JPH10144608A - Semiconductor thin film and semiconductor device using the same - Google Patents

Semiconductor thin film and semiconductor device using the same

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JPH10144608A
JPH10144608A JP35004997A JP35004997A JPH10144608A JP H10144608 A JPH10144608 A JP H10144608A JP 35004997 A JP35004997 A JP 35004997A JP 35004997 A JP35004997 A JP 35004997A JP H10144608 A JPH10144608 A JP H10144608A
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JP
Japan
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film
thin film
oxygen
less
nitrogen
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP35004997A
Other languages
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
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
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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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve carrier mobility of a semi-amorphous silicon thin film which is subjected to a solid phase ordering process by a method wherein the respective concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in the amorphous silicon thin film are made not higher than specified. SOLUTION: An amorphous silicon film 602 which contains phosphorus and contains oxygen, nitrogen and carbon whose respective concentrations are at most 10<19> cm<-3> is formed on a substrate 601 by an RF sputtering method. A gate insulating film 603 and an aluminum film gate electrode 604 are formed on the film and then a source region 606 and a drain region 607 are formed by an ion-implantation method. Further, the whole substrate 601 is placed in a vacuum chamber and an excimer laser beam is applied to the rear of the substrate 601 to convert the amorphous silicon film 602 into a semi-amorphous silicon film by laser annealing. After heat annealing in a hydrogen atmosphere, aluminum electrodes 608 and 609 for the drain and source are formed. With this constitution, semiconductor material which has a high electron mobility and a low threshold voltage in a channel forming region can be obtained.

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。
[0001] The present invention relates to a semiconductor material containing silicon as a main component. In particular, the present invention aims at improving the characteristics of a silicon semiconductor material in the form of a thin film. By using the semiconductor material according to the present invention, a thin film semiconductor device (such as a thin film transistor) having improved characteristics can be manufactured.

【0002】[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, in manufacturing a thin film semiconductor device such as a thin film field effect transistor, an amorphous semiconductor material (a so-called amorphous semiconductor) or a polycrystalline semiconductor material has been used. In this specification, the term amorphous is used not only to refer to disorder at a purely atomic level but also to a substance having a short-range order of about several nm. More 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 an intrinsic 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電気光学
装置等において有望な方法として注目されている。
When an amorphous semiconductor (amorphous silicon, amorphous germanium, or the like) is used, its production can be performed at a relatively low temperature of 400 ° C. or less. Attention is being paid as a method.

【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。)
However, since a pure amorphous semiconductor has extremely low carrier mobility (electron mobility or hole mobility), it is rarely used as it is, for example, as a channel forming region of a thin film transistor (TFT). Has been used by irradiating these amorphous semiconductor materials with intense light such as laser light or xenon lamp light and melting and recrystallizing them to transform them into crystalline semiconductor materials, thereby improving their carrier mobility. (In the following text, this method will be referred to as "laser annealing," but it is not necessary to use a laser. This includes the case of irradiating a powerful flash lamp as well as laser irradiation. .)

【0005】しかしながら、レーザーアニール法によっ
て従来得られていた半導体材料のキャリヤ移動度は単結
晶半導体材料で得られるものより、一般には小さかっ
た。例えば、珪素被膜の場合には、報告されているもの
で最も大きな電子移動度は200cm2 /V・sであ
り、これは単結晶珪素の電子移動度、1350cm2
V・sの7分の1でしかない。また、レーザーアニール
法によって得られる半導体材料の特性(主として移動
度)は再現性に乏しく、かつ、同じ被膜内における移動
度のばらつきが大きく、多数の素子を同一平面内に形成
する場合には、得られる半導体素子の特性のばらつきが
大きいため製品の歩留りが著しく低下した。
[0005] However, the carrier mobility of a semiconductor material conventionally obtained by the laser annealing method is generally lower than that of a single crystal semiconductor material. For example, in the case of silicon coating is greatest electron mobility that reported is 200cm 2 / V · s, which is the electron mobility of the single crystal silicon, 1350 cm 2 /
It is only one seventh of V · s. In addition, the characteristics (mainly, mobility) of the semiconductor material obtained by the laser annealing method are poor in reproducibility, and the mobility in the same film has a large variation, so that a large number of elements are formed on the same plane. Since the characteristics of the obtained semiconductor element vary greatly, the yield of the product is significantly reduced.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のレー
ザーアニール法では、移動度が単結晶半導体材料に比べ
て極めて小さく、かつ、その再現性が悪いため、実用に
供することができなかった薄膜状の半導体材料の特性を
改善することを目的とする。すなわち、移動度の高い薄
膜状半導体材料を提供するとともに、再現性よく高い移
動度を得る半導体材料の作製方法を提供する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention cannot be put to practical use by the conventional laser annealing method because the mobility is extremely small as compared with a single crystal semiconductor material and the reproducibility thereof is poor. It is an object of the present invention 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 mobility with high reproducibility is provided.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】さて、ラマン分光法は、
物質の結晶性を評価する上で有効な方法であり、レーザ
ーアニール法によって作製された半導体被膜の結晶性を
定量化する目的でも使用される。本発明人らは、レーザ
ーアニール法の研究において、得られる半導体被膜のラ
マン・ピークの中心値、ラマン・ピークの幅、およびラ
マン・ピークの高さ等に着目することによって、これら
の数値が得られる半導体薄膜と極めて密接な関係を有す
ることを見出した。
Means for Solving the Problems Raman spectroscopy is
This 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 formed by a laser annealing method. The present inventors obtained these numerical values by focusing on the center value of the Raman peak, the width of the Raman peak, the height of the Raman peak, and the like of the obtained semiconductor film in the study of the laser annealing method. Has a very close relationship with the semiconductor thin film to be obtained.

【0008】例えば、単結晶珪素では、521cm-1
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。
For example, in the case of single crystal silicon, a Raman peak exists at 521 cm -1, but the Raman peak of a silicon film subjected to laser annealing tends to move to a shorter wave number (longer wavelength) side. Was observed. Then, it was discovered that there is a strong correlation between the center value of the Raman peak at this time and the carrier mobility of the obtained semiconductor thin film.

【0009】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 of the film (vertical axis) of a film obtained by laser annealing an amorphous silicon film. Shows the relationship. The electron mobility indicates a value obtained by manufacturing a TFT using a silicon film and measuring its CV (capacitance-voltage) characteristic. As is apparent from the figure, the center value of the Raman peak is 515.
There is a large difference in the behavior of electron mobility from cm -1 as a boundary. That is, at 515 cm -1 or less, the dependence of the electron mobility on the Raman peak is small, but at 515 cm -1 or more, the electron mobility rapidly increases with an increase in the center value of the peak.

【0010】この現象は明らかに、2つの相が存在する
ことを示している。本発明者らの研究によると、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 our research, 515
At cm -1 or less, the film was not melted by laser annealing, and atoms were ordered in a solid phase. At 515 cm -1 or more, the film was melted by laser annealing and the liquid phase It is presumed to have solidified through the process.

【0011】ラマン・ピークの中心値は、単結晶珪素の
ラマン・ピーク値521cm-1を越えることはなく、得
られた電子移動度の最大値は約200cm2 /V・sで
あった。しかし、このような高い電子移動度を有する珪
素被膜を再現性よく得ることは難しく、同じ条件でレー
ザーアニールをおこなったつもりであっても、微妙に結
晶の状態が異なるらしく、移動度が100cm2 /V・
sに満たない場合が大多数であった。そして、このよう
に低い電子移動度を示すものはラマン・ピークの中心値
は、521cm-1よりかなり小さく、515cm-1以下
がほとんでどあった。
The center value of the Raman peak did not exceed the Raman peak value of single crystal silicon of 521 cm −1, and the maximum value of the obtained electron mobility was about 200 cm 2 / V · s. However, it is difficult to obtain a silicon film having such a high electron mobility with good reproducibility. Even if laser annealing is intended to be performed under the same conditions, the crystal state seems to be slightly different, and the mobility is 100 cm 2. / V ・
The majority 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.

【0012】再現性よく、高い移動度が得られないとい
う事実は、例えば、同じ条件で200個のアモルファス
シリコン膜のレーザーアニールをおこなった際に、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 means that, for example, when laser annealing is performed on 200 amorphous silicon films under the same conditions,
3 pieces of 0 cm 2 / V · s or more, 100 cm 2 / V
11 s or more and less than 200 cm 2 / V · s, 1
This is supported by the results of 61 samples having a size of 0 cm 2 / V · s or more and less than 100 cm 2 / V · s and 125 samples having a size of 10 cm 2 / V · s.

【0013】その理由としては、レーザーの出力がパル
スごとでかなりバラつくためと、レーザーアニールの最
適条件が極めて狭い範囲であるためと考えられる。例え
ば、レーザーの出力が小さすぎるとアモルファスシリコ
ンは溶融せず、また、レーザーの出力が大きすぎると、
再結晶化がうまく起こらず、アモルファス化してしまう
ことが観察される。
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 a very 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 take place well and becomes amorphous.

【0014】さらに、それらの理由に付け加えて、本発
明人らは膜中の酸素、窒素、炭素等の異元素の存在が、
再現性の低下をもたらしているのではないかと考えた。
図1に示される実験に用いられた被膜にはレーザーアニ
ール後の測定から、2×1021cm-3もの、酸素原子が
含まれていた。これは、アモルファスシリコン成膜時に
何らかの経路で侵入したものと考えられる。窒素、炭素
は痕跡程度しか観測されなかった。そこで、アモルファ
スシリコン膜作製の際の原料ガスやチャンバー、排気系
統等を充分清浄に保ちつつ、意図的に雰囲気に微量の酸
素を添加して、膜中に存在する酸素原子の量をコントロ
ールし、得られた被膜をレーザーアニールして、そのラ
マン・ピークの中心値と電子移動度の関係を調べた。
Further, in addition to those reasons, the present inventors have found that the presence of foreign elements such as oxygen, nitrogen and carbon in the film is
It was thought that the reproducibility was reduced.
The film used in the experiment shown in FIG. 1 contained oxygen atoms of 2 × 10 21 cm −3 as measured by laser annealing. This is considered to have been caused by some route during amorphous silicon film formation. Only traces of nitrogen and carbon were observed. Therefore, while keeping the source gas, chamber, exhaust system, etc. in the production of the amorphous silicon film sufficiently clean, intentionally adding a small amount of oxygen to the atmosphere to control the amount of oxygen atoms present in the film, The obtained coating was subjected to laser annealing, and the relationship between the center value of the Raman peak and the electron mobility was examined.

