JP3986781B2 - Method for manufacturing thin film transistor - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、珪素を主成分とする半導体材料に関する。特に本発明は、薄膜状の珪素半導体材料の特性向上を目的とし、本発明による半導体材料を利用することによって特性の改善された薄膜半導体装置(薄膜トランジスター等)を作製することが可能となる。
【0002】
【従来の技術】
従来、薄膜電界効果トランジスター等の薄膜半導体装置を作製するにあたっては、非結晶質の半導体材料(いわゆるアモルファス半導体)あるいは多結晶質の半導体材料を利用していた。本明細書でアモルファスという言葉は、純粋に原子レベルでの無秩序さだけを意味するのではなく、数nm程度の近距離秩序が存在しているような物質をも含めて使用される。具体的には電子移動度にして10cm2 /V・s以下の珪素材料もしくはその物質のキャリヤ移動度が、その半導体物質の本質的なキャリヤ移動度の1%以下の材料を意味している。
【0003】
さて、アモルファス半導体(アモルファスシリコンやアモルファスゲルマニウム等)を利用する場合には、その作製は400度C以下の比較的低温でおこなえるため、高温プロセスが採用できない液晶電気光学装置等において有望な方法として注目されている。
【0004】
しかしながら、純粋なアモルファス半導体はそのキャリヤ移動度(電子移動度やホール移動度)が著しく小さいため、これをそのまま、例えば薄膜トランジスター(TFT)のチャネル形成領域として用いることは稀で、通常はこれらアモルファス半導体材料にレーザー光やキセノンランプ光等の強光を照射して、溶融再結晶させ、結晶質の半導体材料に変成せしめて、そのキャリヤ移動度を向上させて用いていた。(以下の文章ではこの方法を「レーザーアニール」と呼ぶことにするが、必ずしもレーザーを用いなければならないわけではない。レーザー光照射と同様に強力なフラッシュランプを照射する場合も含まれるものとする。)
【0005】
しかしながら、レーザーアニール法によって従来得られていた半導体材料のキャリヤ移動度は単結晶半導体材料で得られるものより、一般には小さかった。例えば、珪素被膜の場合には、報告されているもので最も大きな電子移動度は200cm2 /V・sであり、これは単結晶珪素の電子移動度、1350cm2 /V・sの7分の1でしかない。また、レーザーアニール法によって得られる半導体材料の特性(主として移動度)は再現性に乏しく、かつ、同じ被膜内における移動度のばらつきが大きく、多数の素子を同一平面内に形成する場合には、得られる半導体素子の特性のばらつきが大きいため製品の歩留りが著しく低下した。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のレーザーアニール法では、移動度が単結晶半導体材料に比べて極めて小さく、かつ、その再現性が悪いため、実用に供することができなかった薄膜状の半導体材料の特性を改善することを目的とする。すなわち、移動度の高い薄膜状半導体材料を提供するとともに、再現性よく高い移動度を得る半導体材料の作製方法を提供する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
さて、ラマン分光法は、物質の結晶性を評価する上で有効な方法であり、レーザーアニール法によって作製された半導体被膜の結晶性を定量化する目的でも使用される。本発明人らは、レーザーアニール法の研究において、得られる半導体被膜のラマン・ピークの中心値、ラマン・ピークの幅、およびラマン・ピークの高さ等に着目することによって、これらの数値が得られる半導体薄膜と極めて密接な関係を有することを見出した。
【0008】
例えば、単結晶珪素では、521cm-1にラマン・ピークが存在するが、レーザーアニール処理された珪素被膜のラマン・ピークは、それよりも短波数(長波長)側に移動する傾向が観察された。そして、このときのラマン・ピークの中心値と得られた半導体薄膜のキャリヤ移動度には強い相関関係があることが発見された。
【0009】
図1はこの関係を示す1例であるが、アモルファスシリコン被膜をレーザーアニール処理して得られた被膜のラマン・ピークの中心値(横軸)と被膜の電子移動度(縦軸)の関係を示す。電子移動度は、珪素被膜によってTFTを作製し、そのCV(容量−電圧)特性を測定することによって得られた値を示してある。図から明らかなように、ラマン・ピークの中心値が515cm-1を境として、電子移動度の挙動に大きな違いが見られる。すなわち、515cm-1以下では電子移動度のラマン・ピーク依存性は小さいが、515cm-1以上ではピークの中心値の増加に伴って、急速に電子移動度が増加する。
【0010】
この現象は明らかに、2つの相が存在することを示している。本発明者らの研究によると、515cm-1以下では、レーザーアニールによっても、被膜が溶融することなく、固相のまま原子の秩序化が進行したものであり、515cm-1以上では、レーザーアニールによって被膜が溶融し、液相状態を経て固化したものであると推定されている。
【0011】
ラマン・ピークの中心値は、単結晶珪素のラマン・ピーク値521cm-1を越えることはなく、得られた電子移動度の最大値は約200cm2 /V・sであった。しかし、このような高い電子移動度を有する珪素被膜を再現性よく得ることは難しく、同じ条件でレーザーアニールをおこなったつもりであっても、微妙に結晶の状態が異なるらしく、移動度が100cm2 /V・sに満たない場合が大多数であった。そして、このように低い電子移動度を示すものはラマン・ピークの中心値は、521cm-1よりかなり小さく、515cm-1以下がほとんでどあった。
【0012】
再現性よく、高い移動度が得られないという事実は、例えば、同じ条件で200個のアモルファスシリコン膜のレーザーアニールをおこなった際に、200cm2 /V・s以上のものは3個、100cm2 /V・s以上200cm2 /V・s未満のものが11個、10cm2 /V・s以上100cm2 /V・s未満のものが61個、10cm2 /V・s未満のものが125個という結果から裏付けられている。
【0013】
その理由としては、レーザーの出力がパルスごとでかなりバラつくためと、レーザーアニールの最適条件が極めて狭い範囲であるためと考えられる。例えば、レーザーの出力が小さすぎるとアモルファスシリコンは溶融せず、また、レーザーの出力が大きすぎると、再結晶化がうまく起こらず、アモルファス化してしまうことが観察される。
【0014】
さらに、それらの理由に付け加えて、本発明人らは膜中の酸素、窒素、炭素等の異元素の存在が、再現性の低下をもたらしているのではないかと考えた。図1に示される実験に用いられた被膜にはレーザーアニール後の測定から、2×1021cm-3もの、酸素原子が含まれていた。これは、アモルファスシリコン成膜時に何らかの経路で侵入したものと考えられる。窒素、炭素は痕跡程度しか観測されなかった。そこで、アモルファスシリコン膜作製の際の原料ガスやチャンバー、排気系統等を充分清浄に保ちつつ、意図的に雰囲気に微量の酸素を添加して、膜中に存在する酸素原子の量をコントロールし、得られた被膜をレーザーアニールして、そのラマン・ピークの中心値と電子移動度の関係を調べた。
【0015】
ただし、本明細書ではこれらの異種元素の濃度とは、被膜の中心部分の濃度をいう。なぜならば、被膜の基板より、あるいは被膜の表面近傍は、これらの異種元素の濃度が極めて高いのであるが、これらの領域に存在する異種元素は、本発明で問題とするキャリヤ移動度には大した影響を与えないものと考えたからである。被膜中で、もっともこれら異種元素の濃度の小さい部分は、通常の被膜では膜の中央部分であり、また、膜の中央部分は電界効果型トランジスター等の半導体装置において重要な役割を果たすものと考えられるからである。以上のような理由から、本発明で、単に異種元素の濃度という場合には、被膜の中央部の濃度をさすものと定義する。
【0016】
これを図2に示す。図2より明らかなように、膜中の酸素濃度を減らすことによって、著しく電子移動度を向上させることはできた。この傾向は膜中に炭素や窒素が含まれる場合においても同様であった。その理由としては、本発明人らは、膜中の酸素原子が多い場合には、レーザーアニールによって被膜が溶融・再結晶化する際に、酸素原子の少ない部分が結晶核となって結晶成長するのであるが、膜中に含まれる酸素原子はその結晶の成長とともに周辺へ追いやられ、粒界に析出して、よって、被膜全体を通して見た場合、粒界に生じるバリヤのために移動度が小さくなるという説と、レーザーアニールによって酸素原子あるいは酸素原子の濃度の大きな領域(一般に融点が純粋な珪素より大きいと考えられる)が結晶核となって結晶成長するのであるが、酸素原子の数が多い場合には結晶核の発生が多く、よって1つあたりの結晶の大きさが小さくなって、移動度が小さく、また、結晶性が損なわれるという説を提案している。
【0017】
いずれにしても、被膜中の酸素濃度を小さくすることによって、レーザーアニールによって極めて大きな電子移動度を得ることができた。例えば、酸素濃度を1×1019cm-3とすることによって、1000cm2 /V・sという大きな電子移動度が得られた。酸素濃度以外にも、窒素の濃度や炭素の濃度を小さくすることによっても同様な効果を得ることができた。さらに、ホール移動度についても同様な傾向が得られた。
【0018】
さらに、酸素濃度が大きい場合でも小さい場合でも、ラマン・ピークの位置と電子移動度の曲線は図1の場合と同様に折れ曲がった様子を示した。本発明人らは、図2の点線より右側の領域は、レーザーアニールによって、被膜が一度溶融した後に再結晶したものと推定し、この領域を溶融−再結晶領域と名付けた。この溶融−再結晶領域において大きな移動度が得られた。
【0019】
しかしながら、このような高い移動度を再現性よく得るということは特に改善されなかった。例えば、膜中の酸素原子の量が1×1019cm-3以下のアモルファスシリコン膜を100個作製して、1000cm2 /V・sが得られたのと同じ条件でレーザーアニールしたつもりでも、電子移動度が100cm2 /V・sを越えたのは9例しかなかった。レーザーアニール後の被膜を観察したところ、レーザー出力が大きすぎて、結晶化がうまくできず、再アモルファス化している場合が多く観察された。
【0020】
図2において、点線より右側の領域を、溶融ー再結晶領域として示したが、実際に、この領域のデータが得られることは上記のように極めて確率が低く、むしろ、失敗する確率が大きいため望ましくないことが明らかになった。一方、本発明人らは、溶融ー再結晶領域の左側に存在する領域において、酸素、窒素、炭素の濃度を低減せしめることによって、高い移動度が得られることを見出した。このことは図2に示されているが、例えば、酸素濃度を1×1019cm-3以下にすることによって最大で100cm2 /V・sもの電子移動度を得ることができた。さらに付け加えるならば、この程度の移動度を得ることは難しくなく、例えば、同じ条件で100個のアモルファスシリコン膜をレーザーアニールした場合、72個の膜が80cm2 /V・s以上であった。
【0021】
本発明人らは、この領域ではアモルファスシリコン膜が溶融せず、固相状態、もしくは固相と液相の中間状態で何らかの格子の秩序化が起こり、ある程度の長い周期性が得られたものと考えている。本発明人らはこの領域を、固相秩序化領域と名付けた。本発明人らは、この固相秩序化領域において、酸素、窒素、炭素等の元素の濃度が低いと高い移動度が得られるという事実の理由は明らかにしていないが、以下のように推定している。
【0022】
すなわち、この固相秩序化領域では溶融過程が存在しないものの、レーザー光の光エネルギーもしくは熱エネルギーを吸収した原子が移動して、最もエネルギーの低い状態、すなわち結晶状態に移行しようとする。しかしながら、溶融過程を経ないので、完全な結晶化には到らず、ところどころで数nm〜数10nmの秩序化した領域が存在し、それらの領域間は、通常のアモルファス状態になっているものと考えられる。この状態は通常の溶融状態を経過した多結晶状態とは大きく異なる。すなわち、溶融状態を経過して再結晶化する過程においては、液相の中に結晶核が発生し、それが周囲に成長して大きくなるため、結晶と結晶のぶつかり合う部分が生じ、その部分が粒界となる。そして、粒界は、格子の欠陥や不純物が析出し、またイオン化して分極したりするため、多くの場合、キャリヤに対する障壁が発生する。
【0023】
一方、固相秩序化した場合には、結晶と結晶のぶつかることはなく、不純物が特に粒界に析出することもない。したがって、固相秩序化の場合には、結晶のような秩序化領域間の障壁は極めて低いものと考えられる。そして、固相秩序化した半導体においては、半導体特性を劣化させる異種元素の存在が、主としてその電気特性を左右することとなる。
【0024】
図2から明らかなように、例えば酸素濃度が1×1019cm-3以下の場合には、電子移動度が100cm2 /V・s程度であるが、そのときのラマン・ピークの中心値は、単結晶珪素のもの(521cm-1)からは掛け離れており、結晶性が単結晶に近づいたわけではないことは明白である。そのことは、後に示す他のデータからも裏付けられる。
【0025】
本発明人らは、さらに、同様な傾向がラマン・ピークの半値幅(以下FWHMという)においても見られることを発見した。この様子を図3に示す。図3の横軸は、レーザーアニールした被膜のラマン・ピークの半値幅を単結晶珪素の半値幅でわったものであり、ここではラマン・ピークの半値幅比(以下FWHM RATIO)とよぶ。FWHM RATIOが小さく、1に近いものほど単結晶珪素に近い構造を有していると考えられる。そして、図から明らかなように、溶融ー再結晶化領域(図の点線より左側)と固相秩序化領域(図の点線より右側)が存在し、固相秩序化領域においては、先のラマン・ピークの中心値の場合と同様に膜中の酸素濃度が小さいものほど電子移動度が大きく、同様な傾向は酸素の濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に関しても見られた。図3より明らかなように酸素濃度2×1021cm-3の場合では、FWHM RATIOが2より大きい領域が本発明の固相秩序化領域に相当し、酸素濃度1×1019cm-3の場合では、FWHM RATIOが3より大きい領域が本発明の固相秩序化領域に相当ている。すなわち、これらの濃度の小さいものほど大きな電子移動度が得られた。さらに、ホール移動度についても同様な傾向が見られた。
【0026】
さらに、本発明人らは、ラマン・ピークのうち、膜中のアモルファス成分に起因するピークの強度に関しても、電子移動度と密接な相関が有ることが明らかになった。図4は、レーザーアニールした被膜のラマン・ピークのうち、アモルファス成分に起因するラマン・ピーク(480cm-1付近のピーク)の強度Iaを単結晶珪素のラマン・ピークIc(521cm-1付近のピーク)で割ったものであり、以下、ラマン・ピークの強度比(INTENSITY RATIO)と呼ぶ。ラマン・ピークの強度比に関しても、固相秩序化領域(図の点線より右側)において膜中に含まれる酸素の量が少ないほど電子移動度が大きくなった。同様な傾向は酸素の濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に関しても見られた。図4より明らかなように酸素濃度2×1021cm-3の場合では、ラマン・ピークの強度比が略0.2以上の領域が本発明の固相秩序化領域に相当し、酸素濃度1×1019cm-3の場合では、ラマン・ピークの強度比が0.4以上の領域が本発明の固相秩序化領域に相当ている。すなわち、これらの濃度の小さいものほど大きな電子移動度が得られた。さらに、ホール移動度についても同様な傾向が見られた。この場合にも図2、図3の場合と同様に図4の点線より左側は溶融−再結晶領域であると考えている。
