditions. This will be described below.

図8(A)において、チャネル形成領域803の幅、即ちチャネル幅はWである。ここ
で、チャネル幅Wの内、不純物領域804が占有している幅をWpiと定義する。そして、
任意の不純物領域の幅をWpi,1、Wpi,2、Wpi,3・・・Wpi,nとすると、Wpiは次式で表
される。
In FIG. 8A, the width of the channel formation region 803, that is, the channel width is W. Here, of the channel width W, the width occupied by the impurity region 804 is defined as Wpi. And
If the width of an arbitrary impurity region is Wpi, 1 , Wpi, 2 , Wpi, 3 ... Wpi , n , Wpi is expressed by the following equation.

但し、本構成を達成するためにはチャネル形成領域の端部以外の領域に、不純物領域が
少なくとも一つ形成されている必要があるので、nは1以上の整数でなければならない。
However, in order to achieve this configuration, at least one impurity region needs to be formed in a region other than the end portion of the channel formation region, so n must be an integer of 1 or more.

また、チャネル幅Wの内、キャリアの移動領域805が占有している幅をWpaと定義す
る。そして、任意のキャリアの移動領域805をWpa,1、Wpa,2、Wpa,3・・・Wpa,m
すると、Wpaは次式で表される。
Of the channel width W, the width occupied by the carrier movement region 805 is defined as Wpa. If the moving region 805 of an arbitrary carrier is Wpa, 1 , Wpa, 2 , Wpa, 3 ... Wpa , m , Wpa is expressed by the following equation.

但し、前述の様にチャネル形成領域の端部以外の領域に不純物領域が少なくとも一つ形
成されているので、チャネル形成領域は少なくとも2分されてmは2以上の整数でなけれ
ばならない。
However, since at least one impurity region is formed in a region other than the end portion of the channel formation region as described above, the channel formation region must be divided into at least two and m must be an integer of 2 or more.

即ち、全チャネル幅WはW=Wpi+Wpa、かつ、n+mは3以上という関係が成り立っ
ている。そして、WとWpi、WとWpaおよびWpiとWpaとの関係は、同時に以下の条件を
満たすことが望ましい。
Wpi/W=0.1 〜0.9
Wpa/W=0.1 〜0.9
Wpi/Wpa=1/9 〜9
That is, the relationship that the total channel width W is W = Wpi + Wpa and n + m is 3 or more is established. The relationship between W and Wpi, W and Wpa, and Wpi and Wpa preferably satisfy the following conditions at the same time.
Wpi / W = 0.1-0.9
Wpa / W = 0.1-0.9
Wpi / Wpa = 1/9 to 9

これらの数式の意味するところは、Wpa/WまたはWpi/Wが0または1であってはな
らないという事である。例えば、Wpa/W=0(Wpi/W=1と同義)の場合、チャネル
形成領域を完全に不純物領域で塞いでしまうのでキャリアの移動が阻害される。逆にWpa
/W=1(Wpi/W=0と同義)の場合、チャネル形成領域に不純物領域が全く存在しな
いのでドレイン側空乏層の広がりを抑えることができない。
The meaning of these mathematical expressions is that Wpa / W or Wpi / W must not be 0 or 1. For example, in the case of Wpa / W = 0 (synonymous with Wpi / W = 1), the channel formation region is completely blocked by the impurity region, so that carrier movement is inhibited. Conversely, Wpa
In the case of / W = 1 (synonymous with Wpi / W = 0), the impurity region does not exist at all in the channel formation region, so that the spread of the drain side depletion layer cannot be suppressed.

また、数1、数2に関する知見は実施例1および実施例2に見られるTFT特性を説明
する上で重要な役割を果たす。その事について以下に示す。
In addition, the knowledge related to Equations 1 and 2 plays an important role in explaining the TFT characteristics found in Example 1 and Example 2. This is shown below.

本発明者らは実施例1で示した移動度の値に対して実施例2で示したリングオシレータ
の発振周波数が高すぎる点に注目した。即ち、実際の移動度と測定によって得られた移動
度とで数値が異なるのではないかと考えたのである。
The inventors noticed that the oscillation frequency of the ring oscillator shown in Example 2 is too high for the mobility value shown in Example 1. That is, it was thought that the numerical value may differ between the actual mobility and the mobility obtained by measurement.

本発明者らは、実測された移動度の値が実際の移動度(元来本発明のTFTが有してい
る移動度)よりも小さいのではないかと考えている。その理由は、本発明者らの測定では
以下の様な移動度を算出する式に、実測のチャネル幅Wを代入している事にある。
The present inventors consider that the measured mobility value is smaller than the actual mobility (the mobility inherent in the TFT of the present invention). The reason is that the measured channel width W is substituted into the following equation for calculating the mobility in the measurement by the present inventors.

μFE=1/ Cox(ΔId/ ΔVg)・1/ Vd・L/ W
ここでCoxはゲイト酸化膜容量、ΔId、ΔVgはそれぞれドレイン電流Idとゲイト
電圧Vgの変化量、Vdはドレイン電圧、L、Wはそれぞれチャネル長およびチャネル幅
である。
μFE = 1 / Cox (ΔId / ΔVg) · 1 / Vd · L / W
Here, Cox is the gate oxide film capacitance, ΔId and ΔVg are the amounts of change in the drain current Id and the gate voltage Vg, Vd is the drain voltage, and L and W are the channel length and channel width, respectively.

この式から明らかな様に電界効果移動度(μFE)はチャネル幅Wに反比例する。測定で
はこのWに値として、測定機で実測したチャネル幅を代入して計算を行なっている。
As is apparent from this equation, the field effect mobility (μFE) is inversely proportional to the channel width W. In the measurement, calculation is performed by substituting the channel width actually measured by a measuring machine as a value for W.

しかしながら、数1、数2を用いて説明した様に、実際には針状または柱状結晶の間に
は酸化物層が形成されており、その分を差し引いた和でもって実効的なチャネル幅Wpaを
定義しなくてはならないのである。即ち、代入したチャネル幅Wは実効的なチャネル幅W
paよりも大きい値である。
However, as described using Equations 1 and 2, an oxide layer is actually formed between the needle-like or columnar crystals, and the effective channel width Wpa is obtained by subtracting the oxide layer. Must be defined. That is, the assigned channel width W is equal to the effective channel width W.
It is a value larger than pa.

以上の理由により、実際よりも大きめのチャネル幅を代入して計算された移動度を求め
ているため、見かけ上移動度が小さく計算されてしまうと考えられるのである。従って、
本発明に従うことで実際には400cm2/Vs を超える移動度を達成するTFTが実現されてい
ると推測される。そして、その様な移動度が達成されているからこそ、実施例2に示した
様な500MHzを超える発振周波数が実現できるのだと言える。
For the above reason, since the mobility calculated by substituting a channel width larger than the actual one is obtained, it is considered that the apparent mobility is calculated to be small. Therefore,
In accordance with the present invention, it is presumed that a TFT achieving a mobility exceeding 400 cm 2 / Vs is actually realized. And it can be said that the oscillation frequency exceeding 500 MHz as shown in the embodiment 2 can be realized because such mobility is achieved.

また、不純物領域を図8(A)に示す様な配置で設けることは移動度の向上に対して非
常に大きな意味があると予想される。その理由について以下に説明する。
Further, it is expected that providing the impurity regions in an arrangement as shown in FIG. 8A has a very significant meaning for improving the mobility. The reason will be described below.

移動度(μFE) は半導体膜(ここでは珪素膜を例にとる)中のキャリアの散乱によって
決まるが、珪素膜における散乱は格子散乱と不純物散乱とに大別される。格子散乱は珪素
膜中の不純物濃度が低く、比較的高温で支配的であり、不純物散乱は不純物濃度が高く、
比較的低温で支配的である。これらが影響し合って形成される全体的な移動度μは次式で
表される。
The mobility (μFE) is determined by scattering of carriers in a semiconductor film (here, a silicon film is taken as an example), and scattering in the silicon film is roughly divided into lattice scattering and impurity scattering. Lattice scattering has a low impurity concentration in the silicon film and is dominant at relatively high temperatures, and impurity scattering has a high impurity concentration,
It is dominant at relatively low temperatures. The overall mobility μ formed by these influences is expressed by the following equation.