【0015】ただし、本明細書ではこれらの異種元素の
濃度とは、被膜の中心部分の濃度をいう。なぜならば、
被膜の基板より、あるいは被膜の表面近傍は、これらの
異種元素の濃度が極めて高いのであるが、これらの領域
に存在する異種元素は、本発明で問題とするキャリヤ移
動度には大した影響を与えないものと考えたからであ
る。被膜中で、もっともこれら異種元素の濃度の小さい
部分は、通常の被膜では膜の中央部分であり、また、膜
の中央部分は電界効果型トランジスター等の半導体装置
において重要な役割を果たすものと考えられるからであ
る。以上のような理由から、本発明で、単に異種元素の
濃度という場合には、被膜の中央部の濃度をさすものと
定義する。
However, in this specification, the concentration of these different elements refers to the concentration at the center of the coating. because,
The concentration of these foreign elements is extremely high from the substrate of the coating or near the surface of the coating, but the foreign elements existing in these regions have a great effect on the carrier mobility which is a problem in the present invention. Because I thought it would not be given. In the coating, the portion where the concentration of these different elements is the lowest is the central portion of the film in a normal coating, and the central portion of the film is considered to play an important role in semiconductor devices such as field-effect transistors. Because it can be done. For the reasons described above, in the present invention, when simply referring to the concentration of a different element, it is defined as the concentration at the center of the coating.

【0016】これを図2に示す。図2より明らかなよう
に、膜中の酸素濃度を減らすことによって、著しく電子
移動度を向上させることはできた。この傾向は膜中に炭
素や窒素が含まれる場合においても同様であった。その
理由としては、本発明人らは、膜中の酸素原子が多い場
合には、レーザーアニールによって被膜が溶融・再結晶
化する際に、酸素原子の少ない部分が結晶核となって結
晶成長するのであるが、膜中に含まれる酸素原子はその
結晶の成長とともに周辺へ追いやられ、粒界に析出し
て、よって、被膜全体を通して見た場合、粒界に生じる
バリヤのために移動度が小さくなるという説と、レーザ
ーアニールによって酸素原子あるいは酸素原子の濃度の
大きな領域(一般に融点が純粋な珪素より大きいと考え
られる)が結晶核となって結晶成長するのであるが、酸
素原子の数が多い場合には結晶核の発生が多く、よって
1つあたりの結晶の大きさが小さくなって、移動度が小
さく、また、結晶性が損なわれるという説を提案してい
る。
This is shown in FIG. As is clear from FIG. 2, the electron mobility was significantly improved by reducing the oxygen concentration in the film. This tendency was the same even when the film contained carbon or nitrogen. The reason is that when the film has a large number of oxygen atoms, when the film is melted and recrystallized by laser annealing, a portion having a small number of oxygen atoms becomes a crystal nucleus and crystal grows. However, the oxygen atoms contained in the film are repelled to the periphery as the crystal grows, and are precipitated at the grain boundaries. Therefore, when viewed through the entire film, the mobility is small due to the barrier generated at the grain boundaries. The theory is that laser annealing causes oxygen atoms or regions with high oxygen atom concentrations (generally considered to have a higher melting point than pure silicon) as crystal nuclei for crystal growth, but the number of oxygen atoms is large. In this case, it has been proposed that crystal nuclei are often generated, so that the size of each crystal becomes small, the mobility becomes small, and the crystallinity is impaired.

【0017】いずれにしても、被膜中の酸素濃度を小さ
くすることによって、レーザーアニールによって極めて
大きな電子移動度を得ることができた。例えば、酸素濃
度を1×1019cm-3とすることによって、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, by reducing the oxygen concentration in the coating, extremely large electron mobility could be obtained by laser annealing. 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 other than the oxygen concentration. further,
A similar tendency was obtained for the hole mobility.

【0018】さらに、酸素濃度が大きい場合でも小さい
場合でも、ラマン・ピークの位置と電子移動度の曲線は
図1の場合と同様に折れ曲がった様子を示した。本発明
人らは、図2の点線より右側の領域は、レーザーアニー
ルによって、被膜が一度溶融した後に再結晶したものと
推定し、この領域を溶融−再結晶領域と名付けた。この
溶融−再結晶領域において大きな移動度が得られた。
Further, the curve of the position of the Raman peak and the electron mobility showed a bent state similarly to the case of FIG. 1 regardless of whether the oxygen concentration was high or low. The present inventors presumed that the film on the right side of the dotted line in FIG. 2 was recrystallized after the film was once melted by laser annealing, and named this region a melt-recrystallized region. Large mobility was obtained in this melt-recrystallization region.

【0019】しかしながら、このような高い移動度を再
現性よく得るということは特に改善されなかった。例え
ば、膜中の酸素原子の量が1×1019cm-3以下のアモ
ルファスシリコン膜を100個作製して、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 a 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 manufactured, and 1000 cm
Even though laser annealing was intended under the same conditions as those at which 2 / V · s was obtained, there were only 9 cases where the electron mobility exceeded 100 cm 2 / V · s. Observation of the film after laser annealing revealed that the laser output was too large, crystallization was not successful, and the film was often re-amorphized.

【0020】図2において、点線より右側の領域を、溶
融ー再結晶領域として示したが、実際に、この領域のデ
ータが得られることは上記のように極めて確率が低く、
むしろ、失敗する確率が大きいため望ましくないことが
明らかになった。一方、本発明人らは、溶融ー再結晶領
域の左側に存在する領域において、酸素、窒素、炭素の
濃度を低減せしめることによって、高い移動度が得られ
ることを見出した。このことは図2に示されているが、
例えば、酸素濃度を1×1019cm-3以下にすることに
よって最大で100cm2 /V・sもの電子移動度を得
ることができた。さらに付け加えるならば、この程度の
移動度を得ることは難しくなく、例えば、同じ条件で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 melt-recrystallization region. However, it is extremely unlikely that data of this region can be actually obtained as described above.
Rather, it proved undesirable because of the high probability of failure. On the other hand, the present inventors have found that high mobility can be obtained by reducing the concentration of oxygen, nitrogen, and carbon in the region existing on the left side of the melt-recrystallization region. This is shown in FIG.
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. In addition, it is not difficult to obtain this degree of mobility;
When 00 amorphous silicon films were laser-annealed, 72 films were 80 cm 2 / V · s or more.

【0021】本発明人らは、この領域ではアッモルファ
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 present inventors believe that in this region, the amorphous silicon film does not melt, and some lattice ordering occurs in the solid state or in the intermediate state between the solid phase and the liquid phase, and a certain long period is obtained. I believe it was. We named this region a 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 the solid-phase ordered region, but presumed as follows. ing.

【0022】すなわち、この固相秩序化領域では溶融過
程が存在しないものの、レーザー光の光エネルギーもし
くは熱エネルギーを吸収した原子が移動して、最もエネ
ルギーの低い状態、すなわち結晶状態に移行しようとす
る。しかしながら、溶融過程を経ないので、完全な結晶
化には到らず、ところどころで数nm〜数10nmの秩
序化した領域が存在し、それらの領域間は、通常のアモ
ルファス状態になっているものと考えられる。この状態
は通常の溶融状態を経過した多結晶状態とは大きく異な
る。すなわち、溶融状態を経過して再結晶化する過程に
おいては、液相の中に結晶核が発生し、それが周囲に成
長して大きくなるため、結晶と結晶のぶつかり合う部分
が生じ、その部分が粒界となる。そして、粒界は、格子
の欠陥や不純物が析出し、またイオン化して分極したり
するため、多くの場合、キャリヤに対する障壁が発生す
る。
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 and attempt to shift to the state of lowest energy, that is, the crystalline state. . However, since it does not go through a 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 those regions are in a normal amorphous state. it is conceivable that. This state is significantly different from the polycrystalline state after the normal melting state. In other words, in the process of recrystallization after passing through the molten state, crystal nuclei are generated in the liquid phase, and they grow around and become large, so that a portion where the crystals collide with each other is generated. Becomes grain boundaries. In addition, in the grain boundary, lattice defects and impurities are precipitated, and the grain boundary is ionized and polarized. In many cases, a barrier to carriers is generated.

【0023】一方、固相秩序化した場合には、結晶と結
晶のぶつかることはなく、不純物が特に粒界に析出する
こともない。したがって、固相秩序化の場合には、結晶
のような秩序化領域間の障壁は極めて低いものと考えら
れる。そして、固相秩序化した半導体においては、半導
体特性を劣化させる異種元素の存在が、主としてその電
気特性を左右することとなる。
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 semiconductor with a solid-phase order, the presence of a different element that degrades semiconductor characteristics mainly affects its electrical characteristics.

【0024】図2から明らかなように、例えば酸素濃度
が1×1019cm-3以下の場合には、電子移動度が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 apparent from FIG. 2, for example, when the oxygen concentration is 1 × 10 19 cm −3 or less, the electron mobility becomes 10 × 10 19 cm −3.
0 cm 2 / V · s about a but, the center value of the Raman peak at that time, and far removed from the single crystal silicon ones (521 cm -1), higher crystallinity not approached the single crystal It is obvious. This is supported by other data shown below.