【0027】
さて、以上のように、キャリヤ移動度を向上させるためには、膜中の酸素、窒素、炭素の量を減らせば良いことが明らかになった。特に、本発明人らはこれらの元素の量がそれぞれ、5×1019cm-3以下、望ましくは1×1019cm-3以下とすることによって、さらに失敗する確率の大きい溶融過程を経ずして、より歩留りの大きい固相秩序化過程によって、最高で80%もの確率で、例えば、異種元素の濃度を5×1019cm-3以下とすることによって、珪素膜で電子移動度として50cm2 /V・s以上、1×1019cm-3以下とすることによって、100cm2 /V・sもの値が得られることを見出した。また、同様な方法によって、ホール移動度として、30〜80cm2 /V・sの値を安定に得ることができた。
【0028】
以上のように、膜中の異種元素の濃度を低減せしめることによって、固相秩序化過程を経た特殊な状態(本発明人らは、これをセミアモルファス状態と命名する)のキャリヤ移動度を向上せしめることが可能となることがわかった。セミアモルファス状態を実現するためには、膜が溶融状態とならないことが必要条件である。したがって、長い時間では、レーザーが照射されている部分の温度が、その半導体の融点以下、すなわち、珪素の場合には大気圧下で1400度C、ゲルマニウムの場合には大気圧下で1000度C以下であることが必要である。しかしながら、例えば、エキシマーレーザーで実現されているような10ナノ秒という極めて短い時間においては、瞬間的には2000度Cを越えるような温度が分光学的には観測されても、被膜の溶融は観測されないということも起こることがあり、この温度の定義は実際にはあまり意味を持たない。
【0029】
高い移動度をえるためには、異種元素の濃度を低減せしめることが有効であることは上記の通りであるが、例えば、これらの元素の濃度を1×1016cm-3以下にすることは、極めて真空度の高い環境において、きわめてこれらの元素の濃度が小さい(1×1016cm-3以下)アモルファス半導体の被膜にレーザーアニールをおこなっても、容易には達成できない。これは、雰囲気中に微量含まれる酸素ガス、窒素ガス、水分、二酸化炭素等がレーザーアニールの際に膜中に取り込まれるため、あるいは、膜の表面に吸着されていたこれらのガスがレーザーアニールの際に膜中に取り込まれたからであると推測される。
【0030】
そして、これらの困難を避けるためには特別な作製方法が必要である。1つの方法は、酸素、窒素、炭素の濃度が極めて小さい、例えば、1015cm-3以下のアモルファス半導体膜の表面を覆って、酸化珪素、窒化珪素、炭化珪素等の保護膜を形成し、その後、真空雰囲気中(10-4torr以下)でレーザーアニールをおこなうことによって、極めて酸素、窒素、炭素の濃度の小さく、高い移動度の半導体被膜を形成することができる。例えば、炭素、窒素、酸素の濃度がいずれも1×1015cm-3以下で、電子移動度が300cm2 /V・sの珪素被膜が得られた。
【0031】
アモルファス半導体膜の表面を覆って、酸化珪素、窒化珪素、炭化珪素等の保護膜を形成するに際しては、1つの真空装置を有するチャンバーで、例えばCVD法やスパッタ法によってアモルファス半導体被膜を形成した後に、同じチャンバー内で雰囲気を変えずに、あるいは一度、極めて高真空の状態にした後、成膜に適した雰囲気にすることによって、連続的に成膜する方法が適している。しかしながら、より製品の歩留り、再現性、信頼性を向上させるためには、それぞれの被膜の形成に専用のチャンバーを用意し、製品は極めて高真空に保たれた状態のまま、各チャンバーを移動する方式を採用することが望ましい。これらの成膜の方法の選択は設備投資の規模によってなされる。いずれの方法を採用するにしても、重要なことは下地のアモルファス半導体膜に含まれる酸素、窒素、炭素は十分に少ないこと、およびアモルファス半導体とその上の保護膜の界面にはガスが吸着されていないこと、である。例えば、極めて純粋なアモルファス半導体膜を形成しても、一度、その膜を大気にさらしたのち、その上に窒化珪素被膜を形成した場合には、その被膜をレーザーアニールして得られる被膜のキャリヤ移動度は、一般に小さなものであり、また、移動度の大きなものが得られる確率は極めて小さい。これは、アモルファス半導体膜の表面にガスが吸着され、これが後のレーザーアニールの際に被膜中に拡散するためであると考えられる。
【0032】
また、このときの保護膜の材料としてはレーザー光を透過する条件を満たせば、酸化珪素、窒化珪素や炭化珪素であってもよく、また、これらの混在した、化学式 SiNx y z (0≦x≦4/3、0≦y≦2、0≦z≦1、0≦3x+2y+4z≦4)で表される材料を含む材料であってもかまわない。また、その厚さは5〜1000nmが適していた。
【0033】
さて、本発明はアモルファス半導体被膜中の酸素、窒素、炭素の濃度を低減することおよびレーザーアニールの際に存在する酸素、窒素、炭素の濃度を低減することにより、高いキャリヤ移動度を有する半導体被膜を得ることを明らかにしたのであるが、このとき得られる電子移動度もしくはホール移動度は、測定のために形成された電界効果トランジスターのチャネル形成領域の平均値であり、チャネル形成領域の微細な各部分における移動度は求めることはできない。しかしながら、本発明の図1〜図4およびそれらに関連する記述から明らかなように、キャリヤ移動度はラマン・ピークの位置、ラマン・ピークの半値幅、ラマン・ピーク中のアモルファス成分の強度およびラマン・ピークの強度等のパラメータから、一義的に決定できることが明らかになった。したがって、直接には移動度が測定できない微小な領域の移動度も、ラマン分光によるこれらの情報から、おおよその移動度を推定することができる。
【0034】
図5は、固相秩序化過程を経て形成された、セミアモルファスシリコンで、電子移動度が101cm2 /V・sのもの、および溶融過程を経て形成された電子移動度が201cm2 /V・sのもののチャネル形成領域を有する電界効果トランジスターの、チャネル形成領域の各部におけるラマン・ピークの半値幅(FWHM)を示したものである。図において、横軸はチャネル形成領域の位置を表す。Lはチャネル形成領域の長さであって、100μmである。Xはチャネル形成領域の座標を表し、X/L=0とは、チャネル形成領域のソース領域との界面、X/L=1とは、チャネル形成領域のドレイン領域との界面、X/L=0.5とは、チャネル形成領域の中央を表している。図5から明らかなように電子移動度が101cm2 /V・sのものはFWHMが10cm-1より大きいがその変動(場所によるバラツキ程度)は小さく、電子移動度が201cm2 /V・sのものはFWHMが10cm-1より小さいがその変動(場所によるバラツキ程度)は大きい。FWHMが小さいほど被膜の結晶性が単結晶のものに近く、それゆえ電子移動度が大きいことは図3およびそれに関連する説明で述べたとおりであり、このデータ事態はそれと矛盾するものではない。しかしながら、FWHMの場所による変動(場所依存性)が小さいということは、被膜の結晶性が場所によらずほぼ同じものであることを物語っている。なお、この被膜の酸素濃度は約1×1019cm-3であった。
【0035】
一方、電子移動度が201cm2 /V・sのものは、酸素濃度が同じく1×1019cm-3であった。図から明らかなように、全般的にFWHMは低下しているが、FWHMの場所依存性が大きかった。そして、場所によっては、電子移動度が単結晶もFWHM(4.5cm-1)と同等あるいはそれより小さなFWHMの値を示しその部分の電子移動度が単結晶並に大きいということを示唆するが、このことは、同一被膜中に単結晶珪素と同等な結晶性を有する部分が局在してあることを意味している。しかしながら、デバイスとして量産する場合には、いかに移動度が大きいといってもこのように場所によって特性が大きく異なる材料を用いることは望ましくない。特にデバイスの大きさが小さくなるにしたがって、それまで平均化されていたため問題とならなかった不均一性が目立つようになり、デバイスの歩留りを著しく低下させてしまう原因となる。
【0036】
これに対し、電子移動度が101cm2 /V・sのもの(セミアモルファス)は、図から明らかなように、全般的にFWHMの場所依存性は小さい。このことはデバイスを量産する上で歩留りの向上につながり、材料として適していることをしめしている
【0037】
高いキャリヤ移動度を得るためには、上記のように、膜中の異種元素の濃度を低減せしめるとともに、レーザーアニールの条件を最適化しなければならない。このレーザーアニールの条件は、レーザーの発振条件(連続発振もしくはパルス発振、繰り返し周波数、強度、波長、被膜等)によって異なり、一概には言えない。レーザーとしてはエキシマーレーザーの如き紫外線レーザー、YAGレーザーの如き可視、赤外レーザーが使用でき、レーザーアニールする被膜の厚さ等によって選択することが必要である。すなわち、一般に珪素あるいはゲルマニウム材料においては、紫外線に対する吸収長が短いため、レーザー光は深部までは入らず、レーザーアニールは表面の比較的浅い領域でのみ起こる。これに対し、可視光、赤外線に対しては吸収長が長く、光が比較的内部まで侵入し、よって、レーザーアニールは深い部分でも起こる。
【0038】
付加的な事項であるが、半導体被膜をレーザーアニールした後に、水素雰囲気中で200〜600度Cで10分〜6時間のアニール処理を施すことは高いキャリヤ移動度を再現性よく得るために有効であった。これは、レーザーアニールによって特定の領域において固相秩序化が起こると同時に、残されたアモルファス領域には不対結合手(タングリング・ボンド)が残されたままになっているため、あるいはレーザーアニールによって新たに生じ、これがキャリヤに対する障壁として機能するためであると考えられる。半導体中に酸素、窒素、炭素等が多く含まれる場合にはこれらが、ダングリング・ボンドを埋めるのであるが、本発明のように酸素、窒素、炭素等の濃度が著しく小さい場合には、ダングリング・ボンドを埋めることができず、よって、レーザーアニール後に水素雰囲気中でアニールすることが必要となる。
【0039】
【実施例】
〔実施例1〕
プレーナ構造のTFTを作製し、その電気特性を評価した。作製方法を図6に示す。まず、通常のRFスパッタ法によって、厚さ約100nmのアモルファスシリコン被膜を形成した。基板は石英601、基板温度150度C、雰囲気は実質的に100%アルゴンで圧力は0.5パスカル(pa)であった。アルゴンには水素その他のガスを意図的に添加しなかった。アルゴンの濃度は99.99%以上であった。投入電力は200Wで、RF周波数は13.56MHzであった。その後、このアモルファスシリコン膜を100μm×500μmの長方形にエッチングし、アモルファスシリコン膜602を得た。
【0040】
この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度はいずれも1019cm-3以下であることを、2次イオン質量分析法(SIMS)によって確認した。
【0041】
ついで、この膜を10-5torrの圧力の真空容器中に置き、真空容器に設けられた石英窓を通してエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー200mJ、照射パルス数50ショット)を照射して、レーザーアニールをおこなった。
【0042】
さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ法によって厚さ約100nmのゲイト絶縁膜603を形成した。このときの基板温度は150度C、RF(13.56MHz)投入電力は400Wであった。雰囲気は実質的に酸素で、意図的には他のガスは加えなかった。酸素の濃度は99.9%以上であった。圧力は0.5paであった。
【0043】
その後、アルミニウム膜(厚さ200nm)を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電極604を形成した。ゲイト電極の幅は100μmであった。このとき、ドライエッチングに用いられたフォトレジスト605はゲイト電極の上に残されていた。
【0044】
ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイト電極の部分以外にホウソイオンを1014cm-2注入した。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォトレジストがマスクとなってホウソイオンは注入されない。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すなわち、ソース領域606とドレイン領域607が形成された。このようすを図6(B)に示す。
【0045】
さらに、基板全体を真空容器中に置き、10-5torrの圧力でエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー100mJ、照射パルス数50ショット)を照射して、レーザーアニールをおこなった。この工程によって、イオン打ち込みされてアモルファス化した不純物領域がセミアモルファス化された。
【0046】
ついで、水素雰囲気中での熱アニールをおこなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、いったん10-6torrまでターボ分子ポンプによって排気し、この状態を30分保ったのち、99.99%以上の純度の水素ガスを100torrまでチャンバー内に導入し、基板を300度Cで60分アニールした。ここで、一度真空排気したのは、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためである。これらが残存した状態で熱アニールをおこなうと、高い移動度を再現性よく得られないことが経験的にわかっていた。
【0047】
最後に、ソース領域およびドレイン領域の上に存在する酸化珪素膜(厚さ100nm)に穴を開け、アルミニウム電極608、609をこれらの領域に形成した。以上の工程によって電界効果型トランジスターが形成された。
【0048】
この電界効果型トランジスターのCV特性を測定した結果、チャネル形成領域の電子移動度は98cm2 /V・sであった。さらに、しきい値電圧(スレシュホールド電圧)は4.8Vであった。また、この電界効果型トランジスターのチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度をSIMSによって測定した結果、いずれも1×1019cm-3以下であった。
【0049】
〔実施例2〕プレーナ構造のTFTを作製し、その電気特性を評価した。まず、通常のRFスパッタ法によって、3×1017cm-3の濃度のリンを含む厚さ約100nmのアモルファスシリコン被膜を形成した。この膜厚では、後のレーザーアニールに使用されるKrFレーザー光(248nm)によって、膜全体がアニールされる。基板は石英、基板温度150度C、雰囲気は実質的に100%アルゴンで圧力は0.5パスカル(pa)であった。アルゴンには水素その他のガスを意図的に添加しなかった。アルゴンの濃度は99.99%以上であった。投入電力は200Wで、RF周波数は13.56MHzであった。その後、このアモルファスシリコン膜を100μm×500μmの長方形にエッチングした。
