JPH0851220A - Semiconductor material and its manufacture - Google Patents

Semiconductor material and its manufacture

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JPH0851220A
JPH0851220A JP23185995A JP23185995A JPH0851220A JP H0851220 A JPH0851220 A JP H0851220A JP 23185995 A JP23185995 A JP 23185995A JP 23185995 A JP23185995 A JP 23185995A JP H0851220 A JPH0851220 A JP H0851220A
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JP
Japan
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film
silicon
semiconductor material
amorphous silicon
laser
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Application number
JP23185995A
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Japanese (ja)
Inventor
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Kouyuu Chiyou
宏勇 張
Naoto Kusumoto
直人 楠本
Yasuhiko Takemura
保彦 竹村
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication of JPH0851220A publication Critical patent/JPH0851220A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To obtain a film-shaped semiconductor material high in mobility with excellent reproducibility by forming a specified protective film on an amorphous silicon film where each concentration of carbon, nitrogen, and oxygen is at a specified value or under, and applying a laser beam, etc., through the protective film, and performing annealing. CONSTITUTION:This semiconductor material consists of an amorphous silicon film 602 where any concentration of carbon, nitrogen, and oxygen is 5X 10<19>cm<-3> or over, and a protective film consisting of silicon oxides, silicon nitrides and /or silicon carbides made on the amorphous silicon film 602. This is such semiconductor material being obtained by the annealing which regularizes the amorphous silicon film 602 without fusing it by applying a laser beam or a strong beam equivalent to it through the protective film. For example, the thickness of the protective film is made 5-1000nm. And, after finishing the annealing, the protective film is removed, thus a thin film field-effect transistor, etc., are manufactured.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、珪素を主成分とす
る半導体材料およびその作製方法に関する。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。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor material containing silicon as a main component and a method for manufacturing the same. In particular, the present invention aims to improve the characteristics of a thin film silicon semiconductor material, and by using the semiconductor material according to the present invention, it becomes possible to manufacture a thin film semiconductor device (thin film transistor or the like) having improved characteristics.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art Conventionally, when 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 the present specification, the term "amorphous" does not mean purely disorder at the atomic level, but is also used to include a substance in which short-range order of several nm 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 essential carrier mobility of the semiconductor material.

【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ディスプ
レー等において有望な方法として注目されている。
When an amorphous semiconductor (amorphous silicon, amorphous germanium, etc.) is used, its fabrication can be carried out at a relatively low temperature of 400 ° C. or lower, so that it is a promising method for liquid crystal displays and the like which cannot adopt a high temperature process. Attention has been paid.

【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。) 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。
However, since a carrier mobility (electron mobility or hole mobility) of a pure amorphous semiconductor is extremely small, it is rarely used as it is, for example, as a channel forming region of a thin film transistor (TFT). Irradiate these amorphous semiconductor materials with intense light such as laser light or xenon lamp light, melt and recrystallize them, and transform them into crystalline semiconductor materials to improve their carrier mobility. (In the following text, this method is called "laser annealing", but it does not necessarily have to use a laser. It also includes the case of irradiating a powerful flash lamp as well as laser light irradiation. However, the carrier mobility of semiconductor materials conventionally obtained by the laser annealing method was generally smaller than that obtained by single crystal semiconductor materials. For example, in the case of a silicon coating, the highest reported electron mobility is 200 cm 2 / Vs, which is the electron mobility of single crystal silicon of 1350 cm 2 / Vs for 7 minutes. 1
There is nothing. Further, the characteristics (mainly the mobility) of the semiconductor material obtained by the laser annealing method are poor in reproducibility, and the variability of the mobility in the same film is large, and when a large number of elements are formed in the same plane, Due to the large variation in the characteristics of the obtained semiconductor elements, the yield of the products was significantly reduced.

【0005】[0005]

【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。
In the conventional laser annealing method, the present invention cannot be put to practical use because its mobility is extremely smaller than that of a single crystal semiconductor material and its reproducibility is poor. It is intended to improve the characteristics of a thin film semiconductor material. 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.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明による半導体材料
は、炭素、窒素、および酸素の濃度がいずれも5×10
19cm-3以下であるアモルファス珪素被膜と、該アモル
ファス珪素被膜上に形成された酸化珪素、窒化珪素およ
び/又は炭化珪素からなる保護被膜とから成り、前記ア
モルファス珪素被膜に前記保護被膜を介してレーザー光
もしくはそれと同等な強光を照射して、溶融させること
なく秩序化するアニールにより得られる。
The semiconductor material according to the present invention has carbon, nitrogen and oxygen concentrations of 5 × 10 5.
An amorphous silicon film having a size of 19 cm −3 or less and a protective film formed on the amorphous silicon film and made of silicon oxide, silicon nitride and / or silicon carbide. It can be obtained by irradiating laser light or strong light equivalent thereto and annealing to make order without melting.

【0007】さらに、本発明による半導体材料は、炭
素、窒素、および酸素の濃度がいずれも5×1019cm
-3以下であるアモルファス珪素被膜と、該アモルファス
珪素被膜上に形成された酸化珪素、窒化珪素および/又
は炭化珪素からなる保護被膜とから成り、前記アモルフ
ァス珪素被膜に前記保護被膜を介してレーザー光もしく
はそれと同等な強光を照射して、溶融させることなく秩
序化するアニールを施し、その後、水素を含む雰囲気中
で熱処理することにより得られる。
Furthermore, the semiconductor material according to the present invention has carbon, nitrogen, and oxygen concentrations of 5 × 10 19 cm.
-3 or less of an amorphous silicon coating and a protective coating formed on the amorphous silicon coating made of silicon oxide, silicon nitride and / or silicon carbide, and laser light is applied to the amorphous silicon coating through the protective coating. Alternatively, it can be obtained by irradiating strong light equivalent thereto and annealing for ordering without melting, and then performing heat treatment in an atmosphere containing hydrogen.

【0008】また、本発明による半導体材料の作製方法
は、炭素、窒素、および酸素の濃度がいずれも5×10
19cm-3以下であるアモルファス珪素被膜を形成する工
程と、該アモルファス珪素被膜上に酸化珪素、窒化珪素
および/又は炭化珪素からなる保護被膜を形成する工程
と、前記アモルファス珪素被膜に前記保護被膜を介して
レーザー光もしくはそれと同等な強光を照射して、溶融
させることなく秩序化するアニール工程とを有する。
Further, in the method for producing a semiconductor material according to the present invention, the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 5 × 10 5.
Forming an amorphous silicon film having a thickness of 19 cm -3 or less; forming a protective film made of silicon oxide, silicon nitride and / or silicon carbide on the amorphous silicon film; and forming a protective film on the amorphous silicon film. Laser light or intense light equivalent thereto to irradiate the laser beam through the laser beam to perform ordering without melting.