【0025】本発明人らは、さらに、同様な傾向がラマ
ン・ピークの半値幅(以下FWHMという)においても
見られることを発見した。この様子を図3に示す。図3
の横軸は、レーザーアニールした被膜のラマン・ピーク
の半値幅を単結晶珪素の半値幅でわったものであり、こ
こではラマン・ピークの半値幅比(以下FWHM RA
TIO)とよぶ。FWHM RATIOが小さく、1に
近いものほど単結晶珪素に近い構造を有していると考え
られる。そして、図から明らかなように、溶融ー再結晶
化領域(図の点線より左側)と固相秩序化領域(図の点
線より右側)が存在し、固相秩序化領域においては、先
のラマン・ピークの中心値の場合と同様に膜中の酸素濃
度が小さいものほど電子移動度が大きく、同様な傾向は
酸素の濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に関しても見ら
れた。図3より明らかなように酸素濃度2×1021cm
-3の場合では、FWHM RATIOが2より大きい領
域が本発明の固相秩序化領域に相当し、酸素濃度1×1
19cm-3の場合では、FWHM RATIOが3より
大きい領域が本発明の固相秩序化領域に相当ている。す
なわち、これらの濃度の小さいものほど大きな電子移動
度が得られた。さらに、ホール移動度についても同様な
傾向が見られた。
The present inventors have further found that a similar tendency is observed in the half width of the Raman peak (hereinafter referred to as FWHM). This is shown in FIG. FIG.
The horizontal axis of the graph represents the half-width of the Raman peak of the laser-annealed film divided by the half-width of single-crystal silicon. Here, the half-width ratio of the Raman peak (hereinafter referred to as FWHM RA) is shown.
TIO). It is considered that the smaller the FWHM RATIO is, the closer to 1, the structure is closer to single crystal silicon. As is apparent from the figure, there are a melt-recrystallization region (on the left side of the dotted line in the figure) and a solid-phase ordered region (on the right side of the dotted line in the figure). As in the case of the peak center value, the electron mobility increases as the oxygen concentration in the film decreases, and the same tendency was observed not only for the oxygen concentration but also for the nitrogen and carbon concentrations. As is clear from FIG. 3, the oxygen concentration is 2 × 10 21 cm.
In the case of -3, the region where FWHM RATIO is larger than 2 corresponds to the solid-phase ordered region of the present invention, and the oxygen concentration is 1 × 1
In the case of 0 19 cm -3, a region where FWHM RATIO is greater than 3 corresponds to the solid-phase ordered region of the present invention. That is, the smaller the concentration, the higher the electron mobility. Further, a similar tendency was observed for the hole mobility.

【0026】さらに、本発明人らは、ラマン・ピークの
うち、膜中のアモルファス成分に起因するピークの強度
に関しても、電子移動度と密接な相関が有ることが明ら
かになった。図4は、レーザーアニールした被膜のラマ
ン・ピークのうち、アモルファス成分に起因するラマン
・ピーク(480cm-1付近のピーク)の強度Iaを単
結晶珪素のラマン・ピークIc(521cm-1付近のピ
ーク)で割ったものであり、以下、ラマン・ピークの強
度比(INTENSITY RATIO)と呼ぶ。ラマ
ン・ピークの強度比に関しても、固相秩序化領域(図の
点線より右側)において膜中に含まれる酸素の量が少な
いほど電子移動度が大きくなった。同様な傾向は酸素の
濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に関しても見られた。
図4より明らかなように酸素濃度2×1021cm-3の場
合では、ラマン・ピークの強度比が略0.2以上の領域
が本発明の固相秩序化領域に相当し、酸素濃度1×10
19cm-3の場合では、ラマン・ピークの強度比が0.4
以上の領域が本発明の固相秩序化領域に相当ている。す
なわち、これらの濃度の小さいものほど大きな電子移動
度が得られた。さらに、ホール移動度についても同様な
傾向が見られた。この場合にも図2、図3の場合と同様
に図4の点線より左側は溶融−再結晶領域であると考え
ている。
Furthermore, the present inventors have found that, among the Raman peaks, the peak intensity attributable to the amorphous component in the film has a close correlation with the electron mobility. 4, of the Raman peak of the laser annealed film, the peak of the Raman peak Ic (521 cm around -1 intensity Ia single crystal silicon Raman peaks caused by the amorphous component (peak near 480 cm -1) ), And is hereinafter referred to as an intensity ratio of Raman peaks (INTENSITY RATIO). Regarding the intensity ratio of the Raman peak, the electron mobility was increased as the amount of oxygen contained in the film was smaller in the solid-phase ordered region (right side of the dotted line in the figure). A similar tendency was observed for nitrogen and carbon concentrations in addition to oxygen concentration.
As is clear from FIG. 4, when the oxygen concentration is 2 × 10 21 cm −3 , the region where the intensity ratio of the Raman peak is approximately 0.2 or more corresponds to the solid-phase ordered region of the present invention, and the oxygen concentration is 1%. × 10
In the case of 19 cm -3 , the Raman peak intensity ratio is 0.4
The above region corresponds to the solid-phase ordered region of the present invention. That is, the smaller the concentration, the higher the electron mobility. Further, a similar tendency was observed for the hole mobility. In this case as well, as in FIGS. 2 and 3, the left side of the dotted line in FIG. 4 is considered to be a melt-recrystallization region.

【0027】さて、以上のように、キャリヤ移動度を向
上させるためには、膜中の酸素、窒素、炭素の量を減ら
せば良いことが明らかになった。特に、本発明人らはこ
れらの元素の量がそれぞれ、5×1019cm-3以下、望
ましくは1×1019cm-3以下とすることによって、さ
らに失敗する確率の大きい溶融過程を経ずして、より歩
留りの大きい固相秩序化過程によって、最高で80%も
の確率で、例えば、異種元素の濃度を5×1019cm-3
以下とすることによって、珪素膜で電子移動度として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 the carrier mobility can be improved by reducing the amounts of oxygen, nitrogen and carbon in the film. 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, so that a melting process with a higher probability of failure can be prevented. Then, by a solid-phase ordering process with a higher yield, the concentration of the different element is reduced to, for example, 5 × 10 19 cm −3 at a probability of up to 80%.
By setting the following, the electron mobility of the silicon film is 5
It has been found that a value of 100 cm 2 / V · s can be obtained by setting the value to 0 cm 2 / V · s or more and 1 × 10 19 cm 2 / V · s or less. Further, a value of 30 to 80 cm 2 / V · s could be stably obtained as the hole mobility by the same method.

【0028】以上のように、膜中の異種元素の濃度を低
減せしめることによって、固相秩序化過程を経た特殊な
状態(本発明人らは、これをセミアモルファス状態と命
名する)のキャリヤ移動度を向上せしめることが可能と
なることがわかった。セミアモルファス状態を実現する
ためには、膜が溶融状態とならないことが必要条件であ
る。したがって、長い時間では、レーザーが照射されて
いる部分の温度が、その半導体の融点以下、すなわち、
珪素の場合には大気圧下で1400度C、ゲルマニウム
の場合には大気圧下で1000度C以下であることが必
要である。しかしながら、例えば、エキシマーレーザー
で実現されているような10ナノ秒という極めて短い時
間においては、瞬間的には2000度Cを越えるような
温度が分光学的には観測されても、被膜の溶融は観測さ
れないということも起こることがあり、この温度の定義
は実際にはあまり意味を持たない。
As described above, by reducing the concentration of the different elements in the film, the carrier transfer in a special state (the present inventors refer to this as a semi-amorphous state) through a solid-phase ordering process. It was found that the degree could be improved. In order to realize a semi-amorphous state, it is a necessary condition that the film is not in a molten state. Therefore, in a long time, the temperature of the portion irradiated with the laser is lower than the melting point of the semiconductor, that is,
In the case of silicon, the temperature must be 1400 ° C. under atmospheric pressure, and in the case of germanium, it must be 1000 ° C. or less under atmospheric pressure. However, in a very short time of 10 nanoseconds, for example, realized by an excimer laser, even if a temperature instantaneously exceeding 2000 ° C. is spectroscopically observed, the melting of the coating does not occur. Sometimes it is not observed, and this definition of temperature does not really make much sense.

【0029】高い移動度をえるためには、異種元素の濃
度を低減せしめることが有効であることは上記の通りで
あるが、例えば、これらの元素の濃度を1×1016cm
-3以下にすることは、極めて真空度の高い環境におい
て、きわめてこれらの元素の濃度が小さい(1×1016
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, it is effective to reduce the concentration of different elements in order to obtain high mobility. For example, the concentration of these elements is set to 1 × 10 16 cm.
Setting to -3 or less means that the concentration of these elements is extremely low (1 × 10 16) in an environment with an extremely high degree of vacuum.
cm -3 or less) Even if laser annealing is performed on the amorphous semiconductor film, it cannot be 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 become It is presumed that it was taken in.

【0030】そして、これらの困難を避けるためには特
別な作製方法が必要である。1つの方法は、酸素、窒
素、炭素の濃度が極めて小さい、例えば、1015cm-3
以下のアモルファス半導体膜の表面を覆って、酸化珪
素、窒化珪素、炭化珪素等の保護膜を形成し、その後、
真空雰囲気中(10-4torr以下)でレーザーアニー
ルをおこなうことによって、極めて酸素、窒素、炭素の
濃度の小さく、高い移動度の半導体被膜を形成すること
ができる。例えば、炭素、窒素、酸素の濃度がいずれも
1×1015cm-3以下で、電子移動度が300cm2
V・sの珪素被膜が得られた。
In order to avoid these difficulties, a special manufacturing method is required. One method is that the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon are very low, for example, 10 15 cm −3.
A protective film such as silicon oxide, silicon nitride, or silicon carbide is formed to cover the surface of the following amorphous semiconductor film, and then,
By performing laser annealing in a vacuum atmosphere (10 -4 torr or less), a semiconductor film with extremely low concentrations of oxygen, nitrogen, and carbon and high mobility can be formed. 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.

