JP3125982B2 - Insulated gate field effect semiconductor device - Google Patents

Insulated gate field effect semiconductor device

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JP3125982B2
JP3125982B2 JP08333063A JP33306396A JP3125982B2 JP 3125982 B2 JP3125982 B2 JP 3125982B2 JP 08333063 A JP08333063 A JP 08333063A JP 33306396 A JP33306396 A JP 33306396A JP 3125982 B2 JP3125982 B2 JP 3125982B2
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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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Description

【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、
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」、「OFF」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
ステリシス特性が出る。 【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、高い周波数に使用でき
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、絶縁
表面を有する酸化珪素を主成分とする基板(1) と、当該
基板(1) 上に酸素、炭素および窒素の濃度それぞれ
×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、前記非単結
晶半導体層(2)のチャネル形成領域を除いた領域を強紫
外光によって結晶化を助長したソース領域(7) およびド
レイン領域(8) 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、前記ソ
ース領域(7) およびドレイン領域(8) に含まれる不純物
と同一種類の不純物を含み、且つ窒化珪素膜が含まれて
いるゲート絶縁膜(3) とを備えて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】本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置
または液晶表示パネル用絶縁ゲート型電界効果半導体装
置において、チャネル形成領域の内部にわたって設けら
れたモホロジ的な界面の深さは、0.3μmないし3.
0μmであることを特徴とする。 【0009】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
非単結晶半導体層にP型またはN型不純物が添加されて
いる。そして、この不純物が添加された領域のみの結晶
化を助長してソース領域およびドレイン領域が形成され
ている。また、チャネル形成領域には、水素およびP型
またはN型不純物が添加されている点に特徴がある。ソ
ース領域およびドレイン領域に密接して形成されている
ゲート絶縁膜中には、ソース領域およびドレイン領域と
同一の不純物が添加されているため、非単結晶半導体層
中の水素が脱気し難い。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。 【0010】また、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
は、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いた領域を強紫外光によって
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
結晶化を助長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、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おけるチャネル形成領域以外の領
結晶化を助長して形成された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。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5×1
18cm-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、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」、「OFF」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。したがって、本発明の絶縁ゲ
ート型電界効果半導体装置は、ヒステリシス特性がな
く、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。ま
た、ソース領域およびドレイン領域には、電流の流れに
く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。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、窒化珪素膜とソース領域とド
レイン領域と同一種類の不純物が含まれているゲート絶
縁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。 【0011】 【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、たとえば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250 ℃) 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。 【0012】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、
室温で行なわれた。ゲート絶縁膜(3) は、必要に応じ
て、前記基板(1) の全面にわたって形成される。そし
て、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、ゲート電極(4) と
なる。 【0013】その後、このレジスト膜(6) と、N+半導体
のゲート電極(4) と、ゲート絶縁膜(3) 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、一導電型の不純物、たとえばリンが
添加され、一対の不純物領域(7) 、(8) となった。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、強紫外光(10)の光アニ−
ル処理が行なわれた。すなわち、超高圧水銀灯(出力5K
W 、波長250 ないし600 nm、光径15mm、長さ180 m
m) 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
2 mm、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、線状の照射
部に対して直交する方向に、5 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
強紫外光(10)が照射されるようにした。 【0014】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。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。
絶縁基板上に選択的に非単結晶半導体が形成され、この
非単結晶半導体のゲート電極(4) で覆われたチャネル形
成領域を除き、他部の非単結晶半導体は、ソース領域ま
たはドレイン領域の全ての非単結晶半導体の結晶化を助
長せしめることができる。この強紫外光アニ−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。 【0015】図1において、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。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)、(16') 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型半導体領域(2) 、接合界面(1
7)、(17') からなるチャネル形成領域は、I型半導体領
域(2)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(2) 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。 【0016】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。このコンタクトの一方は、ソ
ース領域上面に、また他方は、ドレイン領域上面および
側面に形成されている。このコンタクトは、一部ガラス
基板上にまでわたって設けられており、電極穴(13)、(1
3') を大きく形成することができる。このため、ソース
領域およびドレイン領域の外側に不要の非晶質領域がな
いことが特徴である。 【0017】また、液晶ディスプレイにおける液晶表示
素子用の制御用絶縁ゲート型電界効果半導体装置として
の実行面積を少なくし、結果として開口率の向上をはか
ることができる。2層目のリード(14)、(14') 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。 【0018】図2は本発明の実施例によるドレイン電流
─ドレイン電圧の特性を示す図である。チャネル形成領
域の長さが10μmの場合、チャネル幅が1mmの条件下
において、60Vまで作ることができた。これはゲート
電圧VGG=10Vとした時の条件である。これはこの接
合領域がアモルファス構造の従来例の絶縁ゲート型電界
効果半導体装置が30Vないし50Vと大きくばらつく
ことを考えると、大きな進歩であった。 【0019】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、
たとえば、30cm×30cmのパネル内に500個×50
0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。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。 【0020】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。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。 【0021】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。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。 【0022】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