【0009】さらに、本発明による半導体材料の作製方
法は、炭素、窒素、および酸素の濃度がいずれも5×1
19cm-3以下であるアモルファス珪素被膜を形成する
工程と、該アモルファス珪素被膜上に酸化珪素、窒化珪
素および/又は炭化珪素からなる保護被膜を形成する工
程と、前記アモルファス珪素被膜に前記保護被膜を介し
てレーザー光もしくはそれと同等な強光を照射して、溶
融させることなく秩序化するアニール工程と、その後、
水素を含む雰囲気中で熱処理を行う工程とを有する。
Further, in the method for producing a semiconductor material according to the present invention, the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 5 × 1.
A step of forming an amorphous silicon film having a thickness of 0 19 cm -3 or less; a step of forming a protective film made of silicon oxide, silicon nitride and / or silicon carbide on the amorphous silicon film; An annealing step of irradiating laser light or strong light equivalent thereto through the coating to order without melting, and then,
And a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】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。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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION 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 inventors obtained these numerical values by paying attention to the Raman peak center value, Raman peak width, Raman peak height, etc. of the obtained semiconductor film in the study of the laser annealing method. It has been found to have a very close relationship with the semiconductor thin film used. For example, in single crystal silicon, a Raman peak exists at 521 cm −1, but the Raman peak of the laser-annealed silicon coating tends to move to a shorter wave number (long wavelength) side. . Then, it was discovered that there is a strong correlation between the central value of the Raman peak at this time and the carrier mobility of the obtained semiconductor thin film.

【0011】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515
cm-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。
FIG. 1 is an example showing this relationship. The center value of the Raman peak (horizontal axis) and the electron mobility (vertical axis) of the film obtained by laser annealing the amorphous silicon film. Shows the relationship. The electron mobility is a value obtained by forming a TFT with a silicon film and measuring its CV (capacitance-voltage) characteristic. As is clear from the figure, the center value of Raman peak is 515.
A large difference can be seen in the behavior of electron mobility from the cm -1 boundary. That is, at 515 cm -1 or less, the Raman peak dependency of electron mobility is small, but at 515 cm -1 or more, the electron mobility rapidly increases with the increase in the center value of the peak.

【0012】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、515
cm-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。
This phenomenon clearly indicates that there are two phases. According to the research conducted by the present inventors, 515
At cm -1 or less, the film is not melted even by laser annealing, and atomic ordering proceeds in the solid phase. At 515 cm -1 or more, the film is melted by laser annealing and is in a liquid phase state. It is presumed to have been solidified through.

【0013】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。
The center 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 electron mobility obtained was about 200 cm 2 / Vs. However, it is difficult to obtain a silicon film having such a high electron mobility with good reproducibility, and even if laser annealing is intended to be performed under the same conditions, the crystalline state seems to be slightly different and the mobility is 100 cm 2. / V ・
The majority of cases were less than 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.

【0014】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、20
0cm2 /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、1
0cm2 /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。
The fact that high mobility cannot be obtained with good reproducibility is due to the fact that, for example, when performing laser annealing of 200 amorphous silicon films under the same conditions,
0cm 2 / V · s or more 3 pieces, 100cm 2 / V
・ Seven or more and less than 200 cm 2 / V ・ s 11
This is supported by the results of 61 pieces having a size of 0 cm 2 / V · s or more and less than 100 cm 2 / V · s and 125 pieces having a size of less than 10 cm 2 / V · s.

【0015】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。
It is considered that the reason is that the output of the laser varies considerably from pulse to pulse and that the optimum conditions for laser annealing are in an extremely narrow range. For example, if the laser output is too low, the amorphous silicon will not melt, and if the laser output is too high,
It is observed that recrystallization does not occur well and becomes amorphous.

【0016】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。
Furthermore, in addition to these reasons, the present inventors have found that the presence of foreign elements such as oxygen, nitrogen and carbon in the film is
I suspected that this might have caused a decrease in reproducibility.
The film used in the experiment shown in FIG. 1 contained oxygen atoms as much as 2 × 10 21 cm −3 as measured by measurement after laser annealing. It is considered that this is due to some kind of intrusion when the amorphous silicon was formed. Only traces of nitrogen and carbon were observed. Therefore, while keeping the source gas, the chamber, the exhaust system, etc., sufficiently clean at the time of forming the amorphous silicon film, a small amount of oxygen is intentionally added to the atmosphere to control the amount of oxygen atoms present in the film, The obtained coating was laser-annealed, and the relationship between the center value of the Raman peak and electron mobility was investigated.

【0017】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。
However, in this specification, the concentration of these different elements means the concentration of the central portion of the film. because,
The concentration of these foreign elements is extremely high in the coating substrate or in the vicinity of the coating surface, but the foreign elements present in these regions have a great influence on the carrier mobility which is a problem in the present invention. Because I thought it would not be given. The part of the film where the concentration of these dissimilar elements is the lowest is the central part of the film in a normal film, and the central part of the film is considered to play an important role in semiconductor devices such as field effect transistors. Because it will be done. For the above reasons, in the present invention, the term "concentration of a different element" is defined as the concentration of the central portion of the coating.

【0018】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。
This is shown in FIG. As is clear from FIG. 2, it was possible to significantly improve the electron mobility by reducing the oxygen concentration in the film. This tendency was the same even when the film contained carbon or nitrogen. The reason for this is that, when the film contains many oxygen atoms, when the film is melted and recrystallized by laser annealing, the part with few oxygen atoms grows as a crystal nucleus to grow crystals. However, the oxygen atoms contained in the film are driven to the periphery as the crystal grows and precipitate at the grain boundaries.Therefore, when viewed throughout the film, the mobility is small due to the barrier that occurs at the grain boundaries. It is said that laser annealing causes oxygen atoms or a region having a high concentration of oxygen atoms (generally considered to have a melting point higher than that of pure silicon) to serve as crystal nuclei for crystal growth, but the number of oxygen atoms is large. In this case, it is proposed that many crystal nuclei are generated, so that the size of each crystal is reduced, the mobility is low, and the crystallinity is impaired.

【0019】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、1000c
2 /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。
In any case, an 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 , 1000 c
A large electron mobility of m 2 / V · s was obtained. Similar effects could be obtained by reducing the concentration of nitrogen and the concentration of carbon in addition to the oxygen concentration. further,
A similar tendency was obtained for hole mobility.

【0020】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。
Further, the curve of the position of the Raman peak and the electron mobility shows a bent state as in the case of FIG. 1 regardless of whether the oxygen concentration is high or low. The present inventors presumed that the region on the right side of the dotted line in FIG. 2 was once melted and then recrystallized by laser annealing, and named this region the melt-recrystallized region. A large mobility was obtained in this melt-recrystallization region.

【0021】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、1000cm
2 /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。
However, obtaining such high mobility with good reproducibility has not been particularly improved. For example, 100 amorphous silicon films in which the amount of oxygen atoms in the film is 1 × 10 19 cm −3 or less are formed, and 1000 cm
Even though the laser annealing was intended to be performed under the same conditions that 2 / V · s was obtained, the electron mobility exceeded 100 cm 2 / V · s in only 9 cases. Observation of the coating film after laser annealing showed that the laser output was too large and could not be crystallized well, resulting in re-amorphization in many cases.

【0022】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1
00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。
In FIG. 2, the region on the right side of the dotted line is shown as a melting-recrystallizing region. Actually, however, it is extremely unlikely that data of this region can be obtained,
Rather, it became clear that it is not desirable because the probability of failure is high. On the other hand, the present inventors have found that a high mobility can be obtained by reducing the concentrations of oxygen, nitrogen, and carbon in the region existing on the left side of the melt-recrystallization region. This is shown in Figure 2,
For example, by setting the oxygen concentration to 1 × 10 19 cm −3 or less, a maximum electron mobility of 100 cm 2 / V · s could be obtained. If we add further, it is not difficult to obtain this degree of mobility, for example, 1
When 00 amorphous silicon films were laser-annealed, 72 films were 80 cm 2 / V · s or more.