【0050】
この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度はいずれも1019cm-3以下であることを、2次イオン質量分析法(SIMS)によって確認した。
【0051】
さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ法によって厚さ約100nmのゲイト絶縁膜を形成した。このときの基板温度は150度C、RF(13.56MHz)投入電力は400Wであった。雰囲気は実質的に酸素で、意図的には他のガスは加えなかった。酸素の濃度は99.9%以上であった。圧力は0.5paであった。
【0052】
その後、アルミニウム膜(厚さ200nm)を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電極を形成した。ゲイト電極の幅は100μmであった。このとき、ドライエッチングに用いられたフォトレジストはゲイト電極の上に残されていた。
【0053】
ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイト電極の部分以外にホウソイオンを1014cm-2注入した。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォトレジストがマスクとなってホウソイオンは注入されない。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すなわち、ソース領域とドレイン領域が形成された。
【0054】
さらに、基板全体を真空容器に置き、10-5torrの圧力でエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー100mJ、照射パルス数50ショット)を、基板の裏面から照射して、レーザーアニールをおこなった。この工程によって、アモルファス・シリコン膜がセミアモルファス化された。この方法は実施例1の場合と異なり、ソース領域あるいはドレイン領域とチャネル形成領域のセミアモルファス化が同時におこなわれる。そのため、実施例1の方法では、ソース領域あるいはドレイン領域とチャネル形成領域の界面に多くの欠陥が生じたのに対し、欠陥が少なく、結晶性が連続的な界面が得られた。
【0055】
ついで、水素雰囲気中での熱アニールをおこなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、いったん10-6torrまでターボ分子ポンプによって排気し、さらに100度Cに加熱した。この状態を30分保ったのち、99.99%以上の純度の水素ガスを100torrまでチャンバー内に導入し、基板を300度Cで60分アニールした。ここで、一度真空排気したのは、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためである。これらが残存した状態で熱アニールをおこなうと、高い移動度を再現性よく得られないことが経験的にわかっていた。
【0056】
最後に、ソース領域およびドレイン領域の上に存在する酸化珪素膜(厚さ100nm)に穴を開け、アルミニウム電極をこれらの領域に形成した。以上の工程によって電界効果型トランジスターが形成された。
【0057】
この電界効果型トランジスターのCV特性を測定した結果、チャネル形成領域の電子移動度は112cm2 /V・sであった。さらに、しきい値電圧(スレシュホールド電圧)は3.9Vであった。しきい値電圧が実施例1に比べて改善された(低下した)のは、裏面からレーザーアニールをおこなうことにより、不純物領域もチャネル形成領域も同時に均一に結晶化したためであると考えられる。また、ゲイト電圧をON/OFFしたときのドレイン電流の比率は5×106 であった。
【0058】
この電界効果型トランジスターのチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度をSIMSによって測定した結果、いずれも1×1019cm-3以下であった。また、チャネル形成領域をラマン分光法によって測定したところ、ラマン・ピークの中心値は515cm-1、ラマン・ピークの半値幅は13cm-1であり、一度溶融したのち再結晶化した珪素の存在は特に観察されず、セミアモルファス状態であることが確認された。
【0059】
〔実施例3〕プレーナ構造のTFTを作製し、その電気特性を評価した。まず、2つのチャンバーを有する成膜装置を用いて、厚さ約100nmのアモルファスシリコン被膜とその上の厚さ10nmの窒化珪素被膜とを厚さ10nmの窒化珪素被膜でコーティングされた石英基板上に連続的に形成した。アモルファスシリコン膜は通常のスパッタ法によって、また、窒化珪素膜はグロー放電プラズマCVD法によって作製した。
【0060】
まず、第1の予備室に基板をセットし、予備室を200度Cに加熱するとともに、真空排気し、予備室の圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持した。ついで、成膜時以外は常に10-4torr以下に保持され、外気が入らないように管理された第1のチャンバーを10-6torrまで排気し、予備室から基板を移動させて第1のチャンバーに基板をセットし、基板およびターゲットを200度Cに保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持した。そして、チャンバー内にアルゴンガスを導入し、RFプラズマを発生させて、スパッタ成膜をおこなった。スパッタのターゲットは99.9999%以上の純度の珪素ターゲットを使用し、かつ、1ppmのリンを含んでいる。成膜時の基板温度は150度C、雰囲気は実質的に100%アルゴンで圧力は5×10-2torrであった。アルゴンには水素その他のガスを意図的に添加しなかった。アルゴンの濃度は99.9999%以上であった。投入電力は200Wで、RF周波数は13.56MHzであった。
【0061】
成膜終了後、RF放電を停止し、第1のチャンバーを10-6torrまで排気した。ついで、常に10-5torr以下に保持され、第1のチャンバーと第2のチャンバーの間に設けられている第2の予備室を10-6torrまで真空排気し、第1のチャンバーから第2の予備室に基板を移送した。さらに、成膜時以外は常に10-4torr以下に保持され、外気が入らないように管理された第2のチャンバーを10-6torrまで排気し、第2の予備室から基板を移動させて第2のチャンバーに基板をセットし、基板およびターゲットを200度Cに保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持した。
【0062】
そして、第2のチャンバーに水素で希釈された純度99.9999%以上のアンモニアガスおよびジシランガス(Si2 6 )を3:2の割合で導入し、全体の圧力を10-1torrとした。そして、チャンバーにRF電流を導入し、プラズマを発生させ窒化珪素の成膜をおこなった。投入電力(13.56MHz)は200Wであった。
【0063】
成膜終了後、RF放電を停止し、第2のチャンバーを10-6torrまで排気した。ついで、第2のチャンバーの片側に設けられ、石英の窓を有する第3の予備室を10-6torrまで真空排気し、第2のチャンバーから第3の予備室に基板を移送した。そして、第3の予備室の窓を通してエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー100mJ、照射パルス数50ショット)を照射し、レーザーアニールをおこなった。こうして、アモルファスシリコン膜のセミアモルファス化をおこなった。
【0064】
このように、成膜状態から実質的に真空状態を破ることなく、連続的にレーザーアニールをおこなう方法は、この実施例に示されているように、アモルファス半導体膜上に保護膜が形成されている場合であっても、また、実施例1および2のように保護膜が形成されていない場合であっても極めて有効であった。その理由としては、被膜上に、ホコリ等の結晶成長の核となる材料が付着したり傷が付いたりする場合には、勿論のことであるが、水分やガスの吸着があるだけで、レーザーアニールによって、被膜が容易に多結晶化してしまうからである。また、真空状態から大気圧状態に移行する際に、被膜が非均一な応力を受けることがあり、その際に生じる、小さな膜表面の変化、突起等が容易に多結晶化の核となってしまうためであると考えている。
【0065】
また、このように成膜とレーザーアニールを連続的におこなう場合には、本実施例のように成膜室と予備室とを設け、予備室に窓を設けて、レーザーアニールをおこなう方法と、成膜室に窓を設け、成膜室で成膜終了後にレーザーアニールをおこなう方法とが考えられるが、後者は成膜によって窓が曇ってしまうため、常に窓に付着する被膜をエッチングしなければならないのに対し、前者ではその必要がない。したがって、量産性とメンテナンス性を考慮すれば、前者の方法が優れているといえる。
【0066】
さて、第3の予備室においてレーザーアニールを終了したのち、第3の予備室に乾燥窒素ガスを導入し、大気圧とし、基板を取り出した。そして、窒化珪素膜を公知のドライエッチング法によって除去したのち、珪素膜を100μm×500μmの長方形にエッチングした。
【0067】
この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度はいずれも1016cm-3以下であることは、同じ工程で作製された別の被膜を2次イオン質量分析法(SIMS)によって分析することによって確認した。
【0068】
さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ法によって厚さ約100nmのゲイト絶縁膜を形成した。このときの基板温度は150度C、RF(13.56MHz)投入電力は400Wであった。スパッタのターゲットは99.9999%以上の純度の酸化珪素であった。雰囲気は実質的に酸素で、意図的には他のガスは加えなかった。酸素の濃度は99.999%以上であった。圧力は5×10-2torrであった。
【0069】
その後、アルミニウム膜(厚さ200nm)を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電極を形成した。ゲイト電極の幅は100μmであった。このとき、ドライエッチングに用いられたフォトレジストはゲイト電極の上に残されていた。
【0070】
ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイト電極の部分以外にホウソイオンを1014cm-2注入した。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォトレジストがマスクとなってホウソイオンは注入されない。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すなわち、ソース領域とドレイン領域が形成された。
【0071】
さらに、基板全体を真空容器に置き、10-5torrの圧力でエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー50mJ、照射パルス数50ショット)を、基板の裏面から照射して、レーザーアニールをおこなった。この工程によって、イオン打ち込み工程によってアモルファス化した不純物領域のアモルファス・シリコン膜がセミアモルファス化された。
【0072】
この方法は2段階のレーザーアニールをおこなうという点では実施例1と同じであるが、2回目のレーザーアニールを基板の裏面からおこなうということによって、不純物領域とチャネル形成領域の連続的な接続を目的とする。しかしながら、実施例2の方法と異なり、わざわざ、チャネル形成領域作製のために1回目のレーザーアニールをおこなう理由は、紫外線レーザーによって、レーザーアニールをおこなうと、レーザー照射面のアニールは起こるが、深い部分ではおこらない、あるいは移動度の高い状態が得られない可能性が大きく、製品の歩留りを下げてしまうことがあるからである。そこで、製品の歩留りを向上せしめるために、本実施例では最初にアモルファスシリコン膜の表面からレーザーを照射し、後に基板の裏面からもレーザーを照射して、チャネル形成領域と不純物領域の連続的な接合を得るという方法を採用した。
【0073】
ついで、水素雰囲気中での熱アニールをおこなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、いったん10-6torrまでターボ分子ポンプによって排気し、さらに100度Cに加熱した。この状態を30分保ったのち、99.99%以上の純度の水素ガスを100torrまでチャンバー内に導入し、基板を300度Cで60分アニールした。ここで、一度真空排気したのは、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためである。これらが残存した状態で熱アニールをおこなうと、高い移動度を再現性よく得られないことが経験的にわかっていた。
最後に、ソース領域およびドレイン領域の上に存在する酸化珪素膜(厚さ100nm)に穴を開け、アルミニウム電極をこれらの領域に形成した。以上の工程によって電界効果型トランジスターが形成された。
【0074】
この電界効果型トランジスターを100個作製して、それらのCV特性を測定した結果、チャネル形成領域の電子移動度は平均で275cm2 /V・sであった。さらに、しきい値電圧(スレシュホールド電圧)の平均は4.2Vであった。ドレイン電流の比率の平均は8×106 であった。電子移動度の基準値を100cm2 /V・s、スレシュホールド電圧の基準値を5.0V、ドレイン電流比の基準値を1×106 として、100個の電界効果トランジスターの合格・不合格を調べたところ、81個が合格した。
【0075】
また、これらの電界効果型トランジスターのチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度をSIMSによって測定した結果、合格した電界効果型トランジスターでは、いずれも1×1016cm-3以下であった。
【0076】
〔実施例4〕プレーナ構造のTFTを作製し、その電気特性を評価した。まず、2つのチャンバーを有する成膜装置を用いて、厚さ約100nmのアモルファスシリコン被膜とその上の厚さ10nmの窒化珪素被膜とを厚さ10nmの窒化珪素被膜でコーティングされた石英基板上に連続的に形成した。アモルファスシリコン膜は通常のスパッタ法によって、また、窒化珪素膜はグロー放電プラズマCVD法によって作製した。
【0077】
