JPH06342910A - Thin-film semiconductor device - Google Patents

Thin-film semiconductor device

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JPH06342910A
JPH06342910A JP34687793A JP34687793A JPH06342910A JP H06342910 A JPH06342910 A JP H06342910A JP 34687793 A JP34687793 A JP 34687793A JP 34687793 A JP34687793 A JP 34687793A JP H06342910 A JPH06342910 A JP H06342910A
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thin film
film
thickness
substrate
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舜平 山崎
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Abstract

PURPOSE:To prevent the infiltration of impurities from a substrate, and to obtain desired characteristics by keeping the film thickness of a silicon thin-film within a specified range. CONSTITUTION:A semiconductor on an insulating substrate 1 such as alumina, sapphire, spinel, etc., is grown in an epitaxial manner in thickness of 0.01-2mum, and a source 5, a drain 6, a buried field insulator 3, a semiconductor direct contact 7, a self-alignment gate electrode 11, a gate insulating film 12, and a CVDSiO2 film 10 are formed. When the film thickness of a silicon thin-film is formed in thickness of 0.01-0.37mum, hydrogenation treatment is conducted under the state, in which a semiconductor device is completed or completed approximately. Accordingly, the density of the recombination center of an incomplete semiconductor layer is reduced even in the incomplete semiconductor layer 9, in which there are a large number of unpaired bonds in the semiconductor, and the layer 9 can be treated in the same manner as a single crystal. The hydrogenation treatment has an effect neutralizing the unpaired bonds existing in the semiconductor substrate and the gate insulating film 12, thus easily manufacturing a MIS-FET.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、非単結晶半導体を半導
体装置の少なくとも一部に有する薄膜半導体装置に関す
るものである。本発明は、薄膜型の絶縁ゲート型電界効
果トランジスタ( MIS-FET ) のゲート絶縁物下のチャネ
ル領域の少なくとも一部が、アモルファスまたは多結晶
のいわゆる非単結晶半導体より成り、かつこの半導体中
に、水素気体または塩素のようなハロゲン元素を0.1 モ
ルパ−セント(原子%)以上混入せしめることに関す
る。そして、本発明は、この非単結晶領域で不対結合手
等による再結合中心を中和かつ消滅せしめた薄膜半導体
装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film semiconductor device having a non-single crystal semiconductor in at least a part of a semiconductor device. According to the present invention, at least a part of a channel region under a gate insulator of a thin film type insulated gate field effect transistor (MIS-FET) is composed of an amorphous or polycrystalline so-called non-single-crystal semiconductor, and , Hydrogen gas or halogen element such as chlorine is mixed with 0.1 mol% (atomic%) or more. The present invention also relates to a thin film semiconductor device in which the recombination centers due to dangling bonds or the like are neutralized and eliminated in this non-single crystal region.

【0002】本発明は、電子またはホ−ルの移動度をこ
れまで知られている単結晶の場合に等しくまたは概略等
しくさせることができる薄膜半導体装置に関するもので
ある。本発明は、PまたはN型の導電型を有し、かつそ
の不純物濃度が2×1019cm-3以下、特にたとえば1014
cm-3ないし1017cm-3における非単結晶半導体に対
し、その半導体の形成と同時または形成後、特に半導体
装置を完成してしまった後、水素( 重水素を含む) ガス
または塩素のようなハロゲン元素を添加させる薄膜半導
体装置に関するものである。
The present invention relates to a thin film semiconductor device capable of making the mobility of electrons or holes equal or approximately equal to that in the case of a single crystal known so far. The present invention has a P or N type conductivity and has an impurity concentration of 2 × 10 19 cm −3 or less, particularly 10 14 or less.
for non-single-crystal semiconductor in cm -3 to 10 17 cm -3, the semiconductor formation and simultaneously or after formation, after you've particularly complete a semiconductor device, (including deuterium) hydrogen as a gas or chlorine The present invention relates to a thin film semiconductor device to which a halogen element is added.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来、半導体装置は、単結晶の半導体基
板に対し、薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
(MIS-FET )またはバイポ−ラ型のトランジスタ、さら
にまたは、それらをキャパシタ、抵抗、ダイオ−ド等を
同一基板に複合化して集積化した装置を製造するにとど
まっていた。このため、アクティブエレメンドである薄
膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ(MIS-FET )
またはバイポーラ型のトランジスタは、必ず単結晶基板
に設けられていた。特に、薄膜型の絶縁ゲート型電界効
果トランジスタ(MIS-FET )において、ゲート以下のチ
ャネル形成領域、またバイポ−ラ型のトランジスタにお
いて、ベ−ス、コレクタ領域でキャリアのライフタイム
が微妙に影響を与えている。そのため、これらの領域
は、キャリアである電子またはホ−ルに対する再結合中
心が十分小さい濃度の単結晶半導体が用いられていた。
さらに、これらのトランジスタのPN接合において、逆方
向耐圧におけるソフト・ブレイクダウンまたはリ−ク増
大は、格子欠陥その他の格子不整、不対結合手による再
結合中心がそれらの悪化の主因であった。
2. Description of the Related Art Conventionally, a semiconductor device has a thin film type insulated gate field effect transistor (MIS-FET) or a bipolar type transistor for a single crystal semiconductor substrate, or a capacitor, a resistor, It has been limited to manufacturing a device in which a diode or the like is compounded and integrated on the same substrate. For this reason, the active-element thin-film insulated gate field effect transistor (MIS-FET) is used.
Alternatively, the bipolar transistor is always provided on the single crystal substrate. In particular, in the thin film type insulated gate field effect transistor (MIS-FET), the carrier lifetime is slightly affected in the channel formation region below the gate, and in the bipolar type transistor, the base and collector regions. I'm giving. Therefore, in these regions, a single crystal semiconductor having a concentration in which a recombination center for an electron or a hole which is a carrier is sufficiently small is used.
Further, in the PN junctions of these transistors, the soft breakdown or the increase in the leak in the reverse breakdown voltage was mainly caused by the lattice defects and other lattice defects, and the recombination centers due to dangling bonds.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】単結晶基板に形成され
た薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、前述
のように電子またはホールの移動度が高いという利点が
ある反面、製造上高価になるという欠点を有した。しか
し、非単結晶半導体からなる薄膜型の絶縁ゲート型電界
効果トランジスタを集積する場合、半導体膜の厚さを薄
くすることができても、実用的な集積回路にならなかっ
た。たとえば、半導体膜の厚さを0.01μmないし
0.3μmとした薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタは、基板から不純物が侵入し、所望の特性を得る
ことができなかった。
A thin film type insulated gate field effect transistor formed on a single crystal substrate has the advantage of high electron or hole mobility as described above, but is expensive in manufacturing. Had the drawback. However, when a thin-film insulated gate field effect transistor made of a non-single crystal semiconductor is integrated, even if the thickness of the semiconductor film can be reduced, it has not been a practical integrated circuit. For example, in a thin film type insulated gate field effect transistor in which the thickness of the semiconductor film is 0.01 μm to 0.3 μm, impurities penetrated from the substrate and desired characteristics could not be obtained.

