JP3125981B2 - Insulated gate field effect semiconductor device - Google Patents

Insulated gate field effect semiconductor device

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JP3125981B2
JP3125981B2 JP08333062A JP33306296A JP3125981B2 JP 3125981 B2 JP3125981 B2 JP 3125981B2 JP 08333062 A JP08333062 A JP 08333062A JP 33306296 A JP33306296 A JP 33306296A JP 3125981 B2 JP3125981 B2 JP 3125981B2
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crystal semiconductor
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insulated gate
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舜平 山崎
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路、
液晶表示パネル等に用いられる絶縁ゲート型電界効果半
導体装置に関するものである。 【0002】 【従来の技術】特開昭58−2073号公報に記載され
た電界効果型トランジスタは、ソース領域およびドレイ
ン領域を選択的にアニールすることにより多結晶領域と
し、チャネル形成領域を非晶質領域としている。すなわ
ち、同公報に示されている電界効果型トランジスタは、
非晶質領域の一部を選択的にアニールによって多結晶領
域としている。 【0003】 【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
絶縁ゲート型電界効果半導体装置におけるチャネル形成
領域は、酸素、炭素、および窒素のいずれもが1ないし
3×1020cm-3程度含む非単結晶半導体層からなって
いた。酸素、炭素、および窒素のいずれもがこのような
高い濃度で含まれている場合、絶縁ゲート型電界効果半
導体装置は、スイッチングする際の「ON」、「OF
F」特性が悪かった。たとえば、上記のように酸素、炭
素、および窒素のいずれもがこのような高い濃度で含ま
れている非単結晶半導体を用いた絶縁ゲート型電界効果
半導体装置において、良好な「ON」、「OFF」特性
を示す周波数特性は、1KHz程度であった。 【0004】また、従来の絶縁ゲート型電界効果半導体
装置は、ソース領域およびドレイン領域を選択的にアニ
ールしているため、非単結晶半導体層に結晶化されてい
ない部分が必ず残る。上記のように絶縁ゲート型電界効
果半導体装置に結晶化されていない領域が残っている場
合、絶縁ゲート型電界効果半導体装置として動作する際
に、この非晶質部分にも電流が一部流れる。非晶質部分
は、結晶化された部分と比較して高い抵抗を示すため、
電流が流れ難く、一旦流入すると蓄えられて流れ出るの
が遅い。すなわち、従来例における絶縁ゲート型電界効
果半導体装置は、電流の流れるライフタイムが長く、ヒ
ステリシス特性がでる。 【0005】以上のような問題を解決するために、本発
明は、スイッチング特性が良く、高い周波数で使用でき
る絶縁ゲート型電界効果半導体装置を提供することを目
的とする。 【0006】 【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、石英
またはガラス基板(1) と、当該石英またはガラス基板
(1) 上に少なくともチャネル形成領域、ソース領域(7)
、ドレイン領域(8) を有し、酸素、炭素および窒素の
濃度それぞれ5×1018cm-3以下で、多結晶シリコ
ン、または微結晶シリコンからなる非単結晶半導体層
(2) と、前記チャネル形成領域に整合した位置に形成さ
れたゲート電極(4) と、前記非単結晶半導体層(2) と前
記ゲート電極(4) との間に形成されているゲート絶縁膜
(3) とを備えており、前記ソース領域(7) およびドレイ
ン領域(8) は、前記チャネル形成領域を除いて強紫外光
によって結晶化を助長したものであり、且つ前記ゲート
絶縁膜(3) は、窒化珪素膜を含んでいることを特徴とす
る。 【0007】本発明は、不純物の添加のないまたはきわ
めて少ない非単結晶半導体(以下、水素またはハロゲン
元素が添加された非単結晶半導体を単に半導体または非
単結晶半導体と略記する)上にゲート絶縁物およびその
上にゲート電極を選択的に設けた。さらに、このゲート
電極をマスクとしてイオン注入法等によりソース領域お
よびドレイン領域用の不純物、たとえば、Nチャネル型
ではリンまたは砒素、Pチャネル型ではホウ素を非単結
晶半導体内部に添加した。この後、この不活性の不純物
が添加された領域に対し、400°C以下の温度で強光
照射をし、強光アニール(以下、単に光アニールとい
う)を行い、水素またはハロゲン元素が添加残存し、か
つ結晶化度がチャネル形成領域よりも助長された半導
体、特に、著しくは多結晶または単結晶構造の半導体に
変成せしめたことを特徴とするものである。すなわち、
本発明は、従来より公知の水素またはハロゲン元素が添
加されていない単結晶半導体に対し、イオン注入後、レ
ーザアニールを行うのではなく、水素またはハロゲン元
素が1原子%以上−一般には5原子%ないし20原子%
