JP2785173B2 - MIS type semiconductor device - Google Patents

MIS type semiconductor device

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JP2785173B2
JP2785173B2 JP6103284A JP10328494A JP2785173B2 JP 2785173 B2 JP2785173 B2 JP 2785173B2 JP 6103284 A JP6103284 A JP 6103284A JP 10328494 A JP10328494 A JP 10328494A JP 2785173 B2 JP2785173 B2 JP 2785173B2
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舜平 山崎
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、アモルファス(非晶
質)構造と結晶構造(単結晶、多結晶のいずれをも含
む)の中間の構造であって、自由エネルギー的に安定な
第3の状態を有する半導体を利用したMIS型半導体装
置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来、アモルファス半導体は、その原子
間距離がランダムであり、かつその結晶学的な配置もラ
ンダムであることをもって定義されていた。また、アモ
ルファス半導体は、原子間距離および結晶学的な配置が
ランダムであることにより、自由エネルギー的に結晶性
半導体(CRYSTALLINE SEMICONDUCTOR )に比べて必ずし
も安定であるとはいえない。また、かかるアモルファス
半導体中には、そのランダムのために化学的に他と結合
をしていない不対結合手が多数存在していた。この不対
結合手は、再結合中心となり、キャリアのライフタイム
をきわめて小さくしてしまい、キャリアキラーとして最
もその排除が期待されていた。 【0003】このような不対結合手を除く方法として
は、最近、水素またはハロゲンにより中和することが知
られている。すなわち、この方法は、半導体が珪素であ
るとすると、以下の反応式で表すことができる。 Si・ + H・ → Si−H Si・ + F・ → Si−F シラン(SiH4 )、四弗化珪素(SiF4 )、または
その混合気体に対して、グロー放電またはプラズマCV
D法を用いて作製された被膜は、水素・ハロゲンの添加
のないアモルファス半導体が1020cm-3ないし1022cm
-3を再結合中心の密度として有するのに対し、再結合中
心密度が1017cm-3ないし1019cm-3と104 ないし106
分の1にまで、その再結合中心の密度を小さくできるも
のとして注目されている。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】アモルファス半導体
は、単結晶半導体と比較して、製造が容易であるだけで
なく、大型の(大面積で均一な)被膜を形成することが
できる。しかし、アモルファス半導体は、再結合中心の
密度や電気伝導度の点において、MIS型半導体装置と
して十分ではない。そのため、アモルファス半導体は、
MIS型半導体装置に利用するには適さなかった。この
欠点を除去するために、アモルファス半導体は、アニー
ル処理によって結晶化を促進している。すなわち、アモ
ルファス半導体は、結晶化を促進するための処理に時間
と手間が係るにもかかわらず、単結晶半導体と比較し
て、特性的にかなり劣るものであった。たとえば、アモ
ルファス半導体は、MIS型半導体装置に必要な、再結
合中心の密度を1013cm-3ないし1016cm-3、電気伝導度を
10-6( Ωcm) -1ないし10-4( Ωcm) -1とし、電子、ホ−
ルの拡散長1μmないし50μmの値を得ることが困難で
ある。以上のような問題を解決するために、本発明は、
再結合中心密度、電気伝導度、および電子、ホールの拡
散長をアモルファス半導体と結晶性半導体との中間の性
質を有する半導体とすることによって、特性の優れたM
IS型半導体装置を提供することを目的とする。 【0005】 【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明のMIS型半導体装置は、基板(40)上
に、ソース領域(43、43’)、ドレイン領域(4
4、44’)、およびチャネル形成領域(45、4
5’)よりなる半導体と、前記チャネル形成領域(4
5、45’)上にゲート絶縁膜(42、42’)および
ゲート電極(41、41’)が設けられており、非晶質
構造と結晶構造との中間の構造を有するチャネル形成領
域(45、45’)には、0.1モル%ないし5モル%
量の水素が添加されていることを特徴とする。 【0006】 【作 用】本発明は、単結晶半導体の長所とアモルファ
ス半導体の長所とを兼ね備えた半導体を使用したMIS
型半導体装置を作製することに着目したものである。所
定の熱処理が行なわれたアモルファス半導体は、微結晶
と微結晶との間にアモルファスが残存して介在している
半導体に変成される。すなわち、上記半導体は、微結晶
と微結晶との間に存在するアモルファスのために、微結
晶間に界面が存在せずに、非晶質構造と結晶構造との中
間の構造となり、電子(エレクトロン)あるいは正孔
(ホール)が移動し易い状態になる。したがって、たと
えば、スパッタリング法によって形成されたアモルファ
ス構造の半導体でありながら、上記構造の半導体に変成
することで、安価でしかも電気伝導度の優れたものが得
られた。これに対して、多結晶半導体は、微結晶が混在
しており、微結晶と微結晶との間に界面が存在する。し
たがって、多結晶半導体は、この微結晶間に存在する界
面によって電子あるいは正孔の移動が妨害され、電気伝
導度が悪くなる。 【0007】また、上記半導体は、結晶化した格子構造
を有すると共に、その結晶が格子歪みを有し、アモルフ
ァス半導体、あるいは単結晶半導体と異なる第3の安定
状態にある。そして、この格子歪みのため、光の遷移
は、アモルファス半導体と同じ直接遷移を有し、MIS
型半導体として有利である。さらに、出願人は、MIS