【0005】本発明は、以上のような課題を解決するた
めのもので、非単結晶半導体の薄膜化を促進させること
ができる薄膜半導体装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、作製中に脱気した気体を添加した薄膜
半導体装置を提供することを目的とする。さらに、本発
明は、全てまたは大部分の熱処理工程を経た装置として
完成または大部分が完成した半導体装置に対し、水素気
体、塩素のようなハロゲン元素を化学的に活性または原
子状態で添加することを特徴とする。本発明では、かか
る添加により、この活性状態の元素が半導体特に非単結
晶半導体中の不対結合手と結合し、さらにまたは不対結
合手どうしを互いに共有結合せしめ電気的に中和するこ
とを特徴としている。
An object of the present invention is to solve the above problems, and an object thereof is to provide a thin film semiconductor device capable of promoting thinning of a non-single crystal semiconductor.
Another object of the present invention is to provide a thin film semiconductor device to which a gas degassed during fabrication is added. Further, the present invention is to add a halogen element such as hydrogen gas or chlorine in a chemically active or atomic state to a semiconductor device completed or mostly completed as a device which has undergone all or most of heat treatment steps. Is characterized by. In the present invention, by such addition, the element in the active state is bound to a dangling bond in a semiconductor, particularly a non-single crystal semiconductor, and further or dangling bonds are covalently bonded to each other to electrically neutralize. It has a feature.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】[Means for Solving the Problems]

(第1発明)前記目的を達成するために、本発明の薄膜
半導体装置は、絶縁表面を有する基板上にシリコン薄
膜、ソース、ドレインおよびゲート絶縁膜上のゲート電
極を備えたものであって、前記シリコン薄膜の膜厚を
0.01μmないし0.3μmとしたことを特徴とす
る。
(First Invention) In order to achieve the above object, a thin film semiconductor device of the present invention comprises a silicon thin film, a source, a drain, and a gate electrode on a gate insulating film on a substrate having an insulating surface. The film thickness of the silicon thin film is 0.01 μm to 0.3 μm.

【0007】(第2発明)本発明の薄膜半導体装置は、
シリコン薄膜に水素またはハロゲン元素が添加されて多
結晶半導体よりなることを特徴とする。
(Second Invention) The thin film semiconductor device of the present invention is
It is characterized in that it is made of a polycrystalline semiconductor by adding hydrogen or a halogen element to a silicon thin film.

【0008】[0008]

【作 用】[Work]

(第1発明)絶縁表面を有する基板上には、シリコン薄
膜、ソース、ドレイン、およびゲート絶縁膜上のゲート
電極を備えた薄膜トランジスタが形成されている。そし
て、上記薄膜トランジスタにおけるシリコン薄膜の厚さ
は、0.01μmないし0.3μmとしたにもかかわら
ず、基板から不純物が侵入せずに、薄膜トランジスタと
しての所望の特性を得るものである。
(First Invention) A thin film transistor having a silicon thin film, a source, a drain, and a gate electrode on a gate insulating film is formed on a substrate having an insulating surface. Although the thickness of the silicon thin film in the above thin film transistor is 0.01 μm to 0.3 μm, desired characteristics as a thin film transistor can be obtained without impurities entering from the substrate.

【0009】(第2発明)シリコン薄膜は、水素または
ハロゲン元素が添加されて多結晶半導体からなるため、
非単結晶領域においても、不対結合手による再結合中心
密度を低くでき、基板から不純物が侵入し難い。そのた
め、本発明の薄膜半導体装置は、集積回路としても、所
望の特性を得ることができる。
(Second Invention) Since the silicon thin film is made of a polycrystalline semiconductor to which hydrogen or a halogen element is added,
Even in the non-single-crystal region, the density of recombination centers due to dangling bonds can be lowered, and impurities are less likely to enter from the substrate. Therefore, the thin film semiconductor device of the present invention can obtain desired characteristics even as an integrated circuit.