の濃度に添加されている非単結晶半導体に対し、イオン
注入をし、それに強光アニールを行い、かつ、好ましく
はこの光を基板表面を一端より他端に走査することによ
り結晶成長をプロセス上含ませ、結晶化度を助長とし不
純物領域としたものである。 【0008】 【発明の実施の形態】本発明の絶縁ゲート型電界効果半
導体装置におけるチャネル形成領域以外の全てのソース
領域およびドレイン領域は、強紫外光によって結晶化
助長したものであり、チャネル形成領域より結晶化度を
高くしている。その結果、ソース領域およびドレイン領
域は、チャネル形成領域より電気抵抗を下げることがで
き、絶縁ゲート型電界効果半導体装置のON特性を良好
にすることができる。また、ソース領域およびドレイン
領域は、チャネル形成領域を除いた酸素、炭素および
素の濃度それぞれ5×1018cm-3以下で、多結晶シ
リコン、または微結晶シリコンからなる非単結晶半導体
層の全域に不純物を含んでおり、広い面積にわたって電
気抵抗の低い領域があり、電流の流れ難い非晶質部分が
ないため、電流が流れ易く、スイッチングの際にダラダ
ラ流れない。本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置
は、酸素、炭素および窒素の濃度それぞれ5×1018
cm-3以下、すなわち、前記元素をできる限り少なくし
た多結晶シリコン、または微結晶シリコンからなる非単
結晶半導体層に強紫外光が照射されて結晶化を助長し
ソース領域およびドレイン領域が形成されている。この
ような構成とした絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、
従来例における非単結晶半導体、たとえば酸素、炭素、
または窒素が1ないし3×1020cm-3である非単結晶
半導体が1KHzの周波数に追従できる程度のスイッチ
ング特性であったのに対して、1MHzの周波数におい
ても良好なスイッチング特性を得た。 【0009】また、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
は、多結晶シリコン、または微結晶シリコンからなる非
単結晶半導体層における酸素、炭素および窒素の濃度
それぞれ5×1018cm-3以下と、極めて少なくし、チ
ャネル形成領域を除く全ての非単結晶半導体層が強紫外
光を照射することによって結晶化を助長したソース領域
およびドレイン領域から形成されているため、さらに高
い周波数におけるスイッチング特性を良好にした。特
に、ソース領域およびドレイン領域を選択的にアニール
処理をしていないため、チャネル形成領域以外における
全ての上記非単結晶半導体層を再結晶化して形成させる
ことが容易できる。すなわち、本発明における絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置は、酸素、炭素および窒素の
それぞれ5×1018cm-3以下で、多結晶シリコ
ン、または微結晶シリコンからなる非単結晶半導体層に
おけるチャネル形成領域以外の全ての領域がソース領域
およびドレイン領域となっているため、非晶質部分に抵
抗の高い領域が残されていない。その結果、本発明の絶
縁ゲート型電界効果半導体装置は、ゲート電極が基板上
のチャネル形成領域を構成する酸素、炭素および窒素の
濃度それぞれ5×1018cm-3以下で、多結晶シリコ
ン、または微結晶シリコンからなる非単結晶半導体層の
上方に設けられている。また、当該非単結晶半導体層の
光学的エネルギーギャップ(珪素半導体の場合)は、
1.7eVないし1.8eVであるのに対して、ソース
領域およびドレイン領域の光学的エネルギーギャップが
1.6eVないし1.8eVと殆ど同じ光学的エネルギ
ーギャップを有している。また、ソース領域およびドレ
イン領域は、上記非単結晶半導体層のエネルギーギャッ
プと同じであると共に、活性な不純物領域を得ることが
できた。ソース領域およびドレイン領域は、チャネル形
成領域と同じまたは略同じエネルギーギャップであるた
め、絶縁ゲート型電界効果半導体装置の「ON」、「O
FF」に対し、オン電流が立上り時に流れなかったり、
また他方、電流が立ち下がり時にダラダラ流れない。す
なわち、本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、
オフ電流が少なく、かつ「ON」、「OFF」を高速応
答で行なうことができた。また、ソース領域およびドレ
イン領域の結晶化度は、チャネル形成領域より高くした
ため、シート抵抗が明らかに低くなり、一枚の基板上に
大面積大規模集積化を行うことが可能になった。ゲート
絶縁膜は、酸素、炭素および窒素の濃度それぞれ5×
1018cm-3以下で、多結晶シリコン、または微結晶シ
リコンからなる非単結晶半導体層に接して窒化珪素膜が
形成されているため、上記非単結晶半導体中の水素が脱
気し難いと共に、水分が非単結晶半導体中に侵入し難
い。 【0010】 【実 施 例】図1(A)ないし(C)は本発明の一実
施例である絶縁ゲート型電界効果半導体装置の縦断面図
を示す。図1において、基板(1) は、たとえば石英ガラ
スからなり、図1(A) に示すごとく、その厚さを1.1 m
mとし、大きさを10cm×10cmとした。この基板(1)
の上面には、シラン(SiH4)のプラズマCVD(高周波数13.5
6MHz、基板温度210 ℃)により、水素が1原子%以上の
濃度に添加されたアモルファス構造を含む非単結晶半導
体(2) が0.2 μmの厚さに形成された。さらに、この非
単結晶半導体(2) の上面には、光CVD 法により、たとえ
ば窒化珪素膜からなるゲート絶縁膜(3) が積層された。
すなわち、ゲート絶縁膜(3) は、ジシラン(Si2H6 )と