型半導体装置におけるチャネル形成領域に水素、または
ハロゲン元素の量を0.1モル%ないし5モル%として
も、電気伝導率がアモルファス半導体より向上すること
を発見した。すなわち、上記半導体は、アモルファス半
導体のように水素、またはハロゲン元素の量を20モル
%と大量に入れて不対結合手を中和する必要がなく、M
IS型半導体装置に好都合である。 【0008】本発明は、上記構造の半導体(半非晶質)
をセミアモルファス半導体として定義し、かかる半導体
と非晶質の半導体とを隣接せしめる半導体装置に関し
て、かかる中間構造の半導体をセミアモルファス半導体
と、アモルファス半導体とを局部的に制御せしめ、特
に、セミアモルファス半導体の伝導率をアモルファス半
導体の伝導率に比べて大きく有せしめることを特徴とす
る。本発明は、アモルファス半導体に対し、特定の通路
に対して電流特にパルス電流を光照射による光励起また
は加熱による熱励起のエネルギーとの併用で流すことに
より、この電流の不対結合手による再結合中心を介して
の再結合によるかかる部所での局部的な多加熱、急冷、
特に電流を中止した際のこの極急冷によりその材料状態
を冷凍( クインチ) することを特徴とする。 【0009】すなわち、この不対結合手を活性にし、こ
の不対結合手とその近傍の他の不対結合手、または他の
水素等により中和させた結合手とを結合せしめることに
より正常な原子間距離を有し、かつその不対結合手を相
殺してしまい、さらに、その中和された状態を凍結して
しまうというセミアモルファス半導体(SEMI-AMORPHOUS
SEMICONDUCTOR )に関するものである。本発明は、半導
体、例えば珪素において、 Si・ + Si・ → Si−Si Si・ + Si−H → Si−Si+H・ 等の反応を物理的に過電流により発生せしめ、ひいては
不対結合手の密度を減少せしめることに加えて、かかる
反応に伴う発熱によりショ−トレンジオ−ダにおいて原
子の再配列を促すことを特徴としている。 【0010】 【実 施 例】実施例1 この実施例は、セミアモルファス半導体の製造原理およ
び存在理論を主として述べたものである。図1は本発明
の一実施例を説明するための図である。図1において、
半導体装置は、アモルファス構造の絶縁性基板(4) 上に
導体または半導体の電極(3) (METAL )を選択的にアモ
ルファス構造にて形成し、さらに半導体(1) (SEMICOND
UCTOR :すなわち、アモルファス半導体またはセミアモ
ルファス半導体を総称した半導体)、半透明の金属また
は酸化錫インジウム(ITO)等の透明電極の対抗電極
(2) (METAL )のそれぞれを順次形成した構成となる。
すなわち、半導体装置は、金属、半導体、金属のそれぞ
れを順次積層した構造(MSM構造)で構成される。 【0011】図1に示す半導体(1)は、本実施例にお
いて、珪素を主成分とした半導体である。この半導体
(1)は、まず、シラン(SiH)、SiF、Si
Cl等の珪化物気体をグロー放電法、またはプラ
ズマCVD法により、0.1μmないし10μm、特に
1μmないし5μmの厚さに形成される。半導体(1)
は、これらの方法に代えて、スパッタリング法、真空蒸
着法、減圧CVD法のいずれかの方法を用いて形成して
もよい。これらいずれかの方法により形成される半導体
(1)は、アモルファス半導体として形成される。次
に、このアモルファス半導体の成長直後の状態(as
grown状態)において、このアモルファス半導体中
にセミアモルファス半導体を1%ないし50%の量で混
在させ、前記アモルファス半導体をセミアモルファス半
導体に変成する。また、前記アモルファス半導体は、1
00%セミアモルファス半導体に近づける変成をなして
もよい。また、前記アモルファス半導体の一部をセミア
モルファス半導体に変成するには、結晶化温度に比べて
30度Cないし150度C低い温度である450度Cな
いし700度Cの温度で加熱し。 【0012】その後、上記加熱されたセミアモルファス
半導体は、HとHeとの混合雰囲気状態、たとえば
:0%ないし10%、He:90%ないし60%の
混合雰囲気状態にして、1MHzないし100MHzま
たは1GHzないし10GHzの周波数の300Wない
し3KWの出力を有する誘導エネルギーでプラズマ化し
て、不対結合手を中和する。前記混合雰囲気中のHe
は、電離電圧がすべての原子中最も大きい。このHe
は、プラズマ状態の持続のために、また、熱伝導率が
0.123Kcal/mHrCとネオン0.0398、
アルゴン0.0140、窒素0.0206等に比べてす
べての気体元素中最も大きいので、均熱反応をするため
に、特に重要である。 【0013】本実施例は、さらにこのアモルファス半導
体中でのセミアモルファス半導体の存在確率を向上さ
せ、95%以上の概略100 %の存在確率を持つ成長直後の
状態(as grown状態)の半導体に成長させることを目
的としている。前記図1に示される構造は、前記アモル
ファス半導体を形成する工程の前後に、金属または不純
物が多量にドープされた半導体の電極(3) 、不純物電極
による対抗電極(2) のそれぞれを、真空蒸着法、プラズ
マCVD法または減圧CVD法により形成することで得
ることができる。前記2つの電極(3) 、(2) のそれぞれ
には、順方向の電圧を1.0 Å/cm2 ないし5×104 Å/c
2 の範囲で100 秒、特に0.01秒ないし2秒間印加し、
電流特にパルス電流を流す。 【0014】この時、アモルファス半導体は、不純物を
ドープしない場合、電気伝導度σが10-9(Ωcm)-1
いし10-12 (Ωcm)-1であり、絶縁性に等しい。しか
し、アモルファス半導体の所定の部所に、直径1μmな
いし1mmの大きさのスポット状に104 LX以上の照度
で光照射を行うと、その光照射が行われた部所におい
て、電気伝導度σは、10-1(Ωcm)-1ないし10-6(Ω
cm)-1と106 倍も増加する。この光キャリアを利用す
ると、前記光照射が行われた部分のみ、大電流を流すこ
とができ、アモルファス半導体は、セミアモルファス半
導体として変成される。さらに、このセミアモルファス
半導体に変成した領域に隣接する周囲は、電流が流れな
いため、アモルファス半導体としての構造が残置され
る。 【0015】さらに、このセミアモルファス半導体の特