【0031】アモルファス半導体膜の表面を覆って、酸
化珪素、窒化珪素、炭化珪素等の保護膜を形成するに際
しては、1つの真空装置を有するチャンバーで、例えば
CVD法やスパッタ法によってアモルファス半導体被膜
を形成した後に、同じチャンバー内で雰囲気を変えず
に、あるいは一度、極めて高真空の状態にした後、成膜
に適した雰囲気にすることによって、連続的に成膜する
方法が適している。しかしながら、より製品の歩留り、
再現性、信頼性を向上させるためには、それぞれの被膜
の形成に専用のチャンバーを用意し、製品は極めて高真
空に保たれた状態のまま、各チャンバーを移動する方式
を採用することが望ましい。これらの成膜の方法の選択
は設備投資の規模によってなされる。いずれの方法を採
用するにしても、重要なことは下地のアモルファス半導
体膜に含まれる酸素、窒素、炭素は十分に少ないこと、
およびアモルファス半導体とその上の保護膜の界面には
ガスが吸着されていないこと、である。例えば、極めて
純粋なアモルファス半導体膜を形成しても、一度、その
膜を大気にさらしたのち、その上に窒化珪素被膜を形成
した場合には、その被膜をレーザーアニールして得られ
る被膜のキャリヤ移動度は、一般に小さなものであり、
また、移動度の大きなものが得られる確率は極めて小さ
い。これは、アモルファス半導体膜の表面にガスが吸着
され、これが後のレーザーアニールの際に被膜中に拡散
するためであると考えられる。
When forming a protective film of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide or the like over the surface of the amorphous semiconductor film, the amorphous semiconductor film is formed by a CVD method or a sputtering method in a chamber having one vacuum device. A suitable method is to form a film continuously without changing the atmosphere in the same chamber after forming the film, or once in an extremely high vacuum state, and then setting the atmosphere suitable for film formation. However, more product yield,
In order to improve reproducibility and reliability, it is desirable to prepare a dedicated chamber for forming each film, and to adopt a method of moving each chamber while keeping the product extremely high vacuum . Selection of these film formation methods is made according to the scale of capital investment. Regardless of which 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 thereon. For example, even if an extremely pure amorphous semiconductor film is formed, once the film is exposed to the atmosphere and then a silicon nitride film is formed thereon, the carrier of the film obtained by laser annealing the film is obtained. Mobility is generally small,
Also, the probability of obtaining a high mobility is extremely small. This is presumably because the gas is adsorbed on the surface of the amorphous semiconductor film and diffuses into the film during the subsequent laser annealing.

【0032】また、このときの保護膜の材料としてはレ
ーザー光を透過する条件を満たせば、酸化珪素、窒化珪
素や炭化珪素であってもよく、また、これらの混在し
た、化学式 SiNx y z (0≦x≦4/3、0≦
y≦2、0≦z≦1、0≦3x+2y+4z≦4)で表
される材料を含む材料であってもかまわない。また、そ
の厚さは5〜1000nmが適していた。
The material of the protective film at this time may be silicon oxide, silicon nitride or silicon carbide as long as the condition for transmitting laser light is satisfied, or a chemical formula of SiN x O y in which these are mixed. C z (0 ≦ x ≦ 4/3, 0 ≦
A material including a material represented by y ≦ 2, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ 3x + 2y + 4z ≦ 4) may be used. Further, the thickness was suitably from 5 to 1000 nm.

【0033】さて、本発明はアモルファス半導体被膜中
の酸素、窒素、炭素の濃度を低減することおよびレーザ
ーアニールの際に存在する酸素、窒素、炭素の濃度を低
減することにより、高いキャリヤ移動度を有する半導体
被膜を得ることを明らかにしたのであるが、このとき得
られる電子移動度もしくはホール移動度は、測定のため
に形成された電界効果トランジスターのチャネル形成領
域の平均値であり、チャネル形成領域の微細な各部分に
おける移動度は求めることはできない。しかしながら、
本発明の図1〜図4およびそれらに関連する記述から明
らかなように、キャリヤ移動度はラマン・ピークの位
置、ラマン・ピークの半値幅、ラマン・ピーク中のアモ
ルファス成分の強度およびラマン・ピークの強度等のパ
ラメータから、一義的に決定できることが明らかになっ
た。したがって、直接には移動度が測定できない微小な
領域の移動度も、ラマン分光によるこれらの情報から、
おおよその移動度を推定することができる。
The present invention provides high carrier mobility by reducing the concentration of oxygen, nitrogen and carbon in an amorphous semiconductor film and reducing the concentration of oxygen, nitrogen and carbon present during laser annealing. The electron mobility or the hole mobility obtained at this time is an average value of the channel formation region of the field-effect transistor formed for the measurement, and the channel formation region is obtained. The mobility in each fine part cannot be determined. However,
As apparent from FIGS. 1 to 4 of the present invention and the description related thereto, the carrier mobility is determined by the position of the Raman peak, the half width of the Raman peak, the intensity of the amorphous component in the Raman peak, and the Raman peak. It has been clarified that parameters can be uniquely determined from the parameters such as the strength of the sample. Therefore, the mobility of a minute area where the mobility cannot be measured directly can be calculated from these information by Raman spectroscopy.
Approximate mobility can be estimated.

【0034】図5は、固相秩序化過程を経て形成され
た、セミアモルファスシリコンで、電子移動度が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5から明らかなように
電子移動度が101cm2 /V・sのものはFWHMが
10cm-1より大きいがその変動(場所によるバラツキ
程度)は小さく、電子移動度が201cm2 /V・sの
ものはFWHMが10cm-1より小さいがその変動(場
所によるバラツキ程度)は大きい。FWHMが小さいほ
ど被膜の結晶性が単結晶のものに近く、それゆえ電子移
動度が大きいことは図3およびそれに関連する説明で述
べたとおりであり、このデータ事態はそれと矛盾するも
のではない。しかしながら、FWHMの場所による変動
(場所依存性)が小さいということは、被膜の結晶性が
場所によらずほぼ同じものであることを物語っている。
なお、この被膜の酸素濃度は約1×1019cm-3であっ
た。
FIG. 5 shows semi-amorphous silicon formed through a solid-phase ordering process and having an electron mobility of 101.
those of cm 2 / V · s, and the electron mobility which is formed through the melting process of a field effect transistor having a channel forming region of one of 201cm 2 / V · s, the Raman peak in each section of the channel formation region half Price range (FW
HM). In the drawing, the horizontal axis represents the position of the channel formation region. L is the length of the channel formation region and is 100 μm. X represents the coordinates of the channel formation region, X / L = 0 is 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 FIG. 5, in the case of the electron mobility of 101 cm 2 / V · s, the FWHM is larger than 10 cm −1, but the fluctuation (the variation depending on the place) is small, and the electron mobility of 201 cm 2 / V · s is small. Although the FWHM is smaller than 10 cm −1 , the variation (variation depending on the place) is large. The fact that the smaller the FWHM is, the closer the crystallinity of the film is to that of a single crystal, and therefore the higher the electron mobility is, as described in FIG. 3 and the related description, and this data situation is not contradictory. However, the small variation (location dependence) of the FWHM depending on the location indicates that the crystallinity of the coating is almost the same regardless of the location.
The oxygen concentration of this coating was about 1 × 10 19 cm −3 .

【0035】一方、電子移動度が201cm2 /V・s
のものは、酸素濃度が同じく1×1019cm-3であっ
た。図から明らかなように、全般的にFWHMは低下し
ているが、FWHMの場所依存性が大きかった。そし
て、場所によっては、電子移動度が単結晶もFWHM
(4.5cm-1)と同等あるいはそれより小さな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
Had an oxygen concentration of 1 × 10 19 cm −3 as well. As is clear from the figure, the FWHM generally decreased, but the location dependency of the FWHM was large. And, depending on the location, the single crystal having electron mobility of FWHM
FWH equal to or less than (4.5 cm -1 )
It shows the value of M and suggests that the electron mobility of that part is as large as that of a single crystal. This means that a part 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, even if the mobility is large. In particular, as the size of the device becomes smaller, the non-uniformity which has not been a problem because it has been averaged up to that time becomes noticeable, and causes a significant reduction in the yield of the device.

【0036】これに対し、電子移動度が101cm2
V・sのもの(セミアモルファス)は、図から明らかな
ように、全般的にFWHMの場所依存性は小さい。この
ことはデバイスを量産する上で歩留りの向上につなが
り、材料として適していることをしめしている
On the other hand, the electron mobility is 101 cm 2 /
In the case of V.s (semi-amorphous), the location dependence of FWHM is generally small as is clear from the figure. This leads to higher yields in mass-producing devices and demonstrates their suitability as materials.

【0037】高いキャリヤ移動度を得るためには、上記
のように、膜中の異種元素の濃度を低減せしめるととも
に、レーザーアニールの条件を最適化しなければならな
い。このレーザーアニールの条件は、レーザーの発振条
件(連続発振もしくはパルス発振、繰り返し周波数、強
度、波長、被膜等)によって異なり、一概には言えな
い。レーザーとしてはエキシマーレーザーの如き紫外線
レーザー、YAGレーザーの如き可視、赤外レーザーが
使用でき、レーザーアニールする被膜の厚さ等によって
選択することが必要である。すなわち、一般に珪素ある
いはゲルマニウム材料においては、紫外線に対する吸収
長が短いため、レーザー光は深部までは入らず、レーザ
ーアニールは表面の比較的浅い領域でのみ起こる。これ
に対し、可視光、赤外線に対しては吸収長が長く、光が
比較的内部まで侵入し、よって、レーザーアニールは深
い部分でも起こる。
In order to obtain high carrier mobility, it is necessary to reduce the concentration of different elements in the film and to optimize the laser annealing conditions as described above. The laser annealing conditions vary depending on the laser oscillation conditions (continuous oscillation or pulse oscillation, repetition frequency, intensity, wavelength, coating, etc.), and cannot be determined unconditionally. As a laser, an ultraviolet laser such as an excimer laser, a visible or infrared laser such as a YAG laser can be used, and it is necessary to select a laser depending on the thickness of a film to be laser annealed. That is, since silicon or germanium materials generally have a short absorption length with respect to ultraviolet light, laser light does not enter a deep portion, and laser annealing occurs only in a relatively shallow region of the surface. On the other hand, the absorption length of visible light and infrared light is long, and light penetrates relatively deeply, so that laser annealing occurs even in deep parts.