まず、第1の予備室に基板をセットし、予備室を200度Cに加熱するとともに、真空排気し、予備室の圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持した。ついで、成膜時以外は常に10-4torr以下に保持され、外気が入らないように管理された第1のチャンバーを10-6torrまで排気し、予備室から基板を移動させて第1のチャンバーに基板をセットし、基板およびターゲットを200度Cに保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持した。そして、チャンバー内にアルゴンガスを導入し、RFプラズマを発生させて、スパッタ成膜をおこなった。スパッタのターゲットは99.9999%以上の純度の珪素ターゲットを使用し、かつ、1ppmのリンを含んでいる。成膜時の基板温度は150度C、雰囲気は実質的に100%アルゴンで圧力は5×10-2torrであった。アルゴンには水素その他のガスを意図的に添加しなかった。アルゴンの濃度は99.9999%以上であった。投入電力は200Wで、RF周波数は13.56MHzであった。
【0078】
成膜終了後、RF放電を停止し、第1のチャンバーを10-6torrまで排気した。ついで、常に10-5torr以下に保持され、第1のチャンバーと第2のチャンバーの間に設けられている第2の予備室を10-6torrまで真空排気し、第1のチャンバーから第2の予備室に基板を移送した。さらに、成膜時以外は常に10-4torr以下に保持され、外気が入らないように管理された第2のチャンバーを10-6torrまで排気し、第2の予備室から基板を移動させて第2のチャンバーに基板をセットし、基板およびターゲットを200度Cに保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持した。
【0079】
そして、第2のチャンバーに水素で希釈された純度99.9999%以上のアンモニアガスおよびジシランガス(Si2 6 )を3:2の割合で導入し、全体の圧力を10-1torrとした。そして、チャンバーにRF電流を導入し、プラズマを発生させ窒化珪素の成膜をおこなった。投入電力(13.56MHz)は200Wであった。
【0080】
成膜終了後、RF放電を停止し、第2のチャンバーを10-6torrまで排気した。ついで、第2のチャンバーの片側に設けられ、石英の窓を有する第3の予備室を10-6torrまで真空排気し、第2のチャンバーから第3の予備室に基板を移送した。そして、第3の予備室に純度99.9999%以上のアルゴンガスを導入し、内部の圧力を5気圧とした。そして、第3の予備室の窓を通してエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー100mJ、照射パルス数50ショット)を照射し、レーザーアニールをおこなった。こうして、アモルファスシリコン膜のセミアモルファス化をおこなった。
【0081】
このように、成膜状態から外気に触れることなく、連続的にレーザーアニールをおこなう方法は、この実施例に示されているように、アモルファス半導体膜上に保護膜が形成されている場合であっても、また、実施例1および2のように保護膜が形成されていない場合であっても極めて有効であった。その理由としては、被膜上に、ホコリ等の結晶成長の核となる材料が付着したり傷が付いたりすることがないというためであると考えられる。さらに、本実施例の場合のように、加圧した雰囲気でのレーザーアニールは、レーザー照射によって、被膜内にミクロな気泡行が発生することを抑制し、したがって、これらの気泡が核となって被膜が多結晶化することを防止する効果がある。
【0082】
また、このように成膜とレーザーアニールを連続的におこなう場合には、本実施例のように成膜室と予備室とを設け、予備室に窓を設けて、レーザーアニールをおこなう方法と、成膜室に窓を設け、成膜室で成膜終了後にレーザーアニールをおこなう方法とが考えられるが、後者は成膜によって窓が曇ってしまうため、常に窓に付着する被膜をエッチングしなければならないのに対し、前者ではその必要がない。したがって、量産性とメンテナンス性を考慮すれば、前者の方法が優れているといえる。
【0083】
さて、第3の予備室においてレーザーアニールを終了したのち、第3の予備室に乾燥窒素ガスを導入し、大気圧とし、基板を取り出した。そして、窒化珪素膜を公知のドライエッチング法によって除去したのち、珪素膜を10μm×1μmの長方形にエッチングした。
【0084】
この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度はいずれも1016cm-3以下であることは、同じ工程で作製された別の被膜を2次イオン質量分析法(SIMS)によって分析することによって確認した。
【0085】
さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ法によって厚さ約100nmのゲイト絶縁膜を形成した。このときの基板温度は150度C、RF(13.56MHz)投入電力は400Wであった。スパッタのターゲットは99.9999%以上の純度の酸化珪素であった。雰囲気は実質的に酸素で、意図的には他のガスは加えなかった。酸素の濃度は99.999%以上であった。圧力は5×10-2torrであった。
【0086】
その後、アルミニウム膜(厚さ200nm)を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電極を形成した。ゲイト電極の幅(チャネル長)は0.5μm、チャネル幅は1μmであった。このとき、ドライエッチングに用いられたフォトレジストはゲイト電極の上に残されていた。
【0087】
ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイト電極の部分以外にホウソイオンを1014cm-2注入した。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォトレジストがマスクとなってホウソイオンは注入されない。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すなわち、ソース領域とドレイン領域が形成された。
さらに、基板全体を真空容器に置き、10-5torrの圧力でエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー50mJ、照射パルス数50ショット)を、基板の裏面から照射して、レーザーアニールをおこなった。この工程によって、イオン打ち込み工程によってアモルファス化した不純物領域のアモルファス・シリコン膜がセミアモルファス化された。
【0088】
この方法は2段階のレーザーアニールをおこなうという点では実施例1と同じであるが、2回目のレーザーアニールを基板の裏面からおこなうということによって、不純物領域とチャネル形成領域の連続的な接続を目的とする。しかしながら、実施例2の方法と異なり、わざわざ、チャネル形成領域作製のために1回目のレーザーアニールをおこなう理由は、紫外線レーザーによって、レーザーアニールをおこなうと、レーザー照射面のアニールは起こるが、深い部分ではおこらない、あるいは移動度の高い状態が得られない可能性が大きく、製品の歩留りを下げてしまうことがあるからである。そこで、製品の歩留りを向上せしめるために、本実施例では最初にアモルファスシリコン膜の表面からレーザーを照射し、後に基板の裏面からもレーザーを照射して、チャネル形成領域と不純物領域の連続的な接合を得るという方法を採用した。
【0089】
ついで、水素雰囲気中での熱アニールをおこなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、いったん10-6torrまでターボ分子ポンプによって排気し、さらに100度Cに加熱した。この状態を30分保ったのち、99.99%以上の純度の水素ガスを100torrまでチャンバー内に導入し、基板を300度Cで60分アニールした。ここで、一度真空排気したのは、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためである。これらが残存した状態で熱アニールをおこなうと、高い移動度を再現性よく得られないことが経験的にわかっていた。
最後に、ソース領域およびドレイン領域の上に存在する酸化珪素膜(厚さ100nm)に穴を開け、アルミニウム電極をこれらの領域に形成した。以上の工程によって電界効果型トランジスターが形成された。
【0090】
この電界効果型トランジスターを100個作製して、それらのCV特性を測定した結果、チャネル形成領域の電子移動度は平均で259cm2 /V・sであった。さらに、しきい値電圧(スレシュホールド電圧)の平均は4.2Vであった。ドレイン電流の比率の平均は8×106 であった。電子移動度の基準値を100cm2 /V・s、スレシュホールド電圧の基準値を5.0V、ドレイン電流比の基準値を1×106 として、100個の電界効果トランジスターの合格・不合格を調べたところ、71個が合格した。この例は、本発明が、デバイスの微細化に極めて有効であるということを示している。
【0091】
また、これらの電界効果型トランジスターのチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度をSIMSによって測定した結果、合格した電界効果型トランジスターでは、いずれも1×1016cm-3以下であった。
【0092】
【発明の効果】
本発明によって、再現性よく、移動度の大きな膜状半導体が得られることが明らかになった。本発明では、主として石英等の絶縁性基板状に形成した半導体被膜のレーザーアニールについて説明したが、基板の材料としては、モノリシックIC等で用いられるような単結晶珪素基板等の単結晶半導体であってもよい。しかし、レーザーアニールが起こる程度の比較的薄いアモルファス膜を単結晶もしくは多結晶の基板上にじかに形成した場合には、レーザー照射によって、これらの基板を核として結晶が成長し、多結晶化してしまうため望ましくない。しかしながら、十分厚いアモルファス膜を単結晶もしくは多結晶基板上に形成した場合には、レーザーアニールはアモルファス膜の深部にまでは到達しないため、良好なセミアモルファス状態が得られる。もちろん、単結晶もしくは多結晶基板上に酸化珪素、窒化珪素等のアモルファス材料が形成されている場合には何ら問題はない。
【0093】
また、実施例では珪素被膜に関して述べたが、ゲルマニウム被膜であっても、また、シリコンーゲルマニウム合金被膜であっても、その他の真性半導体材料あるいは化合物半導体材料であっても、本発明を適用することができる。最初に述べたように、本明細書では、アモルファス被膜の移動度改善方法としてレーザーアニールという方法を用いると記述したが、この表現には例えばフラッシュランプアニールのようにレーザーは使用されない方法も含むのである。すなわち、本発明は強力な光学的エネルギーを利用して半導体材料の結晶性を改善する方法に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】レーザーアニールされた珪素被膜のラマン・ピークの中心値(RAMAN SHIFT、横軸)と電子移動度(縦軸)の関係を示す。被膜中の酸素の濃度は2×1021cm-3である。
【図2】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素被膜のラマン・ピークの中心値(RAMAN SHIFT、横軸)と電子移動度(縦軸)の関係を示す。
【図3】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素被膜のラマン・ピークの半値幅の単結晶珪素のラマン・ピークの半値幅に対する比率(FWHM RATIO、横軸)と電子移動度(縦軸)の関係を示す。
【図4】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素被膜のラマン・ピークのアモルファス成分の強度(480cm-1のピーク)の単結晶珪素成分の強度(521cm-1のピーク)に対する比率(Ia/Ic、横軸)と電子移動度(縦軸)の関係を示す。
【図5】2つの電界効果トランジスターのチャネル形成領域におけるラマン・ピークのFWHMの場所依存性を示す。縦軸:FWHM、横軸:X/L(L:チャネル長)
【図6】電界効果型トランジスターの作製方法の例を示す。
【符号の説明】
601・・・基板
602・・・半導体被膜
603・・・絶縁体被膜
604・・・ゲイト電極
605・・・フォトレジスト
606・・・ソース領域
607・・・ドレイン領域
608・・・ソース電極
609・・・ドレイン電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor material containing silicon as a main component. In particular, the present invention aims to improve the characteristics of a thin-film silicon semiconductor material. By using the semiconductor material according to the present invention, a thin film semiconductor device (such as a thin film transistor) having improved characteristics can be manufactured.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in manufacturing a thin film semiconductor device such as a thin film field effect transistor, an amorphous semiconductor material (so-called amorphous semiconductor) or a polycrystalline semiconductor material has been used. In this specification, the term “amorphous” does not mean purely disorder at the atomic level, but includes a substance in which a short-range order of several nanometers exists. Specifically, it means a silicon material having an electron mobility of 10 cm 2 / V · s or less, or a material having a carrier mobility of 1% or less of the intrinsic carrier mobility of the semiconductor material.
[0003]
When amorphous semiconductors (amorphous silicon, amorphous germanium, etc.) are used, they can be produced at a relatively low temperature of 400 ° C. or lower, and thus are attracting attention as a promising method for liquid crystal electro-optical devices that cannot employ high-temperature processes. Has been.