【0023】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。
The inventors of the present invention did not melt the amorphous silicon film in this region, and some lattice ordering occurred in the solid state or in the intermediate state between the solid phase and the liquid phase, and a certain long periodicity was obtained. I believe that The present inventors 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 when the concentration of elements such as oxygen, nitrogen, and carbon is low in this solid-phase ordered region, but it is estimated as follows. ing.

【0024】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。
That is, although there is no melting process in this solid-phase ordered region, atoms that have absorbed the light energy or heat energy of the laser beam move to move to the lowest energy state, that is, the crystalline state. . However, since it does not go through the melting process, it does not reach complete crystallization, and there are some ordered regions of several nm to several tens of nm in some places, and a normal amorphous state is present between these regions. it is conceivable that. This state is very different from the polycrystalline state which has passed the usual molten state. That is, in the process of recrystallizing after passing through the molten state, crystal nuclei are generated in the liquid phase and grow to grow to the surroundings, which causes a part where the crystals collide with each other. Becomes the grain boundary. At the grain boundaries, lattice defects and impurities are deposited, and ionized and polarized. Therefore, in many cases, a barrier against carriers is generated.

【0025】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。
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 its electrical characteristics.

【0026】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10
0cm2 /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。
As is clear from FIG. 2, for example, when the oxygen concentration is 1 × 10 19 cm −3 or less, the electron mobility is 10
Although it is about 0 cm 2 / V · s, the center value of Raman peak at that time is far from that of single crystal silicon (521 cm −1 ), and the crystallinity may not be close to that of single crystal. It's obvious. This is supported by other data shown later.

【0027】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(FWHM)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、ここでは半値
幅比(FWHM RATIO)とよぶ。FWHM RA
TIO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。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。
The inventors have further discovered that a similar trend is found in the Raman peak full width at half maximum (FWHM). This state is shown in FIG. The horizontal axis of FIG. 3 is
The full width at half maximum of the Raman peak of the laser annealed film is divided by the full width at half maximum of single crystal silicon, and here it is called the full width at half maximum (FWHM RATIO). FWHM RA
It is considered that the smaller TIO is, the closer it is to 1 and the closer the structure is to single crystal silicon. As is clear from the figure, there is 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 center value of the peak, the smaller the oxygen concentration in the film, the higher the electron mobility, and a similar tendency was found in the concentrations of nitrogen and carbon in addition to the oxygen concentration. That is, the smaller the concentration of these, the higher the electron mobility obtained. further,
A similar tendency was observed in hole mobility.

【0028】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、INTENSITY
RATIOと呼ぶ。INTENSITY RATIO
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。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。
Further, the inventors of the present invention have found that the Raman peak has a close correlation with the electron mobility with respect to the intensity of the peak caused by the amorphous component in the film. 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) ) Divided by
Call it RATIO. INTENSITY RATIO
Regarding, also in the solid-phase ordered region (right side of the dotted line in the figure), the smaller the amount of oxygen contained in the film, the higher the electron mobility. Similar tendency was observed not only in oxygen concentration but also in nitrogen and carbon concentrations. That is, the smaller the concentration of these, the higher the electron mobility obtained. Furthermore, the same tendency was observed in hole mobility.
In this case as well, as in the case of FIGS. 2 and 3, the left side of the dotted line in FIG. 4 is considered to be the melt-recrystallization region.

【0029】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5
0cm2 /V・s以上、1×1019cm2 /V・s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。
As described above, it has been clarified that in order to improve the carrier mobility, the amounts of oxygen, nitrogen and carbon in the film should be reduced. In particular, the present inventors set the amount of each of these elements to 5 × 10 19 cm −3 or less, preferably 1 × 10 19 cm −3 or less, thereby avoiding a melting process with a high probability of failure. Then, the solid-phase ordering process with a higher yield has a probability of 80% at maximum, for example, the concentration of the different element is 5 × 10 19 cm −3.
By setting the following, the electron mobility of the silicon film is 5
It has been found that a value as high as 100 cm 2 / V · s can be obtained by setting it to 0 cm 2 / V · s or more and 1 × 10 19 cm 2 / V · s or less. Further, a hole mobility of 30 to 80 cm 2 / V · s could be stably obtained by the same method.

【0030】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。
As described above, by reducing the concentration of different elements in the film, carrier movement in a special state (which we call the semi-amorphous state) through the solid phase ordering process. It turns out that it is possible to improve the degree. In order to realize the semi-amorphous state, it is a necessary condition that the film is not in a molten state. Therefore, for a long time, the temperature of the portion irradiated with the laser is equal to or lower than the melting point of the semiconductor, that is,
In the case of silicon, it is required to be 1400 ° C under atmospheric pressure, and in the case of germanium, it is necessary to be 1000 ° C or less under atmospheric pressure. However, for example, in a very short time of 10 nanoseconds as realized by an excimer laser, even if a temperature instantaneously exceeding 2000 ° C. is spectroscopically observed, the melting of the coating film does not occur. It can happen that it is not observed, and this definition of temperature does not really make sense.

【0031】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(1×1016
cm-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。
As described above, in order to obtain a high mobility, it is effective to reduce the concentration of different elements. For example, the concentration of these elements is 1 × 10 16 cm.
Setting it to -3 or less means that the concentration of these elements is extremely low (1 × 10 16 in an environment with a very high degree of vacuum).
cm -3 or less) be performed laser annealing to an amorphous semiconductor film, it is not easily achieved. this is,
Oxygen gas, nitrogen gas, moisture, carbon dioxide, etc. contained in the atmosphere in trace amounts are taken into the film during laser annealing, or these gases adsorbed on the surface of the film are removed during laser annealing. It is speculated that it was taken in.

【0032】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。
A special manufacturing method is required to avoid these difficulties. One method is that the concentration of oxygen, nitrogen and carbon is extremely low, for example, 10 15 cm -3.
A protective film of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide or the like is formed so as to cover the surface of the following amorphous semiconductor film, and thereafter,
By performing laser annealing in a vacuum atmosphere (10 −4 torr or less), it is possible to form a semiconductor film having extremely low oxygen, nitrogen, and carbon concentrations and high mobility. For example, the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 1 × 10 15 cm −3 or less and the electron mobility is 300 cm 2 /
A V · s silicon coating was obtained.

【0033】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。
When forming a protective film of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide or the like covering the surface of the amorphous semiconductor film, the amorphous semiconductor film is formed by, for example, a CVD method or a sputtering method in a chamber having one vacuum device. After forming the film, a method of continuously forming a film by changing the atmosphere in the same chamber or by once setting an extremely high vacuum state and then setting an atmosphere suitable for film formation is suitable. However, more product yield,
In order to improve reproducibility and reliability, it is desirable to prepare a dedicated chamber for forming each coating and move each chamber while keeping the product in an extremely high vacuum. . The selection of these film forming methods is made according to the scale of capital investment. Whichever method is adopted, it is important that oxygen, nitrogen, and carbon contained in the underlying amorphous semiconductor film are sufficiently small.
And that no gas is adsorbed at the interface between the amorphous semiconductor and the protective film on it. For example, even if an extremely pure amorphous semiconductor film is formed, once the film is exposed to the air and then a silicon nitride film is formed thereon, the film carrier obtained by laser annealing is performed. Mobility is generally small,
In addition, the probability that a large mobility is obtained is extremely small. It is considered that this is because the gas is adsorbed on the surface of the amorphous semiconductor film and diffuses into the film during the subsequent laser annealing.