この数5で示される式は、全体的な移動度μが、格子散乱の影響を受けた場合の移動度
μl lはlattice を意味する) の逆数および不純物散乱の影響を受けた場合の移動度μ
i iはimpurityを意味する) の逆数の和に反比例することを意味している。
The equation shown in Equation 5 is obtained when the overall mobility μ is affected by the reciprocal of mobility μ l when l is affected by lattice scattering ( l means lattice) and by impurity scattering. Mobility μ
It means inversely proportional to the sum of the reciprocals of i ( i means impurity).

ここで、格子散乱ではドリフト電界がそれほど強くなければ音響フォノンが重要な役割
を果たし、その時の移動度μl は、次式の様に温度の-3/2乗に比例する。従って、キャリ
アの有効質量(m*)と温度(T)で決まってしまう。
Here, if the drift electric field is not so strong in the lattice scattering, the acoustic phonon plays an important role, and the mobility μ l at that time is proportional to the −3/2 power of the temperature as shown in the following equation. Therefore, it is determined by the effective mass (m *) and temperature (T) of the carrier.

また、不純物散乱による移動度μi は、次式の様に温度の3/2 乗に比例し、イオン化し
た不純物の濃度Ni に逆比例する。即ち、イオン化した不純物の濃度Ni を調節すること
で変化させることができる。
Moreover, the mobility mu i due to impurity scattering is proportional to 3/2 power of the temperature as indicated by the following expression and inversely proportional to the concentration N i of ionized impurities. That can be varied by adjusting the concentration N i of ionized impurities.

これらの式によると、チャネル形成領域全体に均一に不純物が添加された状態では不純
物散乱の影響を受けて移動度を稼ぐことができない。しかしながら、図8に示す構成の場
合、局部的に不純物領域を形成しているので、キャリアが移動する領域には不純物が添加
されず、キャリアにとって実質的に真性である。
According to these formulas, mobility cannot be obtained due to the influence of impurity scattering in a state where impurities are uniformly added to the entire channel formation region. However, in the case of the structure shown in FIG. 8, since the impurity region is locally formed, no impurity is added to the region where the carrier moves, which is substantially intrinsic to the carrier.

即ち、理論的には数7においてイオン化した不純物の濃度Ni を限りなく0に近づける
ことを意味するため、移動度μi は限りなく無限大に近づいていくことになる。即ち、数
5において1/μi の項を無視することができる程度にまで不純物を減少させることを意
味するので全体の移動度μは限りなく移動度μl に近づいていくと推測される。
In other words, it means that the closer to 0 without limit concentration N i of impurities ionized in the number 7 in theory, the mobility mu i will be approaching infinity as possible. That is, in Equation 5, it means that impurities are reduced to such an extent that the term of 1 / μ i can be ignored, so it is estimated that the entire mobility μ approaches the mobility μ l without limit.

また、図8(A)において不純物領域804がチャネル方向と概略平行となる様に配置
されていることは重要である。この様な配置は、図10に示した針状または柱状結晶の結
晶粒界の延びる方向と、チャネル方向とが一致した場合に相当する。
In FIG. 8A, it is important that the impurity region 804 is arranged so as to be substantially parallel to the channel direction. Such an arrangement corresponds to the case where the direction in which the crystal grain boundary of the needle-like or columnar crystal shown in FIG. 10 extends matches the channel direction.

この様な配置とした場合、不純物領域804は「良性の結晶粒界」として振る舞うと予
想されるので、キャリアを捕獲することなく、レールの様な役割を果してキャリアに移動
方向を規定すると推測される。このことは、キャリア同士の衝突による散乱の影響を低減
する上で非常に重要な構成である。
In such an arrangement, the impurity region 804 is expected to behave as a “benign crystal grain boundary”. Therefore, it is presumed that the moving direction is defined for the carrier by playing a role like a rail without capturing the carrier. The This is a very important configuration for reducing the influence of scattering caused by collision between carriers.

また、以上の様な構成とすることで、短チャネル効果の一つであるしきい値電圧の低下
も抑制できると予想される。これはチャネル幅が極端に狭くなった時に生じる狭チャネル
効果を、不純物領域間で人為的に引き起こすことが可能であるという推論に基づく予想で
ある。
In addition, with the above configuration, it is expected that a decrease in threshold voltage, which is one of the short channel effects, can be suppressed. This is an expectation based on the inference that the narrow channel effect that occurs when the channel width becomes extremely narrow can be artificially caused between the impurity regions.

また、前述の様にドレイン側空乏層の広がりを抑制することでパンチスルー現象を抑制
することが可能と考えられるが、パンチスルー現象を抑制することで耐圧の向上と共にサ
ブスレッショルド特性(S値)の向上も望める。
Further, as described above, it is considered possible to suppress the punch-through phenomenon by suppressing the spread of the drain side depletion layer. However, by suppressing the punch-through phenomenon, the breakdown voltage is improved and the subthreshold characteristic (S value). Can also be improved.

サブスレッショルド特性の向上は、本構成を用いることでドレイン側空乏層の占める体
積を減じることができるという推論から以下の様に説明できる。
The improvement in the subthreshold characteristic can be explained as follows from the inference that the volume occupied by the drain side depletion layer can be reduced by using this configuration.

図8(A)で示す構成とした時に、効果的に空乏層の広がりが抑制されるならば、ドレ
イン側空乏層の占める体積を大幅に減じることが可能でなはずである。従って、総合的な
空乏層電荷を小さくできるため、空乏層容量を小さくできると考えられる。ここで、S値
を導出する式は次式で表される。
If the spread of the depletion layer is effectively suppressed in the configuration shown in FIG. 8A, it should be possible to significantly reduce the volume occupied by the drain side depletion layer. Therefore, it is considered that the depletion layer capacitance can be reduced because the total charge of the depletion layer can be reduced. Here, the equation for deriving the S value is expressed by the following equation.

この式は図4に示すグラフにおいて、Id-Vg 特性の立ち上がり部分(ゲイト電圧0V付
近)の傾きの逆数を表している。また、数3で表される式は近似的に次式の様に表すこと
ができる。
This equation represents the reciprocal of the slope of the rising portion of the Id-Vg characteristic (near the gate voltage of 0 V) in the graph shown in FIG. Further, the expression expressed by Equation 3 can be approximately expressed as the following expression.

数4において、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、qは電荷量、Cd は空乏層容量、
Citは界面準位の等価容量、Coxはゲイト酸化膜容量である。従って、本構成では空乏層
容量Cd が従来よりも十分小さくなるので、S値を85mV/decade 以下の小さな値とするこ
とができる、即ち優れたサブスレッショルド特性を得ることができるのである。
In Equation 4, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, q is the charge amount, Cd is the depletion layer capacitance,
Cit is the interface state equivalent capacitance, and Cox is the gate oxide film capacitance. Therefore, in this configuration, the depletion layer capacitance Cd is sufficiently smaller than the conventional one, so that the S value can be set to a small value of 85 mV / decade or less, that is, an excellent subthreshold characteristic can be obtained.

また、空乏層容量Cd および界面準位の等価容量Citを0に可能な限り近づけることで
、Cd =Cit=0となる理想状態、即ちS値が60mV/decade となる半導体装置を実現でき
る可能性がある。
In addition, by bringing the depletion layer capacitance Cd and the interface state equivalent capacitance Cit as close as possible to 0, it is possible to realize an ideal state where Cd = Cit = 0, that is, a semiconductor device having an S value of 60 mV / decade. There is.