[0004]
However, pure amorphous semiconductors have remarkably low carrier mobility (electron mobility and hole mobility), and are rarely used as they are, for example, as a channel formation region of a thin film transistor (TFT). The semiconductor material was irradiated with intense light such as laser light or xenon lamp light, melted and recrystallized, and transformed into a crystalline semiconductor material to improve its carrier mobility. (In the text below, this method is called “laser annealing”, but it does not necessarily require the use of a laser. It includes the case of irradiating a powerful flash lamp as well as irradiating a laser beam. .)
[0005]
However, the carrier mobility of semiconductor materials conventionally obtained by laser annealing is generally smaller than that obtained with single crystal semiconductor materials. For example, in the case of a silicon film, the highest reported electron mobility is 200 cm 2 / V · s, which is 7 minutes of the electron mobility of single-crystal silicon, 1350 cm 2 / V · s. Only one. In addition, the characteristics (mainly mobility) of the semiconductor material obtained by the laser annealing method are poorly reproducible, and the variation in mobility within the same film is large. When a large number of elements are formed in the same plane, The yield of the product was significantly reduced due to the large variation in the characteristics of the obtained semiconductor elements.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention improves the characteristics of a thin-film semiconductor material that could not be put to practical use because the conventional laser annealing method has extremely low mobility compared to single crystal semiconductor material and its reproducibility is poor. The purpose is to do. That is, a thin film semiconductor material with high mobility is provided, and a method for manufacturing a semiconductor material with high reproducibility and high mobility is provided.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Now, Raman spectroscopy is an effective method for evaluating the crystallinity of a substance, and is also used for the purpose of quantifying the crystallinity of a semiconductor film produced by a laser annealing method. The present inventors obtained these numerical values by studying the center value of the Raman peak, the width of the Raman peak, the height of the Raman peak, etc. of the obtained semiconductor film in the study of the laser annealing method. It was found to have a very close relationship with the semiconductor thin film.
[0008]
For example, in single crystal silicon, there is a Raman peak at 521 cm −1, but the tendency of the Raman peak of the laser-annealed silicon film to move to the short wave number (long wavelength) side is observed. . And it was discovered that there is a strong correlation between the center value of the Raman peak at this time and the carrier mobility of the obtained semiconductor thin film.
[0009]
FIG. 1 is an example showing this relationship. The relationship between the center value of the Raman peak of the film obtained by laser annealing the amorphous silicon film (horizontal axis) and the electron mobility (vertical axis) of the film is shown. Show. The electron mobility is a value obtained by fabricating a TFT with a silicon film and measuring its CV (capacitance-voltage) characteristics. As is clear from the figure, there is a large difference in the behavior of electron mobility with the central value of the Raman peak at 515 cm −1 . That is, in the 515 cm -1 or less Raman peak dependence of the electron mobility is small, the 515 cm -1 or more with an increase in the center of the peak, rapidly electron mobility is increased.
[0010]
This phenomenon clearly shows that there are two phases. According to the study by the present inventors, at 515 cm −1 or less, the film was not melted even by laser annealing, and the ordering of atoms proceeded in the solid phase. At 515 cm −1 or more, laser annealing was performed. It is estimated that the coating melts and solidifies through a liquid phase state.
[0011]
The central value of the Raman peak did not exceed the Raman peak value of 521 cm −1 of single crystal silicon, and the maximum value of the obtained electron mobility was about 200 cm 2 / V · s. However, it is difficult to obtain a silicon film having such a high electron mobility with high reproducibility, and even if laser annealing is performed under the same conditions, the crystal state seems to be slightly different, and the mobility is 100 cm 2. The majority of cases were less than / V · s. Then, the center value of the thus indicates a low electron mobility Raman peak is much smaller than 521 cm -1, 515 cm -1 or less was etc. a photon.
[0012]
The fact that high mobility cannot be obtained with good reproducibility is, for example, that when 200 amorphous silicon films are laser-annealed under the same conditions, three of which are 200 cm 2 / V · s or more, 100 cm 2 11 for 10 / V · s or more and less than 200 cm 2 / V · s, 61 for 10 cm 2 / V · s or more and less than 100 cm 2 / V · s, 125 for less than 10 cm 2 / V · s This is supported by the results.
[0013]
The reason is considered that the laser output varies considerably from pulse to pulse and that the optimum conditions for laser annealing are in a very narrow range. For example, it is observed that amorphous silicon does not melt if the laser output is too low, and if the laser output is too high, recrystallization does not occur well and becomes amorphous.
[0014]
Furthermore, in addition to those reasons, the present inventors thought that the presence of foreign elements such as oxygen, nitrogen, and carbon in the film may cause a decrease in reproducibility. The film used in the experiment shown in FIG. 1 contained oxygen atoms of 2 × 10 21 cm −3 as measured after laser annealing. This is considered to have entered through some route during the amorphous silicon film formation. Only traces of nitrogen and carbon were observed. Therefore, while keeping the raw material gas, chamber, exhaust system, etc. when producing the amorphous silicon film sufficiently clean, intentionally adding a small amount of oxygen to the atmosphere to control the amount of oxygen atoms present in the film, The obtained film was laser annealed, and the relationship between the center value of the Raman peak and the electron mobility was examined.
[0015]
However, in this specification, the concentration of these different elements refers to the concentration of the central portion of the film. This is because the concentration of these different elements is much higher than the substrate of the coating or in the vicinity of the surface of the coating, but the different elements existing in these regions have a large carrier mobility which is a problem in the present invention. It is because it was thought that it did not have the influence which I did. In the film, the portion with the lowest concentration of these different elements is the central part of the film in the normal film, and the central part of the film is considered to play an important role in a semiconductor device such as a field effect transistor. Because it is. For the reasons described above, in the present invention, when the concentration of a different element is simply referred to, it is defined as the concentration at the center of the coating.
[0016]
This is shown in FIG. As apparent from FIG. 2, the electron mobility could be remarkably improved by reducing the oxygen concentration in the film. This tendency was the same when the film contained carbon or nitrogen. The reason for this is that, when there are many oxygen atoms in the film, when the film is melted and recrystallized by laser annealing, the portion with few oxygen atoms becomes crystal nuclei to grow crystals. However, oxygen atoms contained in the film are driven to the periphery as the crystal grows, and precipitate at the grain boundaries, so that when viewed throughout the coating, the mobility is low due to the barriers that occur at the grain boundaries. The theory is that, by laser annealing, oxygen atoms or regions with a high concentration of oxygen atoms (generally considered to have a melting point higher than that of pure silicon) grow as crystal nuclei, but there are many oxygen atoms. In some cases, the generation of crystal nuclei is large, so that the size of one crystal is reduced, the mobility is low, and the crystallinity is impaired.
[0017]
In any case, extremely large electron mobility could be obtained by laser annealing by reducing the oxygen concentration in the film. For example, by setting the oxygen concentration to 1 × 10 19 cm −3 , a large electron mobility of 1000 cm 2 / V · s was obtained. In addition to the oxygen concentration, the same effect could be obtained by reducing the nitrogen concentration and the carbon concentration. Furthermore, the same tendency was obtained for the hole mobility.
[0018]
Further, the Raman peak position and the electron mobility curve were bent as in the case of FIG. 1 regardless of whether the oxygen concentration was large or small. The inventors presumed that the region on the right side of the dotted line in FIG. 2 was recrystallized after the film was once melted by laser annealing, and this region was named a melt-recrystallized region. A large mobility was obtained in this melt-recrystallization region.
[0019]
However, obtaining such high mobility with good reproducibility has not been particularly improved. For example, even if 100 amorphous silicon films in which the amount of oxygen atoms in the film is 1 × 10 19 cm −3 or less are produced and laser annealing is performed under the same conditions as 1000 cm 2 / V · s, There were only 9 cases where the electron mobility exceeded 100 cm 2 / V · s. When the film after laser annealing was observed, it was observed that the laser output was too large, the crystallization was not successful, and the film was re-amorphized.
[0020]
In FIG. 2, the region on the right side of the dotted line is shown as a melting-recrystallization region. Actually, it is very low probability that data in this region can be obtained, but rather, the probability of failure is large. It became clear that it was not desirable. On the other hand, the present inventors have found that high mobility can be obtained by reducing the concentration of oxygen, nitrogen and carbon in the region present on the left side of the melt-recrystallization region. This is shown in FIG. 2, and for example, by setting the oxygen concentration to 1 × 10 19 cm −3 or less, an electron mobility of 100 cm 2 / V · s at the maximum could be obtained. In addition, it is not difficult to obtain this degree of mobility. For example, when 100 amorphous silicon films were laser annealed under the same conditions, 72 films were 80 cm 2 / V · s or more.
[0021]
In this region, the inventors did not melt the amorphous silicon film, some sort of lattice ordering occurred in the solid phase state or in the intermediate state between the solid phase and the liquid phase, and some long periodicity was obtained. thinking. We have named this region the solid phase ordered region. The present inventors have not clarified the reason for the fact that high mobility can be obtained if the concentration of elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is low in this solid-phase ordered region, but the estimation is as follows. ing.
[0022]
That is, although there is no melting process in this solid phase ordered region, the atoms that have absorbed the light energy or thermal energy of the laser light move and try to shift to the state with the lowest energy, that is, the crystalline state. However, since it does not go through the melting process, complete crystallization is not achieved, and there are some ordered regions of several nm to several tens of nm in some places, and those regions are in a normal amorphous state. it is conceivable that. This state is significantly different from the polycrystalline state after passing through the normal molten state. In other words, in the process of recrystallization after passing through the molten state, crystal nuclei are generated in the liquid phase and grow around and become large. Becomes the grain boundary. In the grain boundary, lattice defects and impurities are deposited, and ionized and polarized. Therefore, in many cases, a barrier against carriers is generated.
[0023]
On the other hand, in the case of solid phase ordering, crystals do not collide with each other, and impurities do not particularly precipitate at grain boundaries. Therefore, in the case of solid-phase ordering, the barrier between ordered regions such as crystals is considered to be extremely low. In a solid-phase ordered semiconductor, the presence of a different element that deteriorates the semiconductor characteristics mainly affects the electrical characteristics.
[0024]
As is clear from FIG. 2, for example, when the oxygen concentration is 1 × 10 19 cm −3 or less, the electron mobility is about 100 cm 2 / V · s, but the central value of the Raman peak at that time is It is clear that the single crystal silicon (521 cm −1 ) is far from the single crystal silicon and the crystallinity is not close to that of the single crystal. This is supported by other data shown later.
[0025]
The present inventors have further found that a similar tendency can be seen in the half-width of the Raman peak (hereinafter referred to as FWHM). This is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 3 is obtained by dividing the half-value width of the Raman peak of the laser-annealed film by the half-value width of single crystal silicon, and is here called the half-value width ratio (hereinafter referred to as FWHM RATIO) of the Raman peak. The FWHM RATIO is smaller, and the closer to 1, the closer to the single crystal silicon. As is clear from the figure, there are a melt-recrystallization region (left side of the dotted line in the figure) and a solid-phase ordered region (right side of the dotted line in the figure). As in the case of the peak central value, the smaller the oxygen concentration in the film, the higher the electron mobility, and the same tendency was observed with respect to nitrogen and carbon concentrations in addition to the oxygen concentration. As apparent from FIG. 3, in the case of the oxygen concentration of 2 × 10 21 cm −3 , the region where FWHM RATIO is larger than 2 corresponds to the solid-phase ordering region of the present invention, and the oxygen concentration of 1 × 10 19 cm −3 . In some cases, the region where FWHM RATIO is greater than 3 corresponds to the solid phase ordered region of the present invention. That is, the smaller the concentration, the higher the electron mobility. Furthermore, the same tendency was observed for the hole mobility.
[0026]
Furthermore, the present inventors have revealed that, among the Raman peaks, the intensity of the peak due to the amorphous component in the film also has a close correlation with the electron mobility. 4, of the Raman peak of the laser annealed film, the peak of the Raman peak Ic (521 cm around -1 intensity Ia single crystal silicon Raman peaks caused by the amorphous component (peak near 480 cm -1) ), And hereinafter referred to as the Raman peak intensity ratio (INTENSITY RATIO). Regarding the intensity ratio of Raman peaks, the electron mobility increased as the amount of oxygen contained in the film decreased in the solid-phase ordered region (right side of the dotted line in the figure). Similar trends were observed for nitrogen and carbon concentrations in addition to oxygen concentration. As is clear from FIG. 4, when the oxygen concentration is 2 × 10 21 cm −3 , the region where the Raman peak intensity ratio is approximately 0.2 or more corresponds to the solid-phase ordering region of the present invention. In the case of × 10 19 cm −3 , the region where the Raman peak intensity ratio is 0.4 or more corresponds to the solid phase ordered region of the present invention. That is, the smaller the concentration, the higher the electron mobility. Furthermore, the same tendency was observed for the hole mobility. In this case as well, as in the case of FIGS. 2 and 3, it is considered that the left side of the dotted line in FIG. 4 is the melt-recrystallization region.