【0034】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。
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, and the chemical formula SiN x O y in which these are mixed is used. C z (0 ≦ x ≦ 4/3, 0 ≦
The material may include a material represented by y ≦ 2, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ 3x + 2y + 4z ≦ 4). Moreover, the thickness was suitable to be 5 to 1000 nm.

【0035】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。
The present invention provides high carrier mobility by reducing the concentration of oxygen, nitrogen and carbon in the amorphous semiconductor film and by reducing the concentration of oxygen, nitrogen and carbon present during laser annealing. It was clarified that a semiconductor film having the above is obtained. 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 the measurement, and It is not possible to obtain the mobility in each minute portion of the. However,
As is apparent from FIGS. 1 to 4 of the present invention and the description related thereto, the carrier mobility is 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 peak. It was clarified that it can be uniquely determined from the parameters such as the intensity of. Therefore, from the information obtained by Raman spectroscopy, the mobility of a minute area where the mobility cannot be directly measured is
Approximate mobility can be estimated.

【0036】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101
cm2 /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(FW
HM)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。図から明らかなように電
子移動度が101cm2 /V・sのものはFWHMが大
きく、しかもその変動は大きくない。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
あった。
FIG. 5 is a semi-amorphous silicon formed through a solid phase ordering process and having an electron mobility of 101.
cm 2 / V · s, and half of the Raman peak in each part of the channel formation region of a field effect transistor having a channel formation region having an electron mobility of 201 cm 2 / V · s formed through the melting process. Price range (FW
HM) 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, which is 100 μm. X represents the coordinates of the channel formation region, X / L = 0 is the interface of the channel formation region with the source region, X / L = 1 is the interface of the channel formation region with the drain region, and X / L = 0.5 represents the center of the channel formation region. As is clear from the figure, the one having an electron mobility of 101 cm 2 / V · s has a large FWHM, and its fluctuation is not large. The smaller the FWHM, the closer the crystallinity of the film is to that of a single crystal, and thus the higher the electron mobility, as described in FIG. 3 and the related description, and this data situation is not inconsistent therewith. However, the small variation (location dependency) of FWHM with location indicates that the crystallinity of the coating is almost the same regardless of location. The oxygen concentration of this coating was about 1 × 10 19 cm -3 .

【0037】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FWH
M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。
On the other hand, the electron mobility is 201 cm 2 / V · s.
The same had an oxygen concentration of 1 × 10 19 cm −3 . As is clear from the figure, the FWHM was generally reduced, but the FWHM was highly location-dependent. And depending on the location, the electron mobility may be FWHM even for single crystals.
FWH equal to or smaller than (4.5 cm -1 )
The value of M is shown and it is suggested that the electron mobility of that portion is as high as that of a single crystal. This means that a portion having crystallinity equivalent to that of single crystal silicon is localized in the same film. Means However, when mass-produced as a device, it is not desirable to use a material whose characteristics greatly differ depending on the location, no matter how large the mobility is. In particular, as the size of the device becomes smaller, non-uniformity, which has not been a problem because it has been averaged up to that point, becomes noticeable, which causes a significant decrease in device yield.

【0038】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 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、YA
G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。
On the other hand, the electron mobility is 101 cm 2 /
As is clear from the figure, Vs (semi-amorphous) generally has little FWHM location dependency. This leads to an improvement in yield in mass production of devices, and it is indicated that it is suitable as a material. To obtain high carrier mobility, reduce the concentration of different elements in the film as described above. At the same time, laser annealing conditions must be optimized. The conditions of the laser annealing differ depending on the laser oscillation conditions (continuous oscillation or pulse oscillation, repetition frequency, intensity, wavelength, film, etc.) and cannot be generally stated. As a laser, an ultraviolet laser such as an excimer laser, YA
Visible and infrared lasers such as G laser can be used, and it is necessary to select depending on the thickness of the film to be laser annealed. That is, generally in silicon or germanium materials, the absorption length for ultraviolet rays is short,
Laser light does not penetrate deeply, and laser annealing occurs only in a relatively shallow area of the surface. On the other hand, the absorption length for visible light and infrared light is long, and the light penetrates relatively to the inside, so that the laser annealing occurs even in the deep portion.

【0039】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。
As an additional matter, after laser-annealing the semiconductor film, 200-600 in a hydrogen atmosphere is performed.
Annealing at C for 10 minutes to 6 hours was effective to obtain high carrier mobility with good reproducibility.
This is because solid-state ordering occurs in a specific region by laser annealing, and at the same time, dangling bonds (tangling bonds) remain in the remaining amorphous region, or laser annealing It is thought that this is newly caused by the fact that it functions as a barrier against carriers. When the semiconductor contains a large amount of oxygen, nitrogen, carbon, etc., these fill the dangling bond, but when the concentration of oxygen, nitrogen, carbon, etc. is extremely low as in the present invention, the dangling bond is reduced. The ring bond cannot be filled and therefore requires annealing in a hydrogen atmosphere after laser annealing.

【0040】[0040]

【実施例】【Example】

〔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200
W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×500
μm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。
Example 1 A TFT having a planar structure was produced 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). No hydrogen or other gases were intentionally added to the argon. The concentration of argon was 99.99% or more. Input power is 200
At W, the RF frequency was 13.56 MHz. After that, this amorphous silicon film is coated with 100 μm × 500
An amorphous silicon film 602 was obtained by etching into a rectangle of μm.

【0041】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。
It was confirmed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) that the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in this coating were all 10 19 cm -3 or less.

【0042】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248
nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネルギー200m
J、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。
Then, this film is placed in a vacuum vessel having a pressure of 10 -5 torr, and an excimer laser beam (KrF laser, wavelength 248) is passed through a quartz window provided in the vacuum vessel.
nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 200 m
J, irradiation pulse number of 50 shots), and laser annealing was performed.

【0043】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(1
3.56MHz)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。
Further, a gate insulating film 603 having a thickness of about 100 nm was formed on this by a sputtering method in an oxygen atmosphere. The substrate temperature at this time is 150 ° C., and RF (1
3.56 MHz) The input power was 400W. The atmosphere was essentially oxygen and no other gases were intentionally added. The oxygen concentration was 99.9% or more. The pressure is 0.
It was 5 pa.

【0044】その後、アルミニウム膜(厚さ200n
m)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。
After that, an aluminum film (thickness 200 n
m) was formed by a known vacuum evaporation 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.

【0045】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。
Then, by ion implantation, boroso ions were implanted at 10 14 cm -2 except for the gate electrode portion. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist thereabove serve as a mask, and borosoions are not implanted. By this step, the impurity regions, that is, the source region 606 and the drain region 607 were formed in the silicon film. This is shown in FIG. 6 (B).

【0046】さらに、基板全体を真空容器中に置き、1
-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。
Further, the whole substrate is placed in a vacuum container, and 1
Laser annealing was performed by irradiation 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 0 −5 torr. By this step, the impurity regions which were ion-implanted and made amorphous were made semi-amorphous.

【0047】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。
Then, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
After exhausting to 10 -6 torr with a turbo molecular pump and 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, and the substrate is annealed at 300 ° C for 60 minutes. did. Here, what was evacuated once was the gas adsorbed on the film.
This is to remove water and the like. It has been empirically known that if thermal annealing is performed with these remaining, high mobility cannot be obtained with good reproducibility.

【0048】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。
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 steps.

