JP3614333B2 - Insulated gate type field effect transistor fabrication method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は量産性の高い形成方法により作製された半導体層を用いた半導体装置の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、多結晶半導体装置は、減圧CVDによって550℃〜900℃の温度範囲で形
成することにより多結晶半導体膜を得て、この多結晶半導体膜を用いて作製されていた。
【0003】
最近、大面積の液晶ディスプレー等が開発されるようになり、大面積基板上にも多結晶半導体装置を形成する必要が生じてきた。
【0004】
減圧CVD法により直接大面積基板上に多結晶半導体層を形成することは反応温度の問題より、多くの困難を有し、通常は非単結晶半導体膜を形成した後に結晶化処理を施して、大面積基板上に多結晶半導体層を形成していた。
【0005】
減圧CVD法によって非単結晶半導体膜を得る場合、大面積基板に均一に成膜するのは困難であるという問題がある。
【0006】
またプラズマCVD法によって非単結晶半導体膜を得る場合その成膜工程に時間がかかり、大面積基板上での膜厚の均一性が取りにくいという問題があった。
【0007】
この様な問題を解決する手段としてはスパッタ法を用いる方法がある。
特にマグネトロン型スパッタ法は
イ)電子が磁場でターゲット付近に閉じ込められ高エネルギー電子による基板表面への損傷が抑えられる。
ロ)低温で大面積にわたり高速成膜できる。
ハ)危険なガスを使用しないので、安全性と工業性が高い。
などの利点がある。
【0008】
しかし、スパッタ法によって得た半導体膜にはマイクロ構造、すなわち珪素原子の存在に偏りがあり熱結晶化処理が困難であることが知られている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこのような問題点を解決し、より低温にて熱結晶化可能な半導体膜を利用した半導体装置をより効果的に作製する方法を提供するものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水素または水素を含有した不活性気体雰囲気中により基板上へのスパッタ法による半導体膜の成膜工程と、前記スパッタ法によって得た半導体膜形成の前または後に酸素または酸素を含有した不活性気体の雰囲気によりスパッタ法により酸化珪素膜を形成し、その各々の膜を専用の反応室で形成することを特徴とし、かつこれらの膜の形成順序を特定することなく任意に同一装置内にて連続して形成することがでることを特徴とするものである。
【0011】
この各々の膜を専用の反応室にて形成することにより半導体膜中における酸素量を7×1019cm−3以下、最も好ましくは1×1019cm−3以下とすることを特徴とするものであります。
【0012】
また前記半導体膜の一部をチャネル形成領域として構成する手法の一例として、水素または水素を含有した不活性気体雰囲気中によるスパッタで得られた非晶質性(アモルファスまたは極めてそ状態に近い)半導体膜(以下Si膜という)を450℃〜700℃代表的には600℃の温度を半導体膜に与えて少なくともチャネル
形成領域を結晶化させることにより本発明の絶縁ゲイト型半導体装置用の活性層は得られる。
【0013】
従来、水素を添加したスパッタ法によって得られたa−Si(アモルファスシリコン)膜を用いて薄膜トランジスタを作製する例が知られているが、その電気的特性は低いことが知られている。そこで、一般的には水素を添加しないスパッタ法によってa−Si膜を得ている。
【0014】
しかしながら本発明者は、スパッタ法において水素を添加することで、成膜されるa−Si膜中にマイクロ構造が出来るのを防止することができ、このa−Si膜を450℃〜700℃好ましくは600℃以下の低い温度で熱結晶化できることをつきとめた。
【0015】
この結晶化の後の半導体膜は平均の結晶粒径が5〜400Å程度であり、かつ半導体膜中に存在する水素含有量は5原子%以下である。また、この結晶性を持つ半導体膜は格子歪みを有しておりミクロに各結晶粒の界面が互いに強く密接し、結晶粒界でのキャリアに対するバリアを消滅させる効果を持つ。
【0016】
このため、単に格子歪みの無い多結晶の結晶粒界では、酸素等の不純物原子が偏析し障壁(バリア)を構成しキャリアの移動を阻害するが、本発明のように半導体膜を専用のスパッタ反応室で形成すると膜中に存在する酸素の量が7×1019cm−3好ましくは1×1019cm−3以下という非常に少ない量まで減らすことができ、さらに形成された半導体膜は、格子歪みを有しているのでバリアが形成されないか又はその存在が無視できる程度であるため、その電子の移動度も50〜300cm/Vsec と非常に良好な特性を有していた。
【0017】
また、プラズマCVD法により得られた半導体膜はアモルファス成分の存在割合が多く、そのアモルファス成分の部分が自然酸化され内部まで酸化膜が形成される、一方スパッタ膜は緻密であり自然酸化が半導体膜の内部にまで進行せず、表面のごく近傍付近しか酸化されない、この緻密さ故に格子歪みを持つ結晶粒子同士がお互いに強く押し合うことになり、結晶粒界面付近でキャリアに対するエネルギーバリアが形成されないという特徴を持つ。
【0018】
本発明は、このようなスパッタ法により形成された半導体膜の持つ優れた特性を積極的に利用し絶縁ゲイト型半導体装置の作製法を提供するものであり、そのために個々の膜を専用のスパッタ反応室で作製するものであります。
【0019】
このスパッタ法により形成された酸化珪素膜は、基板上の絶縁膜またはゲイト絶縁膜として、利用でき、さらに半導体膜は活性層または不純物層さらにゲイト電極として利用することができる。
【0020】
このように、本発明法によると、絶縁ゲイト型半導体装置に最小限度必要な部分をすべてスパッタ法で作製することができる。このため図1(D) に示されるような絶縁ゲイト型半導体装置において、活性層の下側(18)すなわち下地絶縁膜との接触部分が一部酸化され、SiOxの状態となり、この部分での電気的な特性が若干悪くなる。これによりこの部分に、バックチャネルが発生することができず、逆方向リーク電流を少なくすることができるという特徴を持つ。このことは、この半導体装置をCMOSとして利用するときに非常に有効でありオフ電流の減少におおきな効果を示す。
【0021】
さらにまた、スパッタ法により形成された半導体膜であるのでその粒径は熱結晶化の後で、5〜400Å代表的には50〜200Åであり、このように粒径が小さい
のでこの部分での逆方向リークをN−I(P−I)接合で小さくすることができる

以下に実施例を示し本発明を詳細に説明する。
【0022】
【実施例】
〔実施例1〕
本実施例は、図2にその概略を示したようなマルチチャンバー型のマグネトロン型RFスパッタ装置によって作製したSi膜を熱結晶化させ結晶性を持つ珪素半導体層を得、この珪素半導体層を使用して薄膜トランジスタを作製した例である。
【0023】
このマルチチャンバー型のスパッタ装置は図2に示すように予備室(1)と基板通過室(2)と酸化珪素用反応室(3)と半導体膜用反応室(4)がゲート弁(6)(7)
(8) に仕切られて接続されており、各々の室は完全に独立して排気及び気体の導入等が行なえるシステムとなっている。
【0024】
この排気系としてはロータリーポンプとターボ分子ポンプを直列に接続した反応及び低真空用排気系とさらにクライオポンプを接続した高真空排気系の2系統を備えており、背圧として1×10−7Paまで排気できる。
【0025】
また各々の部屋に基板をローディングする際には、その間を仕切るゲート弁の開閉を行なった後となるが、この開閉の際には両室の圧力差を少なくし、かつ両室の雰囲気ガスをそろえた後に行なう。これにより、不要な不純物等の混入を極力低減することができる。
【0026】
また、スパッタ用のターゲット近傍に設けられた磁界供給手段は外部からのコントロール(例えば印加電力量またはターゲットとの距離等の可変)によりその強さを可変できるものとした。
【0027】
このスパッタ装置の基板通過室(2)には半導体膜の熱処理が可能なように加熱手段と雰囲気ガス供給手段が設けられており基板を装置外に取り出さなくても半導体膜の熱結晶化が可能である。さらに基板上に膜を形成する前にこの基板通過室にて基板の加熱処理を行ない一度基板を熱収縮させた後にこの基板上に膜形成を行うことができ、基板の際収縮量が減少し膜中に残存する応力を緩和し、更に下地と膜の密着性が良好となる。
【0028】
図1に本実施例において作製した薄膜トランジスタ作製工程を示す。
【0029】
まず、ガラス基板(11)10枚/カセットをゲイト弁(5)より予備室(1)にセットし、このうち1枚を基板通過室(2)を通過して、酸化珪素膜形成用反応室(3)にローディングした。ガラス基板(11)上にSiO膜(12)を以下の条件においてマグネトロン型RFスパッタ法により200nmの厚さに形成した。
100%雰囲気
成膜温度 150℃
RF 813.56NHz) 出力 400W
圧力 0.5Pa
単結晶シリコンをターゲットに使用
【0030】
形成後反応室を高真空に排気後ゲート弁を開閉し、基板を通過室へ出した後、同様にして半導体膜用反応室(4)に基板を移した後、チャネル形成領域となるSi膜(13)を100nmの厚さに成膜する。
【0031】
この際に、背圧を1×10−7Pa以下とし、排気はタ−ボ分子ポンプとクライオポンプとを用いた。供給する気体の量は5N(99.999%) 以上の純度を有し、添加気体としては必要に応じて用いるアルゴン4N以上を有せしめた。タ−ゲットの単結晶シリコンも5×1018cm−3以下の酸素濃度、例えば1×1018cm−3の酸素濃度とし、形成される被膜中の不純物としての酸素をきわめて少なくした。