【0010】[0010]

【実 施 例】以下、本発明の一実施例を説明する。図
1(A)は薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
を説明するための縦断面図である。本実施例において、
シリコン半導体基板(1) 上には、200 Åないし2μmの
厚さの酸化珪素または窒化珪素の絶縁膜(2) が形成され
ている。そして、上記シリコン半導体基板(1) は、その
表面より150 KeV ないし300 KeV のイオン注入法によ
り、酸素または窒素が打ち込まれる。その後、シリコン
半導体基板(1) は、真空状態または水素雰囲気におい
て、900 ℃ないし1100℃で10分ないし30分アニールされ
る。さらに、その上面には、減圧気相法によりシリコン
膜が形成される。これはシラン(SiH4)、ジクロ−ルシラ
ン(SiH2Cl2) 、その他の珪化物を反応性気体として、0.
1 torrないし10torr(mmHg)の圧力状態にした上、500 ℃
ないし900 ℃の温度で行なういわゆる減圧気相法によ
る。発熱は、1MHz ないし10MHz の高周波を用いる誘導
加熱法を用いる。しかし、発熱は、抵抗加熱でもよい。
この減圧気相法による半導体膜の形成は、特公昭51-138
9 号公報に記載された技術を基にしている。もちろん、
室温ないし500 ℃の温度でグロ−放電法またはスパッタ
法を利用してもよい。
EXAMPLE An example of the present invention will be described below. FIG. 1A is a vertical cross-sectional view for explaining a thin film type insulated gate field effect transistor. In this example,
An insulating film (2) of silicon oxide or silicon nitride having a thickness of 200 Å to 2 μm is formed on a silicon semiconductor substrate (1). Then, oxygen or nitrogen is implanted into the silicon semiconductor substrate (1) from the surface thereof by an ion implantation method of 150 KeV to 300 KeV. Then, the silicon semiconductor substrate (1) is annealed at 900 ° C. to 1100 ° C. for 10 to 30 minutes in a vacuum state or a hydrogen atmosphere. Further, a silicon film is formed on the upper surface by the reduced pressure vapor phase method. This is silane (SiH 4 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and other silicides as reactive gases.
500 ℃ on the condition of 1 torr to 10 torr (mmHg)
Or by the so-called reduced pressure gas phase method carried out at a temperature of 900 ° C. For heat generation, an induction heating method using a high frequency of 1 MHz to 10 MHz is used. However, the heat generation may be resistance heating.
The formation of a semiconductor film by the reduced pressure vapor phase method is described in Japanese Patent Publication No. 51-138.
It is based on the technology described in Publication No. 9. of course,
The glow discharge method or the sputtering method may be used at a temperature of room temperature to 500 ° C.

【0011】このようにして、前記絶縁膜(2) の上面に
は、0.1 μmないし2μmの厚さのシリコン半導体膜が
形成される。この半導体膜は、絶縁膜(2) が純粋のSiO2
またはSi3N4 にあっては多結晶構造である。しかし、こ
の酸素または窒素の量が1018cm-3ないし1021cm-3
ある絶縁層の場合には、非単結晶を一部に含むエピタキ
シァル構造である。本実施例は、かかる再結合中心の密
度の多い半導体膜の再結合中心を誘導電気エネルギーに
より除去する。フィ−ルド絶縁物(3) は、1μmないし
2μmの厚さにするため、本出願人の提案した特許(特
公昭52-20312号公報、特公昭50-37500号公報) に基づき
実施する。この後、ゲート絶縁膜(12)は、100 Åないし
1000Åの厚さに作られ、また必要に応じてシリコン半導
体のコンタクト(7) が形成される。また、ゲート絶縁膜
(12)は、その上にセルファライン方式によりゲート電極
(11)が減圧CVD 法により半導体膜で作られる。
Thus, a silicon semiconductor film having a thickness of 0.1 μm to 2 μm is formed on the upper surface of the insulating film (2). This semiconductor film is made of pure SiO 2 whose insulating film (2) is
Alternatively, Si 3 N 4 has a polycrystalline structure. However, the insulating layer in which the amount of oxygen or nitrogen is 10 18 cm -3 to 10 21 cm -3 has an epitaxial structure including a part of non-single crystal. In this embodiment, the recombination centers of the semiconductor film having such a high density of recombination centers are removed by induced electric energy. The field insulator (3) is formed based on the patents (Japanese Patent Publication No. 52-20312 and Japanese Patent Publication No. 50-37500) proposed by the present applicant so as to have a thickness of 1 μm to 2 μm. After this, the gate insulating film (12) is 100 Å or
It is made to a thickness of 1000Å, and silicon semiconductor contacts (7) are formed if necessary. Also, the gate insulation film
(12) is a gate electrode on top of it by self-alignment method
(11) is made of a semiconductor film by the low pressure CVD method.