【0038】付加的な事項であるが、半導体被膜をレー
ザーアニールした後に、水素雰囲気中で200〜600
度Cで10分〜6時間のアニール処理を施すことは高い
キャリヤ移動度を再現性よく得るために有効であった。
これは、レーザーアニールによって特定の領域において
固相秩序化が起こると同時に、残されたアモルファス領
域には不対結合手(タングリング・ボンド)が残された
ままになっているため、あるいはレーザーアニールによ
って新たに生じ、これがキャリヤに対する障壁として機
能するためであると考えられる。半導体中に酸素、窒
素、炭素等が多く含まれる場合にはこれらが、ダングリ
ング・ボンドを埋めるのであるが、本発明のように酸
素、窒素、炭素等の濃度が著しく小さい場合には、ダン
グリング・ボンドを埋めることができず、よって、レー
ザーアニール後に水素雰囲気中でアニールすることが必
要となる。
As an additional matter, after laser annealing of the semiconductor film, 200-600
Annealing at a temperature of C for 10 minutes to 6 hours was effective for obtaining high carrier mobility with good reproducibility.
This is because laser annealing causes solid-phase ordering in a specific region while leaving unpaired dangling bonds (tangling bonds) in the remaining amorphous region. It is considered that this newly occurs because it functions as a barrier to the carrier. When the semiconductor contains a large amount of oxygen, nitrogen, carbon, etc., these fill the dangling bonds. However, when the concentration of oxygen, nitrogen, carbon, etc. is extremely small as in the present invention, the dangling bond is filled. The ring bond cannot be filled, and therefore it is necessary to anneal in a hydrogen atmosphere after laser annealing.

【0039】[0039]

【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 manufactured, and its electrical characteristics were evaluated. FIG. 6 shows a manufacturing method. First, an amorphous silicon film having a thickness of about 100 nm was formed by a normal RF sputtering method. The substrate was quartz 601, the substrate temperature was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 0.5 Pascal (pa). Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. The concentration of argon was 99.99% or more. Input power is 200
At W, the RF frequency was 13.56 MHz. Then, this amorphous silicon film is formed into a 100 μm × 500
The amorphous silicon film 602 was obtained by etching in a rectangular shape of μm.

【0040】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも1019cm-3以下であることを、2次イオン質
量分析法(SIMS)によって確認した。
It was confirmed by secondary ion mass spectrometry (SIMS) that the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in this film were all 10 19 cm −3 or less.

【0041】ついで、この膜を10-5torrの圧力の
真空容器中に置き、真空容器に設けられた石英窓を通し
てエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長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。
Next, 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 ns, irradiation energy 200 m
J, an irradiation pulse number of 50 shots) to perform laser annealing.

【0042】さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ
法によって厚さ約100nmのゲイト絶縁膜603を形
成した。このときの基板温度は150度C、RF(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 thereon by a sputtering method in an oxygen atmosphere. The substrate temperature at this time is 150 ° C., and RF (1
(3.56 MHz) input power was 400 W. The atmosphere was substantially oxygen and no other gas was intentionally added. The concentration of oxygen was 99.9% or more. The pressure is 0.
It was 5 pa.

【0043】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。
Thereafter, an aluminum film (thickness: 200 n)
m) was formed by a known vacuum deposition method, and unnecessary portions were removed by a known dry etching method to form a gate electrode 604. The width of the gate electrode was 100 μm. At this time, the photoresist 605 used for the dry etching was left on the gate electrode.

【0044】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, boron ions were implanted into the region other than the gate electrode at 10 14 cm -2 by ion implantation. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist on the gate electrode serve as a mask, so that boso ions are not implanted. By this step, impurity regions, that is, a source region 606 and a drain region 607 were formed in the silicon film. This is shown in FIG.

【0045】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 entire substrate is placed in a vacuum vessel, and
Excimer laser light (KrF laser, wavelength 248 nm, pulse width 10 nanoseconds, irradiation energy 100 mJ, irradiation pulse number 50 shots) was irradiated at a pressure of 0 -5 torr to perform laser annealing. By this step, the impurity region which was ion-implanted and became amorphous was semi-amorphized.

【0046】ついで、水素雰囲気中での熱アニールをお
こなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、
いったん10-6torrまでターボ分子ポンプによって
排気し、この状態を30分保ったのち、99.99%以
上の純度の水素ガスを100torrまでチャンバー内
に導入し、基板を300度Cで60分アニールした。こ
こで、一度真空排気したのは、被膜に吸着されたガス・
水分等を除去するためである。これらが残存した状態で
熱アニールをおこなうと、高い移動度を再現性よく得ら
れないことが経験的にわかっていた。
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
Once exhausted by a turbo-molecular pump to 10 -6 torr and maintained in this state for 30 minutes, hydrogen gas with a purity of 99.99% or more is introduced into the chamber to 100 torr and the substrate is annealed at 300 ° C. for 60 minutes. did. Here, once evacuated, the gas adsorbed on the film
This is for removing 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.

【0047】最後に、ソース領域およびドレイン領域の
上に存在する酸化珪素膜(厚さ100nm)に穴を開
け、アルミニウム電極608、609をこれらの領域に
形成した。以上の工程によって電界効果型トランジスタ
ーが形成された。
Finally, holes were made 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. Through the above steps, a field effect transistor was formed.

【0048】この電界効果型トランジスターのCV特性
を測定した結果、チャネル形成領域の電子移動度は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。
As a result of measuring the CV characteristics of this field effect transistor, the electron mobility of the channel formation region was 98%.
cm 2 / V · s. Further, the threshold voltage (threshold voltage) was 4.8V. Further, oxygen in the channel formation region of this field-effect transistor,
As a result of measuring the concentrations of nitrogen and carbon by SIMS, each was 1 × 10 19 cm −3 or less.

【0049】〔実施例2〕プレーナ構造のTFTを作製
し、その電気特性を評価した。まず、通常のRFスパッ
タ法によって、3×1017cm-3の濃度のリンを含む厚
さ約100nmのアモルファスシリコン被膜を形成し
た。この膜厚では、後のレーザーアニールに使用される
KrFレーザー光(248nm)によって、膜全体がア
ニールされる。基板は石英、基板温度150度C、雰囲
気は実質的に100%アルゴンで圧力は0.5パスカル
(pa)であった。アルゴンには水素その他のガスを意
図的に添加しなかった。アルゴンの濃度は99.99%
以上であった。投入電力は200Wで、RF周波数は1
3.56MHzであった。その後、このアモルファスシ
リコン膜を100μm×500μmの長方形にエッチン
グした。
Example 2 A TFT having a planar structure was manufactured, and its electrical characteristics were evaluated. First, an amorphous silicon film having a thickness of about 100 nm and containing phosphorus at a concentration of 3 × 10 17 cm −3 was formed by a normal RF sputtering method. With this film thickness, the entire film is annealed by KrF laser light (248 nm) used for the subsequent laser annealing. The substrate was quartz, the substrate temperature was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 0.5 Pascal (pa). Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. Argon concentration is 99.99%
That was all. Input power is 200W, RF frequency is 1
It was 3.56 MHz. After that, 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 thereon by sputtering in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature was 150 ° C. and RF (13.5
6 MHz) input power was 400 W. The atmosphere was substantially oxygen and no other gas was intentionally added. The concentration of oxygen 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。
Thereafter, 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 the 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, boron ions were implanted into the region other than the gate electrode by 10 14 cm -2 by ion implantation. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist on the gate electrode serve as a mask, so that boso ions are not implanted. By this step, impurity regions, that is, a source region and a drain region, were formed in the silicon film.

【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 entire substrate is placed in a vacuum vessel,
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. This method is different from the first embodiment in that the source or drain region and the channel forming region are semi-amorphized simultaneously. Therefore, in the method of Example 1, while many defects occurred at the interface between the source or drain region and the channel formation region, 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。
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
Once evacuated to 10 −6 torr with a turbo-molecular pump, it was further heated to 100 ° C. Change this state to 30
And then supply hydrogen gas with a purity of 99.99% or more.
Until the substrate reaches 300 torr.
Annealed at a degree C for 60 minutes. Here, the reason why the evacuation is performed once is to remove gas, moisture, and the like adsorbed on the film. 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 and drain regions, and aluminum electrodes were formed in these regions. Through the above steps, a field effect transistor was formed.