【0032】
成膜条件は、不活性気体であるアルゴンと水素雰囲気下において、
/(H+Ar)=80% (分圧比)
成膜温度 150 ℃
RF(13.56MHz) 出力 400W
全圧力 0.5Pa
とし、ターゲットは単結晶Siターゲットを用いた。
【0033】
この後、基板(11)を再び基板通過室に戻しここで450℃〜700℃の温度範囲特
に600℃の温度で10時間の時間をかけ水素または不活性気体中、本実施例においては窒素100%雰囲気中においてSi膜(13)の熱結晶化を行い、結晶性の高い珪素半導体層(セミアモルファスまたはセミクリスタル)を作製した。
【0034】
かかる方法にて形成されたアモルファスシリコン膜および熱処理により結晶化後の被膜中の不純物純度をSIMS( 二次イオン等量分析) 法により調べた。すると成膜中の不純物濃度のうち、酸素8×1018cm−3、炭素3×1016cm−3であった。また水素は4×1020cm−3を有し、珪素の密度を4×1022cm−3とすると、1原子%に相当する量であった。これらをタ−ゲットの単結晶シリコンの酸素濃度1×1018cm−3を基準として調べた。またこのSIMS分析は成膜後被膜の深さ方向の分布( デプスプロフィル) を調べ、その最小値を基準とした。なぜなら表面は大気との自然酸化した酸化珪素があるからである。これらの値は結晶化処理後であっても特に大きな変化はなく、酸素の不純物濃度は8×1018cm−3であった。
【0035】
この実施例において、酸素を念のために増やし、例えばNO を0.1cc/sec 、1cc/secと添加してみた。すると結晶化後の酸素濃度は1×1020cm−3、4×1020cm−3と多くなった。しかしかかる被膜を用いた時、同時に、結晶化に必要な温度を700 ℃以上にするか、または結晶化時間を少なくとも5倍以上にすることによって、初めて結晶化ができた。
【0036】
即ち工業的に基板のガラスの軟化温度を考慮すると、700 ℃以下好ましくは600 ℃以下での処理は重要であり、またより結晶化に必要な時間を少なくすることも重要である。しかし酸素濃度等の不純物をどのように少なくしても、450 ℃以下では熱アニ−ルによるa−Si半導体の結晶化は実験的には不可能であった。
【0037】
また本発明においては、もしかかる高品質のスパッタ装置を用いた結果として、装置からのリ−ク等により成膜中の酸素濃度が1×1020cm−3またはそれ以上となった場合は、かかる本発明の特性を期待することができない。
【0038】
かくの如くにして7×1019cm−3以下の酸素濃度であること、および熱処理温度が450 〜700 ℃であることが決められた。
【0039】
この半導体膜は図6に示すレーザラマン分析のデータよりわかるように、結晶の存在を示すピークの位置が、通常の単結晶シリコンのピークの位置に比べて、低波数側にシフトしており、格子歪みの存在をうらずけていた。
【0040】
また、本実施例においてはシリコン半導体を使用して本発明の説明をおこなっているが、ゲルマニウム半導体やシリコンとゲルマニウムの混在した半導体をしようすることも可能であり、その際には熱結晶化の際に加える温度を 100℃程度さげることが可能であった。
【0041】
次に、基板をこの装置より取り出しこの熱結晶化させた珪素半導体膜に対してデバイス分離パターニングを行い図1(A)の形状を得、この半導体膜の一部を絶縁ゲイト型半導体装置のチャネル形成領域として構成させた。
【0042】
次に、基板を再びこのスパッタ装置に戻し、酸化珪素専用の反応室(3)にてゲイト酸化膜(SiO)(15)を100nmの厚さにマグネトロン型RFスパッタ法により以下の条件で成膜した。このゲイト絶縁膜形成前に水素100%雰囲気で基板側にバイアスを加えて、半導体(13)の表面をプラズマ水素クリーニングした。
【0043】
ゲイト絶縁膜の作成条件は
酸素 95体積% NF5体積%
圧力0.5pa
成膜温度100℃
RF(13.56MHz)出力400W
【0044】
このゲート酸化膜の作成に際して不活性気体に対して酸素の割合を多くもっとも好ましくは100%酸素でスパッタを行なうとゲイト絶縁膜の界面準位密度をさげることができ非常に特性のよいトランジスタを実現できる。
【0045】
また本実施例においては反応中にNFを反応用気体の一部として、添加したので、ゲイト絶縁膜中にフッ素が添加されている。これにより、膜中の珪素の不対結合手と中和させ、膜中の固定電荷の発生原因を除去することができた。
【0046】
次にマルチチャンバースパッタ装置より、この基板を取り出し減圧CVD法にて、この上にリンが混入された半導体層を形成する。この後所定のマスクパターンを使用してフォトリソ加工を行ないこのリンが混入された半導体膜をゲイト電極(20)として形成した。図1(B)
【0047】
この電極を減圧CVD法にて作成することにより下地のゲイト絶縁膜を損傷せず、良好な特性を得ることができる。
【0048】
このゲイト電極はドープされた半導体層に限定されることなくその他の材料を使用可能である。 次にこのゲイト電極(20)またはゲイト電極(20)をエッチングする際に使用したレジスパターン等をマスクとして、セルファラインに不純物領域(14)及び(14’) をイオン打ち込み技術を使用して形成した。この後、水素雰囲気下400℃で熱アニールを15分行ない活性化した。
【0049】
これにより、ゲイト電極(20)の下の半導体層は絶縁ゲイト型半導体装置のチャネル領域として、構成された。
【0050】
次にこれらの全て上面を覆って層間絶縁膜(17)を形成し、図1(C)の状態を得た。その後、ソース、ドレイン電極のコンタクト用の穴をあけ、その上面にスパッタ法により金属アルミニウムを形成し、所定のパターニングを施し、ソース、ドレイン電極(16)、(16’) を構成し、絶縁ゲイト型半導体装置を完成させた。図1(D)
【0051】
本実施例の場合、チャネル領域を形成する半導体層とソース、ドレインの半導体層とが同一物で構成されており、工程の簡略化をはかれる。また同じ半導体層を使用しているため、ソース、ドレインの半導体層も結晶性を持ち、キャリアの移動度が高いのでより良い電気的特性を持つ絶縁ゲイト型半導体装置を実現することができた。
【0052】
以上が本実施例において作製した熱結晶珪素半導体層を用いた薄膜トランジスタの作製方法であるが、比較の為にチャンネル形成領域である図1(A)のSi層(13)をマグネトロン型RFスパッタ法により成膜する際の条件である水素の濃度および酸素濃度を変化させた参考例を4例を以下に示す。
【0053】
(参考例1)
本参考例は実施例1の作製法においてチャンネル形成領域となる図1(A)の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を
/(H+Ar)=0%(分圧比)
とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したものである。この時酸素濃度は2×1020cm−3であった。
【0054】
(参考例2)
本参考例は実施例1の作製法においてチャンネル形成領域となる図1(A)の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を
/(H+Ar)=20% (分圧比)
とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したものである。この時酸素濃度は7×1019cm−3であった。
【0055】
(参考例3)
本実施例は実施例1の作製法においてチャンネル形成領域となる図1(A)の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を
/(H+Ar)=50% (分圧比)
とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したものである。この時酸素濃度は3×1019cm−3であった。
【0056】
(参考例4)
本参考例は実施例1の作製法においてチャンネル形成領域となる図1(A)の(13)を作製する際のスパッタ時における雰囲気の分圧比を
/(H+Ar)=70% (分圧比)
とし、他は実施例1と同様な方法によって作製したものである。この時酸素濃度は1×1019cm−3であった。
【0057】
以下上記記載例の電気的特性を比較した結果を示す。
図3は完成した前記実施例1及び参考例1〜4のチャンネル部におけるキャリアの移動度μ(FIELD MOBILITY)とスパッタ時における水素分圧比(P/PTOTAL=H/(H+Ar))の関係をグラフ化したものである。
【0058】
図4におけるプロット点と前記各例との対応関係を以下に表1として示す。
【0059】
【表1】

Figure 0003614333
【0060】
図4によれば水素分圧が0%の時は酸素濃度が2×1020cm−3もあるため、3×10−1cmV/secときわめて小さく、また他方、本発明の如く20%以上また酸素濃度7×1019cm−3以下において顕著に高い移動度2cm/Vsec以上μ(FIELD MOBILITY)が得られていることがわかる。
【0061】
これは水素を添加すると、スパッタ内のチャンバ中での酸素を水とし、それをクライオポンプで積極的に除去できたためと推定される。
【0062】
図4はしきい値電圧とスパッタ時における水素分圧比(P/PTOTAL=H/(
+Ar))の関係をグラフ化したものである。
水素分圧比(P/PTOTAL=H/(H+Ar))と前記各例番号の対応関係は表1の
場合と同じである。
【0063】