アンモニア(NH3 )、またはヒドラジン(N2 4
との反応( 2537Åの波長を含む低圧水銀灯、基板温度25
0 ℃) により、Si3N4 を水銀増感法を用いることなしに
1000Åの厚さに作製された。 【0011】この後、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
を形成する領域(5) を除いた部分は、プラズマエッチン
グ法により除去された。プラズマエッチング反応は、CF
4 +O2( 5% )の反応性気体を導入すると共に、図示さ
れていない平行平板電極に周波数13.56MHzを印加して、
室温で行われた。ゲート絶縁膜(3) 上には、N + の導電
型の微結晶または多結晶半導体が0.3 μmの厚さに積層
された。このN + の半導体膜は、レジスト膜(6) を用い
てフォトエッチング法で非所望な部分が除去された。そ
の後、このレジスト膜(6) とN+半導体のゲート電極(4)
とからなるゲート部をマスクとして、ソ−ス、ドレイン
となる領域には、イオン注入法により、1×1020cm-3
の濃度に図1(B) に示すごとくリンが添加され、一対の
不純物領域(7) 、(8) となった。 【0012】さらに、基板(1) は、その全体に対し、ゲ
ート電極(4) のレジスト膜(6) が除去された後、強光(1
0)の光アニ−ルが行われた。すなわち、超高圧水銀灯
(出力5KW 、波長250 ないし600 nm、光径15mm、長
さ180 mm) に対し裏面側は、放物面の反射鏡を用い前
方に石英のシリンドリカルレンズ(焦点距離150 cm、
集光部幅2mm、長さ180 mm) により、線状に照射部
を構成した。この照射部に対し基板(1) の照射面は、5
cm/ 分ないし50cm/ 分の速度で走査( スキャン) さ
れ、基板10cm×10cmの全面に強光(10)が照射される
ようにした。かくすると、ゲート電極(4) は、ゲート電
極(4) 側にリンが多量に添加されているため、十分光を
吸収し多結晶化した。 【0013】また、不純物領域(7) 、(8) は、一度溶融
し再結晶化することにより走査する方向、すなわち、X
方向に溶融、再結晶をシフト(移動)させた。その結
果、単に全面を均一に加熱または光照射するのみに比
べ、成長機構が加わるため結晶粒径を大きくすることが
できた。この強光アニ−ルにより多結晶化した領域は、
不純物領域(7) 、(8) の下側の全領域にまで及ぶ必要が
ない。図1において、破線(11)、(11')で示したごと
く、その上層部のみが少なくとも結晶化し、不純物領域
(7) 、(8) を活性にすることが重要である。 【0014】さらに、そのソース領域およびドレイン領
域の端部(15)、(15') は、ゲート電極の端部(16)、(1
6') に対し、チャネル領域側に入り込むように設けられ
ている。そして、N型不純物領域 (7)、(8)、I型非単
結晶半導体領域(2) 、接合界面(17)、(17') からなるチ
ャネル形成領域は、I型半導体領域における非単結晶半
導体、および不純物領域から入り込んだ結晶化半導体か
ら構成されるハイブリッド構造となっている。このI型
半導体領域内の結晶化半導体の程度は、光アニ−ルの走
査スピ−ド、強度(照度)によって決められる。 【0015】図1(B)の工程の後、ポリイミド樹脂
は、全面に2μmの厚さにコ−トされる。そして、ポリ
イミド樹脂には、電極穴(13)、(13') が形成された後、
アルミニュ−ムのオ−ムコンタクトおよびそのリ−ド(1
4)、(14') が形成される。この2層目のリード(14)、(1
4') は、形成する際に、ゲート電極(4) と連結してもよ
い。この光アニ−ルの結果は、シ−ト抵抗が光照射前の
4×10-3( オームcm) -1から1×10+2( オームcm)
-1になり、光アニール前と比べ電気伝導度特性が向上し
た。 【0016】図2は本発明の実施例によるドレイン電流
─ゲート電圧の特性を示す図である。チャネル形成領域
の長さが3μm、および10μmの場合、チャネル幅が1
mmの条件下において、それぞれ図2における符号(2
1)、(22)によって示されるごとく、Vth=+2V 、V DD
10V にて1×10-5A 、2×10-5A の電流を得た。なお、
オフ電流は、(VGG=0V) 10-10 ないし10-11 (A) であ
り、単結晶半導体の10-6(A) に比べ10-4分の1も小さか
った。本実施例は、下側から漸次被膜を形成し加工する
という製造工程を採用したため、大面積大規模集積化を
行なうことが可能になった。そのため、大面積例えば30
cm×30cmのパネル内に500個×500個の絶縁ゲ
ート型電界効果半導体装置の作製すらも可能とすること
ができ、液晶表示素子の制御用絶縁ゲート型電界効果半
導体装置として応用することができた。 【0017】光アニ−ルプロセスによる400 ℃以下の低
温処理であるため、多結晶化または単結晶化した半導体
がその内部の水素またはハロゲン元素を放出させること
を防ぐことができた。また、光アニ−ルは、基板全面に
対して同時に行なうのではなく、一端より他端に走査さ
せた。このため、筒状の超高圧水銀灯から照射された光
は、放物ミラ−および石英レンズにより線状に集光され
た。そして、この線状に集光された光は、これと直交し
た方向に基板を走査することにより非単結晶半導体表面
を光アニ−ルすることができた。 【0018】この光アニ−ルは、紫外線で行なうため、
非単結晶半導体の表面より内部方向への結晶化を助長さ
せた。このため、十分に多結晶化または単結晶化された
表面近傍の不純物領域は、チャネル形成領域におけるゲ
ート絶縁膜のごく近傍に流れる電流制御を支障なく行な