ところで、本発明は針状または柱状結晶の結晶粒界が酸化物で構成されているが、そこ
から推測される本構成では、本発明の結晶粒界に相当する不純物領域として酸素以外に窒
素や炭素を用いても良い。これは、本構成の目的がチャネル形成領域に対して人為的にエ
ネルギー障壁を配置することにあるからである。
By the way, in the present invention, the crystal grain boundaries of needle-like or columnar crystals are composed of oxides, but in this configuration inferred therefrom, nitrogen or nitrogen other than oxygen is used as an impurity region corresponding to the crystal grain boundaries of the present invention. Carbon may be used. This is because the purpose of this configuration is to artificially arrange an energy barrier with respect to the channel formation region.

従って、エネルギー障壁を形成するという観点から考えれば、反転層の導電型と逆の導
電型を持つ不純物領域でも効果があると言えよう。即ち、Nチャネル型半導体装置ならば
Bイオンを、Pチャネル型H半導体装置ならばPイオンを用いて不純物領域を形成すれば
良いと言える。
Therefore, from the viewpoint of forming an energy barrier, it can be said that an impurity region having a conductivity type opposite to that of the inversion layer is also effective. That is, it can be said that an impurity region may be formed using B ions for an N-channel semiconductor device and P ions for a P-channel H semiconductor device.

また、不純物領域をPまたはBイオンで構成する場合、添加する不純物イオンの濃度で
直接的にしきい値制御を行なうことも可能である。
When the impurity region is composed of P or B ions, the threshold value can be directly controlled by the concentration of the impurity ions to be added.

以上の様に、本構成は本明細書で開示する発明の構成および実験事実をもとに本発明者
らの推測により導かれた技術である。本構成を実施することで、チャネル長が極めて短い
ディープサブミクロン領域の半導体装置で問題となる短チャネル効果を効果的に抑制する
ことができると推測される。
As described above, this configuration is a technique derived by the inventors' estimation based on the configuration and experimental facts of the invention disclosed in this specification. By implementing this configuration, it is estimated that the short channel effect, which is a problem in a semiconductor device in a deep submicron region with an extremely short channel length, can be effectively suppressed.

本実施例では、実施例1で示す結晶性珪素膜をシリコンウェハー上に形成する例を示す
。この場合、シリコンウェハー表面に絶縁層を設ける必要があるが、通常熱酸化膜を利用
することが多い。
In this example, an example in which the crystalline silicon film shown in Example 1 is formed on a silicon wafer is shown. In this case, an insulating layer needs to be provided on the surface of the silicon wafer, but usually a thermal oxide film is often used.

熱処理の温度範囲は700〜1300℃が一般的であり、所望の酸化膜厚によって処理
時間は変化する。
The temperature range of the heat treatment is generally 700 to 1300 ° C., and the treatment time varies depending on the desired oxide film thickness.

また、シリコンウェハーの熱酸化は通常O2 、O2-H2 O、H2 O、O2-H2 燃焼など
の雰囲気で行なわれる。また、HClやCl2 などのハロゲン元素を添加した雰囲気での
酸化も広く実用化されている。
Further, thermal oxidation of a silicon wafer is usually performed in an atmosphere such as O 2 , O 2 —H 2 O, H 2 O, O 2 —H 2 combustion. In addition, oxidation in an atmosphere to which a halogen element such as HCl or Cl 2 is added has been widely put into practical use.

シリコンウェハーはICなどの半導体デバイスに欠かせない基体の一つであり、ウェハ
ー上に様々な半導体素子を形成する技術が生み出されている。
Silicon wafers are one of the bases indispensable for semiconductor devices such as ICs, and techniques for forming various semiconductor elements on the wafers have been created.

本実施例によれば、単結晶に匹敵する結晶性を備えた結晶性珪素膜を従来のシリコンウ
ェハーを用いた技術に組み合わせ、結晶性珪素膜の応用範囲をさらに拡大することができ
る。
According to the present embodiment, a crystalline silicon film having crystallinity comparable to that of a single crystal can be combined with a technique using a conventional silicon wafer to further expand the application range of the crystalline silicon film.

また、シリコンウェハー上のIC上にTFTを形成して三次元的に半導体装置を配置し
た集積化回路を構成することも可能である。
It is also possible to form an integrated circuit in which TFTs are formed on an IC on a silicon wafer and semiconductor devices are arranged three-dimensionally.

本実施例では、本発明を応用して作製したTFTをDRAM(Dynamic Rondom Access
Memory)に応用した例について説明する。説明には図13を用いることとする。
In this embodiment, a TFT manufactured by applying the present invention is a DRAM (Dynamic Rondom Access).
An example applied to (Memory) will be described. FIG. 13 is used for the description.

DRAMは記憶する情報を電荷としてコンデンサに蓄える形式のメモリである。コンデ
ンサへの情報としての電荷の出し入れは、コンデンサに直列に接続されたTFTによって
制御される。DRAMの1個のメモリセルを構成するTFTとコンデンサの回路を図13
(A)に示す。
A DRAM is a type of memory that stores stored information as electric charges in a capacitor. The input / output of electric charge as information to the capacitor is controlled by a TFT connected in series to the capacitor. FIG. 13 shows a circuit of TFT and capacitor constituting one memory cell of DRAM.
Shown in (A).

ワード線1301によってゲイト信号を与えられると、1303で示されるTFTは導
通状態となる。この状態でビット線1302側からコンデンサ1304に電荷が充電され
て情報を読み込んだり、充電したコンデンサから電荷を取り出して情報を読みだしたりす
る。
When a gate signal is supplied by the word line 1301, the TFT indicated by 1303 is turned on. In this state, the capacitor 1304 is charged with charge from the bit line 1302 side to read information, or the charge is taken out from the charged capacitor to read information.

DRAMの断面構造を図13(B)に示す。1305で示されるのは、石英基板もしく
はシリコン基板でなる基体である。
A cross-sectional structure of the DRAM is shown in FIG. Reference numeral 1305 denotes a substrate made of a quartz substrate or a silicon substrate.

上記基体1305上には下地膜として酸化珪素膜1306が成膜され、その上には本発
明を応用したTFTが作製される。なお、基体1305がシリコン基板であれば、下地膜
1306として熱酸化膜を用いることもできる。また、1307は実施例1に従って形成
された活性層である。
A silicon oxide film 1306 is formed on the base 1305 as a base film, and a TFT to which the present invention is applied is formed thereon. If the base 1305 is a silicon substrate, a thermal oxide film can be used as the base film 1306. Reference numeral 1307 denotes an active layer formed according to the first embodiment.

活性層1307はゲイト絶縁膜1308で覆われ、その上にはゲイト電極1309が形
成される。そして、その上に層間絶縁膜1310が積層された後、ソース電極1311が
形成される。このソース電極1311の形成と同時にビット線1302および1312で
示される電極が形成される。また、1313は絶縁膜でなる保護膜である。
The active layer 1307 is covered with a gate insulating film 1308, and a gate electrode 1309 is formed thereon. Then, after an interlayer insulating film 1310 is stacked thereon, a source electrode 1311 is formed. Simultaneously with the formation of the source electrode 1311, the electrodes indicated by the bit lines 1302 and 1312 are formed. Reference numeral 1313 denotes a protective film made of an insulating film.

この電極1312は固定電位を保ち、その下方に存在する活性層のドレイン領域との間
にコンデンサ1304を形成する。即ち、このコンデンサに蓄積された電荷をTFTによ
り書き込んだり、読み出したりすることで記憶素子としての機能を有することになる。
The electrode 1312 maintains a fixed potential, and a capacitor 1304 is formed between the electrode 1312 and the drain region of the active layer existing below the electrode 1312. That is, a function as a memory element is obtained by writing or reading out the electric charge accumulated in the capacitor with a TFT.

DRAMの特徴は1個のメモリを構成する素子数がTFTとコンデンサだけで非常に少
ないので、高集積密度の大規模メモリを構成するのに適している。また、価格も低く抑え
られるので、現在最も大量に使用されている。
The feature of the DRAM is that it is suitable for constructing a large scale memory with high integration density because the number of elements constituting one memory is very small with only TFTs and capacitors. Also, the price is kept low, so it is currently used in large quantities.