効果半導体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2×106V/ c
m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5×1018cm-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。 【0023】 【発明の効果】本発明によれば、絶縁基板表面上に酸
素、炭素および窒素がそれぞれ5×1018cm-3以下と
いう極めて少ない濃度で、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、酸素、炭素および窒素の濃度
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ゲート電
極との間に形成され、ソース領域およびドレイン領域に
含まれる不純物と同一種類の不純物を含み、且つ窒化珪
素膜が含まれているゲート絶縁膜は、上記非単結晶半導
体中の水素が脱気し難く、且つ水分が侵入し難くしてい
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. 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 containing about three . When all of oxygen, carbon, and nitrogen are contained at such a high concentration, the insulated gate field effect semiconductor device has poor "ON" and "OFF" characteristics when switching. 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 substrate (1) having silicon oxide as a main component and having an insulating surface; On the substrate (1), the concentrations of oxygen, carbon and nitrogen are 5
× In 10 18 cm -3 or less, the non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon, and (2), the strong purple region excluding the channel formation region of the non-single crystal semiconductor layer (2)
A source region (7) and a drain region (8) that promoted crystallization by external light, a gate electrode (4) formed at a position matching the channel formation region, and the non-single-crystal semiconductor layer (2). A gate insulating film (formed between the gate electrode (4) and the source region (7) and the drain region (8), containing an impurity of the same type as that contained in the source region (7) and the drain region (8), and including a silicon nitride film; 3) is provided. According to the present invention, a gate is formed on a non-single-crystal semiconductor to which no or 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 insulator 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. In the insulated gate field effect semiconductor device of the present invention or the insulated gate field effect semiconductor device for a liquid crystal display panel, the depth of the morphological interface provided over the inside of the channel formation region is 0.3 μm to 3 μm. .
0 μm. The insulated gate field effect semiconductor device according to the present invention has an oxygen, carbon and nitrogen concentration of 5 × 10 18 each.
cm −3 or less, that is, a P-type or N-type impurity is added to a non-single-crystal semiconductor layer in which the above elements are reduced as much as possible. The source region and the drain region are formed by promoting crystallization only in the region to which the impurity is added. Further, a feature is that hydrogen and a P-type or N-type impurity are added to the channel formation region. Since the same impurity as in the source region and the drain region is added to the gate insulating film formed in close contact with the source region and the drain region, hydrogen in the non-single-crystal semiconductor layer is hardly degassed. The insulated gate field-effect semiconductor device having such a structure can be obtained by using a non-single-crystal semiconductor, for example, oxygen, carbon, or nitrogen of 1 to 3 × in the conventional example.
While the switching characteristics of the non-single-crystal semiconductor of 10 20 cm -3 were such that they could follow the frequency of 1 KHz, good switching characteristics were obtained even at a frequency of 1 MHz. [0010] Further, the insulated gate field effect semiconductor device is characterized in that oxygen, carbon and nitrogen in the non-single-crystal semiconductor layer are formed.
Since the source and drain regions, which have extremely low concentrations of 5 × 10 18 cm −3 or less, respectively , and promote crystallization by strong ultraviolet light in regions other than the channel formation region, are formed, The switching characteristics at higher frequencies were 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 formed by promoting crystallization. That is, in the insulated gate field effect semiconductor device according to the present invention, the concentrations of carbon and nitrogen are each 5 × 10 18 cm −3.
In the following, regions other than a channel formation region in a non-single-crystal semiconductor layer formed of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon are a source region and a drain region formed by promoting crystallization. No high-resistance area is left. In the insulated gate field effect semiconductor device of the present invention, the concentration of oxygen, carbon and nitrogen constituting the channel formation region on the substrate is 5 × 1 each.
0 18 cm −3 or less, and 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 from 1.7 eV to 1.
8 eV, while the optical energy gap of the source region and the drain region is 1.6 eV to 1.