しきい値電圧が低いほど薄膜トランジスタを動作させる動作電圧すなわちゲート電圧が低くてよいことになり、デバイスとしての良好な特性が得られることを考えると図5の結果は、水素の分圧比の高い条件のスパッタ法によって、スレッシュホールド電圧8V以下のノーマリオフの状態をえることができる。すなわち、チャンネル形成領域となる図1(A)の(13)に示されるSi膜を得て、このSi膜を熱結晶化させることによって得られる結晶性を持つ半導体層を用いたデバイスは良好な電気的特性を示すことがわかる。
【0064】
また図5によると水素分圧比が高い方がしきい値電圧が低くなっていることがわかる。このことより前記各例におけるチャンネル形成領域となるa−Si膜のスパッタ法による作製時において、水素の分圧比を高くするとデバイスの電気的特性が高くなっていく傾向があることがわかる。
【0065】
本願発明に用いられるセミアモルファスまたはセミクリスタル半導体について、そのメカニズムを略記する。
【0066】
すなわちスパッタ法において単結晶のシリコン半導体をターゲットとし、水素とアルゴンとの混合気体でスパッタをすると、アルゴンの重い原子のスパッタ(衝撃)によりターゲットからは原子状のシリコンも離れ、被形成面を有する基板上に飛しょうするが、同時に数十〜数十万個の原子が固まった塊がクラスタとしてターゲットから離れ、被形成面に飛しょうする。
【0067】
この飛しょう中は、水素がこのクラスタの外周辺の珪素の不対結合手と結合し、被形成面上に秩序性の比較的高い領域として作られる。
【0068】
すなわち、被膜形成面上には秩序性の高い、かつ周辺にSi−H結合を有するクラスタと純粋のアモルファス珪素との混合物とする。これを450℃〜700℃の非酸
化性気体中での熱処理により、クラスタの外周辺のSi−H結合は他のSi−H結合と反応し、Si−Si結合を作る。
【0069】
しかし、この結合はお互い引っぱりあうと同時に、秩序性の高いクラスタはより高い秩序性の高い状態、すなわち結晶化に相を移そうとする。しかし隣合ったクラスタ間は、互いに結合したSi−Siがそれぞれのクラスタ間を引っぱりあう。その結果は、結晶は格子歪を持ちレーザラマンでの結晶ピークは単結晶の520cm−1より低波数側にずれて測定される。
【0070】
また、このクラスタ間のSi−Si結合は互いのクラスタをアンカリング(連結)するため、各クラスタでのエネルギバンドはこのアンカリングの個所を経て互いに電気的に連結しあえる。そのため結晶粒界がキャリアのバリアとして働く多結晶シリコンとは根本的に異なり、キャリア移動度も10〜200cm/V Secを得ることができる。
【0071】
つまり本発明の如く、かるる定義に基づくセミアモルファスまたはセミクリスタルは見掛け上結晶性を持ちながらも、電気的には結晶粒界が実質的にない状態を予想できる。
【0072】
もちろん、アニール温度がシリコン半導体の場合の450℃〜700℃という中温
アニールではなく、1000℃またはそれ以上の結晶成長をともなう結晶化をさせる時はこの結晶成長により、膜中の酸素等が粒界に折出し、バリアを作ってしまう。これは、単結晶と同じ結晶と粒界のある材料である。
【0073】
またこの半導体におけるクラスタ間のアンカリングの程度を大きくすると、よりキャリア移動度は大きくなる。このためにはこの膜中にある酸素量を7×1019cm−3好ましくは1×1019cm−3以下にすると、さらに600℃よりも低い温度で結晶化ができるに加えて、高いキャリア移動度を得ることができる。
【0074】
図5は本発明の前記参考例1、2、3、4のチャンネル形成領域となるSi膜(13)を作製する際のスパッタ時における水素の分圧比を0%、20%、50%とした場合において、このa−Si膜を熱結晶化させた結晶性を持つ珪素半導体層のラマンスペクトルを示したものである。
【0075】
図6に表された表示記号と例番号およびスパッタ時の水素分圧比との関係を表2に示す。
【0076】
【表2】
Figure 0003614333
【0077】
図5を見ると曲線(61)に比較して曲線(62)、すなわちチャンネル形成領域となるSi半導体層を作製する際のスパッタ時における水素の分圧比が0%の場合と20%の場合を比較すると、熱結晶化させた場合スパッタ時における水素の分圧比が20%の場合のラマンスペクトルは顕著にその半導体シリコンの結晶性が表れていることがわかる。
【0078】
またその平均の結晶粒径は半値幅より5〜400Å代表的には50〜300Åである
。そしてラマンスペクトルのピークの位置は単結晶シリコンのピークの位置である 520cm−1よりも低波数側にずれており、明らかに格子歪を有していた。
【0079】
このことは本発明の特徴を顕著に示している。すなわち水素を添加したスパッタ法によるSi膜の作製の効果は、そのSi膜を熱結晶化させて初めて現れるものであるということである。
【0080】
このように、格子歪みを有していると微結晶粒の各々がお互いに無理に縮んだ状態となっているので、お互いの結晶粒界での密接が強くなり、結晶粒界部分でのキャリアに対するエネルギーバリアも存在せず、かつ酸素等の不純物の偏析も発生しにくくなり、結果として、高いキャリアの移動度を実現することが可能となる。
【0081】
本発明でいう粒径とは作製された半導体膜をラマン分光分析を行なった際に得られるラマンスペクトルによって算出される数値であり、実際の膜中に粒界が存在するかどうかは不明であり、むしろ前述のように粒界が存在しないと考えられる。
【0082】
この半導体膜の結晶の粒径を可変する方法としては、スパッタ成膜時に、加えるRFパワーを可変する方法が考えらる。
【0083】
その他の方法としてターゲット近傍に設置されている磁界供給手段の磁界の強さを変化させてもよい。例えば、磁界供給手段が電磁石の場合、コイルに流す電流を多くして磁界を強くすると、基板上に形成される半導体膜の粒径を大きくすることができる。又、その逆も可能である。
【0084】
また本発明の効果を示すデータとして以下に表3を示す。
【0085】
【表3】
Figure 0003614333
【0086】
表3において、水素分圧比というのは本実施例におけるチャンネル形成領域となるSi膜(図1(A) の(13))をマグネトロン型RFスパッタ法によって作製する際における条件である。
【0087】
S値というのは、デバイスの特性を示すゲート電圧(VG)とドレイン電流(ID)の関係を示すグラフにおける曲線の立ち上がり部分の[d(ID)/d(VG)]−1の値の最小値であり、この値が小さい程(VG−ID)特性を示す曲線の傾きの鋭さが大きく、デバイスの電気的特性が高いことを示す。
VTはしきい値電圧を示す。
μはキャリアの移動度を示し単位は(cm/V・s)である。
on/off特性というのは、前記(VG−ID)特性を示す曲線におけるVG=30ボルトに
おけるIDの値とIDの最小値との比の対数値である。
【0088】
本実施例においては下地の酸化珪素膜と半導体膜とを専用の反応室にて、連続的に形成したが特にこの場合に限定されることはなく、作製する半導体装置の構造にもよるが半導体膜とゲイト絶縁膜あるいはゲイト絶縁膜とゲイト電極等を専用の反応室で連続的に形成することも本発明の技術思想の範囲内であることは明らかである。
【0089】
〔実施例2〕
本実施例においては、図3に示された構造の絶縁ゲイト型半導体装置を示す。
【0090】
絶縁基板上に酸化珪素膜をコートすることは実施例1と同じであるが、本実施例においては、チャネル領域を構成する半導体層の作製の前にゲイト絶縁膜の形成を終える作製方法を示している。 絶縁膜(12)の上にスパッタ法により金属モリブデンを厚さ3000Åに形成し、所定のパターンニングをして、ゲイト電極(20)を形成した。
【0091】
次に実施例1にて使用したマルチチャンバー型スパッタ装置の構成にさらにもう1つのN型半導体膜専用の反応室が追加されたスパッタ装置を用いて、ゲート酸化膜(SiO)(15)を100nmの厚さにマグネトロン型RFスパッタ法により以下の条件で成膜した。
酸化雰囲気 100%
圧力 0.5pa
成膜温度 100℃
RF(13.56MHz)出力400W
シリコンターゲットまたは合成石英のターゲットを使用した。
【0092】
この酸化膜の作成に際して不活性気体に対して酸素の割合を多くもっとも好ましくは100%酸素でスパッタを行なうとゲイト絶縁膜の界面準位密度を下げることができ、非常に特性のよいトランジスタを実現できる。
【0093】
次に基板を半導体膜専用の反応室に移動させてこの酸化珪素膜の上にチャンネル形成領域となるa−Si膜(13)を100nmの厚さに成膜する。
【0094】
成膜条件は、不活性気体であるアルゴンと水素雰囲気下において、
/(H+Ar)=80% (分圧比)
成膜温度 150 ℃
RF(13.56MHz) 出力 400W
全圧力 0.5Pa
とし、ターゲットはSiターゲットを用いた。
【0095】
この後、半導体膜の成膜を終えた基板を反応室より取り出し、基板を装置の外に出さず基板通過室にて450℃〜700℃の温度範囲特に600℃の温度で10時間の
時間をかけ水素または不活性気体中、本実施例においては窒素100%雰囲気中においてa−Si膜(13)の熱結晶化を行い、結晶性の高い珪素半導体層を作製した。この時同時に新たに基板を予備室より酸化珪素膜専用の反応室に移動させて、前述の条件でゲイト絶縁膜を作製した。
【0096】
このような方法により形成された半導体膜中に存在する酸素不純物の量はSIMS分析により1×1019cm−3、炭素は4×1018cm−3であり、水素の含有量は1%以下であった。これによりゲイト電極(20)の上にチャネル領域(22)を構成させることができた。この熱処理の間に後からゲイト絶縁膜作製の為に酸化珪素用の反応室に導入された基板を基板通過室をへて、半導体膜用反応室に移動させ、同じ条件で半導体膜の形成を行った。