【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 was 11
It was 2 cm 2 / V · s. Further, the threshold voltage (threshold voltage) was 3.9V. It is considered that the reason why the threshold voltage was improved (decreased) as compared with Example 1 is that the impurity region and the channel forming region were simultaneously and uniformly crystallized by performing laser annealing from the back surface. Also, turn on / off the gate voltage
Then, the ratio of the 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 concentration of oxygen, nitrogen and carbon in the channel forming region of this field-effect transistor was measured by SIMS and found to be 1 × 10 19 cm −3 or less. When the channel formation region was measured by Raman spectroscopy, the center value of the Raman peak was 515 c
m −1 , the half-width of the Raman peak was 13 cm −1 , and the presence of silicon that was once melted and then recrystallized was not observed, confirming that it was 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 manufactured, 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 on the amorphous silicon film were formed on a quartz substrate coated with a silicon nitride film having a thickness of 10 nm. 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 preparatory chamber, the preparatory chamber was heated to 200 ° C., evacuated, and held in the preparatory chamber at a pressure of 10 −6 torr or less for one hour. Next, the first chamber, which is always kept at 10 -4 torr or less except for the time of film formation, is evacuated to 10 -6 torr so that no outside air enters, and the substrate is moved from the preliminary chamber to the first chamber. the substrate was set in a chamber, while maintaining the substrate and the target to 200 ° C, evacuated, the pressure in the chamber 1 in the following state 10 -6 torr
Hold for hours. Then, an argon gas was introduced into the chamber, RF plasma was generated, and a sputter film was formed. As a sputtering target, a silicon target having a purity of 99.9999% or more is used, and contains 1 ppm of phosphorus. The substrate temperature during film formation was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 5 × 10 −2 t.
orr. Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. The concentration of argon is 99.99999
% 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 completion of the film formation, the RF discharge was stopped, and the first chamber was evacuated to 10 -6 torr. Next, the second spare chamber, which is always kept at 10 -5 torr or less and is provided between the first chamber and the second chamber, is set to 1
The substrate was evacuated to 0 -6 torr and the substrate was transferred from the first chamber to the second preliminary chamber. Further, except for the time of film formation, the second chamber which is kept at 10 -4 torr or less and is controlled so that no outside air enters, 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 chamber pressure was maintained 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 ) diluted with hydrogen and having a purity of 99.9999% or more diluted with hydrogen are introduced into the second chamber at a ratio of 3: 2.
The total pressure was set to 10 -1 torr. Then, an RF current was introduced into the chamber, plasma was generated, and a silicon nitride film was formed. The input power (13.56 MHz) 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 completion of the film formation, the RF discharge was stopped, and the second chamber was evacuated to 10 -6 torr. Then the second
A third side of the chamber with a quartz window
Was evacuated to 10 −6 torr, and the substrate was transferred from the second chamber to the third preliminary chamber. Then, an excimer laser beam (KrF) is passed through the window of the third preliminary room.
Laser irradiation was performed at 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 made semi-amorphous.

【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 above, the method of continuously performing laser annealing without substantially breaking the vacuum state from the film-forming state involves a method of forming a protective film on an amorphous semiconductor film as shown in this embodiment. It was extremely effective even when it was formed, and also when no protective film was formed as in Examples 1 and 2. The reason for this is that, if a material such as dust, which is a nucleus for crystal growth, adheres or is scratched on the coating film, the laser or This is because the film is easily polycrystallized by annealing. In addition, when shifting from a vacuum state to an atmospheric pressure state, the coating film may be subjected to non-uniform stress, and small changes in the film surface, projections, etc. generated at that time easily become nuclei for polycrystallization. We think that it is to be.

【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 film formation and laser annealing are performed continuously as described above, a film formation chamber and a preparatory chamber are provided as in this embodiment, and a window is provided in the preparatory chamber to perform laser annealing. There is a method and a method in which a window is provided in the film formation chamber and laser annealing is performed after the film formation is completed in the film formation chamber. However, the latter method always etches the film adhered to the window because the film becomes cloudy due to film formation. The former is not necessary. Therefore, the former method can be said to be 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 in the third preparatory chamber was completed, dry nitrogen gas was introduced into the third preparatory chamber, the atmospheric pressure was reached, 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 were all 10 16 cm -3 or less, which means that another coating made in the same process was subjected to secondary ion mass spectrometry (SIMS).
Was confirmed by analysis.

【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 thereon by a sputtering method in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature was 150 ° C. and RF (13.5
6 MHz) input power was 400 W. The sputtering target was silicon oxide having a purity of 99.9999% or more. The atmosphere was substantially oxygen and no other gas was intentionally added. The concentration of oxygen 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。
Thereafter, 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 the 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, boron ions were implanted at a dose of 10 14 cm -2 into portions other than the gate electrode by ion implantation. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist on the gate electrode serve as a mask, so that boso ions are not implanted. By this step, impurity regions, that is, a source region and a drain region, were formed in the silicon film.

【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 entire substrate is placed in a vacuum vessel,
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 stages. However, by performing the second laser annealing from the back surface of the substrate, the continuous formation of the impurity region and the channel forming region is performed. For connection purposes. However, unlike the method of the second embodiment, the reason for performing the first laser annealing for preparing 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 is formed. It is highly likely that this does not happen, or that a high mobility state cannot 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 back surface of the substrate, so that the continuous formation of the channel forming region and the impurity region is performed. 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。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。
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
Once evacuated to 10 −6 torr with a turbo-molecular pump, it was further heated to 100 ° C. Change this state to 30
And then supply hydrogen gas with a purity of 99.99% or more.
Until the substrate reaches 300 torr.
Annealed at a degree C for 60 minutes. Here, the reason why the evacuation is performed once is to remove gas, moisture, and the like adsorbed on the film. It has been empirically known that if thermal annealing is performed with these remaining, high mobility cannot be obtained with good reproducibility. Finally, holes were made in the silicon oxide film (thickness: 100 nm) existing over the source region and the drain region, and aluminum electrodes were formed in these regions. Through the above steps, a field effect transistor was formed.

【0074】この電界効果型トランジスターを100個
作製して、それらのCV特性を測定した結果、チャネル
形成領域の電子移動度は平均で275cm2 /V・sで
あった。さらに、しきい値電圧(スレシュホールド電
圧)の平均は4.2Vであった。ドレイン電流の比率の
平均は8×106 であった。電子移動度の基準値を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 of the channel forming region was 275 cm 2 / V · s on average. Further, the average of the threshold voltage (threshold voltage) was 4.2V. The average of the ratio of the drain current was 8 × 10 6 . The electron mobility reference value is 10
When 0 cm 2 / V · s, the reference value of the threshold voltage was 5.0 V, and the reference value of the drain current ratio was 1 × 10 6 , the pass / fail of 100 field effect transistors was examined. passed it.

【0075】また、これらの電界効果型トランジスター
のチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度を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。
Further, the concentration of oxygen, nitrogen and carbon in the channel formation region of these field-effect transistors is
As a result of measurement by MS, all of the passed field-effect transistors were 1 × 10 16 cm −3 or less.

【0076】〔実施例4〕プレーナ構造のTFTを作製
し、その電気特性を評価した。まず、2つのチャンバー
を有する成膜装置を用いて、厚さ約100nmのアモル
ファスシリコン被膜とその上の厚さ10nmの窒化珪素
被膜とを厚さ10nmの窒化珪素被膜でコーティングさ
れた石英基板上に連続的に形成した。アモルファスシリ
コン膜は通常のスパッタ法によって、また、窒化珪素膜
はグロー放電プラズマCVD法によって作製した。
Example 4 A TFT having a planar structure was manufactured, 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 on the amorphous silicon film were formed on a quartz substrate coated with a silicon nitride film having a thickness of 10 nm. 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.

【0077】まず、第1の予備室に基板をセットし、予
備室を200度Cに加熱するとともに、真空排気し、予
備室の圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持し
た。ついで、成膜時以外は常に10-4torr以下に保
持され、外気が入らないように管理された第1のチャン
バーを10-6torrまで排気し、予備室から基板を移
動させて第1のチャンバーに基板をセットし、基板およ
びターゲットを200度Cに保持したまま、真空排気
し、チャンバーの圧力が10-6torr以下の状態で1
時間保持した。そして、チャンバー内にアルゴンガスを
導入し、RFプラズマを発生させて、スパッタ成膜をお
こなった。スパッタのターゲットは99.9999%以
上の純度の珪素ターゲットを使用し、かつ、1ppmの
リンを含んでいる。成膜時の基板温度は150度C、雰
囲気は実質的に100%アルゴンで圧力は5×10-2
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 preparatory chamber, the preparatory chamber was heated to 200 ° C., evacuated, and maintained at a pressure of 10 −6 torr or less for one hour. Next, the first chamber, which is always kept at 10 -4 torr or less except for the time of film formation, is evacuated to 10 -6 torr so that no outside air enters, and the substrate is moved from the preliminary chamber to the first chamber. the substrate was set in a chamber, while maintaining the substrate and the target to 200 ° C, evacuated, the pressure in the chamber 1 in the following state 10 -6 torr
Hold for hours. Then, an argon gas was introduced into the chamber, RF plasma was generated, and a sputter film was formed. As a sputtering target, a silicon target having a purity of 99.9999% or more is used, and contains 1 ppm of phosphorus. The substrate temperature during film formation was 150 ° C., the atmosphere was substantially 100% argon, and the pressure was 5 × 10 −2 t.
orr. Hydrogen and other gases were not intentionally added to argon. The concentration of argon is 99.99999
% Or more. The input power was 200 W and the RF frequency was 13.56 MHz.

【0078】成膜終了後、RF放電を停止し、第1のチ
ャンバーを10-6torrまで排気した。ついで、常に
10-5torr以下に保持され、第1のチャンバーと第
2のチャンバーの間に設けられている第2の予備室を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 completion of the film formation, the RF discharge was stopped, and the first chamber was evacuated to 10 -6 torr. Next, the second spare chamber, which is always kept at 10 -5 torr or less and is provided between the first chamber and the second chamber, is set to 1
The substrate was evacuated to 0 -6 torr and the substrate was transferred from the first chamber to the second preliminary chamber. Further, except for the time of film formation, the second chamber which is kept at 10 -4 torr or less and is controlled so that no outside air enters, 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 chamber pressure was maintained at 10 -6 torr or less for 1 hour.