うことが可能となった。光照射アニ−ル工程に際し、チ
ャネル形成領域に添加された水素またはハロゲン元素
は、まったく影響を受けず、非単結晶半導体の状態を保
持できるため、オフ電流を単結晶半導体の1/103 ないし
1/105 にすることができる。ソ−ス領域およびドレイン
領域は、ゲート電極を作った後、光アニ−ルで作製する
ため、ゲート絶縁物界面に汚物が付着せずに、特性を安
定させる。 【0019】さらに、従来より公知の方法に比べ、基板
材料として石英ガラスのみならず任意の基板であるソ−
ダガラス、耐熱性有機フィルムをも用いることができ
る。異種材料界面であるチャネル形成領域を構成する非
単結晶半導体─ゲート絶縁物─ゲート電極の形成は、同
一反応炉内でのプロセスにより、大気に触れさせること
なく作り得るため、界面凖位の発生が少ないという特長
を有する。 【0020】なお、本実施例において、チャネル形成領
域の非単結晶半導体の酸素、炭素および窒素のいずれも
が5×1018cm-3以下の不純物濃度であることが重要で
ある。すなわち、これらが従来公知の絶縁ゲート型電界
効果半導体装置においては、チャネル層に1ないし3 ×
1020cm-3の濃度に混合している。この従来例における
非単結晶半導体を用いるPチャネル型絶縁ゲート型電界
効果半導体装置は、本実施例における絶縁ゲート型電界
効果トランジスタ装置の有する特性の1/3以下の電流
しか流れない。そして、上記従来例における非単結晶半
導体を用いた絶縁ゲート型電界効果半導体装置のヒステ
リシス特性は、IDD─VGG特性にドレイン電界を2×10
6V/ cm以上加える場合に観察されてしまった。また、
本実施例のように、非単結晶半導体中の酸素を5×1018
cm-3以下とすると、3×106V/ cmの電圧においても
ヒステリシスの存在が観察されなかった。 【0021】 【発明の効果】本発明によれば、ソース領域およびドレ
イン領域は、チャネル形成領域より結晶化度を高くして
いるため、絶縁ゲート型電界効果半導体装置のON特性
を良好にすることができる。本発明によれば、石英また
はガラス基板上に少なくともチャネル形成領域、ソース
領域ドレイン領域を有し、酸素、炭素および窒素の
それぞれ5×1018cm-3以下で、多結晶シリコ
ン、または微結晶シリコンからなる非単結晶半導体層
したため、電流が流れ易く、スイッチングの際にダラダ
ラ流れない。本発明によれば、絶縁基板表面上に酸素、
炭素および窒素の濃度いずれも5×1018cm-3以下
である多結晶シリコン、または微結晶シリコンからなる
非単結晶半導体層におけるチャネル形成領域を設けてい
るため、ゲート電圧−ドレイン電流特性にヒステリシス
がなく、高い周波数における良好なスイッチング特性を
得た。本発明によれば、チャネル形成領域と比較して、
ソース領域およびドレイン領域の結晶化したものであ
ため、シート抵抗が下がり、大面積大規模集積化を行
うことができた。本発明によれば、酸素、炭素および
素の濃度それぞれ5×1018cm-3以下で、多結晶シ
リコン、または微結晶シリコンからなる非単結晶半導体
とゲート電極との間に形成されている窒化珪素膜を含
ゲート絶縁膜は、非単結晶半導体中の水素の脱気、お
よび水分の侵入を難くしている。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated circuit,
The present invention relates to an insulated gate field effect semiconductor device used for a liquid crystal display panel or the like. 2. Description of the Related Art In a field effect transistor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 58-2073, a source region and a drain region are selectively annealed to form a polycrystalline region, and a channel forming region is made amorphous. Quality area. That is, the field effect transistor disclosed in the publication is
A part of the amorphous region is selectively made into a polycrystalline region by annealing. As described above, in a conventional insulated gate field effect semiconductor device, a channel forming region contains 1 to 3 × 10 20 cm − of oxygen, carbon, and nitrogen. It consisted of a non-single-crystal semiconductor layer containing about three . When any of oxygen, carbon, and nitrogen is contained at such a high concentration, the insulated gate field-effect semiconductor device is turned on and off when switching.