【0097】
次に熱処理の終わった基板を通過室からN型半導体膜形成用反応室に移動した後、na−Si膜(14)を以下に示す条件でマグネトロン型RFスパッタ法により50nm
の厚さに成膜した。また同時に半導体膜の形成が終了した基板を基板通過室にて熱処理し同時に新たな基板をゲイト絶縁膜用反応室に導入し以後は同様にして複数の処理を同時に行なった。
【0098】
成膜条件は、水素分圧比10〜99%以上(本実施例では80%)、アルゴン分圧比10〜99%(本実施例では19%)の雰囲気中において、
成膜温度 150 ℃
RF(13.56MHz) 出力 400W
全圧力 0.5Pa
でありターゲットとしてリンをドープした単結晶シリコンを使用した。
【0099】
次にこの半導体層(14)の上にソース、ドレイン用の電極のためのアルミニウム膜を形成し、パターニングを施し、ソース,ドレインの不純物領域(14)(14’) およびソース、ドレインの電極(16),(16’)を形成して、半導体装置を完成した。
【0100】
本実施例においては、チャネル形成領域の半導体膜形成前にゲイト絶縁膜が形成されているので、熱結晶化の処理の際に、ゲイト絶縁膜とチャネル領域の界面付近が適度に熱アニールされ、界面準位密度をさげることができるという特徴を持つ。
【0101】
また、各々の膜の形成時には背圧を1×10−6Pa以下としかつ排気系をターボ分子ポンプとクライオポンプとを組み合わせているので、オイルフリーな不純物の少ない状態で膜形成を行える。本実施例における活性層(13)中の酸素不純物量は1×1019cm−3であり、その移動度μは41.4であった。
【0102】
なお、本実施例等においては熱結晶化させる半導体層としてa−Si膜を用いたが、本発明は他の非単結晶半導体を熱結晶化させる場合においても有効であることはいうまでもない。
【0103】
また上記スパッタ時における不活性気体としてはArを用いたが、その他の気体としてHeなどのハロゲン気体、またはSiH、Siなどの反応性気体をプラズマ化させたものを用いても良い。また、本実施例のマグネトロン型RFスパッタ法によるa−Si膜の成膜において、水素濃度は5〜100%、成膜温度は50〜500℃の範
囲、RF出力は500Hz〜100GHzの範囲において、1W〜10MWの範囲で任意に選ぶことができ、またパルスエネルギー発信源と組み合わせてもよい。
【0104】
さらに強力な光照射(波長1000nm以下) エネルギーや、電子サイクロトロン共鳴(ECR)条件を使用することによって、より水素を高プラズマ化させてスパッタリングを行ってもよい。
【0105】
これは、水素という軽い原子をよりプラズマ化させスパッタリングに必要な正イオンを効率よく生成させてスパッタによって成膜される膜中のマイクロ構造、本実施例の場合においてはa−Si膜中のマイクロ構造の発生を防止するためである。また前記他の反応性気体を上記の手段に応用してもよい。
【0106】
本実施例は非晶質性の半導体膜を単にa−Si膜として記載した。これは通常はシリコン半導体を示しているが、その他にゲルマニウムまたはシリコンとゲルマニウムの混合SiGe1−X(0<X<1) であってもよい。
【0107】
また、本発明の構成はスタガード型、コプレナー型、逆スタガード型、逆コプレナー型の絶縁ゲイト型電界効果トランジスタに適用できることはいうまでもない。
【0108】
【発明の効果】
本発明の構成をとることによって、工業的に有用なスパッタ法により得られた非単結晶半導体を熱結晶化させることによって結晶性を持つ半導体を得る工程において問題となる熱結晶化困難の問題を解決することができ、しかもこの結晶性を持つ半導体層を用いて高性能な薄膜トランジスタを作製することができた。
【0109】
また、本発明法によると、絶縁ゲイト型半導体装置に最小限度必要な部分をすべてスパッタ法で作製することができる。このため図1(D)に示されるような絶縁ゲイト型半導体装置において、活性層の下側(18)すなわち下地絶縁膜との接触部分が一部酸化され、半絶縁性を持つ状態となり、この部分での電気的な特性が若干悪くなる。これによりこの部分に、バックチャネルが発生することができず、逆方向リーク電流を少なくすることができるという特徴を持つ。このことは、この半導体装置をCMOSとして利用するときに非常に有効でありオフ電流の減少におおきな効果を示す。
【0110】
また、半導体膜中に存在する酸素不純物の濃度を少なくでき、結晶粒界付近でのキャリアに対する障壁(バリア)が形成されにくく、非常に高い移動度を持つ絶縁ゲイト型半導体装置を実現することができた。
【0111】
さらに同一装置内で複数の異なる処理を行える為外部の影響を受けることなく連続的な処理を行うことができる。加えて、複数の処理を同時に行なえるので生産性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例1の作製工程図
【図2】本発明用のマルチチャンバースパッタ装置の概略図
【図3】水素の分圧比とキャリアの移動度との関係を示したものである。
【図4】水素の分圧比としきい値との関係を示したものである。
【図5】本発明の結晶性を持つ半導体膜のラマンスペクトルを示したもので
ある。
【図6】本発明の他の実施例の断面図
【符号の説明】
(1) ・・・予備室
(2) ・・・基板通過室
(3)(4)・・スパッタ室
(5)(6)(7)(8)・・・ゲイト弁[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device using a semiconductor layer manufactured by a manufacturing method with high mass productivity.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a polycrystalline semiconductor device is formed in a temperature range of 550 ° C. to 900 ° C. by low pressure CVD.
Thus, a polycrystalline semiconductor film was obtained and produced using this polycrystalline semiconductor film.
[0003]
Recently, large-area liquid crystal displays and the like have been developed, and it has become necessary to form a polycrystalline semiconductor device on a large-area substrate.
[0004]
Forming a polycrystalline semiconductor layer directly on a large-area substrate by a low pressure CVD method has many difficulties from the problem of reaction temperature, and usually a crystallization treatment is performed after forming a non-single crystal semiconductor film, A polycrystalline semiconductor layer was formed on a large-area substrate.
[0005]
When a non-single-crystal semiconductor film is obtained by a low pressure CVD method, there is a problem that it is difficult to form a uniform film over a large-area substrate.
[0006]
Further, when a non-single-crystal semiconductor film is obtained by plasma CVD, the film forming process takes time, and there is a problem that it is difficult to obtain a uniform film thickness on a large-area substrate.
[0007]
As a means for solving such a problem, there is a method using a sputtering method.
Especially magnetron type sputtering method
B) Electrons are confined in the vicinity of the target by a magnetic field, and damage to the substrate surface by high-energy electrons is suppressed.
B) High-speed film formation over a large area at a low temperature.
C) Since dangerous gas is not used, it is highly safe and industrial.
There are advantages such as.