また、TFTを用いてDRAMセルを形成した場合の特徴として蓄積容量を小さく設定
することができるため、低電圧での動作を可能とすることができる。
In addition, since the storage capacitor can be set small as a feature when a DRAM cell is formed using TFTs, it is possible to operate at a low voltage.

本実施例では、本発明を応用して作製したTFTをSRAM(Static Rondom Access M
emory )に応用した例について説明する。説明には図14を用いることとする。
In this embodiment, a TFT manufactured by applying the present invention is an SRAM (Static Rondom Access M).
An example applied to emory) will be described. FIG. 14 is used for the description.

SRAMはフリップフロップ等の双安定回路を記憶素子に用いたメモリであって、双安
定回路のON−OFFあるいはOFF−ONの2安定状態に対応して2進情報値(0また
は1)を記憶するものである。電源の供給がある限り記憶が保持される点で有利である。
The SRAM is a memory using a bistable circuit such as a flip-flop as a storage element, and stores a binary information value (0 or 1) corresponding to the bi-stable state of ON-OFF or OFF-ON of the bistable circuit. To do. This is advantageous in that the memory is retained as long as power is supplied.

記憶回路はN−MOSやC−MOSで構成される。図14(A)に示すSRAMの回路
は受動負荷素子に高抵抗を用いた回路である。
The memory circuit is composed of an N-MOS or C-MOS. The SRAM circuit shown in FIG. 14A is a circuit using a high resistance as a passive load element.

1401で示されるのはワード線であり、1402はビット線である。1403は高抵
抗で構成される負荷素子であり、1404で示されるような2組のドライバトランジスタ
と1405で示されるような2組のアクセストランジスタとでSRAMが構成される。
Reference numeral 1401 denotes a word line, and reference numeral 1402 denotes a bit line. Reference numeral 1403 denotes a load element having a high resistance, and an SRAM is constituted by two sets of driver transistors as indicated by 1404 and two sets of access transistors as indicated by 1405.

TFTの断面構造を図14(B)に示す。石英基板もしくはシリコン基板でなる基体1
406上に下地膜として酸化珪素膜1407を成膜し、その上に本発明を応用したTFT
を作製することができる。1408は実施例1に従って形成された活性層である。
A cross-sectional structure of the TFT is shown in FIG. Base 1 made of quartz substrate or silicon substrate
A silicon oxide film 1407 is formed as a base film on 406, and a TFT to which the present invention is applied thereon.
Can be produced. Reference numeral 1408 denotes an active layer formed according to the first embodiment.

活性層1408はゲイト絶縁膜1409で覆われ、その上にはゲイト電極1410が形
成される。そして、その上に層間絶縁膜1411が積層された後、ソース電極1412が
形成される。このソース電極1412の形成と同時にビット線1402およびドレイン電
極1413が形成される。
The active layer 1408 is covered with a gate insulating film 1409, on which a gate electrode 1410 is formed. Then, after an interlayer insulating film 1411 is stacked thereon, a source electrode 1412 is formed. Simultaneously with the formation of the source electrode 1412, a bit line 1402 and a drain electrode 1413 are formed.

その上には再び層間絶縁膜1414が積層され、次に高抵抗負荷としてポリシリコン膜
1415が形成される。なお、高抵抗負荷と同様の機能をTFTで代替するSRAM構造
をとることも可能である。また、1416は絶縁膜でなる保護膜である。
An interlayer insulating film 1414 is again laminated thereon, and then a polysilicon film 1415 is formed as a high resistance load. It is also possible to adopt an SRAM structure in which a function similar to that of a high resistance load is replaced with a TFT. Reference numeral 1416 denotes a protective film made of an insulating film.

以上のような構成でなるSRAMの特徴は、高速動作が可能で、信頼性が高くシステム
への組む込みが容易なことなどである。
The characteristics of the SRAM configured as described above are that it can operate at high speed, is highly reliable, and can be easily incorporated into a system.

本実施例では、実施例1の半導体装置および実施例2のCMOS回路を用いて同一基体
上に画素マトリクス回路とロジック回路とを集積化したアクティブマトリクス型電気光学
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表示装置、EC表
示装置などが含まれる。
In this embodiment, an example is shown in which an active matrix electro-optical device in which a pixel matrix circuit and a logic circuit are integrated on the same substrate using the semiconductor device of Embodiment 1 and the CMOS circuit of Embodiment 2 is shown. Examples of the electro-optical device include a liquid crystal display device, an EL display device, and an EC display device.

なお、ロジック回路とは、周辺駆動回路やコントロール回路等の様に電気光学装置を駆
動するための集積化回路を指す。アクティブマトリクス型電気光学装置においては、動作
性能の限界や集積度の問題もあってロジック回路は外付けICが一般的であったが、本発
明のTFTを用いることで同一基板上に全てを一体化することが可能となる。
Note that the logic circuit refers to an integrated circuit for driving the electro-optical device, such as a peripheral drive circuit or a control circuit. In the active matrix type electro-optical device, the logic circuit is generally an external IC due to the limitation of the operation performance and the degree of integration. However, by using the TFT of the present invention, everything is integrated on the same substrate. Can be realized.

また、コントロール回路とはプロセッサ回路、メモリ回路、クロック発生回路、A/D
(D/A)コンバータ回路等の電気光学装置を駆動するに必要な全ての電気回路を含むも
のとする。勿論、メモリ回路には実施例5、6で示したSRAM回路やDRAM回路が含
まれる。
The control circuit includes a processor circuit, a memory circuit, a clock generation circuit, and an A / D.
(D / A) All electric circuits necessary for driving an electro-optical device such as a converter circuit are included. Of course, the memory circuit includes the SRAM circuit and the DRAM circuit shown in the fifth and sixth embodiments.

このような構成に本明細書で開示する発明を利用すると、単結晶上に形成したMOSF
ETに匹敵する性能を有するTFTでもってロジック回路を構成することができる。
When the invention disclosed in this specification is applied to such a configuration, a MOSF formed on a single crystal is used.
A logic circuit can be configured with TFTs having performance comparable to that of ET.

本実施例では実施例1と異なる構造のTFTを作製する例を示す。説明には図15を用
いる。
In this embodiment, an example of manufacturing a TFT having a structure different from that in Embodiment 1 is shown. FIG. 15 is used for the description.

まず、実施例1と同様の工程を経て図2(A)に示す状態を得る。図2(A)に示す状
態を得たら、アルミニウム膜のパターニングに用いた図示しないレジストマスクを除去し
、その後、酒石酸中で陽極酸化処理を行い、1000Åの厚さの緻密な陽極酸化膜を得る。こ
の状態を図15(A)に示す。
First, the state shown in FIG. 2A is obtained through the same steps as in the first embodiment. When the state shown in FIG. 2A is obtained, the resist mask (not shown) used for patterning the aluminum film is removed, and then anodized in tartaric acid to obtain a dense anodic oxide film having a thickness of 1000 mm. . This state is shown in FIG.

図15(A)において、101は石英基板、102は下地膜、110は島状半導体層、
111は後にゲイト絶縁膜として機能する熱酸化膜である。また、1501はアルミニウ
ムを主成分とする材料でなるゲイト電極、1502はゲイト電極1501を陽極酸化して
得られた緻密な陽極酸化膜である。
In FIG. 15A, 101 is a quartz substrate, 102 is a base film, 110 is an island-shaped semiconductor layer,
Reference numeral 111 denotes a thermal oxide film that functions as a gate insulating film later. Reference numeral 1501 denotes a gate electrode made of a material mainly composed of aluminum, and reference numeral 1502 denotes a dense anodic oxide film obtained by anodizing the gate electrode 1501.