【0012】加えて、SiO2膜のオ−バ−コ−ト(10)は、
0.5 μmないし2μmの厚さに形成される。この時、こ
の上面を平坦面とするため、SiO2膜のかわりにポリイミ
ド樹脂(PIQ )等を用いてもよい。アルミニュ−ムの電
極の穴あけ、さらにアルミニュ−ムの電極、リ−ドは、
SiO2のオーバーコート膜上に形成される。ソ−ス(5)、
ドレイン(6) は、チャネル形成領域(4) がP型であって
は1018cm-3ないし1021cm-3のN+ 型の不純物、たと
えばリン、砒素により形成される。ゲート電極(11)は、
モリブデン、タングステン等の金属を使用してもよい。
また、前記不純物は、1019cm-3以上の濃度にリン等を
混入して、低抵抗の半導体リ−ドとしてもよい。このゲ
ート電極(11)の半導体中の不純物が1019cm-3以上、特
に1021cm-3と多量に混入している場合は、本実施例の
水素添加による中和の効果がみられなかった。他方、チ
ャネル領域(4) は、不純物濃度が1014cm-3ないし1017
cm-3の低濃度であり、水素添加の効果に極めて敏感で
ある。
In addition, the SiO 2 film overcoat (10) is
It is formed to a thickness of 0.5 μm to 2 μm. At this time, a polyimide resin (PIQ) or the like may be used instead of the SiO 2 film in order to make the upper surface a flat surface. Drilling holes in aluminum electrodes, and aluminum electrodes and leads
It is formed on the SiO 2 overcoat film. Source (5),
Drain (6), a channel formation region (4) is N + type impurity to 10 21 cm -3 10 18 cm -3 is not a P-type, for example phosphorus, is formed by arsenic. The gate electrode (11) is
A metal such as molybdenum or tungsten may be used.
The impurities may be mixed with phosphorus or the like at a concentration of 10 19 cm -3 or more to form a low resistance semiconductor lead. When the impurities in the semiconductor of the gate electrode (11) are mixed in a large amount of 10 19 cm -3 or more, particularly 10 21 cm -3 , the effect of neutralization by hydrogenation of this example is not observed. It was On the other hand, the channel region (4) has an impurity concentration of 10 14 cm −3 to 10 17
It has a low concentration of cm −3 and is extremely sensitive to the effect of hydrogen addition.

【0013】電子またはホ−ルのキャリアは、単結晶に
おいて、一般に構造敏感性をもつことが知られている。
しかし、本出願人は、かかる構造敏感性が結晶構造に起
因するのではなく、その中に存在する再結合中心の反応
に起因するものであることを発見した。その結果、本実
施例は、上記敏感性を与える再結合中心を中和消滅させ
ようとするものである。このため、本実施例において
は、ここに水素を0.1 モルパ−セント添加する。その結
果、図1(A)の構造が出来上がった後、水素の添加に
よりキャリアのライフタイムが103 倍ないし105 倍にな
った。C-V ダイオ−ドによってもQss≒1010cm-2のオ
−ダのほぼ理論通りのC-V 特性を示していた。水素ガ
ス、塩素のようなハロゲン元素の添加は、抵抗加熱炉に
より基板を300 ℃ないし500 ℃に加熱し、その後、誘導
炉を電圧励起させる。電流励起をさせる場合は、基板で
の金属壁または金属質の部分のみが局部的に加熱されて
しまい、好ましくない。このため、反応炉気体の活性化
は、電圧励起とする。さらに、温度が300 ℃以上である
と水素原子は、自由にこの固体中に侵入型原子( インタ
−ステイシァル アトム)のため動きまわることができ
る。このため、十分な平衡状態の濃度にまでこれらの原
子を半導体中に添加できる。
It is known that electron or hole carriers generally have structure sensitivity in a single crystal.
However, the Applicant has discovered that such structure sensitivity is not due to the crystal structure, but to the reaction of recombination centers present therein. As a result, the present example is intended to neutralize and eliminate the recombination centers that give the above-mentioned sensitivity. Therefore, in this embodiment, 0.1 mol% of hydrogen is added here. As a result, after the structure of FIG. 1A was completed, the carrier lifetime was increased by 10 3 to 10 5 times by the addition of hydrogen. Even the CV diode showed almost the theoretical CV characteristic of the order of Qss≈10 10 cm -2 . Addition of a halogen element such as hydrogen gas or chlorine heats the substrate to 300 ° C. to 500 ° C. by a resistance heating furnace, and thereafter, the induction furnace is voltage-excited. When the current is excited, only the metal wall or the metallic portion of the substrate is locally heated, which is not preferable. Therefore, activation of the reaction furnace gas is performed by voltage excitation. Further, at a temperature of 300 ° C. or higher, hydrogen atoms can move freely in this solid due to interstitial atoms. Therefore, these atoms can be added to the semiconductor to a sufficient equilibrium concentration.

【0014】この後、この温度を室温にまで下げた。加
熱温度は、アルミニュ−ム等の比較的低い温度で合金化
または溶融する材料がある場合、500 ℃が上限であった
が、それ以外の場合、それ以上の温度(600℃ないし1000
℃) であってもよい。本実施例の方法を図1(A)
(B)のような半導体装置に実施したが、かかる励起ガ
スの添加量の検定は、半導体にかかる気体を混入し、そ
の基板を真空中で加熱し、かかる気体を放出させてその
量を定量化するいわゆるガスクロマトグラフまたはオ−
ジェの分光法により定量化した。その場合、水素原子
は、0.1 モルパ−セント、特に1モルパ−セントないし
20モルパ−セント添加されていることが判明した。
After this, the temperature was lowered to room temperature. The upper limit of the heating temperature was 500 ° C when there was a material such as aluminum that could be alloyed or melted at a relatively low temperature, but in other cases, a higher temperature (600 ° C to 1000 ° C) was used.
℃). The method of this embodiment is shown in FIG.
Although the semiconductor device as shown in (B) was tested, the amount of the excitation gas added was quantified by mixing the gas into the semiconductor, heating the substrate in vacuum, and releasing the gas. So called gas chromatograph or
It was quantified by J. J. spectroscopy. In that case, the hydrogen atom is 0.1 mol%, especially 1 mol% or
It was found that 20 mol% was added.