F "characteristic was bad. For example, as described above, in an insulated gate field effect semiconductor device using a non-single-crystal semiconductor containing oxygen, carbon, and nitrogen at such a high concentration, good “ON” and “OFF” The frequency characteristic showing the characteristic was about 1 KHz. In the conventional insulated gate field effect semiconductor device, since the source region and the drain region are selectively annealed, an uncrystallized portion always remains in the non-single-crystal semiconductor layer. When an uncrystallized region remains in the insulated gate field effect semiconductor device as described above, a part of the current also flows in the amorphous portion when the device operates as an insulated gate field effect semiconductor device. Since the amorphous part has a higher resistance than the crystallized part,
The current is difficult to flow, and once it flows in, it is stored and flows out slowly. That is, the insulated gate field-effect semiconductor device in the conventional example has a long lifetime in which current flows, and exhibits hysteresis characteristics. [0005] In order to solve the above problems, an object of the present invention is to provide an insulated gate field effect semiconductor device which has good switching characteristics and can be used at a high frequency. In order to achieve the above object, an insulated gate field effect semiconductor device according to the present invention comprises a quartz or glass substrate (1) and the quartz or glass substrate.
(1) At least a channel forming region and a source region (7)
, A drain region (8) and oxygen, carbon and nitrogen
A non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon, each having a concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less
(2), a gate electrode (4) formed at a position aligned with the channel formation region, and a gate insulation formed between the non-single-crystal semiconductor layer (2) and the gate electrode (4). film
(3), wherein the source region (7) and the drain region (8) have strong ultraviolet light except for the channel formation region.
In this case, the crystallization is promoted, and the gate insulating film (3) includes a silicon nitride film. According to the present invention, a gate insulating film is formed on a non-single-crystal semiconductor to which no or very few impurities are added (hereinafter, a non-single-crystal semiconductor to which hydrogen or a halogen element is added is simply referred to as a semiconductor or a non-single-crystal semiconductor). An object and a gate electrode were selectively provided thereon. Further, using the gate electrode as a mask, impurities for the source region and the drain region, for example, phosphorus or arsenic for the N-channel type and boron for the P-channel type are added to the inside of the non-single-crystal semiconductor by an ion implantation method or the like. Thereafter, the region to which the inert impurities are added is irradiated with strong light at a temperature of 400 ° C. or less, and is subjected to strong light annealing (hereinafter, simply referred to as light annealing), so that hydrogen or a halogen element is added. In addition, the semiconductor is characterized by being transformed into a semiconductor whose crystallinity is promoted more than that of the channel formation region, particularly, a semiconductor having a remarkably polycrystalline or single crystal structure. That is,
The present invention does not perform laser annealing after ion implantation on a conventionally known single crystal semiconductor to which hydrogen or a halogen element is not added, but the hydrogen or halogen element is 1 atomic% or more—generally 5 atomic%. Or 20 atomic%
Is implanted into the non-single-crystal semiconductor added at a concentration of 0.1%, high-intensity annealing is performed on the non-single-crystal semiconductor, and preferably, the light is scanned from one end to the other end of the substrate surface to control crystal growth. In this case, the crystallinity is promoted to form an impurity region. [0008] All of the source and drain regions other than the channel formation region in the insulated gate field effect semiconductor device of the embodiment of the present invention is a crystallized by intense ultraviolet light
It has a higher degree of crystallinity than the channel formation region. As a result, the source region and the drain region can have lower electric resistance than the channel formation region, and can improve the ON characteristics of the insulated gate field effect semiconductor device. The source region and the drain region each have a concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less in oxygen, carbon, and nitrogen excluding a channel formation region, and are formed of non-crystalline silicon or microcrystalline silicon. Since the entire region of the single crystal semiconductor layer contains impurities, there is a region with a low electric resistance over a wide area, and there is no amorphous portion where current does not easily flow. Therefore, current flows easily and does not flow during switching. The insulated gate field effect semiconductor device of the present invention has an oxygen, carbon and nitrogen concentration of 5 × 10 18 each.
cm -3 or less, that is, polycrystalline silicon in which the element is reduced as much as possible, or a non-single-crystal semiconductor layer made of microcrystalline silicon is irradiated with strong ultraviolet light to promote crystallization ,
A source region and a drain region are formed. The insulated gate field effect semiconductor device having such a configuration is
Conventional non-single-crystal semiconductors, such as oxygen, carbon,
Alternatively, the switching characteristics of a non-single-crystal semiconductor containing 1 to 3 × 10 20 cm −3 of nitrogen were sufficient to follow a frequency of 1 KHz, but good switching characteristics were obtained even at a frequency of 1 MHz. In the insulated gate field effect semiconductor device, the concentration of oxygen, carbon and nitrogen in a non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon is reduced.