次に、この状態で島状半導体層110に対して一導電性を付与する不純物イオンの注入
を行なう。そして、このイオン注入工程により不純物領域1503、1504が形成され
る。
Next, impurity ions imparting one conductivity to the island-like semiconductor layer 110 are implanted in this state. Then, impurity regions 1503 and 1504 are formed by this ion implantation process.

また、この不純物イオンはNチャネル型TFTならばP(リン)またはAs(砒素)を
、Pチャネル型TFTならばB(ボロン)を用いて行なえば良い。この時、ドーズ量は 0
.1〜 5×1014atoms/cm2 、好ましくは 0.2〜 1×1014atoms/cm2 という低い値としておく
The impurity ions may be formed using P (phosphorus) or As (arsenic) for N-channel TFTs and B (boron) for P-channel TFTs. At this time, the dose is 0
A low value of 0.1 to 5 × 10 14 atoms / cm 2 , preferably 0.2 to 1 × 10 14 atoms / cm 2 is set.

不純物イオンの注入が終了したら、窒化珪素膜1505を 0.5〜1 μmの厚さに成膜す
る。成膜方法は減圧熱CVD法、プラズマCVD法、スパッタ法のいずれであっても良い
。また、窒化珪素膜以外に酸化珪素膜を用いても良い。
When the impurity ion implantation is completed, a silicon nitride film 1505 is formed to a thickness of 0.5 to 1 μm. The film forming method may be any of a low pressure thermal CVD method, a plasma CVD method, and a sputtering method. In addition to the silicon nitride film, a silicon oxide film may be used.

こうして図15(B)の状態が得られる。図15(B)の状態が得られたら、次に窒化
珪素膜1505をエッチバック法によりエッチングして、ゲイト電極1501の側壁にの
み残す。こうして残された窒化珪素膜はサイドウォール1506として機能する。
Thus, the state of FIG. 15B is obtained. When the state of FIG. 15B is obtained, the silicon nitride film 1505 is then etched by the etch-back method, leaving only the side wall of the gate electrode 1501. The silicon nitride film thus left functions as a sidewall 1506.

この際、熱酸化膜111はゲイト電極がマスクとなった領域以外が除去されて図15(
C)に示す様な状態で残存する。
At this time, the thermal oxide film 111 is removed except for the region where the gate electrode is used as a mask.
It remains in the state as shown in C).

図15(C)に示す状態で再び不純物イオンの注入を行なう。この時、ドーズ量は 0.2
〜10×1015atoms/cm2 、好ましくは 1〜 2×1015atoms/cm2 と先程のイオン注入のドーズ
量よりも高めとしておく。
Impurity ions are implanted again in the state shown in FIG. At this time, the dose is 0.2
It is set to ˜10 × 10 15 atoms / cm 2 , preferably 1 to 2 × 10 15 atoms / cm 2, which is higher than the dose amount of the previous ion implantation.

このイオン注入の際、サイドウォール1506の直下の領域1507、1508はイオ
ン注入が行なわれないので、不純物イオンの濃度に変化はない。しかし、露出した領域1
509、1510はさらに高濃度の不純物イオンが注入されることになる。
At the time of this ion implantation, the regions 1507 and 1508 immediately below the sidewall 1506 are not ion-implanted, so the impurity ion concentration does not change. However, the exposed area 1
In 509 and 1510, higher-concentration impurity ions are implanted.

以上の様に2度目のイオン注入を経て、ソース領域1509、ドレイン領域1510お
よびソース/ドレイン領域よりも不純物濃度の低い低濃度不純物領域(LDD領域)15
07、1508が形成される。なお、ゲイト電極1501の直下はアンドープな領域であ
り、チャネル形成領域1511となる。
As described above, after the second ion implantation, the source region 1509, the drain region 1510, and the low concentration impurity region (LDD region) 15 having an impurity concentration lower than that of the source / drain region.
07 and 1508 are formed. Note that an undoped region immediately below the gate electrode 1501 is a channel formation region 1511.

以上の工程を経て図15(C)の状態が得られたら、300 Åの厚さの図示しないチタン
膜を成膜し、チタン膜とシリコン(結晶性珪素)膜とを反応させる。そして、チタン膜を
除去した後、ランプアニール等による加熱処理を行なうことでソース領域1509、ドレ
イン領域1510の表面にチタンシリサイド1512、1513を形成する。(図15(
D))
When the state of FIG. 15C is obtained through the above steps, a titanium film (not shown) having a thickness of 300 mm is formed, and the titanium film and the silicon (crystalline silicon) film are reacted. After the titanium film is removed, heat treatment such as lamp annealing is performed to form titanium silicides 1512 and 1513 on the surfaces of the source region 1509 and the drain region 1510. (Fig. 15 (
D))

上記工程はチタン膜の代わりにタンタル膜、タングステン膜、モリブデン膜等を用いる
ことも可能である。また、図15(D)ではソース/ドレイン領域の一部がシリサイド化
した様に記載してあるが、ソース/ドレイン領域の膜厚が薄い場合や加熱処理の条件によ
ってはソース/ドレイン領域全体がシリサイド化することもある。
In the above process, a tantalum film, a tungsten film, a molybdenum film, or the like can be used instead of the titanium film. Further, in FIG. 15D, a part of the source / drain region is described as being silicided. However, depending on the conditions of the heat treatment, the entire source / drain region may be formed depending on the thin film thickness of the source / drain region. Silicidation may occur.

次に、層間絶縁膜1514として酸化珪素膜を5000Åの厚さに成膜し、ソース電極15
15、ドレイン電極1516を形成する。こうして図15(D)に示す構造のTFTが完
成する。
Next, a silicon oxide film is formed as an interlayer insulating film 1514 to a thickness of 5000 mm, and the source electrode 15
15. A drain electrode 1516 is formed. Thus, a TFT having the structure shown in FIG. 15D is completed.

本実施例で示す構造のTFTは、ソース/ドレイン電極がチタンシリサイド1512、
1513を介してソース/ドレイン領域と接続するので良好なオーミックコンタクトを実
現できる。
In the TFT having the structure shown in this embodiment, the source / drain electrodes are titanium silicide 1512,
Since it is connected to the source / drain region via 1513, a good ohmic contact can be realized.

本実施例では実施例1または実施例7と異なる構造のTFTを作製する例を示す。説明
には図16を用いる。
In this embodiment, an example of manufacturing a TFT having a structure different from that of Embodiment 1 or Embodiment 7 is shown. FIG. 16 is used for the description.

まず、実施例1と同様の工程を経て図2(A)に示す状態を得る。ただし、本実施例で
はゲイト電極の材料として導電性を付与した結晶性珪素膜を用いることとする。この状態
を図16(A)に示す。
First, the state shown in FIG. 2A is obtained through the same steps as in the first embodiment. However, in this embodiment, a crystalline silicon film provided with conductivity is used as the material of the gate electrode. This state is shown in FIG.

図16(A)において、101は石英基板、102は下地膜、110は島状半導体層、
111は後にゲイト絶縁膜として機能する熱酸化膜である。また、1601は結晶性珪素
膜(ポリシリコン膜)でなるゲイト電極である。
In FIG. 16A, 101 is a quartz substrate, 102 is a base film, 110 is an island-shaped semiconductor layer,
Reference numeral 111 denotes a thermal oxide film that functions as a gate insulating film later. Reference numeral 1601 denotes a gate electrode made of a crystalline silicon film (polysilicon film).

次に、この状態で島状半導体層110に対して一導電性を付与する不純物イオンの注入
を行なう。そして、このイオン注入工程により不純物領域1602、1603が形成され
る。(図16(B))
Next, impurity ions imparting one conductivity to the island-like semiconductor layer 110 are implanted in this state. Impurity regions 1602 and 1603 are formed by this ion implantation process. (Fig. 16B)

また、この不純物イオンはNチャネル型TFTならばP(リン)またはAs(砒素)を
、Pチャネル型TFTならばB(ボロン)を用いて行なえば良い。この時、ドーズ量は 0
.1〜 5×1014atoms/cm2 、好ましくは 0.2〜 1×1014atoms/cm2 という低い値としておく
The impurity ions may be formed using P (phosphorus) or As (arsenic) for N-channel TFTs and B (boron) for P-channel TFTs. At this time, the dose is 0
A low value of 0.1 to 5 × 10 14 atoms / cm 2 , preferably 0.2 to 1 × 10 14 atoms / cm 2 is set.