性に関して、その一例を示す。図2は本実施例のセミア
モルファス半導体の電気伝導度と絶対温度との関係を示
す図である。図2において、縦軸に電気伝導度σ、特に
光照射を行わない暗電流の電気伝導度σを対数(Lo
g)の座標で示し、横軸にその絶対温度を示す。図2に
示す曲線(10)は、アモルファス半導体の電気伝導度
特性である。このアモルファス半導体に3×10A/c
、10A/cmの電流をそれぞれ0.5秒間加
えると、前記曲線(10)は、それぞれ曲線(11)、
(12)のそれぞれへと変化する。 【0016】さらに、前記アモルファス半導体は、原子
量の大きい金属性不純物であるAs、Sbの如きV価の
不純物、Ga、Inの如きIII価の不純物、Sn、P
bの如きIV価の不純物を0.1 モル%ないし10モル%
(原子%)、たとえば1.2 モル%(原子%)添加する
と、図2に示す曲線(10') の電気伝導度特性が得られ
る。この不純物が添加されたアモルファス半導体は、同
様に、セミアモルファス半導体化の電流を流すと、曲線
(10') から曲線(13)、(14)のそれぞれに示す電気伝導度
特性を得ることができる。このことにより、前記原子量
の大きいIII、IV、V価のそれぞれの金属性不純物
は、セミアモルファス半導体化を助長するための補助剤
となる。一方、III価のうちでも原子量の小さいB、
V価のうちでも原子量の小さいPのそれぞれの如き不純
物は、補助作用がみられないので、不純物として特性が
異なる。 【0017】図3は本実施例のセミアモルファス半導体
のスピン密度と電流密度との関係を示す図である。図3
において、縦軸は電子スピン共鳴(ESR)での不対結
合手のスピン密度を示し、横軸は電流密度を示す。セミ
アモルファス半導体に印加時間を0.1秒、0.5秒、
2.5秒のそれぞれに変化させて電流を加えると、図3
に示す如く、電流密度に対しすべて漸減した曲線(1
7)、(16)、(18)のそれぞれを得ることがで
き、この測定結果からも、セミアモルファス半導体は、
電気伝導度の増加を示す。すなわち、アモルファス半導
体の不対結合手は、セミアモルファス半導体化により減
少する。そして、このセミアモルファス半導体は、電気
伝導度σが向上し、ひいては10倍ないし10倍に
もキャリア移動度を向上できる。そして、これらの半導
体被膜の電子線回析像をとると、セミアモルファス半導
体の結晶構造が明らかに観察された。 【0018】また、アモルファス半導体において、含有
水素は20モル%(原子%)を有していたが、この水素含
有量は、セミアモルファス半導体化により減少され、0.
1 モル%ないし5モル%(原子%)程度しか混入されて
いなかった。このため、電子スピン共鳴の結果は、不対
結合手を水素が中和したのではなく、珪素(Si)どう
しが互いに結合して中和したためと考えられる。 【0019】以上の特性より、いわゆるアモルファス半
導体によって形成された被膜は、結晶格子間距離および
結晶格子の位置がランダムである構造に対し、セミアモ
ルファス半導体によって形成された被膜は、自由エネル
ギーの安定な、さらに熱エネルギー的に安定な結晶構造
と異なる第3の安定点を自由エネルギー的に有している
ものと想定される。図4は一般的な位相空間の座標(CO
NFIGURATIONAL COORDINATE)と自由エネルギーとの関係
を示す図である。図4の横軸は一般的な位相空間の座標
を示し、縦軸は自由エネルギーを示す。図4において
は、アモルファス半導体(21)および(21') 、セミアモル
ファス半導体(22)、結晶性半導体(23)の3つの状態を示
し、セミアモルファス半導体(22)は、アモルファス半導
体(21)および(21') から結晶性半導体(23)になるための
準安定状態というよりも第3の安定状態であることが判
明した。 【0020】また、前記図2において、基板温度(絶縁
性基板(4) の温度)を室温より高い200 度C、400 度C
のそれぞれに設定すると、室温の曲線(11)、(12)で示す
ように、それぞれ3A/cm2 、102 A/cm2 の低い電流
密度が得られる。本実施例の特徴は、アモルファス半導
体に電流を加える時に局部的な光照射(光スポット)に
よるフォトキャリアを発生させること、また、この光ス
ポットを走査(スキャン)させること、スキャンされた
光路に従ってセミアモルファス半導体を作ることであ
る。また、この時、併せて加熱することにより熱励起を
助長させることは、実用上無理なく、かつ広い領域に均
一に電流を加えるためにきわめて有効である。本実施例
における電流密度は、単位面積当たりに流れる電流の密
度の平均を意味する。また、電流密度は、電極下の領域
に局部的に流れる電流の密度を意味する。つまり、本実
施例は、1mm×1mm以下の小面積にのみ適用するの
ではなく、10cm×10cmの如き大面積にも適用が可能
である。 【0021】このように、前記図1において、対抗電極
(2) の直下、つまり領域(20)の半導体(1) は、セミアモ
ルファス半導体となる。また、同図1に示す領域(19)の
半導体(1) は、下側電極(3) もないため、成長直後の状
態(as grown状態)のアモルファス半導体、またはア
モルファス半導体とセミアモルファス半導体との混在し
た半導体となる。さらに、領域(19') の半導体(1) は、
成長直後の状態(asgrown状態)のアモルファス半導体
と領域(20)の半導体(1) との中間構造を有する。 【0022】前記図1に示す半導体(1) は、アモルファ
ス珪素の場合であるが、Ge、GeSix(0<x<1)、Si
2-x(0<x<2)、SiC1-x(0<x<1)、Si3 4-x(0<x<4)
の如き、化合物または混合物であっても同様に実施可
能である。本発明でいう半導体とは、電流を流し得る制
限における半絶縁体をも含む。かくして、アモルファス
半導体は、珪素の場合、キャリア拡散長が約300 Å程度
しかなかった。これに対して、本実施例のセミアモルフ
ァス半導体は、1μmないし50μmとキャリア拡散長が
104 倍に増加し、キャリア拡散長を単結晶の1/10ないし
1/1000にまで近づけることができた。 【0023】また、電子線またはX線回析方法によっ
て、セミアモルファス半導体を調べたところ、このセミ
アモルファス半導体の原子間距離は、珪素において2.