[0027]
As described above, it has become clear that the amount of oxygen, nitrogen, and carbon in the film should be reduced in order to improve the carrier mobility. In particular, the inventors set the amount of these elements to 5 × 10 19 cm −3 or less, preferably 1 × 10 19 cm −3 or less, so that the melting process with a higher probability of failure does not occur. Then, by the solid-phase ordering process with a higher yield, the probability of the maximum of 80%, for example, by setting the concentration of the different elements to 5 × 10 19 cm −3 or less, the electron mobility in the silicon film is 50 cm. It has been found that a value as high as 100 cm 2 / V · s can be obtained by setting it to 2 / V · s or more and 1 × 10 19 cm −3 or less. Further, by the same method, a hole mobility of 30 to 80 cm 2 / V · s could be stably obtained.
[0028]
As described above, by reducing the concentration of different elements in the film, the carrier mobility in a special state (this is called the semi-amorphous state) through the solid-phase ordering process is improved. I found out that it would be possible to dampen. In order to realize a semi-amorphous state, it is a necessary condition that the film does not become a molten state. Therefore, for a long time, the temperature of the portion irradiated with the laser is lower than the melting point of the semiconductor, that is, 1400 ° C. under atmospheric pressure in the case of silicon, and 1000 ° C. under atmospheric pressure in the case of germanium. It is necessary that: However, for example, in a very short time of 10 nanoseconds as realized by an excimer laser, even if a temperature exceeding 2000 ° C. is observed spectroscopically, the melting of the film does not occur. It can happen that it is not observed, and this definition of temperature is not really meaningful.
[0029]
As described above, it is effective to reduce the concentration of different elements in order to obtain high mobility. For example, it is possible to reduce the concentration of these elements to 1 × 10 16 cm −3 or less. In an environment with a very high degree of vacuum, even if laser annealing is performed on an amorphous semiconductor film having a very low concentration of these elements (1 × 10 16 cm −3 or less), it cannot be easily achieved. This is because oxygen gas, nitrogen gas, moisture, carbon dioxide, etc. contained in trace amounts in the atmosphere are taken into the film at the time of laser annealing, or these gases adsorbed on the film surface are subjected to laser annealing. It is presumed that it was taken into the film.
[0030]
In order to avoid these difficulties, a special manufacturing method is required. One method is to form a protective film of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, etc., covering the surface of an amorphous semiconductor film having a very low concentration of oxygen, nitrogen, and carbon, for example, 10 15 cm −3 or less, Thereafter, laser annealing is performed in a vacuum atmosphere (10 −4 torr or less), whereby a semiconductor film having a very low concentration of oxygen, nitrogen, and carbon and high mobility can be formed. For example, a silicon film having carbon, nitrogen and oxygen concentrations of 1 × 10 15 cm −3 or less and an electron mobility of 300 cm 2 / V · s was obtained.
[0031]
When forming a protective film made of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide or the like covering the surface of the amorphous semiconductor film, after forming the amorphous semiconductor film by a CVD method or a sputtering method in a chamber having one vacuum device, for example. A continuous film formation method is suitable without changing the atmosphere in the same chamber, or by once making an extremely high vacuum state and then creating an atmosphere suitable for film formation. However, in order to improve the yield, reproducibility, and reliability of the product, a dedicated chamber is prepared for the formation of each film, and the product is moved in an extremely high vacuum state. It is desirable to adopt a method. These film formation methods are selected depending on the scale of capital investment. Whichever method is adopted, the important thing is that the underlying amorphous semiconductor film contains enough oxygen, nitrogen, and carbon, and gas is adsorbed at the interface between the amorphous semiconductor and the protective film on it. That is not. For example, even if an extremely pure amorphous semiconductor film is formed, if the silicon nitride film is formed on the film after being exposed to the atmosphere once, the carrier of the film obtained by laser annealing the film The mobility is generally small, and the probability of obtaining a high mobility is extremely small. This is presumably because gas is adsorbed on the surface of the amorphous semiconductor film and diffuses into the coating during the subsequent laser annealing.
[0032]
Further, the material of the protective film at this time may be silicon oxide, silicon nitride, or silicon carbide as long as the conditions for transmitting the laser beam are satisfied. Also, the chemical formula SiN x O y C z (mixture thereof) 0 ≦ x ≦ 4/3, 0 ≦ y ≦ 2, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ 3x + 2y + 4z ≦ 4). Moreover, the thickness of 5 to 1000 nm was suitable.
[0033]
Now, the present invention provides a semiconductor film having a high carrier mobility by reducing the concentration of oxygen, nitrogen and carbon in the amorphous semiconductor film and reducing the concentration of oxygen, nitrogen and carbon present during laser annealing. The electron mobility or hole mobility obtained at this time is the average value of the channel formation region of the field effect transistor formed for measurement, and the fineness of the channel formation region is The mobility in each part cannot be obtained. However, as is clear from FIGS. 1 to 4 of the present invention and the related description, the carrier mobility is determined by the position of the Raman peak, the half width of the Raman peak, the intensity of the amorphous component in the Raman peak, and the Raman. -It became clear that it could be determined uniquely from parameters such as peak intensity. Therefore, the mobility of a minute region whose mobility cannot be measured directly can be estimated from this information by Raman spectroscopy.
[0034]
FIG. 5 shows semi-amorphous silicon formed through a solid-phase ordering process, having an electron mobility of 101 cm 2 / V · s, and an electron mobility formed through a melting process of 201 cm 2 / V · s. The half-value width (FWHM) of the Raman peak in each part of the channel formation region of the field effect transistor having the channel formation region of s is shown. In the figure, the horizontal axis represents the position of the channel formation region. L is the length of the channel formation region and is 100 μm. X represents the coordinates of the channel formation region, X / L = 0 is an interface with the source region of the channel formation region, X / L = 1 is an interface with the drain region of the channel formation region, and X / L = 0.5 represents the center of the channel formation region. As is clear from FIG. 5, the electron mobility of 101 cm 2 / V · s has a FWHM larger than 10 cm −1, but its fluctuation (variation by location) is small, and the electron mobility is 201 cm 2 / V · s. Although the FWHM is smaller than 10 cm −1 , the fluctuation (variation by location) is large. The fact that the smaller the FWHM is, the closer the crystallinity of the film is to that of a single crystal, and hence the higher the electron mobility, as described in FIG. 3 and the related description, this data situation is not inconsistent with that. However, the small variation (location dependence) depending on the location of FWHM indicates that the crystallinity of the coating is almost the same regardless of the location. The oxygen concentration of this film was about 1 × 10 19 cm −3 .
[0035]
On the other hand, when the electron mobility was 201 cm 2 / V · s, the oxygen concentration was also 1 × 10 19 cm −3 . As is clear from the figure, the FWHM generally decreased, but the location dependence of the FWHM was large. Depending on the location, the single crystal has a FWHM value equal to or smaller than that of FWHM (4.5 cm −1 ), suggesting that the electron mobility of the portion is as large as that of the single crystal. This means that a portion having crystallinity equivalent to single crystal silicon is localized in the same film. However, in the case of mass production as a device, it is not desirable to use a material whose characteristics vary greatly depending on the location, even if the mobility is large. In particular, as the size of the device becomes smaller, non-uniformity that has not been a problem since it has been averaged until then becomes conspicuous, which causes a significant decrease in device yield.
[0036]
On the other hand, when the electron mobility is 101 cm 2 / V · s (semi-amorphous), the location dependence of FWHM is generally small as is apparent from the figure. This has led to an improvement in yield in mass production of devices, which indicates that it is suitable as a material. [0037]
In order to obtain high carrier mobility, it is necessary to reduce the concentration of different elements in the film and optimize the laser annealing conditions as described above. The laser annealing conditions vary depending on the laser oscillation conditions (continuous oscillation or pulse oscillation, repetition frequency, intensity, wavelength, film, etc.), and cannot be generally specified. As the laser, an ultraviolet laser such as an excimer laser or a visible or infrared laser such as a YAG laser can be used, and it is necessary to select it according to the thickness of the film to be laser annealed. That is, in general, silicon or germanium materials have a short absorption length for ultraviolet rays, so that laser light does not enter deeper portions, and laser annealing occurs only in a relatively shallow surface area. On the other hand, the absorption length is long for visible light and infrared rays, and the light penetrates relatively into the inside, so that laser annealing occurs even in a deep part.
[0038]
As an additional matter, after laser annealing the semiconductor film, annealing in a hydrogen atmosphere at 200 to 600 ° C. for 10 minutes to 6 hours is effective for obtaining high carrier mobility with good reproducibility. Met. This is because laser annealing causes solid-phase ordering in a specific region, and at the same time, unpaired bonds (tangling bonds) remain in the remaining amorphous region, or laser annealing. This is considered to be caused by the fact that it acts as a barrier against carriers. If the semiconductor contains a large amount of oxygen, nitrogen, carbon, etc., these fill dangling bonds. However, if the concentration of oxygen, nitrogen, carbon, etc. is extremely low as in the present invention, Ring bonds cannot be filled, and thus it is necessary to anneal in a hydrogen atmosphere after laser annealing.
[0039]
【Example】
[Example 1]
A planar TFT was fabricated and its electrical characteristics were evaluated. The manufacturing method is shown in FIG. First, an amorphous silicon film having a thickness of about 100 nm was formed by a normal RF sputtering method. The substrate was quartz 601, the substrate temperature was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 0.5 Pascal (pa). Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. The concentration of argon was 99.99% or more. The input power was 200 W and the RF frequency was 13.56 MHz. Thereafter, this amorphous silicon film was etched into a 100 μm × 500 μm rectangle to obtain an amorphous silicon film 602.
[0040]
It was confirmed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) that the oxygen, nitrogen, and carbon concentrations in the coating were all 10 19 cm −3 or less.
[0041]
Next, this film is placed in a vacuum vessel having a pressure of 10 −5 torr, and excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 200 mJ, irradiation pulse number through a quartz window provided in the vacuum vessel. Laser annealing was performed.
[0042]
Further, a gate insulating film 603 having a thickness of about 100 nm was formed thereon by sputtering in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature was 150 ° C., and RF (13.56 MHz) input power was 400 W. The atmosphere was substantially oxygen and no other gases were intentionally added. The concentration of oxygen was 99.9% or higher. The pressure was 0.5 pa.
[0043]
Thereafter, an aluminum film (thickness: 200 nm) was formed by a known vacuum deposition method, and unnecessary portions were removed by a known dry etching method to form a gate electrode 604. The width of the gate electrode was 100 μm. At this time, the photoresist 605 used for the dry etching was left on the gate electrode.
[0044]
Subsequently, boron ions were implanted at 10 14 cm −2 other than the gate electrode portion by ion implantation. Under the gate electrode, boron ions are not implanted by using the gate electrode and photoresist as a mask. By this step, impurity regions, that is, a source region 606 and a drain region 607 were formed in the silicon film. This is shown in FIG.
[0045]
Further, the entire substrate is placed in a vacuum vessel and irradiated with excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 100 mJ, irradiation pulse number 50 shots) at a pressure of 10 −5 torr. Annealed. By this process, the ion-implanted impurity region was semi-amorphized.
[0046]
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. The substrate is placed in a chamber that can be evacuated and exhausted to 10 -6 torr by a turbo molecular pump. After maintaining this state for 30 minutes, hydrogen gas with a purity of 99.99% or more is introduced into the chamber up to 100 torr. The substrate was annealed at 300 ° C. for 60 minutes. Here, the vacuum evacuation is performed in order to remove gas, moisture and the like adsorbed on the coating. It has been empirically known that high thermal mobility cannot be obtained with good reproducibility if thermal annealing is performed in a state where these remain.
[0047]
Finally, holes were formed in the silicon oxide film (thickness 100 nm) existing on the source region and the drain region, and aluminum electrodes 608 and 609 were formed in these regions. A field effect transistor was formed by the above process.
[0048]
As a result of measuring the CV characteristics of this field effect transistor, the electron mobility in the channel formation region was 98 cm 2 / V · s. Further, the threshold voltage (threshold voltage) was 4.8V. Moreover, as a result of measuring the concentration of oxygen, nitrogen, and carbon in the channel formation region of this field effect transistor by SIMS, all were 1 × 10 19 cm −3 or less.
[0049]
[Example 2] A TFT having a planar structure was fabricated and its electrical characteristics were evaluated. First, an amorphous silicon film having a thickness of about 100 nm containing phosphorus at a concentration of 3 × 10 17 cm −3 was formed by a normal RF sputtering method. With this film thickness, the entire film is annealed by KrF laser light (248 nm) used for subsequent laser annealing. The substrate was quartz, the substrate temperature was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 0.5 Pascal (pa). Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. The concentration of argon was 99.99% or more. The input power was 200 W and the RF frequency was 13.56 MHz. Thereafter, this amorphous silicon film was etched into a rectangle of 100 μm × 500 μm.
[0050]
It was confirmed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) that the oxygen, nitrogen, and carbon concentrations in the coating were all 10 19 cm −3 or less.
[0051]
Further, a gate insulating film having a thickness of about 100 nm was formed thereon by sputtering in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature was 150 ° C., and RF (13.56 MHz) input power was 400 W. The atmosphere was substantially oxygen and no other gases were intentionally added. The concentration of oxygen was 99.9% or higher. The pressure was 0.5 pa.