[0008]
However, it is known that the semiconductor film obtained by the sputtering method has a microstructure, that is, the presence of silicon atoms, and thermal crystallization treatment is difficult.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves such problems and provides a method for more effectively manufacturing a semiconductor device using a semiconductor film that can be thermally crystallized at a lower temperature.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention contains oxygen or oxygen before or after forming a semiconductor film by sputtering on a substrate in an inert gas atmosphere containing hydrogen or hydrogen and forming the semiconductor film obtained by the sputtering. A silicon oxide film is formed by a sputtering method in an inert gas atmosphere, and each film is formed in a dedicated reaction chamber, and it is arbitrarily arranged in the same apparatus without specifying the order of forming these films. It can be formed continuously at
[0011]
By forming each of these films in a dedicated reaction chamber, the amount of oxygen in the semiconductor film is reduced to 7 × 10. 19 cm -3 Or less, most preferably 1 × 10 19 cm -3 It is characterized as follows.
[0012]
In addition, as an example of a method for forming a part of the semiconductor film as a channel formation region, an amorphous (amorphous or extremely close state) semiconductor obtained by sputtering in an inert gas atmosphere containing hydrogen or hydrogen A film (hereinafter referred to as Si film) is applied at a temperature of 450 ° C. to 700 ° C., typically 600 ° C.
An active layer for an insulated gate semiconductor device of the present invention can be obtained by crystallizing the formation region.
[0013]
Conventionally, an example in which a thin film transistor is manufactured using an a-Si (amorphous silicon) film obtained by a sputtering method to which hydrogen is added is known, but its electrical characteristics are known to be low. Therefore, in general, an a-Si film is obtained by sputtering without adding hydrogen.
[0014]
However, the present inventor can prevent the formation of a microstructure in the formed a-Si film by adding hydrogen in the sputtering method, and this a-Si film is preferably 450 ° C to 700 ° C. Was found to be capable of thermal crystallization at a low temperature of 600 ° C. or lower.
[0015]
The semiconductor film after this crystallization has an average crystal grain size of about 5 to 400%, and the hydrogen content present in the semiconductor film is 5 atomic% or less. Further, the semiconductor film having crystallinity has lattice distortion, and the interface of each crystal grain is microscopically close to each other and has an effect of eliminating a barrier against carriers at the crystal grain boundary.
[0016]
For this reason, impurity atoms such as oxygen are segregated at a polycrystalline grain boundary having no lattice distortion, thereby forming a barrier (barrier) and hindering the movement of carriers. When formed in the reaction chamber, the amount of oxygen present in the film is 7 × 10 19 cm -3 Preferably 1 × 10 19 cm -3 Since the semiconductor film formed can have a lattice distortion, the barrier is not formed or its existence is negligible, so the mobility of the electrons is also low. 50-300cm 2 / Vsec and very good characteristics.
[0017]
Moreover, the semiconductor film obtained by the plasma CVD method has a large proportion of the amorphous component, and the amorphous component part is naturally oxidized to form an oxide film to the inside. On the other hand, the sputtered film is dense and the natural oxidation is a semiconductor film. The crystal grains with lattice distortions strongly press each other because of the denseness, and the energy barrier against carriers is not formed near the crystal grain interface. It has the characteristics.
[0018]
The present invention provides a method for manufacturing an insulating gate type semiconductor device by actively utilizing the excellent characteristics of a semiconductor film formed by such a sputtering method. It is made in the reaction chamber.
[0019]
The silicon oxide film formed by this sputtering method can be used as an insulating film or a gate insulating film on the substrate, and the semiconductor film can be used as an active layer, an impurity layer, or a gate electrode.
[0020]
As described above, according to the method of the present invention, it is possible to fabricate all the portions necessary for the insulated gate semiconductor device by the sputtering method. For this reason, in the insulated gate type semiconductor device as shown in FIG. 1D, the lower side (18) of the active layer, that is, the contact portion with the base insulating film is partially oxidized to be in a SiOx state. Electrical characteristics are slightly deteriorated. As a result, a back channel cannot be generated in this portion, and the reverse leakage current can be reduced. This is very effective when this semiconductor device is used as a CMOS, and shows a significant effect in reducing the off-current.
[0021]
Furthermore, since it is a semiconductor film formed by sputtering, its particle size is 5 to 400 mm, typically 50 to 200 mm, after thermal crystallization.
So the reverse leakage in this part is N + -I (P + -I) Can be reduced by bonding
.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples.
[0022]
【Example】
[Example 1]
In this example, a silicon semiconductor layer having crystallinity is obtained by thermally crystallizing a Si film produced by a multi-chamber magnetron type RF sputtering apparatus as schematically shown in FIG. 2, and this silicon semiconductor layer is used. This is an example of manufacturing a thin film transistor.
[0023]
As shown in FIG. 2, this multi-chamber type sputtering apparatus includes a preliminary chamber (1), a substrate passage chamber (2), a silicon oxide reaction chamber (3), and a semiconductor film reaction chamber (4) as a gate valve (6). (7)
(8) The system is partitioned and connected to each other, and each chamber is a system that can completely exhaust and introduce gas and the like.
[0024]
This exhaust system has two systems: a reaction system in which a rotary pump and a turbo molecular pump are connected in series, an exhaust system for low vacuum, and a high vacuum exhaust system in which a cryopump is further connected. -7 It can exhaust to Pa.
[0025]
In addition, when loading a substrate into each room, it is after opening and closing the gate valve that partitions between them, but at this opening and closing, the pressure difference between both chambers is reduced and the atmosphere gas in both chambers is reduced. Performed after aligning. Thereby, mixing of unnecessary impurities etc. can be reduced as much as possible.
[0026]
Further, the strength of the magnetic field supply means provided in the vicinity of the sputtering target can be varied by external control (for example, the amount of applied power or the distance to the target can be varied).
[0027]
The substrate passage chamber (2) of this sputtering apparatus is provided with a heating means and an atmospheric gas supply means so that the semiconductor film can be heat-treated, so that the semiconductor film can be thermally crystallized without taking the substrate out of the apparatus. It is. Furthermore, before the film is formed on the substrate, the substrate is heat-treated in the substrate passage chamber, and once the substrate is thermally contracted, the film can be formed on the substrate. The stress remaining in the film is relieved, and the adhesion between the substrate and the film is improved.
[0028]
FIG. 1 shows a thin film transistor manufacturing process manufactured in this example.
[0029]
First, 10 glass substrates (11) / cassette are set in the reserve chamber (1) from the gate valve (5), and one of them passes through the substrate passage chamber (2) to form a reaction chamber for forming a silicon oxide film. Loading into (3). SiO on glass substrate (11) 2 A film (12) was formed to a thickness of 200 nm by magnetron type RF sputtering under the following conditions.
O 2 100% atmosphere
Deposition temperature 150 ° C
RF 813.56NHz) Output 400W
Pressure 0.5Pa
Using single crystal silicon as a target
[0030]
After the formation, the reaction chamber is evacuated to a high vacuum, the gate valve is opened and closed, the substrate is taken out to the passage chamber, the substrate is transferred to the semiconductor film reaction chamber (4) in the same manner, and then the Si film that becomes the channel formation region (13) is deposited to a thickness of 100 nm.
[0031]
At this time, the back pressure is 1 × 10 -7 The pressure was set to Pa or lower, and a turbo molecular pump and a cryopump were used for exhaust. The amount of gas to be supplied had a purity of 5N (99.999%) or more, and the additive gas contained argon 4N or more used as necessary. Target single crystal silicon is also 5 × 10 18 cm -3 The following oxygen concentration, for example 1 × 10 18 cm -3 The oxygen concentration was as low as possible, and oxygen as an impurity in the formed film was extremely reduced.
[0032]
The film forming conditions are as follows: Inert gas argon and hydrogen atmosphere
H 2 / (H 2 + Ar) = 80% (Partial pressure ratio)
Deposition temperature 150 ° C
RF (13.56MHz) Output 400W
Total pressure 0.5Pa
The target was a single crystal Si target.
[0033]
Thereafter, the substrate (11) is returned to the substrate passage chamber, where the temperature range is 450 ° C. to 700 ° C.
The Si film (13) is thermally crystallized in hydrogen or an inert gas, in this embodiment in a 100% nitrogen atmosphere over a period of 10 hours at a temperature of 600 ° C., and a highly crystalline silicon semiconductor layer ( Semi-amorphous or semi-crystal).
[0034]
The impurity purity in the amorphous silicon film formed by such a method and the film crystallized by heat treatment was examined by SIMS (secondary ion equivalence analysis) method. Then, out of the impurity concentration during film formation, oxygen 8 × 10 18 cm -3 , Carbon 3 × 10 16 cm -3 Met. Hydrogen is 4 × 10 20 cm -3 And the density of silicon is 4 × 10 22 cm -3 Then, the amount was equivalent to 1 atomic%. These are the target single crystal silicon oxygen concentration 1 × 10 18 cm -3 Was examined as a reference. In addition, this SIMS analysis examined the distribution (depth profile) in the depth direction of the film after film formation, and used the minimum value as a reference. This is because the surface has naturally oxidized silicon oxide with the atmosphere. These values do not change significantly even after crystallization treatment, and the oxygen impurity concentration is 8 × 10. 18 cm -3 Met.