2Åないし2.5Åであり、単結晶の原子間距離2.3
Åと概略一致しつつも長い距離方向に延びた歪みを有し
ていた。しかし、セミアモルファス半導体の結晶構造
は、ショートレンジオーダでダイヤモンド構造をし、回
析像で調べる範囲において、格子歪みを多く有してい
た。この格子歪みのため、セミアモルファス半導体の光
の遷移は、単結晶の珪素の間接遷移と異なり、アモルフ
ァス半導体と同じく直接遷移を有していることが判明し
た。 【0024】実施例2 この実施例2は、MIS- FET(絶縁ゲート型電界効
果半導体装置)に関するものである。本実施例のMIS
−FETをインバータ構造にして基板上に設けたものを
説明するための縦断面図である。図5に示すMIS- F
ETは、SOS(SILICON ON SAPPHIRE またはSILICONO
N SILICON)構造で構成される。このSOS構造は、ガ
ラス、セラミックまたはシリコン基板上に酸化膜を約1
μmの厚さに形成した、いわゆる非結晶性表面を有する
絶縁基板(40)上に、アモルファス半導体に不純物をドー
プしないシリコン半導体層が形成される。MIS- FE
Tは、前記シリコン半導体層の一部を選択的にセミアモ
ルファス半導体とし、このセミアモルファス半導体に構
成される。 【0025】このMIS- FETは、以下の方法により
形成される。まず、実施例1にて示された方法により、
0.3 μmないし1μmの厚さのアモルファス半導体を作
製する。そして、このアモルファス半導体に、酸化性気
体に対しマスク作用を有し、かつ他部を酸化してこの酸
化膜を埋置できるマスク用被膜、つまり窒化珪素(42)を
0.2 μmないし0.5 μmの厚さに選択的に形成する。次
に、前記マスク用被膜を用い、アモルファス半導体の表
面の一部に選択的に酸化を行い、アモルファス半導体の
表面の一部に埋置した酸化物(49)を形成する。 【0026】その後、前記マスク用被膜を除去し、再度
アモルファス半導体の表面に、高圧またはプラズマ酸化
法により、ゲート絶縁膜(42)、(42') が500Åないし
1000Åの厚さに形成される。次に、前記ゲート絶縁
膜(42)、(42') の表面上に、ゲート電極(41)、(41') 用
シリコン半導体被膜をアモルファス半導体またはセミア
モルファス半導体として形成する。特に、セミアモルフ
ァス半導体とする場合、N型とするには導電性金属であ
るSb、Asを、またP型とするにはIn、Gaをそれ
ぞれ0.1 モル%ないし5モル%(原子%)添加する。こ
の後、前記ゲート電極(41)、(41') 用シリコン半導体被
膜をフォトエッチングし、ゲート電極(41)、(41') 、お
よびソース領域、ドレイン領域のいずれかの電極リード
(50)、(50') 、(50'') を形成する。 【0027】次に、Nチャネル型MIS- FETの場
合、ゲート電極(41)をマスクとして、自己整合させてイ
オン注入法によりAsをドープし、ソース領域(43)、(4
3') のそれぞれ、およびドレイン領域(44)、(44') のそ
れぞれを形成する。そして、MIS- FETは、VDD
電極リード(50)に対して、ドレイン領域(44)、(44') の
それぞれに接続される出力用電極リード(50') が、オー
バーコート膜(層間絶縁膜)上に形成された上層リード
(48)に接続される。このように構成されるMIS- FE
Tは、前記実施例1に従って、パルス電流を流すと、チ
ャネル形成領域(45)、(45') のそれぞれがセミアモルフ
ァス半導体化され、同時にソ−ス領域(43)、(43') 、ド
レイン領域(44)、(44') のそれぞれもセミアモルファス
半導体化される。かくして、前記チャネル形成領域(4
5)、(45') のそれぞれは、真性または実質的に真性のシ
リコン半導体よりなり、その電気伝導度を実施例1に示
した10-6(Ωcm)-1ないし10-4(Ωcm)-1 にする
ことができた。さらに、実施例1に示すごとく、不要の
不対結合手を水素アニールにより消滅させた。 【0028】前記MIS- FETをロード用MIS- F
ETとして使用する場合、ゲート電極(41') は、ディプ
レッション型にするためにN+ 型で形成される。また、
MIS- FETをドライバ用MIS- FETとして使用
する場合、ゲート電極(41)は、ソース領域(43)、ドレイ
ン領域(44)のそれぞれの導電型と異なるP+ 型で形成さ
れる。本実施例のMIS- FETは、この多数キャリア
を利用したディプレッション型MIS- FET (DIS
- FET )の例を示す。また、MIS- FETは、少数
キャリアを用いる場合、NチャネルMIS- FETのチ
ャネル形成領域(45)、(45') のそれぞれをP型に形成す
る。また、本実施例は、MIS- FETでインバータを
構成した例を示すが、本発明においては、これらのMI
S- FETもしくはインバータを複数集積化した集積回
路(IC)を構成してもよい。また、本発明は、MIS
- FETに限らず、バイポーラ型トランジスタを集積化
した集積回路(IC)、SIT(STATIC INDUCTION TRA
NSISTER )、IIL(INTEGRATED INJECTION LOGIC)等
への応用も可能である。この場合、バイポーラ型トラン
ジスタ、ダイオード等の素子領域はセミアモルファス半
導体で構成され、素子領域の周辺のアイソレーション領
域のー部または全部は、アモルファス半導体で構成され
る。 【0029】本実施例によれば、光および電流を加える
だけで容易にアモルファス半導体からセミアモルファス
半導体にすることができるため、電気伝導率の異なる領
域を簡単に形成することができる。以上の説明により明
らかな如く、本発明のアモルファス半導体とセミアモル
ファス半導体とを同一の半導体中に設けることは、その
実施態様であるMIS型光電変換装置、MIS−FET
を用いた集積回路、光メモリ等への応用が可能であり、
さらに同一技術思想に基づく多くの応用が可能である。 【0030】 【発明の効果】本発明によれば、基板上に形成されたア
モルファス構造の半導体を結晶化温度以下で加熱するこ
とによって、アモルファス半導体と結晶性半導体の中間
構造の半導体として、アモルファス半導体より電気伝導
率を向上させた。そして、本発明によれば、上記半導体
をチャネル形成領域に使用したので、安価でしかも特性
の優れたMIS型半導体装置を得ることができた。ま
た、上記半導体は、非晶質構造と結晶構造との中間の構
にあるため、アモルファス半導体と同じく光を直接遷
移し、優れた特性のMIS型半導体を得ることができ
た。さらに、半導体中の水素の量を0.1モル原子%な
いし5モル原子%としても、電気伝導率がアモルファス
半導体より向上し、優れた特性のMIS型半導体装置を
得ることができた。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an intermediate structure between an amorphous structure and a crystalline structure (including both single crystal and polycrystal). The present invention relates to a MIS type semiconductor device using a semiconductor having a third state which is stable in terms of free energy. 2. Description of the Related Art Conventionally, an amorphous semiconductor has been defined as having a random interatomic distance and a random crystallographic arrangement. An amorphous semiconductor is not always stable in terms of free energy as compared with a crystalline semiconductor (CRYSTALLINE SEMICONDUCTOR) because of the random interatomic distance and crystallographic arrangement. In addition, in such an amorphous semiconductor, there are many unpaired bonds that are not chemically bonded to others due to the randomness. This unpaired bond becomes the center of recombination and extremely shortens the lifetime of the carrier, and it has been expected that the carrier killer is most eliminated. As a method for removing such dangling bonds, it has recently been known to neutralize with hydrogen or halogen. That is, this method can be represented by the following reaction formula, assuming that the semiconductor is silicon. Glow discharge or plasma CV for silane (SiH 4 ), silicon tetrafluoride (SiF 4 ), or a mixed gas thereof is obtained by using Si · + H · → Si-H Si · + F · → Si-F
The film prepared by the method D is composed of an amorphous semiconductor without addition of hydrogen and halogen, from 10 20 cm -3 to 10 22 cm.