【0015】以下の本発明の実施例においてもこれまで
記載したと同様の方法によって誘導キュ−リングを行っ
た。図1(B)はシリコン−オン−サファイア(SOS) の
実施例である。アルミナ、サファイア、スピネル等の絶
縁基板(1) 上の半導体を0.01μmないし2μmの厚さに
エピタキシァル成長せしめ、さらにソ−ス(5) 、ドレイ
ン(6) 、埋置したフィ−ルド絶縁物(3) 、半導体ダイレ
クトコンタクト(7) 、セルファラインゲート電極(11)、
ゲート絶縁膜(12)、CVD SiO2膜(10)の実施例である。こ
の場合、絶縁基板のアルミナ成分と半導体とが(9) の部
分で接合し、非単結晶状態を呈してしまう。このため、
ソ−ス(5) 、ドレイン(6) の形成が異常拡散を起こして
しまう。
In the following examples of the present invention, induction curing was performed by the same method as described above. FIG. 1B shows an embodiment of silicon-on-sapphire (SOS). A semiconductor on an insulating substrate (1) such as alumina, sapphire, or spinel is epitaxially grown to a thickness of 0.01 μm to 2 μm, and further, a source (5), a drain (6) and a buried field insulator ( 3), semiconductor direct contact (7), self-aligned gate electrode (11),
This is an example of the gate insulating film (12) and the CVD SiO 2 film (10). In this case, the alumina component of the insulating substrate and the semiconductor are bonded at the portion (9), and a non-single crystal state is exhibited. For this reason,
The formation of the source (5) and the drain (6) causes abnormal diffusion.

【0016】このため、これまでは、この半導体膜の厚
さは、0.01μmないし0.3 μmに作ることがたとえでき
ても、実用上役立たなかった。しかし、本実施例のよう
に、0.01μmないし0.3 μmの厚さの半導体膜であって
も、半導体デバイスを完成、またはほとんど完成させた
状態で、水素添加処理を行なうならば、半導体中の不対
結合手が多数存在する不完全半導体層(9) でも、その再
結合中心の密度を1/100 ないし1/10000 と減少させ、こ
れまで知られている単結晶と同様に取り扱うことができ
るようになる。この水素添加処理は、半導体基板(1) と
ゲート絶縁膜(12)との間に存在する界面準位またはゲー
ト絶縁膜(12)中に存在する不対結合手を中和する効果が
著しくあり、薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジス
タ(MIS-FET )の作製方法の向上にきわめて好ましい方
法である。
Therefore, until now, even if the thickness of this semiconductor film could be made 0.01 μm to 0.3 μm, it has not been practically useful. However, even if the semiconductor film has a thickness of 0.01 μm to 0.3 μm as in the present embodiment, if the hydrogenation treatment is performed in the state where the semiconductor device is completed or almost completed, the impurities in the semiconductor will be lost. Even in the imperfect semiconductor layer (9), which has many pairs of bonds, the density of recombination centers can be reduced to 1/100 to 1/10000, and it can be handled in the same way as the single crystals known so far. become. This hydrogenation treatment has a remarkable effect of neutralizing the interface state existing between the semiconductor substrate (1) and the gate insulating film (12) or the dangling bonds existing in the gate insulating film (12). This is a very preferable method for improving the manufacturing method of a thin film insulated gate field effect transistor (MIS-FET).

【0017】図2は本発明の他の実施例である。この図
2(A)、(B)は、一つの薄膜型の絶縁ゲート型電界
効果トランジスタ(MIS-FET )における上側または上方
面に対して、第2の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタ(MIS-FET )を設けたものである。また、この
実施例は、これまでより2ないし4倍の高密度の集積回
路(LSI、VLSI) を製造しようとするものである。以下に
図面に従って説明する。図2(A)において、シリコン
半導体基板(1) 上には、酸化珪素のような絶縁膜(13)が
0.1 μmないし2μmの厚さに形成されている。この場
合、基板は、半導体である必要は必ずしもない。その後
の熱処理、実用上の熱伝導、加工等の条件を満たせば絶
縁物であってもよい。ここでは多結晶シリコンを用い
る。絶縁膜(13)は、シリコン半導体基板(1) を酸化して
形成する。
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. 2A and 2B show a second thin film type insulated gate field effect transistor (MIS-FET) with respect to the upper or upper surface of one thin film type insulated gate field effect transistor (MIS-FET). MIS-FET). In addition, this embodiment is intended to manufacture an integrated circuit (LSI, VLSI) having a density which is 2 to 4 times higher than that in the past. A description will be given below with reference to the drawings. In FIG. 2 (A), an insulating film (13) such as silicon oxide is formed on the silicon semiconductor substrate (1).
It is formed to a thickness of 0.1 μm to 2 μm. In this case, the substrate does not necessarily have to be a semiconductor. It may be an insulator as long as it satisfies the conditions such as subsequent heat treatment, practical heat conduction, and processing. Here, polycrystalline silicon is used. The insulating film (13) is formed by oxidizing the silicon semiconductor substrate (1).