[0035]
In this example, oxygen is increased just in case, eg N 2 O 2 was added at 0.1 cc / sec and 1 cc / sec. Then, the oxygen concentration after crystallization is 1 × 10 20 cm -3 4 × 10 20 cm -3 And increased. However, when such a coating was used, crystallization could be achieved for the first time by simultaneously increasing the temperature required for crystallization to 700 ° C. or higher, or increasing the crystallization time by at least 5 times.
[0036]
That is, considering the softening temperature of the glass of the substrate industrially, treatment at 700 ° C. or less, preferably 600 ° C. or less is important, and it is also important to reduce the time required for crystallization. However, no matter how much impurities such as oxygen concentration are reduced, crystallization of the a-Si semiconductor by thermal annealing was impossible experimentally below 450 ° C.
[0037]
Further, in the present invention, if such a high-quality sputtering apparatus is used, the oxygen concentration during film formation is 1 × 10 5 due to leakage from the apparatus. 20 cm -3 Or, if it exceeds that, the characteristics of the present invention cannot be expected.
[0038]
7x10 like this 19 cm -3 It was determined that the oxygen concentration was as follows and the heat treatment temperature was 450 to 700 ° C.
[0039]
As can be seen from the laser Raman analysis data shown in FIG. 6, this semiconductor film has a peak position indicating the presence of crystals shifted to a lower wave number side than the peak position of normal single crystal silicon. I was reluctant to be distorted.
[0040]
In this embodiment, the present invention is described using a silicon semiconductor. However, it is possible to use a germanium semiconductor or a semiconductor mixed with silicon and germanium. It was possible to reduce the temperature applied at that time by about 100 ° C.
[0041]
Next, the substrate is taken out from the apparatus, and device isolation patterning is performed on the thermally crystallized silicon semiconductor film to obtain the shape of FIG. 1A. A part of the semiconductor film is channeled in the insulated gate type semiconductor device. It was configured as a formation region.
[0042]
Next, the substrate is returned to the sputtering apparatus again, and a gate oxide film (SiO 2) is formed in a reaction chamber (3) dedicated to silicon oxide. 2 ) (15) was deposited to a thickness of 100 nm by magnetron type RF sputtering under the following conditions. Before the gate insulating film was formed, a bias was applied to the substrate side in a 100% hydrogen atmosphere, and the surface of the semiconductor (13) was plasma hydrogen cleaned.
[0043]
The conditions for creating the gate insulating film are
Oxygen 95% by volume NF 3 5% by volume
Pressure 0.5pa
Deposition temperature 100 ° C
RF (13.56MHz) output 400W
[0044]
When the gate oxide film is formed, the ratio of oxygen to the inert gas is increased and most preferably 100% oxygen is used to reduce the interface state density of the gate insulating film, thereby realizing a very good transistor. it can.
[0045]
In this example, NF was used during the reaction. 3 As a part of the reaction gas, fluorine is added in the gate insulating film. As a result, it was possible to neutralize the dangling bonds of silicon in the film and eliminate the cause of the generation of fixed charges in the film.
[0046]
Next, this substrate is taken out from the multi-chamber sputtering apparatus, and a semiconductor layer mixed with phosphorus is formed thereon by low pressure CVD. Thereafter, photolithography was performed using a predetermined mask pattern, and a semiconductor film mixed with phosphorus was formed as a gate electrode (20). FIG. 1 (B)
[0047]
By producing this electrode by the low pressure CVD method, good characteristics can be obtained without damaging the underlying gate insulating film.
[0048]
The gate electrode is not limited to a doped semiconductor layer, and other materials can be used. Next, using the gate electrode (20) or the resist pattern used when etching the gate electrode (20) as a mask, impurity regions (14) and (14 ') are formed in the self-line using an ion implantation technique. did. Thereafter, thermal annealing was performed at 400 ° C. for 15 minutes in a hydrogen atmosphere to activate.
[0049]
As a result, the semiconductor layer under the gate electrode (20) was configured as a channel region of the insulated gate type semiconductor device.
[0050]
Next, an interlayer insulating film (17) was formed so as to cover all of these upper surfaces, and the state shown in FIG. 1 (C) was obtained. Thereafter, contact holes for the source and drain electrodes are formed, and metal aluminum is formed on the upper surface by sputtering, and predetermined patterning is performed to form source and drain electrodes (16) and (16 '). Type semiconductor device was completed. FIG. 1 (D)
[0051]
In this embodiment, the semiconductor layer forming the channel region and the source and drain semiconductor layers are made of the same material, which simplifies the process. In addition, since the same semiconductor layer is used, the source and drain semiconductor layers also have crystallinity and high carrier mobility, so that an insulated gate semiconductor device having better electrical characteristics can be realized.
[0052]
The above is the manufacturing method of the thin film transistor using the thermocrystalline silicon semiconductor layer manufactured in this embodiment. For comparison, the Si layer (13) in FIG. 1A which is a channel formation region is magnetron type RF sputtering method. Four reference examples in which the hydrogen concentration and the oxygen concentration, which are conditions for forming a film, are changed are shown below.
[0053]
(Reference Example 1)
In this reference example, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering when manufacturing (13) of FIG.
H 2 / (H 2 + Ar) = 0% (partial pressure ratio)
Others were produced by the same method as in Example 1. At this time, the oxygen concentration is 2 × 10. 20 cm -3 Met.
[0054]
(Reference Example 2)
In this reference example, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering when manufacturing (13) of FIG.
H 2 / (H 2 + Ar) = 20% (Partial pressure ratio)
Others were produced by the same method as in Example 1. At this time, the oxygen concentration is 7 × 10. 19 cm -3 Met.
[0055]
(Reference Example 3)
In this example, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering when manufacturing (13) of FIG.
H 2 / (H 2 + Ar) = 50% (Partial pressure ratio)
Others were produced by the same method as in Example 1. At this time, the oxygen concentration is 3 × 10. 19 cm -3 Met.
[0056]
(Reference Example 4)
In this reference example, the partial pressure ratio of the atmosphere at the time of sputtering when manufacturing (13) of FIG.
H 2 / (H 2 + Ar) = 70% (Partial pressure ratio)
Others were produced by the same method as in Example 1. At this time, the oxygen concentration is 1 × 10 19 cm -3 Met.
[0057]
The results of comparing the electrical characteristics of the above described examples are shown below.
FIG. 3 shows the carrier mobility μ (FIELD MOBILITY) in the channel portion of the completed Example 1 and Reference Examples 1 to 4 and the hydrogen partial pressure ratio (P H / P TOTAL = H 2 / (H 2 + Ar)) is graphed.
[0058]
The correspondence between the plot points in FIG. 4 and the above examples is shown in Table 1 below.
[0059]
[Table 1]
Figure 0003614333
[0060]
According to FIG. 4, when the hydrogen partial pressure is 0%, the oxygen concentration is 2 × 10. 20 cm -3 3 × 10 -1 cm 2 V / sec is extremely small, and on the other hand, 20% or more as in the present invention and an oxygen concentration of 7 × 10 19 cm -3 Remarkably high mobility 2 cm below 2 It can be seen that μ (FIELD MOBILITY) is obtained over / Vsec.
[0061]
This is presumably because, when hydrogen was added, oxygen in the chamber in the sputter was water, and it was positively removed by the cryopump.
[0062]
FIG. 4 shows the threshold voltage and the hydrogen partial pressure ratio (P H / P TOTAL = H 2 / (
H 2 + Ar)) is graphed.
Hydrogen partial pressure ratio (P H / P TOTAL = H 2 / (H 2 + Ar)) and the corresponding example numbers are shown in Table 1.
Same as the case.
[0063]
The lower the threshold voltage, the lower the operating voltage for operating the thin film transistor, that is, the lower the gate voltage, and considering that good device characteristics can be obtained, the results in FIG. By the sputtering method, a normally-off state with a threshold voltage of 8 V or less can be obtained. That is, a device using a semiconductor layer having crystallinity obtained by obtaining the Si film shown in (13) of FIG. 1A to be a channel formation region and thermally crystallizing the Si film is good. It can be seen that it exhibits electrical characteristics.
[0064]
Further, according to FIG. 5, it can be seen that the threshold voltage is lower when the hydrogen partial pressure ratio is higher. From this, it can be understood that when the a-Si film serving as the channel formation region in each of the above examples is fabricated by sputtering, the electrical characteristics of the device tend to increase as the hydrogen partial pressure ratio is increased.
[0065]
The mechanism of the semi-amorphous or semi-crystal semiconductor used in the present invention is abbreviated.