-3 as the density of recombination centers, whereas the recombination center density is 10 17 cm -3 to 10 19 cm -3 and 10 4 to 10 6
Attention has been paid to reducing the density of the recombination centers by a factor of one. [0004] Compared with a single crystal semiconductor, an amorphous semiconductor is not only easier to manufacture, but also can form a large-sized (large-area, uniform) film. However, an amorphous semiconductor is not sufficient as a MIS type semiconductor device in terms of the density of recombination centers and electric conductivity. Therefore, amorphous semiconductors
It was not suitable for use in a MIS type semiconductor device. In order to eliminate this defect, the crystallization of the amorphous semiconductor is promoted by annealing. That is, an amorphous semiconductor is considerably inferior in characteristics as compared with a single-crystal semiconductor, though a process for promoting crystallization takes time and labor. For example, an amorphous semiconductor has a density of recombination centers of 10 13 cm -3 to 10 16 cm -3 and an electric conductivity of MIS type semiconductor device, which are required.
10 -6 (Ωcm) -1 to 10 -4 (Ωcm) -1
It is difficult to obtain a diffusion length of 1 μm to 50 μm. In order to solve the above problems, the present invention
By making the recombination center density, the electric conductivity, and the diffusion length of electrons and holes between the amorphous semiconductor and the crystalline semiconductor, a semiconductor having excellent properties is obtained.
It is an object to provide an IS type semiconductor device. In order to achieve the above object, a MIS type semiconductor device according to the present invention comprises a source region (43, 43 ') and a drain region (4) on a substrate (40).
4, 44 '), and the channel forming region (45, 4').
5 ′) and the channel forming region (4).
5,45) and a gate electrode (41, 41 ') is provided') a gate insulating film (42, 42 on the 'amorphous
In the channel forming region (45, 45 ′) having an intermediate structure between the crystal structure and the crystal structure , 0.1 mol% to 5 mol%
Characterized in that an amount of hydrogen has been added. The present invention relates to a MIS using a semiconductor having both the advantages of a single crystal semiconductor and the advantages of an amorphous semiconductor.
It focuses on manufacturing a semiconductor device. The amorphous semiconductor that has been subjected to the predetermined heat treatment is transformed into a semiconductor in which amorphous remains between microcrystals and intervenes. That is, since the semiconductor is amorphous between microcrystals, there is no interface between the microcrystals and the semiconductor has an amorphous structure and a crystalline structure.
In this state, electrons (electrons) or holes (holes) easily move. Therefore, for example, a semiconductor having an amorphous structure formed by a sputtering method and being transformed into a semiconductor having the above structure can be obtained at low cost and with excellent electric conductivity. In contrast, in a polycrystalline semiconductor, microcrystals are mixed, and an interface exists between the microcrystals. Therefore, in the polycrystalline semiconductor, the movement of electrons or holes is hindered by the interface existing between the microcrystals, and the electric conductivity deteriorates. The semiconductor has a crystallized lattice structure, and the crystal has lattice distortion, and is in a third stable state different from an amorphous semiconductor or a single crystal semiconductor. And, due to this lattice distortion, the light transition has the same direct transition as the amorphous semiconductor,
It is advantageous as a type semiconductor. In addition, the applicant is, MIS
In the channel formation region in the semiconductor device , or
It has been found that even when the amount of the halogen element is 0.1 mol% to 5 mol%, the electric conductivity is improved as compared with the amorphous semiconductor. That is, unlike the amorphous semiconductor, it is not necessary to neutralize dangling bonds by adding a large amount of hydrogen or a halogen element as large as 20 mol%.
This is convenient for IS type semiconductor devices. The present invention relates to a semiconductor (semi-amorphous) having the above structure.
Is defined as a semi-amorphous semiconductor, and the semiconductor device having such an intermediate structure and a semi-amorphous semiconductor is locally controlled. Is characterized by having a higher conductivity than that of an amorphous semiconductor. According to the present invention, a current, particularly a pulse current, is supplied to a specific path of an amorphous semiconductor in combination with the energy of photoexcitation by light irradiation or the energy of thermal excitation by heating. Local multiple heating, quenching, at such locations by recombination via
In particular, the material state is frozen (quickened) by the rapid cooling when the current is stopped. That is, the unpaired bond is activated, and the unpaired bond is combined with another unpaired bond in the vicinity thereof or a bond neutralized with another hydrogen or the like, whereby a normal bond is formed. A semi-amorphous semiconductor (SEMI-AMORPHOUS) that has an interatomic distance, cancels its dangling bonds, and freezes its neutralized state
SEMICONDUCTOR). According to the present invention, in a semiconductor, for example, silicon, a reaction such as Si. + Si..fwdarw.Si-Si Si. + Si-H.fwdarw.Si-Si + H. In addition to reducing the number of atoms, the heat generated by the reaction promotes rearrangement of atoms in a short-range order. EXAMPLE 1 This example mainly describes the manufacturing principle and existence theory of a semi-amorphous semiconductor. FIG. 1 is a diagram for explaining one embodiment of the present invention. In FIG.