【0049】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98
cm2 /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。 〔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100
nm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13.56M
Hz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。
As a result of measuring the CV characteristics of this field effect transistor, the electron mobility in the channel formation region is 98.
It was cm 2 / V · s. Furthermore, the threshold voltage (threshold voltage) was 4.8V. In addition, oxygen in the channel formation region of this field effect transistor,
As a result of measuring the concentrations of nitrogen and carbon by SIMS, both were 1 × 10 19 cm −3 or less. Example 2 A TFT having a planar structure was produced and its electrical characteristics were evaluated. First, a thickness of about 100 including phosphorus with a concentration of 3 × 10 17 cm −3 was formed by a normal RF sputtering method.
nm amorphous silicon film was formed. With this film thickness, the entire film is annealed by the KrF laser beam (248 nm) used for the later 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). No hydrogen or other gases were intentionally added to the argon. The concentration of argon was 99.99% or more. Input power is 200W, RF frequency is 13.56M
It was Hz. Then, this amorphous silicon film was etched into a rectangle of 100 μm × 500 μm.

【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。
It was confirmed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) that the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in this coating were all 10 19 cm -3 or less.

【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(13.5
6MHz)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。
Further, a gate insulating film having a thickness of about 100 nm was formed on this by a sputtering method in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature is 150 ° C., RF (13.5
Input power was 400W. The atmosphere was essentially oxygen and no other gases were intentionally added. The oxygen concentration was 99.9% or more. The pressure was 0.5 pa.

【0052】その後、アルミニウム膜(厚さ200n
m)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。
After that, an aluminum film (thickness 200 n
m) was formed by a known vacuum evaporation 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 dry etching was left on the gate electrode.

【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。
Then, by ion implantation, boroso ions were implanted at 10 14 cm -2 except for the gate electrode portion. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist thereabove serve as a mask, and borosoions are not implanted. By this step, the impurity regions, that is, the source region and the drain region were formed in the silicon coating.

【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。
Further, the whole substrate is placed in a vacuum container, and 10
Excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 100 mJ, irradiation pulse number 50 shots) was irradiated from the back surface of the substrate at a pressure of −5 torr to perform laser annealing. By this step, the amorphous silicon film was made semi-amorphous. In this method, unlike the case of the first embodiment, the source or drain region and the channel formation region are semi-amorphized at the same time. Therefore, according to the method of Example 1, many defects were generated at the interface between the source region or the drain region and the channel formation region, but an interface with few defects and continuous crystallinity was obtained.

【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1
00torr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。
Then, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
The gas was once evacuated to 10 −6 torr by a turbo molecular pump and further heated to 100 ° C. This state is 30
After keeping for 1 minute, hydrogen gas with a purity of 99.99% or more is
Introduced into the chamber up to 00 torr, 300 substrate
Annealed at C for 60 minutes. Here, the vacuum evacuation is performed once in order to remove gas, moisture, etc. adsorbed on the coating. It has been empirically known that if thermal annealing is performed with these remaining, high mobility cannot be obtained with good reproducibility.

【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。
Finally, holes were made in the silicon oxide film (thickness 100 nm) existing on the source region and the drain region, and aluminum electrodes were formed in these regions. A field effect transistor was formed by the above steps.

【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11
2cm2 /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。
As a result of measuring the CV characteristics of this field effect transistor, the electron mobility of the channel formation region is 11
It was 2 cm 2 / V · s. Furthermore, the threshold voltage (threshold voltage) was 3.9V. It is considered that the threshold voltage was improved (decreased) as compared with Example 1 because the impurity region and the channel formation region were uniformly crystallized at the same time by performing laser annealing from the back surface. Also, turn on / off the gate voltage
At that time, the ratio of drain current was 5 × 10 6 .

【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515c
-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。
The concentrations of oxygen, nitrogen, and carbon in the channel formation region of this field effect transistor were measured by SIMS, and as a result, all were 1 × 10 19 cm -3 or less. Further, when the channel formation region was measured by Raman spectroscopy, the center value of Raman peak was 515c.
m- 1 and a half-value width of Raman peak were 13 cm- 1 , and the presence of silicon that was once melted and then recrystallized was not particularly observed, and it was confirmed to be in a semi-amorphous state.

【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。
Example 3 A TFT having a planar structure was produced 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 formed on a quartz substrate coated with a silicon nitride film having a thickness of 10 nm. It was formed continuously. The amorphous silicon film was formed by a normal sputtering method, and the silicon nitride film was formed by a glow discharge plasma CVD method.

【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5×10-2
orr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。
First, the substrate was set in the first preliminary chamber, the preliminary chamber was heated to 200 ° C., the chamber was evacuated, and the pressure in the preliminary chamber was kept at 10 −6 torr or less for 1 hour. Then, except during film formation, the first chamber, which is kept at 10 -4 torr or less at all times and is controlled so that the outside air does not enter, is evacuated to 10 -6 torr and the substrate is moved from the preliminary chamber to the first chamber. Place the substrate in the chamber, evacuate the substrate and the target at 200 ° C, and keep the chamber pressure at 10 -6 torr or less.
Held for hours. Then, argon gas was introduced into the chamber, RF plasma was generated, and sputtering film formation was performed. As a target for sputtering, a silicon target having a purity of 99.9999% or higher is used and 1 ppm of phosphorus is contained. The substrate temperature during film formation was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 5 × 10 -2 t.
It was orr. No hydrogen or other gases were intentionally added to the argon. Argon concentration is 99.9999
% Or more. The input power was 200 W and the RF frequency was 13.56 MHz.

【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1
-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。
After the film formation was completed, the RF discharge was stopped and the first chamber was evacuated to 10 -6 torr. Then, the second auxiliary chamber, which is kept between 10 -5 torr and below, is installed between the first chamber and the second chamber.
The chamber was evacuated to 0 -6 torr and the substrate was transferred from the first chamber to the second preliminary chamber. Furthermore, except during film formation, the second chamber, which is always kept at 10 -4 torr or less and is controlled so that outside air does not enter, is evacuated to 10 -6 torr, and the substrate is moved from the second preliminary chamber. The substrate is set in the second chamber and the substrate and the target are set to 200
While maintaining the temperature at C, the chamber was evacuated and the pressure in the chamber was kept at 10 -6 torr or less for 1 hour.

【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2
00Wであった。
Then, ammonia gas and disilane gas (Si 2 H 6 ) having a purity of 99.9999% or more diluted with hydrogen were introduced into the second chamber at a ratio of 3: 2,
The total pressure was 10 -1 torr. Then, an RF current was introduced into the chamber to generate plasma and deposit silicon nitride. Input power (13.56MHz) is 2
00W.

【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。
After the film formation was completed, the RF discharge was stopped and the second chamber was evacuated to 10 -6 torr. Then, the second
Third chamber with quartz window on one side of the chamber
Was evacuated to 10 −6 torr and the substrate was transferred from the second chamber to the third preliminary chamber. Then, the excimer laser light (KrF) is passed through the window of the third auxiliary chamber.
Laser annealing was performed by irradiating a laser with a wavelength of 248 nm, a pulse width of 10 nanoseconds, an irradiation energy of 100 mJ, and an irradiation pulse number of 50 shots. Thus, the amorphous silicon film was semi-amorphized.