[0066]
That is, when sputtering is performed with a single-crystal silicon semiconductor as a target in a sputtering method and a mixed gas of hydrogen and argon is sputtered, the atomic silicon is also separated from the target by sputtering (impact) of heavy atoms of argon and has a surface to be formed. Let's fly on the substrate. At the same time, a lump of tens to hundreds of thousands of atoms is separated from the target as a cluster and flies to the formation surface.
[0067]
During the flight, hydrogen is combined with the dangling bonds of silicon around the outer periphery of the cluster, and is formed as a relatively highly ordered region on the formation surface.
[0068]
That is, a mixture of highly ordered clusters having pure Si-H bonds and pure amorphous silicon is formed on the film forming surface. This is a non-acid at 450 ° C. to 700 ° C.
By the heat treatment in the chemical gas, the Si—H bonds in the outer periphery of the cluster react with other Si—H bonds to form Si—Si bonds.
[0069]
However, as this bond pulls together, the highly ordered clusters attempt to shift phase to a more highly ordered state, ie crystallization. However, between adjacent clusters, Si—Si bonded to each other pulls between the clusters. As a result, the crystal has a lattice strain and the crystal peak in laser Raman is 520 cm of that of a single crystal. -1 It is measured by shifting to a lower wave number side.
[0070]
Further, since the Si—Si bonds between the clusters anchor each other, the energy bands in each cluster can be electrically coupled to each other via the anchoring portion. Therefore, it is fundamentally different from polycrystalline silicon in which the grain boundary acts as a carrier barrier, and the carrier mobility is 10 to 200 cm. 2 / V Sec can be obtained.
[0071]
That is, as in the present invention, a semi-amorphous or semi-crystal based on such a definition can be expected to have substantially no crystal grain boundary while having apparent crystallinity.
[0072]
Of course, the intermediate temperature of 450 ° C to 700 ° C when the annealing temperature is a silicon semiconductor.
When crystallization with crystal growth of 1000 ° C. or higher is performed instead of annealing, oxygen or the like in the film breaks off at the grain boundary due to this crystal growth, thereby creating a barrier. This is a material having the same crystal and grain boundary as a single crystal.
[0073]
Further, when the degree of anchoring between clusters in this semiconductor is increased, the carrier mobility is further increased. For this purpose, the oxygen content in the film is reduced to 7 × 10. 19 cm -3 Preferably 1 × 10 19 cm -3 In the case of the following, in addition to crystallization at a temperature lower than 600 ° C., high carrier mobility can be obtained.
[0074]
FIG. 5 shows hydrogen partial pressure ratios of 0%, 20%, and 50% at the time of sputtering when forming the Si film (13) serving as the channel formation region of the reference examples 1, 2, 3, and 4 of the present invention. In this case, the Raman spectrum of the crystalline silicon semiconductor layer obtained by thermally crystallizing the a-Si film is shown.
[0075]
Table 2 shows the relationship between the symbols shown in FIG. 6, the example numbers, and the hydrogen partial pressure ratio during sputtering.
[0076]
[Table 2]
Figure 0003614333
[0077]
Referring to FIG. 5, the curve (62) is compared with the curve (61), that is, the case where the hydrogen partial pressure ratio at the time of sputtering in producing the Si semiconductor layer to be the channel formation region is 0% and 20%. By comparison, it can be seen that when thermal crystallization is performed, the crystallinity of the semiconductor silicon appears remarkably in the Raman spectrum when the hydrogen partial pressure ratio during sputtering is 20%.
[0078]
The average crystal grain size is 5 to 400 mm, typically 50 to 300 mm, from the half width.
. And the peak position of the Raman spectrum is the position of the peak of single crystal silicon 520 cm -1 It was shifted to the lower wave number side and clearly had lattice distortion.
[0079]
This is a remarkable feature of the present invention. That is, the effect of producing the Si film by the sputtering method to which hydrogen is added is manifested only when the Si film is thermally crystallized.
[0080]
In this way, since each of the microcrystalline grains is in a state where they are forcibly contracted with each other when they have lattice distortion, the closeness at each grain boundary becomes stronger, and the carrier at the grain boundary part becomes stronger. As a result, it is difficult to cause segregation of impurities such as oxygen, and as a result, high carrier mobility can be realized.
[0081]
The particle size referred to in the present invention is a numerical value calculated by the Raman spectrum obtained when the produced semiconductor film is subjected to Raman spectroscopic analysis, and it is not clear whether there is a grain boundary in the actual film. Rather, as described above, it is considered that there is no grain boundary.
[0082]
As a method of changing the crystal grain size of the semiconductor film, a method of changing the RF power applied during sputtering film formation can be considered.
[0083]
As another method, the magnetic field strength of the magnetic field supply means installed in the vicinity of the target may be changed. For example, when the magnetic field supply means is an electromagnet, the grain size of the semiconductor film formed on the substrate can be increased by increasing the current flowing through the coil to increase the magnetic field. The reverse is also possible.
[0084]
Table 3 below shows data indicating the effects of the present invention.
[0085]
[Table 3]
Figure 0003614333
[0086]
In Table 3, the hydrogen partial pressure ratio is a condition for producing a Si film ((13) in FIG. 1A) serving as a channel formation region in this embodiment by magnetron type RF sputtering.
[0087]
The S value is [d (ID) / d (VG)] at the rising portion of the curve in the graph showing the relationship between the gate voltage (VG) indicating the device characteristics and the drain current (ID). -1 The smaller this value is, the smaller the value (VG-ID), the sharper the slope of the curve indicating the characteristics, and the higher the electrical characteristics of the device.
VT represents a threshold voltage.
μ indicates the mobility of the carrier and the unit is (cm 2 / V · s).
The on / off characteristic means that VG = 30 volts in the curve indicating the (VG-ID) characteristic.
It is a logarithmic value of the ratio between the ID value and the minimum ID value.
[0088]
In this embodiment, the underlying silicon oxide film and the semiconductor film are continuously formed in a dedicated reaction chamber. However, the present invention is not particularly limited to this, and the semiconductor depends on the structure of the semiconductor device to be manufactured. It is obvious that it is within the scope of the technical idea of the present invention to continuously form a film and a gate insulating film or a gate insulating film and a gate electrode in a dedicated reaction chamber.
[0089]
[Example 2]
In this embodiment, an insulated gate semiconductor device having the structure shown in FIG. 3 is shown.
[0090]
Coating the silicon oxide film on the insulating substrate is the same as in Example 1, but this example shows a manufacturing method in which the formation of the gate insulating film is finished before the semiconductor layer constituting the channel region is manufactured. ing. On the insulating film (12), metal molybdenum was formed to a thickness of 3000 mm by sputtering and predetermined patterning was performed to form the gate electrode (20).
[0091]
Next, a gate oxide film (SiO 2) is formed using a sputtering apparatus in which another reaction chamber dedicated to an N-type semiconductor film is added to the configuration of the multi-chamber type sputtering apparatus used in Example 1. 2 ) (15) was deposited to a thickness of 100 nm by magnetron type RF sputtering under the following conditions.
Oxidizing atmosphere 100%
Pressure 0.5pa
Deposition temperature 100 ° C
RF (13.56MHz) output 400W
A silicon target or a synthetic quartz target was used.
[0092]
When this oxide film is formed, sputtering is performed with a large proportion of oxygen with respect to the inert gas, most preferably with 100% oxygen, so that the interface state density of the gate insulating film can be lowered and a transistor with very good characteristics can be realized. it can.
[0093]
Next, the substrate is moved to a reaction chamber dedicated to the semiconductor film, and an a-Si film (13) serving as a channel formation region is formed on the silicon oxide film to a thickness of 100 nm.
[0094]
The film forming conditions are as follows: Inert gas argon and hydrogen atmosphere
H 2 / (H 2 + Ar) = 80% (Partial pressure ratio)
Deposition temperature 150 ° C
RF (13.56MHz) Output 400W
Total pressure 0.5Pa
The Si target was used as the target.
[0095]
Thereafter, the substrate on which the semiconductor film has been formed is taken out of the reaction chamber, and the substrate is not taken out of the apparatus, and the substrate is passed through the temperature range of 450 ° C. to 700 ° C., particularly 600 ° C. for 10 hours.
Over time, the a-Si film (13) was thermally crystallized in hydrogen or an inert gas in a 100% nitrogen atmosphere in this example, and a silicon semiconductor layer having high crystallinity was produced. At the same time, a new substrate was moved from the preliminary chamber to the reaction chamber dedicated to the silicon oxide film, and a gate insulating film was produced under the conditions described above.
[0096]
The amount of oxygen impurities present in the semiconductor film formed by such a method is 1 × 10 by SIMS analysis. 19 cm -3 Carbon is 4 × 10 18 cm -3 The hydrogen content was 1% or less. As a result, the channel region (22) could be formed on the gate electrode (20). During this heat treatment, the substrate introduced into the reaction chamber for silicon oxide for the production of the gate insulating film later is moved to the reaction chamber for the semiconductor film through the substrate passage chamber, and the semiconductor film is formed under the same conditions. went.