[0052]
Thereafter, an aluminum film (thickness: 200 nm) was formed by a known vacuum deposition method, and unnecessary portions were removed by a known dry etching method to form a gate electrode. The width of the gate electrode was 100 μm. At this time, the photoresist used for the dry etching was left on the gate electrode.
[0053]
Subsequently, boron ions were implanted at 10 14 cm −2 other than the gate electrode portion by ion implantation. Under the gate electrode, boron ions are not implanted by using the gate electrode and photoresist as a mask. By this step, impurity regions, that is, a source region and a drain region were formed in the silicon film.
[0054]
Further, the entire substrate is placed in a vacuum vessel, and excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 100 mJ, irradiation pulse number 50 shots) is irradiated from the back surface of the substrate at a pressure of 10 −5 torr. Then, laser annealing was performed. By this process, the amorphous silicon film was semi-amorphized. In this method, unlike the case of the first embodiment, the semi-amorphization of the source region or the drain region and the channel formation region is performed at the same time. Therefore, in the method of Example 1, many defects occurred at the interface between the source region or the drain region and the channel formation region, whereas an interface having few defects and continuous crystallinity was obtained.
[0055]
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. The substrate was placed in a chamber that can be evacuated, and once evacuated to 10 −6 torr with a turbo molecular pump, and further heated to 100 ° C. After maintaining this state for 30 minutes, hydrogen gas having a purity of 99.99% or more was introduced into the chamber up to 100 torr, and the substrate was annealed at 300 ° C. for 60 minutes. Here, the vacuum evacuation is performed in order to remove gas, moisture and the like adsorbed on the coating. It has been empirically known that high thermal mobility cannot be obtained with good reproducibility if thermal annealing is performed in a state where these remain.
[0056]
Finally, a hole was made in the silicon oxide film (thickness 100 nm) existing on the source region and the drain region, and an aluminum electrode was formed in these regions. A field effect transistor was formed by the above process.
[0057]
As a result of measuring the CV characteristics of this field effect transistor, the electron mobility in the channel formation region was 112 cm 2 / V · s. Further, the threshold voltage (threshold voltage) was 3.9V. It is considered that the threshold voltage was improved (decreased) compared to Example 1 because the impurity region and the channel formation region were uniformly crystallized simultaneously by laser annealing from the back surface. The ratio of the drain current when the gate voltage was turned on / off was 5 × 10 6 .
[0058]
The concentration of oxygen, nitrogen, and carbon in the channel formation region of this field effect transistor was measured by SIMS, and all were 1 × 10 19 cm −3 or less. The measured channel formation region by Raman spectroscopy, the center value of the Raman peak 515 cm -1, a half value width 13cm -1 Raman peak, once the presence of the recrystallized silicon After melted In particular, it was not observed and it was confirmed that it was in a semi-amorphous state.
[0059]
[Example 3] A TFT having a planar structure was fabricated and its electrical characteristics were evaluated. First, using a film forming apparatus having two chambers, an amorphous silicon film having a thickness of about 100 nm and a silicon nitride film having a thickness of 10 nm thereon are coated on a quartz substrate coated with a silicon nitride film having a thickness of 10 nm. Formed continuously. The amorphous silicon film was produced by a normal sputtering method, and the silicon nitride film was produced by a glow discharge plasma CVD method.
[0060]
First, the substrate was set in the first preliminary chamber, and the preliminary chamber was heated to 200 ° C. and evacuated, and the pressure in the preliminary chamber was maintained at 10 −6 torr or less for 1 hour. Next, except for the time of film formation, the first chamber, which is always kept at 10 −4 torr or less so that no outside air enters, is exhausted to 10 −6 torr, the substrate is moved from the preliminary chamber, and the first chamber is moved. The substrate was set in the chamber, and the substrate and the target were held at 200 ° C., evacuated, and held for 1 hour while the pressure in the chamber was 10 −6 torr or less. Then, argon gas was introduced into the chamber, RF plasma was generated, and sputtering film formation was performed. The sputtering target uses a silicon target with a purity of 99.9999% or more and contains 1 ppm of phosphorus. The substrate temperature during film formation was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 5 × 10 −2 torr. Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. The concentration of argon was 99.9999% or more. The input power was 200 W and the RF frequency was 13.56 MHz.
[0061]
After completion of the film formation, the RF discharge was stopped, and the first chamber was evacuated to 10 −6 torr. Next, the second preliminary chamber, which is always maintained at 10 −5 torr or less and is provided between the first chamber and the second chamber, is evacuated to 10 −6 torr, and then the second chamber is discharged from the first chamber to the second chamber. The substrate was transferred to the preliminary chamber. Further, the second chamber, which is always kept at 10 −4 torr or less except during film formation and is controlled so that no outside air enters, is exhausted to 10 −6 torr, and the substrate is moved from the second preliminary chamber. The substrate was set in the second chamber, and the substrate and the target were held at 200 ° C., and evacuated. The chamber was held at a pressure of 10 −6 torr or less for 1 hour.
[0062]
Then, ammonia gas having a purity of 99.9999% or more and disilane gas (Si 2 H 6 ) diluted with hydrogen was introduced into the second chamber at a ratio of 3: 2, and the total pressure was set to 10 −1 torr. Then, RF current was introduced into the chamber, plasma was generated, and silicon nitride was formed. The input power (13.56 MHz) was 200 W.
[0063]
After the film formation was completed, the RF discharge was stopped, and the second chamber was evacuated to 10 −6 torr. Next, the third auxiliary chamber provided on one side of the second chamber and having a quartz window was evacuated to 10 −6 torr, and the substrate was transferred from the second chamber to the third auxiliary chamber. Then, excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 100 mJ, irradiation pulse number 50 shots) was irradiated through the window of the third preliminary chamber, and laser annealing was performed. In this way, the amorphous silicon film was semi-amorphized.
[0064]
In this way, the method of performing laser annealing continuously without substantially breaking the vacuum state from the film formation state is that a protective film is formed on the amorphous semiconductor film as shown in this embodiment. Even when the protective film is not formed as in Examples 1 and 2, it was extremely effective. The reason for this is, of course, that the material that becomes the core of crystal growth such as dust adheres to the film or is scratched. This is because the film is easily polycrystallized by annealing. In addition, when changing from a vacuum state to an atmospheric pressure state, the film may be subjected to non-uniform stress, and small changes in the film surface, protrusions, etc. that occur at that time can easily become the nucleus of polycrystallization. I think that is because it ends.
[0065]
Further, in the case where film formation and laser annealing are continuously performed in this way, a film forming chamber and a spare chamber are provided as in this embodiment, a window is provided in the spare chamber, and laser annealing is performed, A method of providing a window in the film formation chamber and performing laser annealing after film formation in the film formation chamber is conceivable. However, since the latter becomes cloudy due to film formation, the film attached to the window must always be etched. This is not necessary for the former, whereas Therefore, it can be said that the former method is superior in consideration of mass productivity and maintainability.
[0066]
Now, after the laser annealing was completed in the third preliminary chamber, dry nitrogen gas was introduced into the third preliminary chamber to bring it to atmospheric pressure, and the substrate was taken out. Then, after removing the silicon nitride film by a known dry etching method, the silicon film was etched into a rectangle of 100 μm × 500 μm.
[0067]
It was confirmed that the oxygen, nitrogen, and carbon concentrations of this coating were all 10 16 cm −3 or less by analyzing another coating prepared in the same step by secondary ion mass spectrometry (SIMS). .
[0068]
Further, a gate insulating film having a thickness of about 100 nm was formed thereon by sputtering in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature was 150 ° C., and RF (13.56 MHz) input power was 400 W. The sputtering target was silicon oxide having a purity of 99.9999% or more. The atmosphere was substantially oxygen and no other gases were intentionally added. The oxygen concentration was 99.999% or higher. The pressure was 5 × 10 −2 torr.
[0069]
Thereafter, an aluminum film (thickness: 200 nm) was formed by a known vacuum deposition method, and unnecessary portions were removed by a known dry etching method to form a gate electrode. The width of the gate electrode was 100 μm. At this time, the photoresist used for the dry etching was left on the gate electrode.
[0070]
Subsequently, boron ions were implanted at 10 14 cm −2 other than the gate electrode portion by ion implantation. Under the gate electrode, boron ions are not implanted by using the gate electrode and photoresist as a mask. By this step, impurity regions, that is, a source region and a drain region were formed in the silicon film.
[0071]
Further, the entire substrate is placed in a vacuum vessel, and excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 50 mJ, irradiation pulse number 50 shots) is irradiated from the back surface of the substrate at a pressure of 10 −5 torr. Then, laser annealing was performed. By this process, the amorphous silicon film in the impurity region that has been made amorphous by the ion implantation process has been made semi-amorphous.
[0072]
This method is the same as that of Example 1 in that two-stage laser annealing is performed, but the second laser annealing is performed from the back surface of the substrate, so that the impurity region and the channel formation region are connected continuously. And However, unlike the method of the second embodiment, the reason for performing the first laser annealing for preparing the channel formation region is that the laser irradiation surface is annealed by the ultraviolet laser, but the deep part This is because there is a high possibility that it will not occur or a state with high mobility cannot be obtained, and the yield of the product may be lowered. Therefore, in this embodiment, in order to improve the yield of the product, the laser is first irradiated from the surface of the amorphous silicon film, and the laser is also irradiated from the back surface of the substrate later, so that the channel formation region and the impurity region are continuously formed. The method of obtaining a joint was adopted.
[0073]
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. The substrate was placed in a chamber that can be evacuated, and once evacuated to 10 −6 torr with a turbo molecular pump, and further heated to 100 ° C. After maintaining this state for 30 minutes, hydrogen gas having a purity of 99.99% or more was introduced into the chamber up to 100 torr, and the substrate was annealed at 300 ° C. for 60 minutes. Here, the vacuum evacuation is performed in order to remove gas, moisture and the like adsorbed on the coating. It has been empirically known that high thermal mobility cannot be obtained with good reproducibility if thermal annealing is performed in a state where these remain.
Finally, a hole was made in the silicon oxide film (thickness 100 nm) existing on the source region and the drain region, and an aluminum electrode was formed in these regions. A field effect transistor was formed by the above process.
[0074]
As a result of fabricating 100 field effect transistors and measuring their CV characteristics, the electron mobility in the channel formation region was 275 cm 2 / V · s on average. Further, the average threshold voltage (threshold voltage) was 4.2V. The average drain current ratio was 8 × 10 6 . The standard value of electron mobility is 100 cm 2 / V · s, the standard value of threshold voltage is 5.0 V, the standard value of drain current ratio is 1 × 10 6 , and pass / fail of 100 field effect transistors When examined, 81 passed.
[0075]
In addition, the concentration of oxygen, nitrogen, and carbon in the channel formation region of these field effect transistors was measured by SIMS, and as a result, all passed field effect transistors were 1 × 10 16 cm −3 or less.
[0076]
[Example 4] A TFT having a planar structure was fabricated and its electrical characteristics were evaluated. First, using a film forming apparatus having two chambers, an amorphous silicon film having a thickness of about 100 nm and a silicon nitride film having a thickness of 10 nm thereon are coated on a quartz substrate coated with a silicon nitride film having a thickness of 10 nm. Formed continuously. The amorphous silicon film was produced by a normal sputtering method, and the silicon nitride film was produced by a glow discharge plasma CVD method.
[0077]
First, the substrate was set in the first preliminary chamber, and the preliminary chamber was heated to 200 ° C. and evacuated, and the pressure in the preliminary chamber was maintained at 10 −6 torr or less for 1 hour. Next, except for the time of film formation, the first chamber, which is always kept at 10 −4 torr or less so that no outside air enters, is exhausted to 10 −6 torr, the substrate is moved from the preliminary chamber, and the first chamber is moved. The substrate was set in the chamber, and the substrate and the target were held at 200 ° C., evacuated, and held for 1 hour while the pressure in the chamber was 10 −6 torr or less. Then, argon gas was introduced into the chamber, RF plasma was generated, and sputtering film formation was performed. The sputtering target uses a silicon target with a purity of 99.9999% or more and contains 1 ppm of phosphorus. The substrate temperature during film formation was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 5 × 10 −2 torr. Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. The concentration of argon was 99.9999% or more. The input power was 200 W and the RF frequency was 13.56 MHz.
[0078]
After completion of the film formation, the RF discharge was stopped, and the first chamber was evacuated to 10 −6 torr. Next, the second preliminary chamber, which is always maintained at 10 −5 torr or less and is provided between the first chamber and the second chamber, is evacuated to 10 −6 torr, and then the second chamber is discharged from the first chamber to the second chamber. The substrate was transferred to the preliminary chamber. Further, the second chamber, which is always kept at 10 −4 torr or less except during film formation and is controlled so that no outside air enters, is exhausted to 10 −6 torr, and the substrate is moved from the second preliminary chamber. The substrate was set in the second chamber, and the substrate and the target were held at 200 ° C., and evacuated. The chamber was held at a pressure of 10 −6 torr or less for 1 hour.