In a semiconductor device, a conductor or a semiconductor electrode (3) (METAL) is selectively formed in an amorphous structure on an insulating substrate (4) having an amorphous structure, and then a semiconductor (1) (SEMICOND) is formed.
UCTOR: a semiconductor that is a generic name of an amorphous semiconductor or a semi-amorphous semiconductor), a translucent metal, or a counter electrode of a transparent electrode such as indium tin oxide (ITO).
(2) (METAL) is sequentially formed.
That is, the semiconductor device has a structure (MSM structure) in which a metal, a semiconductor, and a metal are sequentially stacked. The semiconductor (1) shown in FIG. 1 is a semiconductor containing silicon as a main component in this embodiment. First, the semiconductor (1) includes silane (SiH 4 ), SiF 4 , Si
A silicide gas such as H 2 Cl 2 is formed by a glow discharge method or a plasma CVD method to a thickness of 0.1 μm to 10 μm, particularly 1 μm to 5 μm. Semiconductor (1)
May be formed by using any of the sputtering method, the vacuum evaporation method, and the low pressure CVD method instead of these methods. The semiconductor (1) formed by any of these methods is formed as an amorphous semiconductor. Next, the state immediately after the growth of this amorphous semiconductor (as
In a (glow state), a semi-amorphous semiconductor is mixed with the amorphous semiconductor in an amount of 1% to 50% to transform the amorphous semiconductor into a semi-amorphous semiconductor. Further, the amorphous semiconductor includes 1
Metamorphosis that approaches a semi-amorphous semiconductor of 00% may be performed. Further, to shift a portion of the amorphous semiconductor on a semi-amorphous semiconductor, to 450 degrees to C is 30 degrees C to 150 degrees C lower temperature than the crystallization temperature and heated at a temperature of 700 ° C. Thereafter, the heated semi-amorphous semiconductor is placed in a mixed atmosphere of H and He, for example, in a mixed atmosphere of H 2 : 0% to 10% and He: 90% to 60%, from 1 MHz to 100 MHz. Alternatively, plasma is generated by induction energy having an output of 300 W to 3 KW at a frequency of 1 GHz to 10 GHz to neutralize dangling bonds. He in the mixed atmosphere
Has the highest ionization voltage of all atoms. This He
Has a thermal conductivity of 0.123 Kcal / mHrC and neon of 0.0398,
Since it is the largest among all gaseous elements as compared with 0.0140 of argon, 0.0206 of nitrogen, etc., it is particularly important for performing a soaking reaction. This embodiment further improves the existence probability of the semi-amorphous semiconductor in the amorphous semiconductor, and grows the semiconductor immediately after growth (as grown state) having an existence probability of about 100% or more of 95% or more. The purpose is to let them. In the structure shown in FIG. 1, before and after the step of forming the amorphous semiconductor, a metal electrode or a semiconductor electrode heavily doped with an impurity (3) and an opposing electrode (2) formed by an impurity electrode are each vacuum-deposited. It can be obtained by forming by a method, a plasma CVD method or a low pressure CVD method. Each of the two electrodes (3) and (2) has a forward voltage of 1.0 / cm 2 to 5 × 10 4 / cm.
m 2 for 100 seconds, especially 0.01 to 2 seconds,
A current, especially a pulse current, is passed. At this time, when the impurity is not doped, the amorphous semiconductor has an electric conductivity σ of 10 −9 (Ωcm) −1 to 10 −12 (Ωcm) −1, which is equal to the insulating property. However, when light irradiation is performed on a predetermined portion of the amorphous semiconductor in the form of a spot having a diameter of 1 μm to 1 mm with an illuminance of 10 4 LX or more, the electric conductivity σ is reduced at the portion where the light irradiation is performed. Is 10 -1 (Ωcm) -1 to 10 -6
cm) -1 and 10 6 times increase. By using this photocarrier, a large current can flow only in the portion where the light irradiation has been performed, and the amorphous semiconductor is transformed into a semi-amorphous semiconductor. Further, current does not flow around the region transformed into the semi-amorphous semiconductor, so that the structure as the amorphous semiconductor remains. An example of the characteristics of the semi-amorphous semiconductor will be described below. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the electrical conductivity of the semi-amorphous semiconductor of the present embodiment and the absolute temperature. In FIG. 2, the vertical axis represents the electrical conductivity σ, particularly the electrical conductivity σ of dark current without light irradiation, as a logarithm (Lo).
g), and the horizontal axis shows the absolute temperature. A curve (10) shown in FIG. 2 is an electric conductivity characteristic of the amorphous semiconductor. 3 × 10 A / c
When a current of m 2 and 10 3 A / cm 2 are applied for 0.5 seconds, the curve (10) becomes the curve (11),
(12). Further, the amorphous semiconductor is a metallic impurity having a large atomic weight, such as a V-valent impurity such as As or Sb, a III-valent impurity such as Ga or In, Sn, P or the like.
0.1 mol% to 10 mol% of an IV-valent impurity such as b
(Atomic%), for example, 1.2 mol% (atomic%), the electrical conductivity characteristic of the curve (10 ') shown in FIG. 2 is obtained. Similarly, when an impurity-added amorphous semiconductor is supplied with a current of semi-amorphous semiconductor, a curve
From (10 ′), the electrical conductivity characteristics shown in curves (13) and (14) can be obtained. Thereby, each of the metallic impurities having a large atomic weight of III, IV, and V becomes an auxiliary agent for promoting the formation of a semi-amorphous semiconductor. On the other hand, B having a small atomic weight among the valences III,
Impurities such as P having a small atomic weight among V valences do not have an auxiliary action, and thus have different characteristics as impurities. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the spin density and the current density of the semi-amorphous semiconductor of this embodiment. FIG.