【0079】そして、第2のチャンバーに水素で希釈さ
れた純度99.9999%以上のアンモニアガスおよび
ジシランガス(Si2 6 )を3:2の割合で導入し、
全体の圧力を10-1torrとした。そして、チャンバ
ーにRF電流を導入し、プラズマを発生させ窒化珪素の
成膜をおこなった。投入電力(13.56MHz)は2
00Wであった。
Then, ammonia gas and disilane gas (Si 2 H 6 ) diluted with hydrogen and having a purity of 99.9999% or more were introduced into the second chamber at a ratio of 3: 2.
The total pressure was set to 10 -1 torr. Then, an RF current was introduced into the chamber, plasma was generated, and a silicon nitride film was formed. The input power (13.56 MHz) is 2
00W.

【0080】成膜終了後、RF放電を停止し、第2のチ
ャンバーを10-6torrまで排気した。ついで、第2
のチャンバーの片側に設けられ、石英の窓を有する第3
の予備室を10-6torrまで真空排気し、第2のチャ
ンバーから第3の予備室に基板を移送した。そして、第
3の予備室に純度99.9999%以上のアルゴンガス
を導入し、内部の圧力を5気圧とした。そして、第3の
予備室の窓を通してエキシマーレーザー光(KrFレー
ザー、波長248nm、パルス幅10ナノ秒、照射エネ
ルギー100mJ、照射パルス数50ショット)を照射
し、レーザーアニールをおこなった。こうして、アモル
ファスシリコン膜のセミアモルファス化をおこなった。
After the completion of the film formation, the RF discharge was stopped, and the second chamber was evacuated to 10 -6 torr. Then the second
A third side of the chamber with a quartz window
Was evacuated to 10 −6 torr, and the substrate was transferred from the second chamber to the third preliminary chamber. Then, an argon gas having a purity of 99.9999% or more was introduced into the third preliminary chamber, and the internal pressure was adjusted to 5 atm. Excimer laser light (KrF laser, wavelength: 248 nm, pulse width: 10 nanoseconds, irradiation energy: 100 mJ, irradiation pulse number: 50 shots) was irradiated through the window of the third preliminary chamber, and laser annealing was performed. Thus, the amorphous silicon film was made semi-amorphous.

【0081】このように、成膜状態から外気に触れるこ
となく、連続的にレーザーアニールをおこなう方法は、
この実施例に示されているように、アモルファス半導体
膜上に保護膜が形成されている場合であっても、また、
実施例1および2のように保護膜が形成されていない場
合であっても極めて有効であった。その理由としては、
被膜上に、ホコリ等の結晶成長の核となる材料が付着し
たり傷が付いたりすることがないというためであると考
えられる。さらに、本実施例の場合のように、加圧した
雰囲気でのレーザーアニールは、レーザー照射によっ
て、被膜内にミクロな気泡行が発生することを抑制し、
したがって、これらの気泡が核となって被膜が多結晶化
することを防止する効果がある。
As described above, the method of continuously performing laser annealing without contacting outside air from the film formation state is as follows.
As shown in this embodiment, even when a protective film is formed on an amorphous semiconductor film,
It was extremely effective even when the protective film was not formed as in Examples 1 and 2. The reason is that
It is considered that this is because a material such as dust, which is a nucleus for crystal growth, does not adhere to the film or is not scratched. Furthermore, as in the case of the present embodiment, laser annealing in a pressurized atmosphere suppresses generation of microbubble lines in the coating due to laser irradiation,
Therefore, there is an effect of preventing the film from becoming a nucleus and the film being polycrystallized.

【0082】また、このように成膜とレーザーアニール
を連続的におこなう場合には、本実施例のように成膜室
と予備室とを設け、予備室に窓を設けて、レーザーアニ
ールをおこなう方法と、成膜室に窓を設け、成膜室で成
膜終了後にレーザーアニールをおこなう方法とが考えら
れるが、後者は成膜によって窓が曇ってしまうため、常
に窓に付着する被膜をエッチングしなければならないの
に対し、前者ではその必要がない。したがって、量産性
とメンテナンス性を考慮すれば、前者の方法が優れてい
るといえる。
When film formation and laser annealing are performed continuously in this way, a film formation chamber and a preparatory chamber are provided as in this embodiment, and a window is provided in the preparatory chamber to perform laser annealing. There is a method and a method in which a window is provided in the film formation chamber and laser annealing is performed after the film formation is completed in the film formation chamber. However, the latter method always etches the film adhered to the window because the film becomes cloudy due to film formation. The former is not necessary. Therefore, the former method can be said to be superior in consideration of mass productivity and maintainability.

【0083】さて、第3の予備室においてレーザーアニ
ールを終了したのち、第3の予備室に乾燥窒素ガスを導
入し、大気圧とし、基板を取り出した。そして、窒化珪
素膜を公知のドライエッチング法によって除去したの
ち、珪素膜を10μm×1μmの長方形にエッチングし
た。
After the laser annealing in the third preparatory chamber was completed, dry nitrogen gas was introduced into the third preparatory chamber, the atmospheric pressure was reached, 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 rectangular shape of 10 μm × 1 μm.

【0084】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも1016cm-3以下であることは、同じ工程で作
製された別の被膜を2次イオン質量分析法(SIMS)
によって分析することによって確認した。
The oxygen, nitrogen and carbon concentrations of this film were all 10 16 cm -3 or less, which means that another film produced in the same process was subjected to secondary ion mass spectrometry (SIMS).
Was confirmed by analysis.

【0085】さらに、これに酸素雰囲気中でのスパッタ
法によって厚さ約100nmのゲイト絶縁膜を形成し
た。このときの基板温度は150度C、RF(13.5
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 thereon by sputtering in an oxygen atmosphere. At this time, the substrate temperature was 150 ° C. and RF (13.5
6 MHz) input power was 400 W. The sputtering target was silicon oxide having a purity of 99.9999% or more. The atmosphere was substantially oxygen and no other gas was intentionally added. The concentration of oxygen was 99.999% or more. The pressure was 5 × 10 -2 torr.

【0086】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。
Thereafter, 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
μm, and the channel width was 1 μm. At this time, the photoresist used for the dry etching was left on the gate electrode.

【0087】ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイ
ト電極の部分以外にホウソイオンを1014cm-2注入し
た。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォト
レジストがマスクとなってホウソイオンは注入されな
い。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すな
わち、ソース領域とドレイン領域が形成された。さら
に、基板全体を真空容器に置き、10-5torrの圧力
でエキシマーレーザー光(KrFレーザー、波長248
nm、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。
Then, boron ions were implanted into the region other than the gate electrode at 10 14 cm -2 by ion implantation. Under the gate electrode, the gate electrode and the photoresist on the gate electrode serve as a mask, so that boso ions are not implanted. By this step, impurity regions, that is, a source region and a drain region, were formed in the silicon film. Further, the whole substrate is placed in a vacuum vessel and excimer laser light (KrF laser, wavelength 248) is applied at a pressure of 10 -5 torr.
nm, pulse width 10 ns, irradiation energy 50 mJ,
(Irradiation pulse number: 50 shots) was applied from the back surface of the substrate 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.

【0088】この方法は2段階のレーザーアニールをお
こなうという点では実施例1と同じであるが、2回目の
レーザーアニールを基板の裏面からおこなうということ
によって、不純物領域とチャネル形成領域の連続的な接
続を目的とする。しかしながら、実施例2の方法と異な
り、わざわざ、チャネル形成領域作製のために1回目の
レーザーアニールをおこなう理由は、紫外線レーザーに
よって、レーザーアニールをおこなうと、レーザー照射
面のアニールは起こるが、深い部分ではおこらない、あ
るいは移動度の高い状態が得られない可能性が大きく、
製品の歩留りを下げてしまうことがあるからである。そ
こで、製品の歩留りを向上せしめるために、本実施例で
は最初にアモルファスシリコン膜の表面からレーザーを
照射し、後に基板の裏面からもレーザーを照射して、チ
ャネル形成領域と不純物領域の連続的な接合を得るとい
う方法を採用した。
This method is the same as that of the first embodiment in that two-stage laser annealing is performed. However, by performing the second laser annealing from the back surface of the substrate, the continuous formation of the impurity region and the channel formation region is performed. For connection purposes. However, unlike the method of the second embodiment, the reason for performing the first laser annealing for preparing 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 is formed. It is highly likely that this does not happen, or that a high mobility state cannot 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 back surface of the substrate, so that the continuous formation of the channel forming region and the impurity region is performed. The method of obtaining a joint was adopted.

【0089】ついで、水素雰囲気中での熱アニールをお
こなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、
いったん10-6torrまでターボ分子ポンプによって
排気し、さらに100度Cに加熱した。この状態を30
分保ったのち、99.99%以上の純度の水素ガスを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。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。
Next, thermal annealing was performed in a hydrogen atmosphere. Place the substrate in a chamber that can be evacuated,
Once evacuated to 10 −6 torr with a turbo-molecular pump, it was further heated to 100 ° C. Change this state to 30
And then supply hydrogen gas with a purity of 99.99% or more.
Until the substrate reaches 300 torr.
Annealed at a degree C for 60 minutes. Here, the reason why the evacuation is performed once is to remove gas, moisture, and the like adsorbed on the film. It has been empirically known that if thermal annealing is performed with these remaining, high mobility cannot be obtained with good reproducibility. Finally, holes were made in the silicon oxide film (thickness: 100 nm) existing over the source region and the drain region, and aluminum electrodes were formed in these regions. Through the above steps, a field effect transistor was formed.