[0079]
Then, ammonia gas having a purity of 99.9999% or more and disilane gas (Si 2 H 6 ) diluted with hydrogen was introduced into the second chamber at a ratio of 3: 2, and the total pressure was set to 10 −1 torr. Then, RF current was introduced into the chamber, plasma was generated, and silicon nitride was formed. The input power (13.56 MHz) was 200 W.
[0080]
After the film formation was completed, the RF discharge was stopped, and the second chamber was evacuated to 10 −6 torr. Next, the third auxiliary chamber provided on one side of the second chamber and having a quartz window was evacuated to 10 −6 torr, and the substrate was transferred from the second chamber to the third auxiliary chamber. Then, argon gas having a purity of 99.9999% or more was introduced into the third preliminary chamber, and the internal pressure was set to 5 atm. Then, excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 100 mJ, irradiation pulse number 50 shots) was irradiated through the window of the third preliminary chamber, and laser annealing was performed. In this way, the amorphous silicon film was semi-amorphized.
[0081]
Thus, the method of continuously performing laser annealing without touching the outside air from the film formation state is a case where a protective film is formed on the amorphous semiconductor film as shown in this embodiment. However, it was extremely effective even when the protective film was not formed as in Examples 1 and 2. The reason is considered to be that a material that becomes a nucleus of crystal growth such as dust does not adhere to or become scratched on the coating. Further, as in this example, laser annealing in a pressurized atmosphere suppresses the generation of microbubbles in the coating due to laser irradiation, and therefore these bubbles serve as nuclei. There is an effect of preventing the coating from being polycrystallized.
[0082]
Further, in the case where film formation and laser annealing are continuously performed in this way, a film forming chamber and a spare chamber are provided as in this embodiment, a window is provided in the spare chamber, and laser annealing is performed, A method of providing a window in the film formation chamber and performing laser annealing after film formation in the film formation chamber is conceivable. However, since the latter becomes cloudy due to film formation, the film attached to the window must always be etched. This is not necessary for the former, whereas Therefore, it can be said that the former method is superior in consideration of mass productivity and maintainability.
[0083]
Now, after the laser annealing was completed in the third preliminary chamber, dry nitrogen gas was introduced into the third preliminary chamber to bring it to atmospheric pressure, and the substrate was taken out. Then, after removing the silicon nitride film by a known dry etching method, the silicon film was etched into a 10 μm × 1 μm rectangle.
[0084]
It was confirmed that the oxygen, nitrogen, and carbon concentrations of this coating were all 10 16 cm −3 or less by analyzing another coating prepared in the same step by secondary ion mass spectrometry (SIMS). .
[0085]
Further, a gate insulating film having a thickness of about 100 nm was formed thereon by sputtering in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature was 150 ° C., and RF (13.56 MHz) input power was 400 W. The sputtering target was silicon oxide having a purity of 99.9999% or more. The atmosphere was substantially oxygen and no other gases were intentionally added. The oxygen concentration was 99.999% or higher. The pressure was 5 × 10 −2 torr.
[0086]
Thereafter, an aluminum film (thickness: 200 nm) was formed by a known vacuum deposition method, and unnecessary portions were removed by a known dry etching method to form a gate electrode. The gate electrode had a width (channel length) of 0.5 μm and a channel width of 1 μm. At this time, the photoresist used for the dry etching was left on the gate electrode.
[0087]
Subsequently, boron ions were implanted at 10 14 cm −2 other than the gate electrode portion by ion implantation. Under the gate electrode, boron ions are not implanted by using the gate electrode and photoresist as a mask. By this step, impurity regions, that is, a source region and a drain region were formed in the silicon film.
Further, the entire substrate is placed in a vacuum vessel, and excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 50 mJ, irradiation pulse number 50 shots) is irradiated from the back surface of the substrate at a pressure of 10 −5 torr. Then, laser annealing was performed. By this process, the amorphous silicon film in the impurity region that has been made amorphous by the ion implantation process has been made semi-amorphous.
[0088]
This method is the same as that of Example 1 in that two-stage laser annealing is performed, but the second laser annealing is performed from the back surface of the substrate, so that the impurity region and the channel formation region are connected continuously. And However, unlike the method of the second embodiment, the reason for performing the first laser annealing for preparing the channel formation region is that the laser irradiation surface is annealed by the ultraviolet laser, but the deep part This is because there is a high possibility that it will not occur or a state with high mobility cannot be obtained, and the yield of the product may be lowered. Therefore, in this embodiment, in order to improve the yield of the product, the laser is first irradiated from the surface of the amorphous silicon film, and the laser is also irradiated from the back surface of the substrate later, so that the channel formation region and the impurity region are continuously formed. The method of obtaining a joint was adopted.
[0089]
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. The substrate was placed in a chamber that can be evacuated, and once evacuated to 10 −6 torr with a turbo molecular pump, and further heated to 100 ° C. After maintaining this state for 30 minutes, hydrogen gas having a purity of 99.99% or more was introduced into the chamber up to 100 torr, and the substrate was annealed at 300 ° C. for 60 minutes. Here, the vacuum evacuation is performed in order to remove gas, moisture and the like adsorbed on the coating. It has been empirically known that high thermal mobility cannot be obtained with good reproducibility if thermal annealing is performed in a state where these remain.
Finally, a hole was made in the silicon oxide film (thickness 100 nm) existing on the source region and the drain region, and an aluminum electrode was formed in these regions. A field effect transistor was formed by the above process.
[0090]
As a result of fabricating 100 field effect transistors and measuring their CV characteristics, the electron mobility in the channel formation region was 259 cm 2 / V · s on average. Further, the average threshold voltage (threshold voltage) was 4.2V. The average drain current ratio was 8 × 10 6 . The standard value of electron mobility is 100 cm 2 / V · s, the standard value of threshold voltage is 5.0 V, the standard value of drain current ratio is 1 × 10 6 , and pass / fail of 100 field effect transistors When examined, 71 passed. This example shows that the present invention is extremely effective for device miniaturization.
[0091]
In addition, the concentration of oxygen, nitrogen, and carbon in the channel formation region of these field effect transistors was measured by SIMS, and as a result, all passed field effect transistors were 1 × 10 16 cm −3 or less.
[0092]
【The invention's effect】
According to the present invention, it has become clear that a film-like semiconductor with high reproducibility and high mobility can be obtained. In the present invention, laser annealing of a semiconductor film formed mainly on an insulating substrate such as quartz has been described. However, the material of the substrate is a single crystal semiconductor such as a single crystal silicon substrate used in a monolithic IC or the like. May be. However, when a relatively thin amorphous film to the extent that laser annealing occurs is formed directly on a single crystal or polycrystal substrate, the crystal grows using these substrates as nuclei and becomes polycrystal by laser irradiation. Therefore, it is not desirable. However, when a sufficiently thick amorphous film is formed on a single crystal or polycrystalline substrate, since laser annealing does not reach the deep part of the amorphous film, a good semi-amorphous state can be obtained. Of course, there is no problem when an amorphous material such as silicon oxide or silicon nitride is formed on a single crystal or polycrystalline substrate.
[0093]
In the embodiments, the silicon film is described. However, the present invention is applied to a germanium film, a silicon-germanium alloy film, and any other intrinsic semiconductor material or compound semiconductor material. be able to. As mentioned at the beginning, in this specification, it has been described that a method called laser annealing is used as a method for improving the mobility of an amorphous film. However, this expression includes a method in which a laser is not used, for example, flash lamp annealing. is there. That is, the present invention relates to a method for improving the crystallinity of a semiconductor material by using strong optical energy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the relationship between the center value of a Raman peak (RAMAN SHIFT, horizontal axis) and electron mobility (vertical axis) of a laser-annealed silicon film. The concentration of oxygen in the coating is 2 × 10 21 cm −3 .
FIG. 2 shows the relationship between the Raman peak center value (RAMAN SHIFT, horizontal axis) and electron mobility (vertical axis) of laser-annealed silicon films with various oxygen concentrations.
FIG. 3 shows the ratio of the half-width of the Raman peak of the laser-annealed silicon film with various oxygen concentrations to the half-width of the Raman peak of single crystal silicon (FWHM RATIO, horizontal axis) and the electron mobility (vertical axis). The relationship is shown.
[4] the ratio to the intensity of the single crystal silicon component varying oxygen concentration of the laser annealed strength of the amorphous component of the Raman peak of silicon film (peak of 480 cm -1) (peak of 521 cm -1) (Ia / (Ic, horizontal axis) and electron mobility (vertical axis).
FIG. 5 shows the FWHM location dependence of the Raman peak in the channel formation region of two field effect transistors. Vertical axis: FWHM, horizontal axis: X / L (L: channel length)
FIG. 6 illustrates an example of a method for manufacturing a field-effect transistor.
[Explanation of symbols]
601 ... Substrate 602 ... Semiconductor coating 603 ... Insulator coating 604 ... Gate electrode 605 ... Photoresist 606 ... Source region 607 ... Drain region 608 ... Source electrode 609 ..Drain electrode

Claims (7)

第1のチャンバーで、シリコンをターゲットとして用いたスパッタ法により、炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも5×1019cm−3以下のアモルファスシリコン膜を形成し、
前記アモルファスシリコン膜の表面を大気にさらさずに、前記第1のチャンバーから第2のチャンバーに移動して、前記アモルファスシリコン膜上に保護膜を形成し、
前記第2のチャンバーから、前記第2のチャンバーに連結して設けられた予備室に移動して、前記保護膜を介して、前記アモルファスシリコン膜に連続発振のレーザー光を照射して、前記アモルファスシリコン膜を固相のまま結晶成長させ、
前記シリコン膜のアモルファス成分に起因する第1のラマン・ピークを、単結晶珪素の成分に起因する第2のラマン・ピークで割った値は、0.4以上であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
In the first chamber, an amorphous silicon film having carbon, nitrogen, and oxygen concentrations of 5 × 10 19 cm −3 or less is formed by sputtering using silicon as a target .
Without moving the surface of the amorphous silicon film to the atmosphere, the first chamber is moved to the second chamber to form a protective film on the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film is irradiated with a continuous wave laser beam through the protective film by moving from the second chamber to a preliminary chamber connected to the second chamber. Crystal growth of the silicon film in the solid phase,
The value obtained by dividing the first Raman peak attributed to the amorphous component of the silicon film by the second Raman peak attributed to the component of single crystal silicon is 0.4 or more. Manufacturing method.
第1のチャンバーで、シリコンをターゲットとして用いたスパッタ法により、炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも5×1019cm−3以下のアモルファスシリコン膜を形成し、
前記アモルファスシリコン膜の表面を大気にさらさずに、前記第1のチャンバーから第2のチャンバーに移動して、前記アモルファスシリコン膜上に保護膜を形成し、
前記第2のチャンバーから、前記第2のチャンバーに連結して設けられた予備室に移動して、前記保護膜を介して、前記アモルファスシリコン膜に連続発振のレーザー光を照射して、前記アモルファスシリコン膜を固相のまま結晶成長させ、
ダングリングボンドが水素により埋められた前記シリコン膜を形成し、
前記シリコン膜のアモルファス成分に起因する第1のラマン・ピークを、単結晶珪素の成分に起因する第2のラマン・ピークで割った値は、0.4以上であることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
In the first chamber, an amorphous silicon film having carbon, nitrogen, and oxygen concentrations of 5 × 10 19 cm −3 or less is formed by sputtering using silicon as a target .
Without moving the surface of the amorphous silicon film to the atmosphere, the first chamber is moved to the second chamber to form a protective film on the amorphous silicon film,
The amorphous silicon film is irradiated with a continuous wave laser beam through the protective film by moving from the second chamber to a preliminary chamber connected to the second chamber. Crystal growth of the silicon film in the solid phase,
Forming the silicon film in which dangling bonds are filled with hydrogen;
The value obtained by dividing the first Raman peak attributed to the amorphous component of the silicon film by the second Raman peak attributed to the component of single crystal silicon is 0.4 or more. Manufacturing method.
請求項1または請求項において、
前記レーザー光に、エキシマレーザーを用いることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
According to claim 1 or claim 2,
A method for manufacturing a thin film transistor, wherein an excimer laser is used as the laser light.
請求項1または請求項において、
前記レーザー光に、YAGレーザーを用いることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
According to claim 1 or claim 2,
A method for manufacturing a thin film transistor, wherein a YAG laser is used as the laser light.
請求項1または請求項において、
前記レーザー光に、紫外レーザーを用いることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
According to claim 1 or claim 2,
A method for manufacturing a thin film transistor, wherein an ultraviolet laser is used as the laser light.
請求項1または請求項において、
前記レーザー光に、可視レーザーを用いることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
According to claim 1 or claim 2,
A method for manufacturing a thin film transistor, wherein a visible laser is used as the laser light.
請求項1または請求項において、
前記レーザー光に、赤外レーザーを用いることを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
According to claim 1 or claim 2,
A method for manufacturing a thin film transistor, wherein an infrared laser is used as the laser light.
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