In the graph, the vertical axis shows the spin density of the dangling bond in electron spin resonance (ESR), and the horizontal axis shows the current density. 0.1 second, 0.5 second,
When the current is applied for 2.5 seconds each,
As shown in the figure, the curve (1
7), (16) and (18) can be obtained. From the measurement results, the semi-amorphous semiconductor is
4 shows an increase in electrical conductivity. That is, the dangling bonds of the amorphous semiconductor are reduced by the semi-amorphous semiconductor. The semi-amorphous semiconductor has an improved electric conductivity σ, and can improve carrier mobility by a factor of 10 3 to 10 6 . And these semi-conductors
An electron diffraction image of the body coating shows a semi-amorphous semiconductor
The crystal structure of the body was clearly observed. Further, in the amorphous semiconductor, the hydrogen content was 20 mol% (atomic%), but this hydrogen content was reduced by the conversion to a semi-amorphous semiconductor, and the hydrogen content was 0.1%.
Only about 1 mol% to 5 mol% (atomic%) was mixed. For this reason, it is considered that the result of the electron spin resonance is not that the unpaired bond is neutralized by hydrogen, but that silicon (Si) is bonded to each other and neutralized. From the above characteristics, the film formed by the so-called amorphous semiconductor has a structure in which the distance between crystal lattices and the position of the crystal lattice are random, whereas the film formed by the semi-amorphous semiconductor has a stable free energy. It is also assumed that it has a third stable point different from the crystal structure stable in terms of thermal energy in terms of free energy. Fig. 4 shows the coordinates (CO
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between NFIGURATIONAL COORDINATE) and free energy. The horizontal axis in FIG. 4 indicates coordinates in a general phase space, and the vertical axis indicates free energy. FIG. 4 shows three states of the amorphous semiconductors (21) and (21 ′), the semi-amorphous semiconductor (22), and the crystalline semiconductor (23). (21 ') was found to be a third stable state rather than a metastable state for becoming a crystalline semiconductor (23). In FIG. 2, the substrate temperature (the temperature of the insulating substrate (4)) is set to 200 ° C. or 400 ° C. higher than room temperature.
, Low current densities of 3 A / cm 2 and 10 2 A / cm 2 are obtained, as shown by the room temperature curves (11) and (12). The features of this embodiment are that photo carriers are generated by local light irradiation (light spot) when applying a current to the amorphous semiconductor, and that the light spot is scanned (scanned). To make an amorphous semiconductor. At this time, it is extremely effective to promote thermal excitation by heating together to apply a current uniformly to a wide area without difficulty in practical use. The current density in this embodiment means the average of the density of the current flowing per unit area. The current density means the density of a current locally flowing in a region below the electrode. That is, the present embodiment can be applied not only to a small area of 1 mm × 1 mm or less, but also to a large area of 10 cm × 10 cm. As described above, in FIG.
The semiconductor (1) immediately below (2), that is, the semiconductor (1) in the region (20) is a semi-amorphous semiconductor. Further, the semiconductor (1) in the region (19) shown in FIG. 1 does not have the lower electrode (3), so that the amorphous semiconductor in the state immediately after growth (as grown state) or the amorphous semiconductor and the semi-amorphous semiconductor It becomes a mixed semiconductor. Further, the semiconductor (1) in the region (19 ')
It has an intermediate structure between the amorphous semiconductor immediately after growth (as grown state) and the semiconductor (1) in the region (20). The semiconductor (1) shown in FIG. 1 is a case of amorphous silicon, but Ge, GeSix (0 <x <1),
O 2- x (0 <x < 2), SiC 1- x (0 <x <1), Si 3 N 4- x (0 <x <4)
As described above, the present invention can be similarly carried out with a compound or a mixture. The semiconductor according to the present invention also includes a semi-insulator in a limit where current can flow. Thus, in the case of silicon, the amorphous semiconductor had a carrier diffusion length of only about 300 mm. In contrast, the semi-amorphous semiconductor of this embodiment has a carrier diffusion length of 1 μm to 50 μm.
10 4 times increase and carrier diffusion length to 1/10 or
I was able to approach 1/1000. When a semi-amorphous semiconductor was examined by an electron beam or X-ray diffraction method, the distance between atoms of this semi-amorphous semiconductor was 2.
2 ° to 2.5 °, and the interatomic distance of the single crystal is 2.3.
It had a strain that extended in the long-distance direction while substantially matching 一致. However, the crystal structure of the semi-amorphous semiconductor has a diamond structure on the order of a short range, and has a lot of lattice distortion in a range to be examined by a diffraction image. Due to this lattice distortion, it has been found that the light transition of the semi-amorphous semiconductor has a direct transition similarly to the amorphous semiconductor, unlike the indirect transition of single crystal silicon. Embodiment 2 Embodiment 2 relates to a MIS-FET (insulated gate type field effect semiconductor device). MIS of the present embodiment
FIG. 4 is a longitudinal sectional view for explaining an FET having an inverter structure and provided on a substrate. MIS-F shown in FIG.
ET is SOS (SILICON ON SAPPHIRE or SILICONO
N SILICON) structure. This SOS structure has about one oxide layer on a glass, ceramic or silicon substrate.
A silicon semiconductor layer in which an amorphous semiconductor is not doped with impurities is formed on an insulating substrate (40) having a thickness of μm and having a so-called amorphous surface. MIS-FE
T is a semi-amorphous semiconductor which is formed by selectively forming a part of the silicon semiconductor layer as a semi-amorphous semiconductor. This MIS-FET is formed by the following method. First, according to the method described in the first embodiment,
An amorphous semiconductor having a thickness of 0.3 μm to 1 μm is manufactured. Then, this amorphous semiconductor is provided with a mask coating that has a masking action against an oxidizing gas and oxidizes other portions to embed this oxide film, that is, silicon nitride (42).
It is selectively formed to a thickness of 0.2 μm to 0.5 μm. Next, using the mask coating, selective oxidation is performed on a part of the surface of the amorphous semiconductor to form an oxide (49) embedded in a part of the surface of the amorphous semiconductor. Thereafter, the mask coating is removed, and gate insulating films (42) and (42 ') are formed on the surface of the amorphous semiconductor again by high pressure or plasma oxidation to a thickness of 500 to 1000 mm. Next, a silicon semiconductor film for the gate electrodes (41) and (41 ') is formed on the surfaces of the gate insulating films (42) and (42') as an amorphous semiconductor or a semi-amorphous semiconductor. In particular, when a semi-amorphous semiconductor is used, Sb and As, which are conductive metals, are added to make it N-type, and In and Ga are added by 0.1 mol% to 5 mol% (atomic%), respectively, to make it P-type. . Thereafter, the silicon semiconductor film for the gate electrodes (41) and (41 ') is photo-etched, and the gate electrodes (41) and (41') and any one of the electrode leads of the source region and the drain region are formed.