Each of the non-single-crystal semiconductor layers except for the channel formation region is formed from a source region and a drain region which promoted crystallization by irradiating strong ultraviolet light, which is extremely small, 5 × 10 18 cm −3 or less. Therefore, the switching characteristics at higher frequencies are improved. In particular, since the source region and the drain region are not selectively annealed, all the non-single-crystal semiconductor layers other than the channel formation region can be easily recrystallized and formed. That is, the insulated gate field effect semiconductor device according to the present invention has a high concentration of oxygen, carbon and nitrogen.
Since each region except for the channel formation region in the non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon is a source region and a drain region at a density of 5 × 10 18 cm −3 or less, No high-resistance region is left in the crystalline part. As a result, in the insulated gate field effect semiconductor device of the present invention, the gate electrode is formed of oxygen, carbon, and nitrogen constituting the channel formation region on the substrate.
Each of them has a concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less and is provided above a non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon. The optical energy gap (in the case of a silicon semiconductor) of the non-single-crystal semiconductor layer is
It not 1.7eV whereas a 1.8 eV, optical energy gap of the source and drain regions has almost the same optical energy gap and 1.6eV a stone 1.8 eV. In addition, the source region and the drain region have the same energy gap as that of the non-single-crystal semiconductor layer, and an active impurity region can be obtained. Since the source region and the drain region have the same or substantially the same energy gap as the channel formation region, “ON” and “O” of the insulated gate field effect semiconductor device are used.
FF ", the ON current does not flow at the time of rising,
On the other hand, when the current falls, there is no rattling. That is, the insulated gate field effect semiconductor device of the present invention is:
The off current was small, and "ON" and "OFF" could be performed with high speed response. Further, since the crystallinity of the source region and the drain region is higher than that of the channel formation region, the sheet resistance is clearly reduced, and large-area large-scale integration can be performed on one substrate. The gate insulating film has a concentration of 5 × each of oxygen, carbon and nitrogen.
At 10 18 cm -3 or less, a silicon nitride film is formed in contact with a non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon, so that hydrogen in the non-single-crystal semiconductor is hardly degassed and In addition, moisture does not easily enter the non-single-crystal semiconductor. FIG. 1A to FIG. 1C are longitudinal sectional views of an insulated gate field effect semiconductor device according to one embodiment of the present invention. In FIG. 1, a substrate (1) is made of, for example, quartz glass and has a thickness of 1.1 m as shown in FIG.
m and the size was 10 cm × 10 cm. This board (1)
The upper surface of the substrate is plasma CVD of silane (SiH 4 ) (high frequency 13.5
At 6 MHz and a substrate temperature of 210 ° C.), a non-single-crystal semiconductor (2) having an amorphous structure to which hydrogen was added at a concentration of 1 atomic% or more was formed to a thickness of 0.2 μm. Further, a gate insulating film (3) made of, for example, a silicon nitride film was formed on the upper surface of the non-single-crystal semiconductor (2) by a photo-CVD method.
That is, the gate insulating film (3) is made of disilane (Si 2 H 6 ) and ammonia (NH 3 ) or hydrazine (N 2 H 4 ).
Reaction (low pressure mercury lamp with wavelength of 2537Å, substrate temperature 25
0 ° C) to convert Si 3 N 4 without using mercury sensitization.
It was made to a thickness of 1000 mm. Thereafter, portions other than the region (5) for forming the insulated gate field effect semiconductor device were removed by a plasma etching method. Plasma etching reaction is CF
4 + O 2 (5%) reactive gas was introduced, and a frequency of 13.56 MHz was applied to a parallel plate electrode (not shown).
Performed at room temperature. On the gate insulating film (3), a microcrystalline or polycrystalline semiconductor of N + conductivity type was laminated to a thickness of 0.3 μm. Undesired portions of the N + semiconductor film were removed by a photoetching method using the resist film (6). After that, this resist film (6) and the gate electrode of N + semiconductor (4)
Using the gate portion comprising as a mask, a region serving as a source and a drain is ion-implanted at 1 × 10 20 cm −3.
As shown in FIG. 1 (B), phosphorus was added to this concentration to form a pair of impurity regions (7) and (8). Further, after the resist film (6) of the gate electrode (4) is removed from the entire substrate (1), the substrate (1) is exposed to strong light (1).
Light annealing of 0) was performed. In other words, for an ultra-high pressure mercury lamp (output 5 KW, wavelength 250 to 600 nm, light diameter 15 mm, length 180 mm), use a parabolic reflector on the back side and use a quartz cylindrical lens (focal length 150 cm,
The light-irradiating portion was constituted by a light-collecting portion having a width of 2 mm and a length of 180 mm). The irradiation surface of the substrate (1) is 5
Scanning was performed at a speed of 50 cm / min to 50 cm / min, and the entire surface of the substrate 10 cm × 10 cm was irradiated with strong light (10). Thus, the gate electrode (4) absorbed light sufficiently and was polycrystallized because a large amount of phosphorus was added to the gate electrode (4) side. Further, the impurity regions (7) and (8) are scanned once by melting and recrystallizing, that is, X direction.