【0018】さらに、この上面に減圧CVD 法を用いて非
単結晶半導体シリコン膜を0.01μmないし0.3 μmの厚
さで形成した。P型でその不純物濃度は、1018cm-3
いし1016cm-3であって、この半導体膜を窒化珪素、酸
化珪素の二重膜をマスクとした選択酸化法により、フィ
−ルド絶縁物(3) を半導体層に埋置して形成する。この
際、このフィ−ルド絶縁物(3) と半導体層とは、概略同
一平面になるようにフィ−ルド絶縁物(3) をエッチして
もよく、また珪化前に半導体層の一部を除去しておいて
もよい。さらに、ゲート絶縁膜(12)は、100 Åないし10
00Åの厚さに形成される。このゲート絶縁膜(12)は、半
導体層の酸化による熱酸化膜とする。また、熱酸化珪素
絶縁膜とリンガラス、アルミナ、窒化珪素との二重構造
であっても、またこのゲート絶縁物中にクラスタまたは
膜を半導体または金属で形成する不揮発性メモリとして
もよい。
Further, a non-single crystal semiconductor silicon film having a thickness of 0.01 μm to 0.3 μm was formed on this upper surface by using the low pressure CVD method. It is a P type and has an impurity concentration of 10 18 cm −3 to 10 16 cm −3 , and a field insulator is formed by a selective oxidation method using this semiconductor film as a mask of a double film of silicon nitride and silicon oxide. (3) is formed by being embedded in the semiconductor layer. At this time, the field insulator (3) and the semiconductor layer may be etched so that the field insulator (3) and the semiconductor layer are substantially flush with each other. It may be removed. Further, the gate insulating film (12) is 100 Å to 10
It is formed with a thickness of 00Å. The gate insulating film (12) is a thermal oxide film formed by oxidizing the semiconductor layer. Further, it may have a double structure of a thermal silicon oxide insulating film and phosphor glass, alumina, or silicon nitride, or may be a non-volatile memory in which a cluster or a film is formed of a semiconductor or a metal in this gate insulator.

【0019】この後、この上面には、第2の半導体層(1
1)、ソース(25)、チャネル形成領域(29)、ドレイン (2
4) が0.1 μmないし2μmの厚さに形成され、不対結
合を選択的に除去する。図2(A)において、その一つ
の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、ゲー
ト電極(11)を有し、他の第2の薄膜型の絶縁ゲート型電
界効果トランジスタのソ−ス(25)、ドレイン(24)、チャ
ネル形成領域(29)とする。ゲート電極(11)をマスクとし
て、第1の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ
のソ−ス(5) 、ドレイン(6) をイオン注入法により形成
する。もちろん、熱拡散法を用いてもよい。さらに、図
2(A)より明らかなようにゲート電極(11)は、図示さ
れていないフィ−ルド絶縁物(3) 上を経て第2の薄膜型
のソ−ス(25)に連結されている。第2の薄膜型の絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタは、第3の半導体層(21)を
形成した後、ゲート電極(21)とその下のゲート絶縁物(2
2)とによりイオン注入法、または熱拡散法を利用してソ
−ス(25)、ドレイン (24) が拡散される。この図2
(A)は、第1の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタの斜め上方に第2の薄膜型の絶縁ゲート型電界効
果トランジスタを設けたものである。しかし、この薄膜
型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタの配置、大きさ
およびそれぞれの配線は、設計の自由考に従ってなされ
るものである。
After that, the second semiconductor layer (1
1), source (25), channel forming region (29), drain (2
4) is formed to a thickness of 0.1 μm to 2 μm, and selectively removes unpaired bonds. In FIG. 2A, the one thin film type insulated gate field effect transistor has a gate electrode (11) and the source (25) of another second thin film type insulated gate field effect transistor. ), A drain (24), and a channel formation region (29). Using the gate electrode (11) as a mask, the source (5) and the drain (6) of the first thin film type insulated gate field effect transistor are formed by the ion implantation method. Of course, a thermal diffusion method may be used. Further, as is apparent from FIG. 2A, the gate electrode 11 is connected to the second thin film type source 25 through the field insulator 3 not shown. There is. The second thin film type insulated gate field effect transistor has a structure in which after the third semiconductor layer (21) is formed, the gate electrode (21) and the gate insulator (2) below it are formed.
By 2), the source (25) and the drain (24) are diffused by using the ion implantation method or the thermal diffusion method. This Figure 2
In (A), a second thin film type insulated gate field effect transistor is provided obliquely above the first thin film type insulated gate field effect transistor. However, the layout, size, and wiring of each thin-film type insulated gate field effect transistor are made according to free design considerations.

【0020】さらに、図2(B)に示すように抵抗、キ
ャパシタを同時に同一基板に作り、また保護ダイオ−ド
等のダイオ−ドを作ってもよい。図2(B)はシリコン
半導体基板(1) に対し、選択酸化によりフィ−ルド絶縁
物(3) を0.5 μmないし2μmの厚さに形成している。
加えて、半導体等のゲート電極(11)、(11') を設け、ソ
−ス(5) 、ドレイン(6) 、ソース(6) 、ドレイン(5) を
1019cm-3ないし1021cm-3の濃度にボロンまたはリン
を混入させてPチャネルまたはNチャネル薄膜型の絶縁
ゲート型電界効果トランジスタを形成させたものであ
る。不純物領域は、一方の薄膜型の絶縁ゲート型電界効
果トランジスタのドレイン(6) であり、他方の薄膜型の
絶縁ゲート型電界効果トランジスタのソ−ス(5) として
作用させたインバ−タの実施例である。さらに、この上
面にオ−バ−コ−ト用絶縁膜(10)は、0.5 μmないし2
μmの厚さに形成される。そして、このオーバーコート
用絶縁膜(10)の上面が平坦面であると、この上側に作る
第3の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタに対
し、微細加工が可能である。
Further, as shown in FIG. 2B, a resistor and a capacitor may be simultaneously formed on the same substrate, and a diode such as a protection diode may be formed. In FIG. 2B, a field insulator (3) is formed on the silicon semiconductor substrate (1) by selective oxidation to a thickness of 0.5 μm to 2 μm.
In addition, the gate electrodes (11) and (11 ') of semiconductor etc. are provided, and the source (5), drain (6), source (6) and drain (5) are connected.
Boron or phosphorus is mixed at a concentration of 10 19 cm -3 to 10 21 cm -3 to form a P channel or N channel thin film type insulated gate field effect transistor. The impurity region is the drain (6) of one thin film type insulated gate field effect transistor, and the inverter region is used as the source (5) of the other thin film type insulated gate field effect transistor. Here is an example. Further, an insulating film (10) for overcoat is formed on the upper surface of 0.5 μm to 2 μm.
It is formed to a thickness of μm. When the upper surface of the overcoat insulating film (10) is a flat surface, fine processing can be performed on the third thin film type insulated gate field effect transistor formed on the upper side.