不純物イオンの注入が終了したら、実施例7と同様にエッチバック法を用いてサイドウ
ォール1604を形成する。
When the impurity ion implantation is completed, the sidewalls 1604 are formed using the etch-back method as in the seventh embodiment.

サイドウォール1604を形成したら、再び不純物イオンの注入を行なう。この時、ド
ーズ量は 0.2〜10×1015atoms/cm2 、好ましくは 1〜 2×1015atoms/cm2 と先程のイオン
注入のドーズ量よりも高めとしておく。(図16(C))
After the sidewall 1604 is formed, impurity ions are implanted again. At this time, the dose is set to 0.2 to 10 × 10 15 atoms / cm 2 , preferably 1 to 2 × 10 15 atoms / cm 2, which is higher than the dose of the previous ion implantation. (Fig. 16 (C))

このイオン注入の際、サイドウォール1604の直下の領域1605、1606はイオ
ン注入が行なわれないので、不純物イオンの濃度に変化はない。しかし、露出した領域1
607、1608はさらに高濃度の不純物イオンが注入されることになる。
During this ion implantation, the regions 1605 and 1606 immediately below the sidewall 1604 are not ion-implanted, so that the impurity ion concentration does not change. However, the exposed area 1
In 607 and 1608, impurity ions of higher concentration are implanted.

以上の様に2度目のイオン注入を経て、ソース領域1607、ドレイン領域1608お
よびソース/ドレイン領域よりも不純物濃度の低い低濃度不純物領域(LDD領域)16
05、1606が形成される。なお、ゲイト電極1601の直下はアンドープな領域であ
り、チャネル形成領域1609となる。
As described above, after the second ion implantation, the source region 1607, the drain region 1608, and the low concentration impurity region (LDD region) 16 having an impurity concentration lower than that of the source / drain region.
05, 1606 are formed. Note that an undoped region immediately below the gate electrode 1601 is a channel formation region 1609.

以上の工程を経て図16(C)の状態が得られたら、500 Åの厚さの図示しないタング
ステン膜を成膜し、タングステン膜とシリコン膜とを反応させる。そして、タングステン
膜を除去した後、ランプアニール等による加熱処理を行なうことでゲイト電極1601、
ソース領域1607、ドレイン領域1608、の表面にタングステンシリサイド1610
〜1612を形成する。(図16(D))
When the state shown in FIG. 16C is obtained through the above steps, a tungsten film (not shown) having a thickness of 500 mm is formed, and the tungsten film and the silicon film are reacted. Then, after removing the tungsten film, the gate electrode 1601,
Tungsten silicide 1610 on the surface of the source region 1607 and the drain region 1608
~ 1612 are formed. (FIG. 16D)

勿論、タングステン膜以外にもチタン膜、モリブデン膜、タンタル膜を用いることがで
きる。また、本実施例では加熱処理の時間を長めに設定してソース/ドレイン領域全体が
シリサイド化する様に調節する。
Needless to say, a titanium film, a molybdenum film, or a tantalum film can be used in addition to the tungsten film. Further, in this embodiment, the heat treatment time is set to be long and adjusted so that the entire source / drain region is silicided.

次に、層間絶縁膜1613として窒化珪素膜を4000Åの厚さに成膜し、ソース電極16
14、ドレイン電極1615を形成する。こうして図16(D)に示す構造のTFTが完
成する。
Next, a silicon nitride film is formed as an interlayer insulating film 1613 to a thickness of 4000 mm, and the source electrode 16
14 and the drain electrode 1615 are formed. Thus, a TFT having the structure shown in FIG.

本実施例で示す構造のTFTは、ゲイト電極およびソース/ドレイン電極がタングステ
ンシリサイド1610〜1612を介して取り出し電極と接続するので良好なオーミック
コンタクトを実現できる。
The TFT having the structure shown in this embodiment can realize a good ohmic contact because the gate electrode and the source / drain electrode are connected to the extraction electrode through the tungsten silicide 1610 to 1612.

本実施例では本発明を利用した半導体装置を組み込んだ電気光学装置(表示装置)の一
例を示す。なお、電気光学装置は必要に応じて直視型または投影型で使用すれば良い。ま
た、電気光学装置も半導体を用いて機能する装置と考えられるので、本明細書中における
電気光学装置とは、半導体装置の範疇に含まれるものとする。
In this embodiment, an example of an electro-optical device (display device) incorporating a semiconductor device using the present invention is shown. The electro-optical device may be used in a direct view type or a projection type as necessary. Further, since an electro-optical device is also considered to function using a semiconductor, the electro-optical device in this specification is included in the category of a semiconductor device.

また、本発明を利用した半導体装置の応用製品としてはTVカメラ、ヘッドマウントデ
ィスプレイ、カーナビゲーション、プロジェクション(フロント型とリア型がある)、ビ
デオカメラ、パーソナルコンピュータ等が挙げられる。それら応用用途の簡単な一例を図
17を用いて行う。
Further, application products of semiconductor devices using the present invention include TV cameras, head mounted displays, car navigation, projections (front and rear types), video cameras, personal computers, and the like. A simple example of these application uses will be described with reference to FIG.

図17(A)はTVカメラであり、本体3001、カメラ部3002、表示装置300
3、操作スイッチ3004で構成される。表示装置3003はビューファインダーとして
利用される。
FIG. 17A illustrates a TV camera, which includes a main body 3001, a camera portion 3002, and a display device 300.
3 and operation switch 3004. The display device 3003 is used as a viewfinder.

図17(B)はヘッドマウントディスプレイであり、本体3101、表示装置3102
、バンド部3103で構成される。表示装置3102は比較的小型のサイズのものが2枚
使用される。
FIG. 17B illustrates a head mounted display, which includes a main body 3101 and a display device 3102.
, And a band unit 3103. Two display devices 3102 having a relatively small size are used.

図17(C)はカーナビゲーションであり、本体3201、表示装置3202、操作ス
イッチ3203、アンテナ3204で構成される。表示装置3202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. 17C illustrates car navigation, which includes a main body 3201, a display device 3202, operation switches 3203, and an antenna 3204. Although the display device 3202 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17(D)は携帯情報端末機器(本実施例では携帯電話)であり、本体3301、音
声出力部3302、音声入力部3303、表示装置3304、操作ボタン3305、アン
テナ3306で構成される。表示装置3303に対しては、将来的にTV電話として動画
表示を要求されることが予想される。
FIG. 17D illustrates a portable information terminal device (a mobile phone in this embodiment), which includes a main body 3301, an audio output unit 3302, an audio input unit 3303, a display device 3304, operation buttons 3305, and an antenna 3306. It is expected that the display device 3303 will be requested to display a moving image as a TV phone in the future.

図17(E)はビデオカメラであり、本体3401、表示装置3402、接眼部340
3、操作スイッチ3404、テープホルダー3405で構成される。表示装置3402に
映し出された撮影画像は接眼部3403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. 17E illustrates a video camera, which includes a main body 3401, a display device 3402, and an eyepiece unit 340.
3, an operation switch 3404 and a tape holder 3405. Since the captured image displayed on the display device 3402 can be viewed in real time through the eyepiece 3403,
The user can take a picture while viewing the image.