The melting and recrystallization were shifted (moved) in the directions. As a result, the crystal grain size could be increased due to the addition of a growth mechanism, compared to simply heating or irradiating the entire surface uniformly. The region crystallized by this intense light annealing is:
It is not necessary to reach all the regions under the impurity regions (7) and (8). In FIG. 1, as shown by broken lines (11) and (11 '), only the upper layer is crystallized at least and the impurity region is removed.
It is important to activate (7) and (8). Further, the ends (15) and (15 ') of the source region and the drain region correspond to the ends (16) and (1) of the gate electrode.
6 ') is provided so as to enter the channel region side. The channel forming region including the N-type impurity regions (7) and (8), the I-type non-single-crystal semiconductor region (2), the junction interface (17) and (17 ') is a non-single-crystal region in the I-type semiconductor region. It has a hybrid structure composed of a semiconductor and a crystallized semiconductor entering from an impurity region. The degree of the crystallized semiconductor in the I-type semiconductor region is determined by the scanning speed and intensity (illuminance) of the optical annealing. After the step of FIG. 1B, the polyimide resin is coated on the entire surface to a thickness of 2 μm. Then, after the electrode holes (13) and (13 ') are formed in the polyimide resin,
Aluminum ohmic contacts and their leads (1)
4) and (14 ') are formed. This second layer leads (14), (1
4 ′) may be connected to the gate electrode (4) when formed. The result of this light annealing is that the sheet resistance is 4 × 10 −3 (ohm cm) −1 to 1 × 10 +2 (ohm cm) before light irradiation.
It became -1 , and the electric conductivity characteristics were improved compared to before the light annealing. FIG. 2 is a graph showing characteristics of drain current / gate voltage according to the embodiment of the present invention. When the length of the channel forming region is 3 μm and 10 μm, the channel width is 1 μm.
2 under the condition of mm.
As shown by 1) and (22), V th = + 2V, V DD =
A current of 1 × 10 −5 A and 2 × 10 −5 A was obtained at 10V. In addition,
The off-state current was (V GG = 0 V) 10 -10 to 10 -11 (A), which was smaller by a factor of 10 -4 than 10 -6 (A) of a single crystal semiconductor. This embodiment employs a manufacturing process in which a film is gradually formed and processed from below, so that large-area large-scale integration can be performed. Therefore, large area, for example, 30
It is possible to manufacture even 500 × 500 insulated gate field effect semiconductor devices in a cm × 30 cm panel, and it can be applied as an insulated gate field effect semiconductor device for controlling liquid crystal display elements. Was. Since the low-temperature treatment is performed at a temperature of 400 ° C. or less by the photo-anneal process, it is possible to prevent the polycrystallized or single-crystallized semiconductor from releasing hydrogen or a halogen element therein. The optical annealing was not performed simultaneously on the entire surface of the substrate, but was scanned from one end to the other end. Therefore, light emitted from the cylindrical ultra-high pressure mercury lamp was condensed linearly by a parabolic mirror and a quartz lens. Then, the light condensed in the form of a line could scan the substrate in a direction perpendicular to the linear direction, thereby optically annealing the surface of the non-single-crystal semiconductor. This photo annealing is performed by using ultraviolet rays.
The crystallization from the surface of the non-single-crystal semiconductor to the inside was promoted. For this reason, in the impurity region near the surface that has been sufficiently polycrystallized or monocrystallized, it is possible to control the current flowing very close to the gate insulating film in the channel formation region without any trouble. Light irradiation annealing - Upon le step, hydrogen or a halogen element added to the channel formation region is not affected at all, since it is possible to hold the non-single-crystal semiconductor state, the off-current to 1/10 3 to the single crystal semiconductor
Can be 1/10 5 Since the source region and the drain region are formed by photo annealing after forming the gate electrode, the characteristics are stabilized without contamination adhered to the gate insulator interface. Further, as compared with a conventionally known method, not only quartz glass as a substrate material but also a source
Douglas and heat-resistant organic films can also be used. The formation of the non-single-crystal semiconductor, the gate insulator, and the gate electrode that form the channel formation region, which is the interface between dissimilar materials, can be made without exposure to the atmosphere by a process in the same reaction furnace. The feature is that there is little. In this embodiment, it is important that all of oxygen, carbon and nitrogen in the non-single-crystal semiconductor in the channel formation region have an impurity concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less. That is, in the conventionally known insulated gate field effect semiconductor device, 1 to 3 ×
It is mixed to a concentration of 10 20 cm -3 . The P-channel insulated-gate field-effect semiconductor device using a non-single-crystal semiconductor according to the conventional example flows only a current of 1/3 or less of the characteristics of the insulated-gate field-effect transistor device according to the present embodiment. The hysteresis characteristic of the insulated gate field effect semiconductor device using a non-single-crystal semiconductor in the above-described conventional example is such that the drain electric field is 2 × 10 in the I DD ─V GG characteristic.