It has almost the same optical energy gap as 8 eV. 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, the ON current and the ON current of the insulated gate field-effect semiconductor device do not flow at the time of rising, or the other. When the current falls, the current does not flow. Therefore, the insulated gate field effect semiconductor device of the present invention has no hysteresis characteristics, has a small off-current, and can perform "ON" and "OFF" with a 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. In addition, since there is no amorphous portion in the source region and the drain region where current does not easily flow, current easily flows, and the switching does not flow in a switching manner. The gate insulating film is made of oxygen,
The concentration of carbon and nitrogen is at 5 × 10 18 cm -3 or less, polycrystalline silicon or in contact with the non-single-crystal semiconductor layer formed of microcrystalline silicon, silicon film and the source region nitride and the drain region of the same type of impurities, Is formed, it is difficult for hydrogen in the non-single-crystal semiconductor to be degassed and moisture is hard to enter the non-single-crystal semiconductor. 1A to 1C are longitudinal sectional views of an insulated gate field effect semiconductor device according to an 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, for example, 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 formed by a reaction between disilane (Si 2 H 6 ) and ammonia (NH 3 ) or hydrazine (N 2 H 4 ) (a low-pressure mercury lamp including a wavelength of 2537 °, a substrate temperature of 250 ° C.). The Si 3 N 4 was fabricated to a thickness of 1000 mm without using the mercury sensitization method. Thereafter, the portion excluding the region (5) for forming the insulated gate field effect semiconductor device was removed by a plasma etching method. Plasma etching reaction is CF
4 + O 2 (5%) reactive gas was introduced, and 13.56 MHz frequency was applied to a parallel plate electrode (not shown).
Performed at room temperature. The gate insulating film (3) is formed over the entire surface of the substrate (1) as necessary. Then, on the gate insulating film (3), a microcrystalline or polycrystalline semiconductor of N + conductivity type was laminated to a thickness of 0.3 μm. this
Undesired portions of the N + semiconductor film are removed by a photo-etching method using the resist film (6) to form a gate electrode (4). Then, using the resist film (6), the gate electrode (4) of the N + semiconductor, and the gate portion composed of the gate insulating film (3) as a mask, the regions serving as the source and drain are formed as follows: 1 × 10 20 cm -3 concentration by ion implantation
As shown in (B), an impurity of one conductivity type, for example, phosphorus was added 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 a strong ultraviolet light (10).
Processing was performed. That is, an ultra-high pressure mercury lamp (output 5K
W, wavelength 250-600 nm, light diameter 15 mm, length 180 m
m), the back side is a parabolic reflector, and a quartz cylindrical lens (focal length 150 cm, condensing part width
2 mm and a length of 180 mm), the irradiation part was linearly formed. The irradiating surface of the substrate (1) is scanned (scanned) at a speed of 5 to 50 cm / min in a direction perpendicular to the linear irradiating portion with respect to the irradiating portion, and a strong ultraviolet ray is applied to the entire surface of the substrate 10 cm × 10 cm. Light (10) was applied. Since the gate electrode (4) contains a large amount of phosphorus on the side of the gate electrode (4), it absorbs light sufficiently and is polycrystallized. The impurity regions (7) and (8) were once melted and recrystallized to shift (move) the melting and recrystallization in the scanning direction, that is, the X direction. 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.
A non-single-crystal semiconductor is selectively formed on an insulating substrate. Except for a channel formation region covered with a gate electrode (4) of the non-single-crystal semiconductor, the other non-single-crystal semiconductor has a source region or a drain region. Can promote the crystallization of all non-single-crystal semiconductors. The region polycrystallized by the intense ultraviolet light annealing does not need to reach the entire region under the impurity regions (7) and (8). In FIG. 1, as shown by lines (11) and (11 '), it is important that at least the upper layer is crystallized and the impurity regions (7) and (8) are activated. further,
Ends (15), (15 ') of its source and drain regions
Are provided so as to enter the channel region side with respect to the ends (16) and (16 ') of the gate electrode. Then, the N-type impurity regions (7) and (8), the I-type semiconductor region (2), and the junction interface (1
The channel forming region composed of (7) and (17 ') has a hybrid structure composed of a non-single-crystal semiconductor in the I-type semiconductor region (2) and a crystallized semiconductor entering from the impurity region. The degree of the crystallized semiconductor in the I-type semiconductor region (2) 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. One of the contacts is formed on the upper surface of the source region, and the other is formed on the upper surface and side surfaces of the drain region. This contact is partially provided on the glass substrate, and the electrode holes (13), (1)