【0021】この後、この上面に非単結晶半導体を0.2
μmないし2μmの厚さに形成する。この不純物濃度
は、1014cm-3ないし1016cm-3でP型とし、チャネル
形成領域(29)が動作状態で十分チャネルとして働くこと
を条件とさせる。さらに、フォトマスクにより、非単結
晶の抵抗をこの第3の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果ト
ランジスタのソ−スに連結し、リ−ド(38)につなげる。
ドレイン(37)は、キャパシタの下側電極(34)に連結す
る。この上面のゲート絶縁膜は、キャパシタの誘電体で
あり、かつ第3の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタのゲート絶縁物である。この上面にゲート電極(2
1)およびキャパシタの上側電極(36)を形成する。この実
施例では、これらをアルミニュ−ム金属とする。
Then, a 0.2% non-single crystal semiconductor is formed on the upper surface.
It is formed to a thickness of μm to 2 μm. The impurity concentration is 10 14 cm -3 to 10 16 cm -3, which is P-type, and is conditioned that the channel forming region (29) functions sufficiently as a channel in an operating state. Further, the non-single crystal resistor is connected to the source of the third thin film type insulated gate field effect transistor by the photomask and is connected to the lead (38).
The drain (37) is connected to the lower electrode (34) of the capacitor. The gate insulating film on the upper surface is the dielectric of the capacitor and the gate insulator of the third thin film type insulated gate field effect transistor. The gate electrode (2
1) and the upper electrode (36) of the capacitor is formed. In this embodiment, these are aluminum metals.

【0022】第3の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トラ
ンジスタにおける基板電極は、基板バイヤスが印加され
るように第1の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジ
スタのゲート電極に連結されている。そして、ゲート電
極(11)は、実質的に二つの薄膜型の絶縁ゲート型電界効
果トランジスタのチャネル状態を制御できるようにして
ある。もちろん、このチャネル形成領域(29)とゲート電
極(11)との間にゲート絶縁物が形成されるならば、第3
の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、下側
と上側にゲート電極を有するダブルゲート薄膜型の絶縁
ゲート型電界効果トランジスタとなる。もちろん、上側
のゲート電極を除去してもよい。加えて、同一基板にリ
−ドのみでなく、薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタのようなアクティブエレメントまたは抵抗、キャ
パシタさらにダイオ−ドを設けることもできる。加えて
これら複数のエレメントを集積化するならば、図1に示
したー層のみのエレメントの形成に対し、その2ないし
10倍の密度とすることが可能である。
The substrate electrode of the third thin film type insulated gate field effect transistor is connected to the gate electrode of the first thin film type insulated gate field effect transistor so that the substrate bias is applied. The gate electrode (11) can control the channel states of the two thin film type insulated gate field effect transistors substantially. Of course, if a gate insulator is formed between the channel forming region (29) and the gate electrode (11), the third
The thin film type insulated gate field effect transistor is a double gate thin film type insulated gate field effect transistor having gate electrodes on the lower side and the upper side. Of course, the upper gate electrode may be removed. In addition, not only leads but also active elements such as thin film type insulated gate field effect transistors, resistors, capacitors and diodes can be provided on the same substrate. In addition, if a plurality of these elements are integrated, it is possible to use the two or
It is possible to have a density of 10 times.

【0023】本実施例は、もちろん、この図2(A)、
(B)において、既に図1で詳述したように、熱酸化に
より脱気してしまった非単結晶半導体層に再び水素を添
加することをこれらのデバイスを完成させたり、または
大部分完成させた後、行なうことにより単結晶半導体で
の再結合中心を除去することのみならず、多結晶または
アモルファス特性の半導体または絶縁物体、さらにまた
は半導体と絶縁物体との界面に存在する界面準位を、不
活性気体で相殺または水素等により中和させる。以上の
説明において、これら図1、図2の半導体装置がキュア
された後、窒化珪素をプラズマ法で形成し、オ−バ−コ
−ト(40)をするのが好ましい。なぜなら、窒化珪素は、
水素ヘリウム等の原子に対してもマスク作用を有するた
め、一度半導体装置内に添加された水素等を封じて外に
出さないようにする効果があるからである。そのため外
部よりのナトリウム等の汚染防止に加えて信頼性向上の
効果が著しい。
In this embodiment, of course, this FIG.
In (B), adding hydrogen again to the non-single crystal semiconductor layer that has been degassed by thermal oxidation completes these devices or completes them in large part, as already detailed in FIG. After that, not only the recombination center in the single crystal semiconductor is removed by performing, but also the semiconductor or insulating object having a polycrystalline or amorphous characteristic, or the interface state existing at the interface between the semiconductor and the insulating object, Offset with an inert gas or neutralize with hydrogen or the like. In the above description, it is preferable that after the semiconductor devices of FIGS. 1 and 2 are cured, silicon nitride is formed by the plasma method and the overcoat (40) is performed. Because silicon nitride is
This is because it also has a masking effect on atoms such as hydrogen helium, which has the effect of sealing hydrogen once added to the semiconductor device and preventing it from going out. Therefore, the effect of improving the reliability is remarkable in addition to the prevention of sodium contamination from the outside.