(50), (50 ') and (50'') are formed. Next, in the case of an N-channel MIS-FET, As is doped by ion implantation with self-alignment using the gate electrode (41) as a mask, and the source regions (43), (4
3 ') and the drain regions (44), (44'). In the MIS-FET, an output electrode lead (50 ') connected to each of the drain regions (44) and (44') is connected to an overcoat film (interlayer) with respect to the VDD electrode lead (50). Upper lead formed on insulating film)
Connected to (48). MIS-FE configured in this way
T indicates that when a pulse current is applied according to the first embodiment, each of the channel forming regions (45) and (45 ') becomes a semi-amorphous semiconductor, and at the same time, the source regions (43), (43') and the drain Each of the regions (44) and (44 ') is also made into a semi-amorphous semiconductor. Thus, the channel forming region (4
Each of (5) and (45 ') is made of an intrinsic or substantially intrinsic silicon semiconductor, and has an electric conductivity of 10 −6 (Ωcm) −1 to 10 −4 (Ωcm) shown in Example 1. We were able to 1. Further, as shown in Example 1, unnecessary dangling bonds were eliminated by hydrogen annealing. The MIS-FET is connected to a load MIS-F
When used as an ET, the gate electrode (41 ') is formed of an N @ + type to make it a depletion type. Also,
When the MIS-FET is used as a driver MIS-FET, the gate electrode (41) is formed of a P + type different from the respective conductivity types of the source region (43) and the drain region (44). The MIS-FET of this embodiment is a depletion type MIS-FET (DIS
-FET). When the minority carrier is used in the MIS-FET, each of the channel forming regions (45) and (45 ') of the N-channel MIS-FET is formed in a P-type. Although the present embodiment shows an example in which the MIS-FET constitutes an inverter, in the present invention, these MI-FETs are used.
An integrated circuit (IC) in which a plurality of S-FETs or inverters are integrated may be configured. Further, the present invention provides a MIS
-Integrated circuit (IC) that integrates not only FETs but also bipolar transistors, SIT (STATIC INDUCTION TRA)
Application to NSISTER), IIL (INTEGRATED INJECTION LOGIC), etc. is also possible. In this case, an element region such as a bipolar transistor or a diode is formed of a semi-amorphous semiconductor, and a part or all of an isolation region around the element region is formed of an amorphous semiconductor. According to the present embodiment, since an amorphous semiconductor can be easily changed to a semi-amorphous semiconductor simply by applying light and current, regions having different electric conductivity can be easily formed. As is apparent from the above description, the provision of the amorphous semiconductor and the semi-amorphous semiconductor of the present invention in the same semiconductor is the embodiment of the MIS-type photoelectric conversion device, MIS-FET
It can be applied to integrated circuits and optical memories using
Further, many applications based on the same technical concept are possible. According to the present invention, a semiconductor having an intermediate structure between an amorphous semiconductor and a crystalline semiconductor is obtained by heating a semiconductor having an amorphous structure formed on a substrate at a temperature lower than a crystallization temperature. The electric conductivity was further improved. According to the present invention, since the above-described semiconductor is used for the channel formation region, an inexpensive MIS type semiconductor device having excellent characteristics can be obtained. The semiconductor has a structure intermediate between an amorphous structure and a crystalline structure.
As a result, the light was directly transited similarly to the amorphous semiconductor, and a MIS semiconductor having excellent characteristics was obtained. Further, even when the amount of hydrogen in the semiconductor was 0.1 mol% to 5 mol%, the electrical conductivity was improved as compared with the amorphous semiconductor, and a MIS type semiconductor device having excellent characteristics was obtained.

【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の一実施例を説明するための図である。 【図2】本実施例のセミアモルファス半導体の電気伝導
度と絶対温度との関係を示す図である。 【図3】本実施例のセミアモルファス半導体のスピン密
度と電流密度との関係を示す図である。 【図4】一般的な位相空間の座標と自由エネルギーとの
関係を示す図である。 【図5】本実施例のMIS−FETをインバータ構造に
して基板上に設けたものを説明するための縦断面図であ
る。 【符号の説明】 40・・・絶縁基板 41、41’・・・ゲート電極 42、42’・・・ゲート絶縁膜 43、43’・・・ソース領域 44、44’・・・ドレイン領域 45、45’・・・チャネル形成領域 46、46’・・・アイソレーション領域 50、50’・・・電極リード
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the electrical conductivity and the absolute temperature of the semi-amorphous semiconductor of this example. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the spin density and the current density of the semi-amorphous semiconductor of this example. FIG. 4 is a diagram showing a relationship between coordinates in a general phase space and free energy. FIG. 5 is a vertical cross-sectional view for explaining a MIS-FET of this embodiment having an inverter structure and provided on a substrate. [Description of References] 40 ... Insulating substrates 41, 41 '... Gate electrodes 42, 42' ... Gate insulating films 43, 43 '... Source regions 44, 44' ... Drain region 45, 45 '... channel forming regions 46, 46' ... isolation regions 50, 50 '... electrode leads

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.基板上に、ソース領域、ドレイン領域、およびチャ
ネル形成領域よりなる半導体と、前記チャネル形成領域
上にゲート絶縁膜およびゲート電極が設けられた半導体
装置において、非晶質構造と結晶構造との中間の構造 を有するチャネル
形成領域には、0.1モル%ないし5モル%量の水素が
添加されていることを特徴とするMIS型半導体装置。
(57) [Claims] In a semiconductor device in which a semiconductor including a source region, a drain region, and a channel formation region is provided over a substrate and a gate insulating film and a gate electrode are provided over the channel formation region , an intermediate between an amorphous structure and a crystal structure is provided . A MIS type semiconductor device, wherein 0.1 mol% to 5 mol% of hydrogen is added to a channel formation region having a structure .
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS5550664A (en) * 1978-10-07 1980-04-12 Shunpei Yamazaki Semiconductor device and method of fabricating the same
JPS62216271A (en) * 1986-12-12 1987-09-22 Shunpei Yamazaki Mis type semiconductor device

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