【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。
As described in this embodiment, the method of continuously performing the laser annealing without breaking the vacuum state from the film-forming state as described above has a protective film on the amorphous semiconductor film. Even when it was formed, or when the protective film was not formed as in Examples 1 and 2, it was extremely effective. The reason for this is, of course, when the material that becomes the nucleus of crystal growth such as dust adheres or is scratched on the film, but it is only adsorbed by water or gas, and the laser This is because the film is easily polycrystallized by annealing. In addition, the film may be subjected to non-uniform stress during the transition from the vacuum state to the atmospheric pressure state, and small changes in the film surface, protrusions, etc. that occur at that time easily become nuclei for polycrystallization. I think this is because it ends up.

【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。
When the film formation and the laser annealing are continuously performed in this way, the film formation chamber and the auxiliary chamber are provided as in the present embodiment, and the window is provided in the auxiliary chamber to perform the laser annealing. A method or a method in which a window is provided in the film formation chamber and laser annealing is performed after the film formation in the film formation chamber is completed, but in the latter case, since the window becomes cloudy due to film formation, the film that always adheres to the window is etched. The former does not have to, whereas the former has to. Therefore, it can be said that the former method is superior in consideration of mass productivity and maintainability.

【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。
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】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。
The oxygen, nitrogen, and carbon concentrations of this coating are all 10 16 cm -3 or less, which means that another coating prepared in the same step was subjected to secondary ion mass spectrometry (SIMS).
Confirmed by analyzing by.

【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(13.5
6MHz)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。
Further, a gate insulating film having a thickness of about 100 nm was formed on this by a sputtering method in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature is 150 ° C., RF (13.5
Input power was 400W. The sputtering target was silicon oxide having a purity of 99.9999% or higher. The atmosphere was essentially oxygen and no other gases were intentionally added. The oxygen concentration was 99.999% or more. The pressure was 5 × 10 -2 torr.

【0069】その後、アルミニウム膜(厚さ200n
m)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。
After that, an aluminum film (thickness 200 n
m) was formed by a known vacuum evaporation 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 dry etching was left on the gate electrode.

【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。
Then, by ion implantation, boroso ions were implanted at 10 14 cm -2 except for the gate electrode portion. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist thereabove serve as a mask, and borosoions are not implanted. By this step, the impurity regions, that is, the source region and the drain region were formed in the silicon coating.

【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。
Further, the whole substrate is placed in a vacuum container and 10
Excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 50 mJ, irradiation pulse number 50 shots) was irradiated from the back surface of the substrate at a pressure of −5 torr to perform laser annealing.
By this step, the amorphous silicon film in the impurity region which was made amorphous by the ion implantation step was made semi-amorphous.

【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。
This method is the same as that of the first embodiment in that the laser annealing is performed in two steps, but the second laser annealing is performed from the back surface of the substrate, so that the impurity region and the channel forming region are continuously formed. For connection purposes. However, unlike the method of Example 2, the reason for purposely performing the first laser annealing for forming the channel formation region is that when the laser annealing is performed by the ultraviolet laser, the laser irradiation surface is annealed, but the deep portion There is a high possibility that it will not happen or that a high mobility state will not be obtained,
This is because the product yield may be reduced. Therefore, in order to improve the yield of the product, in this embodiment, the laser is first irradiated from the front surface of the amorphous silicon film, and then the laser is also irradiated from the rear surface of the substrate so that the channel formation region and the impurity region are continuously irradiated. The method of obtaining a joint was adopted.

【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1
00torr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。
Then, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
The gas was once evacuated to 10 −6 torr by a turbo molecular pump and further heated to 100 ° C. This state is 30
After keeping for 1 minute, hydrogen gas with a purity of 99.99% or more is
Introduced into the chamber up to 00 torr, 300 substrate
Annealed at C for 60 minutes. Here, the vacuum evacuation is performed once in order to remove gas, moisture, etc. adsorbed on the coating. It has been empirically known that if thermal annealing is performed with these remaining, high mobility cannot be obtained with good reproducibility.

【0074】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。
Finally, holes were made in the silicon oxide film (thickness 100 nm) existing on the source region and the drain region, and aluminum electrodes were formed in these regions. A field effect transistor was formed by the above steps.

【0075】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10
0cm2 /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。
As a result of producing 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. Furthermore, 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 10
When 0 cm 2 / V · s, the threshold voltage reference value is 5.0 V, and the drain current ratio reference value is 1 × 10 6 , the pass / fail of 100 field effect transistors was examined, and 81 were found. passed it.

【0076】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SI
MS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。
In addition, the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in the channel formation region of these field effect transistors are measured by SI.
As a result of measurement by MS, all of the field effect transistors that passed the test were 1 × 10 16 cm −3 or less.

【0077】〔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。
Example 4 A TFT having a planar structure was produced 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 formed on a quartz substrate coated with a silicon nitride film having a thickness of 10 nm. It was formed continuously. The amorphous silicon film was formed by a normal sputtering method, and the silicon nitride film was formed by a glow discharge plasma CVD method.

【0078】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5×10-2
orr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。
First, the substrate was set in the first preliminary chamber, the preliminary chamber was heated to 200 ° C., the chamber was evacuated, and the pressure in the preliminary chamber was maintained at 10 −6 torr or less for 1 hour. Then, except during film formation, the first chamber, which is kept at 10 -4 torr or less at all times and is controlled so that the outside air does not enter, is evacuated to 10 -6 torr and the substrate is moved from the preliminary chamber to the first chamber. Place the substrate in the chamber, evacuate the substrate and the target at 200 ° C, and keep the chamber pressure at 10 -6 torr or less.
Held for hours. Then, argon gas was introduced into the chamber, RF plasma was generated, and sputtering film formation was performed. As a target for sputtering, a silicon target having a purity of 99.9999% or higher is used and 1 ppm of phosphorus is contained. The substrate temperature during film formation was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 5 × 10 -2 t.
It was orr. No hydrogen or other gases were intentionally added to the argon. Argon concentration is 99.9999
% Or more. The input power was 200 W and the RF frequency was 13.56 MHz.

【0079】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1
-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。
After the film formation was completed, the RF discharge was stopped and the first chamber was evacuated to 10 -6 torr. Then, the second auxiliary chamber, which is kept between 10 -5 torr and below, is installed between the first chamber and the second chamber.
The chamber was evacuated to 0 -6 torr and the substrate was transferred from the first chamber to the second preliminary chamber. Furthermore, except during film formation, the second chamber, which is always kept at 10 -4 torr or less and is controlled so that outside air does not enter, is evacuated to 10 -6 torr, and the substrate is moved from the second preliminary chamber. The substrate is set in the second chamber and the substrate and the target are set to 200
While maintaining the temperature at C, the chamber was evacuated and the pressure in the chamber was kept at 10 -6 torr or less for 1 hour.

【0080】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2
00Wであった。
Then, ammonia gas and disilane gas (Si 2 H 6 ) having a purity of 99.9999% or more diluted with hydrogen were introduced into the second chamber at a ratio of 3: 2,
The total pressure was 10 -1 torr. Then, an RF current was introduced into the chamber to generate plasma and deposit silicon nitride. Input power (13.56MHz) is 2
00W.

【0081】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。
After the film formation, the RF discharge was stopped and the second chamber was evacuated to 10 -6 torr. Then, the second
Third chamber with quartz window on one side of the chamber
Was evacuated to 10 −6 torr and the substrate was transferred from the second chamber to the third preliminary 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 auxiliary chamber to perform laser annealing. Thus, the amorphous silicon film was semi-amorphized.