[0097]
Next, after the heat-treated substrate is moved from the passage chamber to the N-type semiconductor film forming reaction chamber, + The a-Si film (14) is 50 nm by magnetron type RF sputtering under the following conditions.
The film was formed to a thickness of. At the same time, the substrate on which the formation of the semiconductor film was completed was heat-treated in the substrate passage chamber, and at the same time, a new substrate was introduced into the gate insulating film reaction chamber.
[0098]
The film forming conditions are as follows: in an atmosphere with a hydrogen partial pressure ratio of 10 to 99% or more (80% in this embodiment) and an argon partial pressure ratio of 10 to 99% (19% in this embodiment).
Deposition temperature 150 ° C
RF (13.56MHz) Output 400W
Total pressure 0.5Pa
And single crystal silicon doped with phosphorus was used as a target.
[0099]
Next, an aluminum film for the source and drain electrodes is formed on the semiconductor layer (14) and patterned, and the source and drain impurity regions (14) and (14 ') and the source and drain electrodes ( 16) and (16 ′) were formed to complete the semiconductor device.
[0100]
In this embodiment, since the gate insulating film is formed before the semiconductor film is formed in the channel forming region, the vicinity of the interface between the gate insulating film and the channel region is appropriately thermally annealed during the thermal crystallization process. It has the feature that the interface state density can be reduced.
[0101]
In addition, the back pressure is set to 1 × 10 at the time of forming each film. -6 Since it is set to Pa or less and the exhaust system is a combination of a turbo molecular pump and a cryopump, a film can be formed with less oil-free impurities. The amount of oxygen impurities in the active layer (13) in this example is 1 × 10. 19 cm -3 The mobility μ was 41.4.
[0102]
In this embodiment and the like, an a-Si film is used as a semiconductor layer to be thermally crystallized. However, it goes without saying that the present invention is also effective in thermally crystallizing other non-single crystal semiconductors. .
[0103]
In addition, Ar was used as the inert gas at the time of sputtering, but other gases such as a halogen gas such as He, or SiH 4 , Si 2 H 6 Alternatively, a reactive gas such as plasma may be used. In the film formation of the a-Si film by the magnetron type RF sputtering method of this embodiment, the hydrogen concentration is in the range of 5 to 100% and the film formation temperature is in the range of 50 to 500 ° C.
The RF output can be arbitrarily selected in the range of 1 W to 10 MW in the range of 500 Hz to 100 GHz, or may be combined with a pulse energy transmission source.
[0104]
Sputtering may be performed by making hydrogen into a higher plasma by using more intense light irradiation (wavelength 1000 nm or less) energy or electron cyclotron resonance (ECR) conditions.
[0105]
This is because a micro structure in a film formed by sputtering by making light atoms such as hydrogen into plasma and efficiently generating positive ions necessary for sputtering, in the case of this embodiment, a micro structure in an a-Si film. This is to prevent the occurrence of structure. Moreover, you may apply said other reactive gas to said means.
[0106]
In this embodiment, an amorphous semiconductor film is simply described as an a-Si film. This usually indicates a silicon semiconductor, but other than germanium or mixed silicon and germanium Si x Ge 1-X (0 <X <1).
[0107]
Needless to say, the configuration of the present invention can be applied to staggered, coplanar, reverse staggered, and reverse coplanar insulated gate field effect transistors.
[0108]
【The invention's effect】
By adopting the configuration of the present invention, it is possible to solve the problem of difficulty in thermal crystallization, which is a problem in the process of obtaining a semiconductor having crystallinity by thermally crystallizing a non-single crystal semiconductor obtained by an industrially useful sputtering method. In addition, it was possible to produce a high-performance thin film transistor by using this crystalline semiconductor layer.
[0109]
Further, according to the method of the present invention, all the minimum necessary portions of the insulated gate semiconductor device can be produced by the sputtering method. For this reason, in the insulated gate type semiconductor device as shown in FIG. 1D, the lower side (18) of the active layer, that is, the contact portion with the base insulating film is partially oxidized to have a semi-insulating state. The electrical characteristics at the part are slightly deteriorated. As a result, a back channel cannot be generated in this portion, and the reverse leakage current can be reduced. This is very effective when this semiconductor device is used as a CMOS, and shows a significant effect in reducing the off-current.
[0110]
In addition, it is possible to reduce the concentration of oxygen impurities present in the semiconductor film, and to realize an insulated gate semiconductor device having a very high mobility, which is difficult to form a barrier against carriers near the crystal grain boundary. did it.
[0111]
Furthermore, since a plurality of different processes can be performed in the same apparatus, continuous processes can be performed without being affected by the outside. In addition, productivity can be improved because a plurality of processes can be performed simultaneously.
[Brief description of the drawings]
1 is a manufacturing process diagram of Example 1. FIG.
FIG. 2 is a schematic view of a multi-chamber sputtering apparatus for the present invention.
FIG. 3 shows a relationship between a hydrogen partial pressure ratio and carrier mobility.
FIG. 4 shows a relationship between a hydrogen partial pressure ratio and a threshold value.
FIG. 5 shows a Raman spectrum of the crystalline semiconductor film of the present invention.
is there.
FIG. 6 is a sectional view of another embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
(1) ... Reserve room
(2) ... Substrate passage chamber
(3) (4) ・ ・ Sputtering chamber
(5) (6) (7) (8) ... Gate valve

Claims (1)

基板の絶縁表面上に高融点金属からなるゲイト電極を形成し、
前記ゲイト電極を覆って、酸素雰囲気において、マグネトロン型RFスパッタ法により、石英又は単結晶シリコンのターゲットを用いて、ゲイト絶縁膜となる酸化珪素膜を形成し、
前記酸化珪素膜を形成した後、前記基板を大気に曝すことなく、水素の分圧が20%以上の水素とアルゴンの混合気体の雰囲気において、酸素濃度が5×10 18 cm -3 以下の単結晶シリコンのターゲットを用いて、マグネトロン型RFスパッタ法によりチャネル領域を設けるための酸素濃度が7×10 19 cm -3 以下の非晶質珪素膜を前記酸化珪素膜上に接して形成し、
前記非晶質珪素膜を形成した後、前記基板を大気に曝すことなく、前記非晶質珪素膜を450〜700℃の温度で加熱して結晶化することにより、レーザーラマン分析により520cm -1 よりも低波数側にずれた結晶性を有することを示すピークが測定される結晶性の珪素膜を形成する絶縁ゲイト型電界効果トランジスタの作製方法であって、
前記酸化珪素膜の形成、前記非晶質珪素膜の形成及び前記非晶質珪素膜の加熱は、それぞれ同一の装置の異なる室において行われ、前記酸化珪素膜を形成する反応室及び前記非晶質珪素膜を形成する反応室は、マグネトロン型RFスパッタ法による専用の反応室であって、それぞれ反応室ごとに独立したゲート弁に仕切られて基板通過室に接続され、前記基板通過室において、前記結晶化のための450〜700℃での前記非晶質珪素膜の加熱を行うことを特徴とする絶縁ゲイト型電界効果トランジスタの作製方法。
Forming a gate electrode made of a refractory metal on the insulating surface of the substrate;
Covering the gate electrode, a silicon oxide film to be a gate insulating film is formed using a quartz or single crystal silicon target by magnetron type RF sputtering in an oxygen atmosphere,
After forming the silicon oxide film, an oxygen concentration of 5 × 10 18 cm −3 or less is obtained in a mixed gas atmosphere of hydrogen and argon having a hydrogen partial pressure of 20% or more without exposing the substrate to the atmosphere. Using a crystalline silicon target, an amorphous silicon film having an oxygen concentration of 7 × 10 19 cm −3 or less for forming a channel region is formed on and in contact with the silicon oxide film by magnetron RF sputtering.
Wherein after forming the amorphous silicon film, without exposing said substrate to the atmosphere, by crystallization by heating at a temperature of the amorphous silicon film 450-700 ° C., 520 cm -1 by laser Raman analysis A method for manufacturing an insulated gate field effect transistor for forming a crystalline silicon film in which a peak indicating that the crystallinity is shifted to a lower wave number side is measured ,
The formation of the silicon oxide film, the formation of the amorphous silicon film, and the heating of the amorphous silicon film are performed in different chambers of the same apparatus, respectively, and the reaction chamber for forming the silicon oxide film and the amorphous film are formed. The reaction chamber for forming the porous silicon film is a dedicated reaction chamber by magnetron type RF sputtering, and is partitioned by an independent gate valve for each reaction chamber and connected to the substrate passage chamber. In the substrate passage chamber, A method for manufacturing an insulated gate field effect transistor, wherein the amorphous silicon film is heated at 450 to 700 ° C. for crystallization .
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