【0024】本実施例は、これらの根本原因である再結
合中心の密度を単結晶でない非単結晶(多結晶またはア
モルファス)においても十分小さくすることを可能と
し、その結果初めて完成したものである。本実施例にお
いては、半導体材料としてはシリコン半導体を中心とし
て説明した。しかし、これはゲルマニュ−ム等の半導体
であっても同様である。加えて、半導体装置は、単に薄
膜型の絶縁ゲート型電界効果トランジスタに限定される
ことなく、バイポ−ラ型トランジスタまたはそれらを集
積化したIIL 、SIT 等のIC、LSI であっても同様であ
り、すべての半導体装置に対して有効である。
This embodiment makes it possible to sufficiently reduce the density of recombination centers, which is the root cause of these, even in non-single-crystal (polycrystal or amorphous) which is not a single crystal, and as a result, was completed for the first time. . In this embodiment, the semiconductor material has been mainly described as a silicon semiconductor. However, this is also the case with semiconductors such as germanium. In addition, the semiconductor device is not limited to a thin film type insulated gate field effect transistor, but may be a bipolar transistor or an IC or LSI such as an IIL or SIT in which they are integrated. , Effective for all semiconductor devices.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によれば、薄膜半導体装置におけ
るシリコン薄膜の厚さを0.01μmないし0.3μm
という薄さにしたにもかかわらず、基板から不純物の侵
入がなく、所望の特性を有するものが得られた。また、
シリコン薄膜に、水素またはハロゲン元素を添加するこ
とで、非単結晶半導体における不対結合手等による再結
合中心を中和させることができる。したがって、薄膜半
導体装置における電子またはホールの移動度は、単結晶
半導体と略同じにすることができた。
According to the present invention, the thickness of the silicon thin film in the thin film semiconductor device is 0.01 μm to 0.3 μm.
Despite the thinness, there was no invasion of impurities from the substrate, and those having desired characteristics were obtained. Also,
By adding hydrogen or a halogen element to the silicon thin film, recombination centers due to dangling bonds in the non-single crystal semiconductor can be neutralized. Therefore, the mobility of electrons or holes in the thin film semiconductor device can be made substantially the same as that of the single crystal semiconductor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(A)は薄膜型の絶縁ゲート型電界効果トラン
ジスタを説明するための縦断面図である。(B)はシリ
コン−オン−サファイア(SOS) の実施例である。
FIG. 1A is a vertical cross-sectional view for explaining a thin film type insulated gate field effect transistor. (B) is an example of silicon-on-sapphire (SOS).

【図2】(A)、(B)は、一つの薄膜型の絶縁ゲート
型電界効果トランジスタ(MIS-FET )における上側また
は上方面に対し、第2の薄膜型の絶縁ゲート型電界効果
トランジスタ(MIS-FET )を設けたものである。
2 (A) and 2 (B) show a second thin film type insulated gate field effect transistor (MIS-FET) with respect to the upper or upper surface of one thin film type insulated gate field effect transistor (MIS-FET). MIS-FET).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1・・・シリコン半導体基板 2・・・絶縁膜 3・・・フィールド絶縁物 4・・・チャネル形成領域 5・・・ソース 6・・・ドレイン 7・・・コンタクト 8・・・穴あけ 10・・・オーバーコート 11・・・ゲート電極 12・・・ゲート絶縁膜 13・・・絶縁膜 21・・・第3の半導体層(ゲート電極) 22・・・ゲート絶縁物 24・・・ドレイン 25・・・ソース 29・・・チャネル形成領域 34・・・下側電極 36・・・上側電極 37・・・ドレイン 38・・・リード 40・・・オーバーコート 1 ... Silicon semiconductor substrate 2 ... Insulating film 3 ... Field insulator 4 ... Channel formation region 5 ... Source 6 ... Drain 7 ... Contact 8 ... Drilling 10 ... -Overcoat 11 ... Gate electrode 12 ... Gate insulating film 13 ... Insulating film 21 ... Third semiconductor layer (gate electrode) 22 ... Gate insulator 24 ... Drain 25 ...・ Source 29 ・ ・ ・ Channel forming region 34 ・ ・ ・ Lower electrode 36 ・ ・ ・ Upper electrode 37 ・ ・ ・ Drain 38 ・ ・ ・ Lead 40 ・ ・ ・ Overcoat

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁表面を有する基板上にシリコン薄
膜、ソース、ドレインおよびゲート絶縁膜上のゲート電
極を備えた薄膜トランジスタにおいて、 前記シリコン薄膜の膜厚は、0.01μmないし0.3
μmであることを特徴とする薄膜半導体装置。
1. A thin film transistor comprising a silicon thin film, a source, a drain, and a gate electrode on a gate insulating film on a substrate having an insulating surface, wherein the silicon thin film has a thickness of 0.01 μm to 0.3 μm.
A thin film semiconductor device having a thickness of μm.
【請求項2】 請求項1記載のシリコン薄膜は、水素ま
たはハロゲン元素が添加されて多結晶半導体よりなるこ
とを特徴とする薄膜半導体装置。
2. A thin film semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon thin film is made of a polycrystalline semiconductor to which hydrogen or a halogen element is added.
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