It was observed when applying more than 6 V / cm. Also,
As in this embodiment, oxygen in the non-single-crystal semiconductor is reduced to 5 × 10 18
At a voltage of 3 cm 3 or less, no hysteresis was observed even at a voltage of 3 × 10 6 V / cm. According to the present invention, since the source region and the drain region have a higher degree of crystallinity than the channel forming region, the ON characteristics of the insulated gate field effect semiconductor device can be improved. Can be. According to the invention, quartz or
Has at least a channel formation region , a source region , and a drain region on a glass substrate, and has a concentration of oxygen, carbon, and nitrogen.
Degree is in 5 × 10 18 cm -3 or less, and polycrystalline silicon, or made of microcrystalline silicon non-single-crystal semiconductor layer
As a result , the current easily flows, and the switching does not flow during switching. According to the present invention, oxygen on the insulating substrate surface,
Since a channel formation region is provided in a non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon in which both the concentrations of carbon and nitrogen are 5 × 10 18 cm −3 or less, the gate voltage-drain current characteristics There was no hysteresis, and good switching characteristics at high frequencies were obtained. According to the present invention, as compared with the channel formation region,
Der those polycrystalline of the source region and the drain region
That reason, the sheet resistance is lowered, it was possible to carry out a large-area large-scale integration. According to the present invention, the concentration of oxygen, carbon and nitrogen is 5 × 10 18 cm −3 or less, respectively , and the non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon and the gate electrode Including the silicon nitride film formed between
No gate insulating film, degassing of hydrogen in the non-single-crystal semiconductor, and moisture penetration are hardly comb.

【図面の簡単な説明】 【図1】(A)ないし(C)は本発明の一実施例である
絶縁ゲート型電界効果半導体装置の縦断面図を示す。 【図2】本発明の実施例によるドレイン電流─ゲート電
圧の特性を示す図である。 【符号の説明】 1・・・基板 2・・・非単結晶半導体層 3・・・ゲート絶縁膜 4・・・ゲート電極 5・・・絶縁ゲート型電界効果半導体装置を形成する領
域 6・・・レジスト膜 7、8・・・不純物領域 10・・・強光 11、11′・・・破線 13、13′・・・穴 14、14′・・・リード 15、15′・・・ソース領域およびドレイン領域の端
部 16、16′・・・ゲート電極の端部 17、17′・・・接合界面
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1A to 1C are longitudinal sectional views of an insulated gate field effect semiconductor device according to one embodiment of the present invention. FIG. 2 is a graph showing characteristics of drain current─gate voltage according to an embodiment of the present invention. [Description of Signs] 1 ... Substrate 2 ... Non-single-crystal semiconductor layer 3 ... Gate insulating film 4 ... Gate electrode 5 ... Area 6 for forming an insulated gate type field effect semiconductor device ... Resist films 7, 8 Impurity region 10 Strong light 11, 11 'Broken line 13, 13' Hole 14, 14 'Lead 15, 15' Source region And end portions 16 and 16 'of the drain region and end portions 17 and 17' of the gate electrode.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−75670(JP,A) 特開 昭59−35423(JP,A) 特開 昭55−50663(JP,A) 特開 昭58−197775(JP,A) 特開 昭56−108231(JP,A) 特開 昭58−2073(JP,A)   ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page       (56) References JP-A-59-75670 (JP, A)                 JP-A-59-35423 (JP, A)                 JP-A-55-50663 (JP, A)                 JP-A-58-197775 (JP, A)                 JP-A-56-108231 (JP, A)                 JP-A-58-2073 (JP, A)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.石英またはガラス基板と、 当該石英またはガラス基板上に少なくともチャネル形成
領域、ソース領域、ドレイン領域を有し、酸素、炭素
よび窒素の濃度それぞれ5×1018cm-3以下で、多
結晶シリコン、または微結晶シリコンからなる非単結晶
半導体層と、 前記チャネル形成領域に整合した位置に形成されたゲー
ト電極と、 前記非単結晶半導体層と前記ゲート電極との間に形成さ
れているゲート絶縁膜と、 を備えている絶縁ゲート型電界効果半導体装置におい
て、 前記ソース領域およびドレイン領域は、前記チャネル形
成領域を除いて強紫外光によって結晶化を助長したもの
であり、 且つ前記ゲート絶縁膜は、窒化珪素膜を含んでいること
を特徴とする絶縁ゲート型電界効果半導体装置。
(57) [Claims] It includes a quartz or glass substrate, at least the channel formation region on the quartz or glass substrate, a source region, a drain region, oxygen, our carbon
And the concentration of nitrogen in the 5 × 10 18 cm -3 or less, the polycrystalline silicon and or microcrystalline composed of silicon non-single-crystal semiconductor layer, a gate electrode formed on the aligned position in the channel formation region, wherein A gate insulating film formed between the non-single-crystal semiconductor layer and the gate electrode, wherein the source region and the drain region excluding the channel formation region Crystallization promoted by strong ultraviolet light
And the gate insulating film includes a silicon nitride film.
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