図17(D)はフロントプロジェクションであり、本体3501、光源3502、反射
型表示装置3503、光学系(ビームスプリッターや偏光子等が含まれる)3504、ス
クリーン3505で構成される。スクリーン3505は会議や学会発表などのプレゼンテ
ーションに利用される大画面スクリーンであるので、表示装置3503は高い解像度が要
求される。
FIG. 17D illustrates a front projection, which includes a main body 3501, a light source 3502, a reflective display device 3503, an optical system (including a beam splitter, a polarizer, and the like) 3504 and a screen 3505. Since the screen 3505 is a large screen used for presentations such as conferences and conference presentations, the display device 3503 is required to have a high resolution.

また、本実施例に示した電気光学装置以外にも、リアプロジェクションやモバイルコン
ピュータ、ハンディターミナルなどの携帯型情報端末機器に適用することができる。以上
の様に、本発明の応用範囲は極めて広く、あらゆる分野の表示媒体に適用することが可能
である。
In addition to the electro-optical device shown in this embodiment, the present invention can be applied to portable information terminal devices such as rear projection, mobile computers, and handy terminals. As described above, the application range of the present invention is extremely wide and can be applied to display media in various fields.

また、本発明のTFTは電気光学装置に限らず、例えばSRAMやDRAMといった形
で集積化回路に組み込み、本実施例で示した様な応用製品の駆動回路として用いることも
可能である。
The TFT of the present invention is not limited to an electro-optical device, but can be incorporated into an integrated circuit in the form of SRAM or DRAM, for example, and used as a drive circuit for an application product as shown in this embodiment.

半導体装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor device. 島状半導体層の配置構成を示す図。The figure which shows the arrangement configuration of an island-shaped semiconductor layer. 半導体装置の特性を示す図。FIG. 6 shows characteristics of a semiconductor device. 半導体装置野作製工程を示す図。The figure which shows a semiconductor device field manufacturing process. 半導体装置の作製工程を示す図The figure which shows the manufacturing process of a semiconductor device 電気回路の構成を示す顕微鏡写真。The microscope picture which shows the structure of an electric circuit. 活性層の構成を示す図。The figure which shows the structure of an active layer. 結晶性珪素膜の表面を示す写真。A photograph showing the surface of a crystalline silicon film. 結晶構造を示す写真。A photograph showing the crystal structure. 結晶構造を示す写真。A photograph showing the crystal structure. 結晶構造を示す写真。A photograph showing the crystal structure. DRAMの構成を示す図Diagram showing the configuration of DRAM SRAMの構成を示す図The figure which shows the structure of SRAM 半導体装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の作製工程を示す図。10A and 10B illustrate a manufacturing process of a semiconductor device. 半導体装置の応用例を示す図。FIG. 10 illustrates an application example of a semiconductor device.

符号の説明Explanation of symbols

101 石英基板
102 下地膜
103 非晶質珪素膜
104 酸化珪素膜(マスク絶縁膜)
105 非晶質珪素膜が露呈した領域
106 ニッケルを含有した水膜
107 結晶性珪素膜
108 結晶化の方向を示す矢印
109 ニッケル添加領域
110 島状半導体層
111 熱酸化膜
112 アルミニウム膜のパターン
113 多孔質状の陽極酸化膜
114 緻密な陽極酸化膜
115 ゲイト電極
116、117 不純物領域
118、119 低濃度不純物領域
120 チャネル形成領域
121 層間絶縁膜
122 ソース電極
123 ドレイン電極
301 石英基板
302 ニッケル添加領域
303 巨視的な結晶粒界
304 島状半導体層
801 ソース領域
802 ドレイン領域
803 チャネル形成領域
804 不純物領域
805 キャリアが移動する領域
1001 針状または柱状結晶の結晶粒界
101 Quartz substrate 102 Base film 103 Amorphous silicon film 104 Silicon oxide film (mask insulating film)
105 A region 106 where an amorphous silicon film is exposed 106 A nickel-containing water film 107 A crystalline silicon film 108 An arrow 109 indicating a crystallization direction Nickel-added region 110 An island-like semiconductor layer 111 A thermal oxide film 112 An aluminum film pattern 113 Porous Anodic oxide film 114 dense anodic oxide film 115 gate electrode 116, 117 impurity region 118, 119 low concentration impurity region 120 channel formation region 121 interlayer insulating film 122 source electrode 123 drain electrode 301 quartz substrate 302 nickel added region 303 macroscopic Grain boundary 304 Island-like semiconductor layer 801 Source region 802 Drain region 803 Channel formation region 804 Impurity region 805 Carrier moving region 1001 Needle-like or columnar crystal grain boundary

Claims (20)

絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜上に選択的にマスク絶縁膜を形成し、
マスク絶縁膜をマスクとして前記非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を選択的に導入させ、
第1の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくとも一部を結晶性珪素膜にし、
前記マスク絶縁膜を除去し、
パターニングすることにより島状の結晶性珪素膜を形成し、
ハロゲン元素を含む雰囲気中において第2の加熱処理を行うことにより、前記島状の結晶性珪素膜中の前記金属元素をゲッタリング除去すると共に、ゲイト絶縁膜として用いる熱酸化膜を前記島状の結晶性珪素膜の表面に形成し、
前記熱酸化膜上にゲイト電極を形成し、
前記島状の結晶性珪素膜に、一導電性を付与する不純物イオンを注入して前記島状の結晶性珪素膜にソース領域、ドレイン領域を形成し、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域上面に金属膜を形成し、前記ソース領域と前記ドレイン領域をシリサイド化することを特徴とする半導体装置の作製方法。
Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface;
Selectively forming a mask insulating film on the amorphous silicon film;
A metal element that promotes crystallization is selectively introduced into the amorphous silicon film using a mask insulating film as a mask,
At least part of the amorphous silicon film is converted into a crystalline silicon film by the first heat treatment,
Removing the mask insulating film;
An island-like crystalline silicon film is formed by patterning,
By performing a second heat treatment in an atmosphere containing a halogen element, the metal element in the island-shaped crystalline silicon film is gettered and removed, and a thermal oxide film used as a gate insulating film is formed in the island-shaped film. Formed on the surface of the crystalline silicon film,
Forming a gate electrode on the thermal oxide film;
Impurity ions imparting one conductivity are implanted into the island-shaped crystalline silicon film to form a source region and a drain region in the island-shaped crystalline silicon film,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a metal film over the source region and the drain region, and siliciding the source region and the drain region.
絶縁表面を有する基体上に非晶質珪素膜を成膜し、
前記非晶質珪素膜上に選択的にマスク絶縁膜を形成し、
マスク絶縁膜をマスクとして前記非晶質珪素膜に結晶化を助長する金属元素を選択的に導入させ、
第1の加熱処理により前記非晶質珪素膜の少なくとも一部を結晶性珪素膜にし、
前記マスク絶縁膜を除去し、
パターニングすることにより島状の結晶性珪素膜を形成し、
ハロゲン元素を含む雰囲気中において第2の加熱処理を行うことにより、前記島状の結晶性珪素膜中の前記金属元素をゲッタリング除去すると共に、ゲイト絶縁膜として用いる熱酸化膜を前記島状の結晶性珪素膜の表面に形成し、
前記熱酸化膜上にゲイト電極を形成し、
前記島状の結晶性珪素膜に、一導電性を付与する不純物イオンを注入し、
前記ゲイト電極及び前記島状の結晶性珪素膜を覆うように窒化珪素膜又は酸化珪素膜を形成し、前記窒化珪素膜又は酸化珪素膜をエッチングして前記ゲイト電極側面にサイドウォールを形成し
前記島状の結晶性珪素膜に、前記一導電性を付与する不純物イオンの注入を行い、前記島状の結晶性珪素膜にソース領域、ドレイン領域及びLDD領域を形成し、
前記ソース領域及び前記ドレイン領域上面に金属膜を形成し、前記ソース領域と前記ドレイン領域をシリサイド化することを特徴とする半導体装置の作製方法
Forming an amorphous silicon film on a substrate having an insulating surface;
Selectively forming a mask insulating film on the amorphous silicon film;
A metal element that promotes crystallization is selectively introduced into the amorphous silicon film using a mask insulating film as a mask,
At least part of the amorphous silicon film is converted into a crystalline silicon film by the first heat treatment,
Removing the mask insulating film;
An island-like crystalline silicon film is formed by patterning,
By performing a second heat treatment in an atmosphere containing a halogen element, the metal element in the island-shaped crystalline silicon film is gettered and removed, and a thermal oxide film used as a gate insulating film is formed in the island-shaped film. Formed on the surface of the crystalline silicon film,
Forming a gate electrode on the thermal oxide film;
Impurity ions imparting one conductivity are implanted into the island-shaped crystalline silicon film,
Forming a silicon nitride film or a silicon oxide film so as to cover the gate electrode and the island-shaped crystalline silicon film, and etching the silicon nitride film or the silicon oxide film to form a sidewall on the side surface of the gate electrode; Impurity ions that impart the one conductivity are implanted into the island-shaped crystalline silicon film, and a source region, a drain region, and an LDD region are formed in the island-shaped crystalline silicon film,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a metal film over the source region and the drain region; and siliciding the source region and the drain region
請求項1または請求項2のいずれか一項において、
前記非晶質珪素膜の成膜方法は、減圧熱CVD法によることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claim 1 or Claim 2,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the amorphous silicon film is formed by a low pressure thermal CVD method.
請求項1乃至請求項3いずれか一項において、
前記金属膜として、タングステン膜、チタン膜、モリブデン膜、タンタル膜のいずれか一を用いることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claim 1 thru | or Claim 3,
Any one of a tungsten film, a titanium film, a molybdenum film, and a tantalum film is used as the metal film.
請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
前記結晶化を助長する金属元素として、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類の元素が用いられることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
One or more kinds of elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au are used as the metal element for promoting the crystallization. Device fabrication method.
請求項1乃至請求項5のいずれか一項において、
前記ハロゲン元素を含む雰囲気は、酸素雰囲気中にHCl、HF、HBr、Cl、ClF、BCl、NF、F、Brから選ばれた一種または複数種類のガスが添加されたものであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 5,
The atmosphere containing the halogen element is an oxygen atmosphere to which one or plural kinds of gases selected from HCl, HF, HBr, Cl 2 , ClF 3 , BCl 3 , NF 3 , F 2 and Br 2 are added. A method for manufacturing a semiconductor device.
請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
前記第1の加熱処理は450〜700℃の温度範囲で行われ、
前記第2の加熱処理は700℃を超える温度範囲で行われることを特徴とする半導体装置の作製方法。
In any one of Claims 1 thru | or 6,
The first heat treatment is performed in a temperature range of 450 to 700 ° C.,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the second heat treatment is performed in a temperature range exceeding 700 ° C.
絶縁表面を有する基体上に形成された結晶性珪素膜と、
前記結晶性珪素膜表面に形成されたゲイト絶縁膜として用いる熱酸化膜と、
前記ゲイト絶縁膜上のゲイト電極とを有する絶縁ゲイト型の半導体装置であって、
前記結晶性珪素膜は、一部または全部がシリサイド化されたソース領域とドレイン領域とを有することを特徴とする半導体装置。
A crystalline silicon film formed on a substrate having an insulating surface;
A thermal oxide film used as a gate insulating film formed on the surface of the crystalline silicon film;
An insulating gate type semiconductor device having a gate electrode on the gate insulating film,
The crystalline silicon film has a source region and a drain region which are partly or entirely silicided.
絶縁表面を有する基体上に形成された結晶性珪素膜と、
前記結晶性珪素膜表面に形成されたゲイト絶縁膜として用いる熱酸化膜と、
前記ゲイト絶縁膜上のゲイト電極と、
前記ゲイト電極の側面に形成された窒化珪素又は酸化珪素から成るサイドウォールとを有する絶縁ゲイト型の半導体装置であって、
前記結晶性珪素膜は、LDD領域と、一部または全部がシリサイド化されたソース領域とドレイン領域とを有することを特徴とする半導体装置。
A crystalline silicon film formed on a substrate having an insulating surface;
A thermal oxide film used as a gate insulating film formed on the surface of the crystalline silicon film;
A gate electrode on the gate insulating film;
An insulating gate type semiconductor device having a sidewall made of silicon nitride or silicon oxide formed on a side surface of the gate electrode,
The crystalline silicon film has an LDD region, and a source region and a drain region partially or entirely silicided.
請求項8または請求項9のいずれか一項において、
前記半導体装置の電気特性を表すS値は、Nチャネル型で60〜100mV/dec、またはPチャネル型で70〜100mV/decであることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claim 8 or Claim 9,
The S value representing the electrical characteristics of the semiconductor device is 60 to 100 mV / dec for the N channel type, or 70 to 100 mV / dec for the P channel type.
請求項8乃至請求項10のいずれか一項において、
前記半導体装置の電気特性を表すS値の標準偏差は、Nチャネル型で10mV/dec以内、またはPチャネル型で15mV/dec以内に収まることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 8 to 10,
The standard deviation of the S value representing the electrical characteristics of the semiconductor device is within 10 mV / dec for the N channel type or within 15 mV / dec for the P channel type.
請求項8乃至請求項11のいずれか一項において、
前記結晶性珪素膜は、ハロゲン元素を含む雰囲気中において加熱処理された珪素膜であり、
前記結晶性珪素膜中の前記ハロゲン元素の濃度は、1×1015〜1×1020atoms/cmであることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 8 thru | or 11,
The crystalline silicon film is a silicon film that is heat-treated in an atmosphere containing a halogen element,
A concentration of the halogen element in the crystalline silicon film is 1 × 10 15 to 1 × 10 20 atoms / cm 3 .
請求項8乃至請求項12のいずれか一項において、
前記シリサイド化されたソース領域とドレイン領域の一部または全部は、タングステンシリサイド、チタンシリサイド、タンタルシリサイド、及びモリブデンシリサイドのいずれかであることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 8 to 12,
A part of or all of the silicided source region and drain region is any one of tungsten silicide, titanium silicide, tantalum silicide, and molybdenum silicide.
請求項8乃至請求項13のいずれか一項において、
前記結晶性珪素膜は、前記基体と概略平行な針状または柱状結晶が複数集合して形成されることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 8 to 13,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the crystalline silicon film is formed by collecting a plurality of needle-like or columnar crystals substantially parallel to the substrate.
請求項8乃至請求項14のいずれか一項において、
前記結晶性珪素膜中のチャネル形成領域の長さは、0.01〜2μmであることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 8 to 14,
The length of the channel formation region in the crystalline silicon film is 0.01 to 2 μm.
請求項8乃至請求項15のいずれか一項において、
前記結晶性珪素膜は、結晶化を助長する金属元素を非晶質珪素に導入して結晶化された珪素膜であり、
前記結晶性珪素膜中の前記結晶化を助長する金属元素の濃度は、1×1018atoms/cm以下であることを特徴とする半導体装置。
In any one of Claims 8 thru | or 15,
The crystalline silicon film is a silicon film crystallized by introducing a metal element for promoting crystallization into amorphous silicon,
The semiconductor device is characterized in that the concentration of the metal element for promoting crystallization in the crystalline silicon film is 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less.
請求項16において、
前記結晶化を助長する金属元素は、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Auから選ばれた一種または複数種類の元素であることを特徴とする半導体装置。
In claim 16,
The metal element that promotes crystallization is one or more kinds of elements selected from Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, and Au. .
請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の前記半導体装置を用いて形成されたDRAM。   A DRAM formed using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の前記半導体装置を用いて形成されたSRAM。   An SRAM formed using the semiconductor device according to claim 1. 請求項1乃至請求項17のいずれか一項に記載の前記半導体装置を用いて形成された画素マトリクス回路とロジック回路とを前記基体上に集積化したアクティブマトリクス型電気光学装置。   An active matrix electro-optical device in which a pixel matrix circuit and a logic circuit formed using the semiconductor device according to claim 1 are integrated on the substrate.
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