3 ′) can be formed large. Therefore, there is a feature that there is no unnecessary amorphous region outside the source region and the drain region. Further, the effective area of the insulated gate field effect semiconductor device for controlling the liquid crystal display element in the liquid crystal display can be reduced, and as a result, the aperture ratio can be improved. The leads (14) and (14 ') of the second layer may be connected to the gate electrode (4) when they are formed. As a result of this light annealing, the sheet resistance was changed from 4 × 10 −3 (ohm cm) −1 before light irradiation to 1 × 10 +2 (ohm cm) −1 , and the electric resistance was lower than before light annealing. The conductivity characteristics have improved. FIG. 2 is a graph showing characteristics of drain current / drain voltage according to the embodiment of the present invention. When the length of the channel forming region was 10 μm, it was possible to make up to 60 V under the condition that the channel width was 1 mm. This is the condition when the gate voltage V GG = 10V. This is a great advance in view of the fact that the conventional insulated gate field effect semiconductor device having an amorphous structure in the junction region varies widely from 30 V to 50 V. This embodiment employs a manufacturing process in which a film is gradually formed and processed from the lower side, so that large-area large-scale integration can be performed. Therefore, large area,
For example, 500 pieces x 50 in a 30cm x 30cm panel
Even zero insulated gate field effect semiconductor devices can be manufactured, and the device can be applied as an insulated gate field effect semiconductor device for controlling a liquid crystal display element. 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. For this reason, the 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. Since this light annealing is performed with ultraviolet light, crystallization from the surface of the non-single-crystal semiconductor to the inside is 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 optical annealing after the gate electrode is formed, the characteristics are stabilized without contamination adhered to the gate insulator interface. Further, as compared with conventionally known methods, not only quartz glass but also soda glass and a heat-resistant organic film which are optional substrates can be used as the substrate material. Since 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 different materials, can be made without exposure to the atmosphere by a process in the same reactor,
It has the feature that the generation of interface levels is small. In this embodiment, it is important that all of oxygen, carbon and nitrogen of 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 this conventional example allows only a current of 1/3 or less of the characteristics of the insulated gate field-effect semiconductor device according to the present embodiment to flow. The hysteresis characteristic of the insulated gate type field effect semiconductor device using a non-single-crystal semiconductor in the above conventional example is such that the drain electric field is 2 × 10 6 V / c in the I DD ─V GG characteristic.
It was observed when adding more than m. Further, as in this embodiment, oxygen in the non-single-crystal semiconductor is reduced to 5 × 10 18 cm −3.
Under the following conditions, no hysteresis was observed even at a voltage of 3 × 10 6 V / cm. According to the present invention, oxygen, carbon and nitrogen are made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon on the surface of an insulating substrate at a very low concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less, respectively. Since the non-single-crystal semiconductor layer was provided, there was no hysteresis in the gate voltage-drain current characteristics, and good switching characteristics at high frequencies were obtained. According to the present invention, oxygen, the concentration of carbon and nitrogen their
A non-single-crystal semiconductor layer composed of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon and a gate electrode of 5 × 10 18 cm −3 or less,
Formed between the electrode and the source and drain regions
Contains the same type of impurities as the silicon nitride
A gate insulating film Motomaku is included, the non-single-crystal hydrogen in the semiconductor is not easily degassed, and moisture penetrates difficulty Kushitei
You.

【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─ドレイン
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・・・強紫外光 11、11′・・・線 13、13′・・・電極穴 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─drain 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 ultraviolet light 11, 11 'Lines 13, 13' Electrode holes 14, 14 'Leads 15, 15' Ends 16 and 16 'of source region and drain region Ends 17 and 17' of gate electrode junction interface

───────────────────────────────────────────────────── 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58−197775(JP,A) 特開 昭55−50663(JP,A) 特開 昭59−35423(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-58-197775 (JP, A)                 JP-A-55-50663 (JP, A)                 JP-A-59-35423 (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.絶縁表面を有する酸化珪素を主成分とする基板と、 当該基板上に酸素、炭素および窒素の濃度がそれぞれ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、 前記非単結晶半導体層のチャネル形成領域を除いた領域
強紫外光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、前記ソース領域およびドレイン領域に含まれる不純
物と同一種類の不純物を含み、且つ窒化珪素膜が含まれ
ているゲート絶縁膜と、 を備えて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] A substrate mainly composed of silicon oxide having an insulating surface; and oxygen, carbon and nitrogen concentrations of 5
A non-single-crystal semiconductor layer made of polycrystalline silicon or microcrystalline silicon at × 10 18 cm −3 or less, and crystallization of the non-single-crystal semiconductor layer excluding a channel formation region was promoted by strong ultraviolet light . A source region and a drain region, a gate electrode formed at a position aligned with the channel formation region, an impurity formed between the non-single-crystal semiconductor layer and the gate electrode, and contained in the source region and the drain region. And a gate insulating film containing the same kind of impurities and a silicon nitride film.
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