【0082】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。
As described above, the method of continuously performing laser annealing without exposing the film forming state to the outside air is as follows.
As shown in this embodiment, even when the protective film is formed on the amorphous semiconductor film,
Even when the protective film was not formed as in Examples 1 and 2, it was extremely effective. The reason is
It is considered that this is because a material such as dust that serves as a nucleus for crystal growth does not adhere to or scratch the film. Further, as in the case of this example, the laser annealing in a pressurized atmosphere suppresses the generation of microscopic bubble rows in the coating due to laser irradiation,
Therefore, these bubbles serve as nuclei to prevent the film from being polycrystallized.

【0083】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。
Further, when the film formation and the laser annealing are continuously performed in this way, the film formation chamber and the preliminary chamber are provided as in the present embodiment, and the window is provided in the preliminary chamber to perform the laser annealing. A method or a method in which a window is provided in the film formation chamber and laser annealing is performed after the film formation in the film formation chamber is completed, but in the latter case, since the window becomes cloudy due to film formation, the film that always adheres to the window is etched The former does not have to, whereas the former has to. Therefore, it can be said that the former method is superior in consideration of mass productivity and maintainability.

【0084】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。
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 10 μm × 1 μm.

【0085】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。
The oxygen, nitrogen and carbon concentrations of this coating were all 10 16 cm -3 or less, which means that another coating prepared in the same step was treated by secondary ion mass spectrometry (SIMS).
Confirmed by analyzing by.

【0086】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(13.5
6MHz)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。
Further, a gate insulating film having a thickness of about 100 nm was formed on this by a sputtering method in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature is 150 ° C., RF (13.5
Input power was 400W. The sputtering target was silicon oxide having a purity of 99.9999% or higher. The atmosphere was essentially oxygen and no other gases were intentionally added. The oxygen concentration was 99.999% or more. The pressure was 5 × 10 -2 torr.

【0087】その後、アルミニウム膜(厚さ200n
m)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0.5
μm、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。
After that, an aluminum film (thickness 200 n
m) was formed by a known vacuum evaporation method, and unnecessary portions were removed by a known dry etching method to form a gate electrode. Gate electrode width (channel length) is 0.5
The channel width was 1 μm. At this time, the photoresist used for dry etching was left on the gate electrode.

【0088】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。
Then, boron ions were implanted at 10 14 cm -2 except for the gate electrode by the ion implantation method. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist thereabove serve as a mask, and borosoions are not implanted. By this step, the impurity regions, that is, the source region and the drain region were formed in the silicon coating.

【0089】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。
Further, the entire substrate is placed in a vacuum container and placed at 10
Excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 50 mJ, irradiation pulse number 50 shots) was irradiated from the back surface of the substrate at a pressure of −5 torr to perform laser annealing.
By this step, the amorphous silicon film in the impurity region which was made amorphous by the ion implantation step was made semi-amorphous.

【0090】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。
This method is the same as Example 1 in that the laser annealing is performed in two steps, but the second laser annealing is performed from the back surface of the substrate, so that the impurity region and the channel forming region are continuously formed. For connection purposes. However, unlike the method of Example 2, the reason for purposely performing the first laser annealing for forming the channel formation region is that when the laser annealing is performed by the ultraviolet laser, the laser irradiation surface is annealed, but the deep portion There is a high possibility that it will not happen or that a high mobility state will not be obtained,
This is because the product yield may be reduced. Therefore, in order to improve the yield of the product, in this embodiment, the laser is first irradiated from the front surface of the amorphous silicon film, and then the laser is also irradiated from the rear surface of the substrate so that the channel formation region and the impurity region are continuously irradiated. The method of obtaining a joint was adopted.

【0091】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1
00torr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。
Then, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
The gas was once evacuated to 10 −6 torr by a turbo molecular pump and further heated to 100 ° C. This state is 30
After keeping for 1 minute, hydrogen gas with a purity of 99.99% or more is
Introduced into the chamber up to 00 torr, 300 substrate
Annealed at C for 60 minutes. Here, the vacuum evacuation is performed once in order to remove gas, moisture, etc. adsorbed on the coating. It has been empirically known that if thermal annealing is performed with these remaining, high mobility cannot be obtained with good reproducibility.

【0092】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。
Finally, holes were made in the silicon oxide film (thickness 100 nm) existing on the source region and the drain region, and aluminum electrodes were formed in these regions. A field effect transistor was formed by the above steps.

【0093】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10
0cm2 /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。
100 field-effect transistors were produced and their CV characteristics were measured. As a result, the electron mobility in the channel formation region was 259 cm 2 / Vs on average. Furthermore, 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 10
When 0 cm 2 / V · s, the threshold voltage reference value is 5.0 V, and the drain current ratio reference value is 1 × 10 6 , the pass / fail of 100 field effect transistors was examined, and 71 were found. passed it. This example shows that the present invention is extremely effective for device miniaturization.

【0094】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SI
MS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。
In addition, the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in the channel formation region of these field effect transistors are measured by SI.
As a result of measurement by MS, all of the field effect transistors that passed the test were 1 × 10 16 cm −3 or less.

【0095】[0095]

【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。
According to the present invention, it has been clarified that a film semiconductor having good reproducibility and high mobility can be obtained. In the present invention, laser annealing of a semiconductor film formed on an insulating substrate such as quartz was mainly described. However, the substrate material 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, which can be laser-annealed, is directly formed on a single crystal or polycrystal substrate, the laser irradiation causes the crystal to grow with these substrates as nuclei and become polycrystal. Not desirable. However, when a sufficiently thick amorphous film is formed on a single crystal or polycrystal substrate, the laser annealing does not reach the deep part of the amorphous film, so that 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.

【0096】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。
Although the silicon film is described in the embodiments, the present invention can be applied to a germanium film, a silicon-germanium alloy film, other intrinsic semiconductor material or compound semiconductor material. Can be applied. As mentioned earlier, in the present specification, it is 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, such as flash lamp annealing. is there. That is, the present invention relates to a method of improving crystallinity of a semiconductor material by utilizing strong optical energy.

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

【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)との関係を示す。被膜中の酸素の濃度は
2×1021cm-3である。
FIG. 1 shows the relationship between the Raman peak center value (RAMAN SHIFT, horizontal axis) and the electron mobility (vertical axis) of a laser-annealed silicon coating. The oxygen concentration in the coating is 2 × 10 21 cm -3 .

【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 SHIF
T、横軸)と電子移動度(縦軸)との関係を示す。
FIG. 2 is a center value of Raman peaks of a laser-annealed silicon film having various oxygen concentrations (RAMAN SHIF).
The relationship between T and the horizontal axis and the electron mobility (vertical axis) is shown.

【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)との関係を示す。
FIG. 3 shows the ratio of the half width of the Raman peak to the half width of the Raman peak of single crystal silicon (FWHM RATIO, horizontal axis) and the electron mobility (vertical axis) of the silicon coatings annealed by laser with various oxygen concentrations. Shows the relationship.

【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(48
0cm-1のピーク)の単結晶珪素成分の強度(521c
-1のピーク)に対する比率(Ia/Ic、横軸)と電
子移動度(縦軸)との関係を示す。
FIG. 4 Intensity of amorphous component of Raman peak of laser-annealed silicon coating with various oxygen concentrations (48
0 cm -1 peak) intensity of single crystal silicon component (521c
The relationship between the ratio (Ia / Ic, abscissa) to the peak of m −1 ) and the electron mobility (ordinate) is shown.

【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)
FIG. 5 shows the FWHM location dependence of the Raman peak in the channel forming region of two field effect transistors. Vertical axis: FWHM, horizontal axis: X / L (L: channel length)

【図6】電界効果型トランジスターの作製方法の例を示
す。
FIG. 6 shows an example of a method for manufacturing a field effect transistor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 601 ... Substrate 602 ... Semiconductor coating 603 ... Insulator coating 604 ... Gate electrode 605 ... Photoresist 606 ... Source region 607 ... Drain region 608 ... Source electrode 609. ..Drain electrodes

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成7年9月11日[Submission date] September 11, 1995

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】図6[Name of item to be corrected] Figure 6

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図6】 [Figure 6]

フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/203 S 9545−4M 21/268 Z 21/324 Z 27/12 R (72)発明者 竹村 保彦 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Office reference number FI Technical indication location H01L 21/203 S 9545-4M 21/268 Z 21/324 Z 27/12 R (72) Inventor Yasuhiko Takemura Kanagawa 398 Hase, Atsugi-shi, Japan Inside Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd.

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 炭素、窒素、および酸素の濃度がいずれ
も5×1019cm-3以下であるアモルファス珪素被膜
と、該アモルファス珪素被膜上に形成された酸化珪素、
窒化珪素および/又は炭化珪素からなる保護被膜とから
成る半導体材料であって、前記アモルファス珪素被膜に
前記保護被膜を介してレーザー光もしくはそれと同等な
強光を照射して、溶融させることなく秩序化するアニー
ルにより得られることを特徴とする半導体材料。
1. An amorphous silicon coating film having carbon, nitrogen, and oxygen concentrations of 5 × 10 19 cm −3 or less, and silicon oxide formed on the amorphous silicon coating film.
A semiconductor material comprising a protective film made of silicon nitride and / or silicon carbide, which is irradiated with laser light or strong light equivalent thereto through the amorphous silicon film to form order without melting. A semiconductor material characterized by being obtained by annealing.
【請求項2】 炭素、窒素、および酸素の濃度がいずれ
も5×1019cm-3以下であるアモルファス珪素被膜
と、該アモルファス珪素被膜上に形成された酸化珪素、
窒化珪素および/又は炭化珪素からなる保護被膜とから
成る半導体材料であって、前記アモルファス珪素被膜に
前記保護被膜を介してレーザー光もしくはそれと同等な
強光を照射して、溶融させることなく秩序化するアニー
ルを施し、その後、水素を含む雰囲気中で熱処理するこ
とにより得られることを特徴とする半導体材料。
2. An amorphous silicon coating having a carbon, nitrogen, and oxygen concentration of 5 × 10 19 cm −3 or less, and silicon oxide formed on the amorphous silicon coating.
A semiconductor material comprising a protective film made of silicon nitride and / or silicon carbide, which is irradiated with laser light or strong light equivalent thereto through the amorphous silicon film to form order without melting. The semiconductor material is obtained by performing an annealing process, and then performing a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen.
【請求項3】 請求項1又は2において、前記レーザー
光はパルス発振エキシマーレーザー光であることを特徴
とする半導体材料。
3. The semiconductor material according to claim 1, wherein the laser light is pulse oscillation excimer laser light.
【請求項4】 請求項1又は2において、前記保護被膜
はその化学式がSiNx y z (0≦x≦4/3,0
≦y,0≦z≦1,0≦3x+2y+4z≦4)であ
り、かつ前記レーザー光もしくはそれと同等な強光を透
過させることを特徴とする半導体材料。
4. The protective film according to claim 1, wherein the chemical formula of the protective film is SiN x O y C z (0 ≦ x ≦ 4 / 3,0).
≦ y, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ 3x + 2y + 4z ≦ 4), and transmits the laser light or strong light equivalent thereto, a semiconductor material.
【請求項5】 請求項1又は2において、前記保護被膜
はその厚さが5〜1000nmであることを特徴とする
半導体材料。
5. The semiconductor material according to claim 1, wherein the protective coating has a thickness of 5 to 1000 nm.
【請求項6】 炭素、窒素、および酸素の濃度がいずれ
も5×1019cm-3以下であるアモルファス珪素被膜を
形成する工程と、該アモルファス珪素被膜上に酸化珪
素、窒化珪素および/又は炭化珪素からなる保護被膜を
形成する工程と、前記アモルファス珪素被膜に前記保護
被膜を介してレーザー光もしくはそれと同等な強光を照
射して、溶融させることなく秩序化するアニール工程と
を有することを特徴とする半導体材料の作製方法。
6. A step of forming an amorphous silicon coating film in which the concentrations of carbon, nitrogen, and oxygen are all 5 × 10 19 cm −3 or less, and silicon oxide, silicon nitride and / or carbonization on the amorphous silicon coating film. It has a step of forming a protective film made of silicon, and an annealing step of irradiating the amorphous silicon film with a laser beam or strong light equivalent thereto through the protective film so as to be ordered without melting. And a method for manufacturing a semiconductor material.
【請求項7】 炭素、窒素、および酸素の濃度がいずれ
も5×1019cm-3以下であるアモルファス珪素被膜を
形成する工程と、該アモルファス珪素被膜上に酸化珪
素、窒化珪素および/又は炭化珪素からなる保護被膜を
形成する工程と、前記アモルファス珪素被膜に前記保護
被膜を介してレーザー光もしくはそれと同等な強光を照
射して、溶融させることなく秩序化するアニール工程
と、その後、水素を含む雰囲気中で熱処理を行う工程と
を有することを特徴とする半導体材料の作製方法。
7. A step of forming an amorphous silicon coating film in which the concentrations of carbon, nitrogen, and oxygen are all 5 × 10 19 cm −3 or less, and silicon oxide, silicon nitride and / or carbonization on the amorphous silicon coating film. A step of forming a protective coating made of silicon, an annealing step of irradiating the amorphous silicon coating with a laser beam or strong light equivalent thereto through the protective coating to order without melting, and then hydrogen And a step of performing heat treatment in an atmosphere containing the semiconductor material.
【請求項8】 請求項6又は7において、前記レーザー
光はパルス発振エキシマーレーザー光であることを特徴
とする半導体材料の作製方法。
8. The method for manufacturing a semiconductor material according to claim 6, wherein the laser light is pulsed excimer laser light.
【請求項9】 請求項6又は7において、前記保護被膜
はその化学式がSiNx y z (0≦x≦4/3,0
≦y,0≦z≦1,0≦3x+2y+4z≦4)であ
り、かつ前記レーザー光もしくはそれと同等な強光を透
過させることを特徴とする半導体材料の作製方法。
9. The protective film according to claim 6, wherein the chemical formula of the protective film is SiN x O y C z (0 ≦ x ≦ 4 / 3,0).
≦ y, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ 3x + 2y + 4z ≦ 4), and transmitting the laser beam or strong light equivalent thereto, a method for producing a semiconductor material.
【請求項10】 請求項6又は7において、前記保護被
膜はその厚さが5〜1000nmであることを特徴とす
る半導体材料の作製方法。
10. The method for manufacturing a semiconductor material according to claim 6 or 7, wherein the protective coating has a thickness of 5 to 1000 nm.
【請求項11】 請求項7において、前記熱処理を20
0〜600℃で行うことを特徴とする半導体材料の作製
方法。
11. The heat treatment according to claim 7,
A method for manufacturing a semiconductor material, which is performed at 0 to 600 ° C.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002313718A (en) * 2001-04-10 2002-10-25 Nec Corp Thin film transistor manufacturing method

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