【0090】この電界効果型トランジスターを100個
作製して、それらのCV特性を測定した結果、チャネル
形成領域の電子移動度は平均で259cm2 /V・sで
あった。さらに、しきい値電圧(スレシュホールド電
圧)の平均は4.2Vであった。ドレイン電流の比率の
平均は8×106 であった。電子移動度の基準値を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。
As a result of producing 100 field effect transistors and measuring their CV characteristics, the electron mobility of the channel formation region was 259 cm 2 / V · s on average. Further, the average of the threshold voltage (threshold voltage) was 4.2V. The average of the ratio of the drain current was 8 × 10 6 . The electron mobility reference value is 10
When 0 cm 2 / V · s, the reference value of the threshold voltage was 5.0 V, and the reference value of the drain current ratio was 1 × 10 6 , the pass / fail of 100 field effect transistors was examined. passed it. This example shows that the present invention is extremely effective for miniaturization of a device.

【0091】また、これらの電界効果型トランジスター
のチャネル形成領域中の酸素、窒素、炭素の濃度を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。
The concentration of oxygen, nitrogen, and carbon in the channel formation region of these field-effect transistors
As a result of measurement by MS, all of the passed field-effect transistors were 1 × 10 16 cm −3 or less.

【0092】[0092]

【発明の効果】本発明によって、再現性よく、移動度の
大きな膜状半導体が得られることが明らかになった。本
発明では、主として石英等の絶縁性基板状に形成した半
導体被膜のレーザーアニールについて説明したが、基板
の材料としては、モノリシックIC等で用いられるよう
な単結晶珪素基板等の単結晶半導体であってもよい。し
かし、レーザーアニールが起こる程度の比較的薄いアモ
ルファス膜を単結晶もしくは多結晶の基板上にじかに形
成した場合には、レーザー照射によって、これらの基板
を核として結晶が成長し、多結晶化してしまうため望ま
しくない。しかしながら、十分厚いアモルファス膜を単
結晶もしくは多結晶基板上に形成した場合には、レーザ
ーアニールはアモルファス膜の深部にまでは到達しない
ため、良好なセミアモルファス状態が得られる。もちろ
ん、単結晶もしくは多結晶基板上に酸化珪素、窒化珪素
等のアモルファス材料が形成されている場合には何ら問
題はない。
According to the present invention, it has been clarified that a film semiconductor having high 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 is mainly described. However, the substrate is made of a single crystal semiconductor such as a single crystal silicon substrate used in a monolithic IC or the like. You may. However, when a relatively thin amorphous film that causes laser annealing is formed directly on a single-crystal or polycrystalline substrate, the laser irradiation causes the crystal to grow from these substrates as nuclei and become polycrystalline. Undesirable. However, when a sufficiently thick amorphous film is formed on a single-crystal or polycrystalline substrate, a good semi-amorphous state can be obtained because laser annealing does not reach the deep portion of the amorphous film. Of course, there is no problem when an amorphous material such as silicon oxide or silicon nitride is formed on a single crystal or polycrystalline substrate.

【0093】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 embodiment has been described with reference to the silicon film, the present invention may be applied to a germanium film, a silicon-germanium alloy film, other intrinsic semiconductor materials or compound semiconductor materials. Can be applied. As mentioned earlier, in this specification, the method of using laser annealing was described as a method of improving the mobility of an amorphous film, but this expression includes a method in which laser is not used, such as flash lamp annealing. is there. That is, the present invention relates to a method for improving the crystallinity of a semiconductor material using strong optical energy.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the 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)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 center value of the Raman peak (RAMAN SHIFT, horizontal axis) and the electron mobility (vertical axis) of a silicon film annealed by laser. The concentration of oxygen 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)の関係を示す。
FIG. 2: Raman peak median (RAMAN SHIF) of laser annealed silicon coatings with various oxygen concentrations
T, horizontal axis) and electron mobility (vertical axis).

【図3】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素
被膜のラマン・ピークの半値幅の単結晶珪素のラマン・
ピークの半値幅に対する比率(FWHM RATIO、
横軸)と電子移動度(縦軸)の関係を示す。
FIG. 3 shows Raman peaks of single crystal silicon having a half width of the Raman peak of a laser-annealed silicon film having various oxygen concentrations.
Ratio of peak to half width (FWHM RATIO,
The relationship between the horizontal axis) and the electron mobility (vertical axis) is shown.

【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)の関係を示す。
FIG. 4 shows the intensity of the amorphous component of the Raman peak of the laser-annealed silicon coating with various oxygen concentrations (48
0 cm -1 peak) single crystal silicon component intensity (521c
The relationship between the ratio (Ia / Ic, horizontal axis) to the electron mobility (vertical axis) with respect to the peak at m- 1 ) 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 location dependence of the FWHM of the Raman peak in the channel formation 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 illustrates 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 film 603: insulator film 604: gate electrode 605: photoresist 606: source region 607: drain region 608: source electrode 609 ..Drain electrodes

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI H01L 21/336 (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──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code FI H01L 21/336 (72) Inventor Yasuhiko Takemura 398 Hase, Atsugi-shi, Kanagawa Inside Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd.

Claims (12)

【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1
×1019cm-3以下であるアモルファス珪素薄膜を紫外
線レーザ光を照射して、ラマン・ピークのラマンシフト
が515cm-1以下の波数にせしめることによって得ら
れたことを特徴とする半導体薄膜。
1. The method according to claim 1, wherein the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 1
A semiconductor thin film obtained by irradiating an amorphous silicon thin film of × 10 19 cm -3 or less with an ultraviolet laser beam so as to reduce the Raman peak Raman shift to a wave number of 515 cm -1 or less.
【請求項2】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも1
×1019cm-3以下でありかつ電子移動度が10cm2
/V・s以下である珪素薄膜を紫外線レーザ光を照射し
て、ラマン・ピークのラマンシフトが515cm-1以下
の波数にせしめることによって得られたことを特徴とす
る半導体薄膜。
2. The concentration of each of carbon, nitrogen and oxygen is 1
× 10 19 cm -3 or less and electron mobility of 10 cm 2
A semiconductor thin film obtained by irradiating a silicon thin film having a V / s or less with an ultraviolet laser beam to reduce the Raman peak Raman shift to a wave number of 515 cm -1 or less.
【請求項3】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも1
×1019cm-3以下であるアモルファス珪素薄膜を紫外
線レーザ光を照射して、ラマン・ピークの半値幅が10
cm-1より大きい波数にせしめることによって得られた
ことを特徴とする半導体薄膜。
3. The concentration of each of carbon, nitrogen and oxygen is 1
An amorphous silicon thin film of × 10 19 cm -3 or less is irradiated with an ultraviolet laser beam, and the half width of the Raman peak is 10
A semiconductor thin film obtained by making the wave number larger than cm -1 .
【請求項4】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも1
×1019cm-3以下でありかつ電子移動度が10cm2
/V・s以下である珪素薄膜を紫外線レーザ光を照射し
て、ラマン・ピークの半値幅が10cm-1より大きい波
数にせしめることによって得られたことを特徴とする半
導体薄膜。
4. The method according to claim 1, wherein the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 1
× 10 19 cm -3 or less and electron mobility of 10 cm 2
A semiconductor thin film obtained by irradiating a silicon thin film having a V / s or less with an ultraviolet laser beam so that the half-width of the Raman peak is increased to a wave number larger than 10 cm -1 .
【請求項5】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも1
×1019cm-3以下であるアモルファス珪素薄膜を紫外
線レーザ光を照射して、ラマン・ピークの半値幅比を3
より大きくせしめることによって得られたことを特徴と
する半導体薄膜。
5. The method according to claim 1, wherein the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 1
An amorphous silicon thin film of × 10 19 cm -3 or less is irradiated with an ultraviolet laser beam to reduce the half-width ratio of the Raman peak to 3
A semiconductor thin film obtained by making it larger.
【請求項6】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも1
×1019cm-3以下でありかつ電子移動度が10cm2
/V・s以下である珪素薄膜を紫外線レーザ光を照射し
て、ラマン・ピークの半値幅比を3より大きくせしめる
ことによって得られたことを特徴とする半導体薄膜。
6. The carbon, nitrogen and oxygen concentrations are all 1
× 10 19 cm -3 or less and electron mobility of 10 cm 2
A semiconductor thin film obtained by irradiating an ultraviolet laser beam to a silicon thin film of not more than / V · s to increase the half-width ratio of the Raman peak to more than 3.
【請求項7】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも1
×1019cm-3以下であるアモルファス珪素薄膜を紫外
線レーザ光を照射して、ラマン・ピークの強度比を0.
4以上にせしめることによって得られたことを特徴とす
る半導体薄膜。
7. The method according to claim 1, wherein the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 1
An amorphous silicon thin film is × 10 19 cm -3 or less by irradiating the ultraviolet laser beam, the intensity ratio of the Raman peak 0.
A semiconductor thin film obtained by reducing the number to four or more.
【請求項8】炭素、窒素および酸素の濃度がいずれも1
×1019cm-3以下でありかつ電子移動度が10cm2
/V・s以下である珪素薄膜を紫外線レーザ光を照射し
て、ラマン・ピークの強度比を0.4以上にせしめるこ
とによって得られたことを特徴とする半導体薄膜。
8. The method according to claim 1, wherein the concentrations of carbon, nitrogen and oxygen are all 1
× 10 19 cm -3 or less and electron mobility of 10 cm 2
A semiconductor thin film obtained by irradiating a silicon thin film having a V / s or less with an ultraviolet laser beam to increase the intensity ratio of the Raman peak to 0.4 or more.
【請求項9】紫外線レーザ光の出力は、溶融−再結晶領
域に至らない出力を用いることを特徴とする請求項1乃
至請求項8記載の半導体薄膜。
9. The semiconductor thin film according to claim 1, wherein the output of the ultraviolet laser beam is an output that does not reach the melting-recrystallization region.
【請求項10】紫外線レーザ光は、エキシマレーザであ
ることを特徴とする請求項1乃至請求項9記載の半導体
薄膜。
10. The semiconductor thin film according to claim 1, wherein the ultraviolet laser beam is an excimer laser.
【請求項11】請求項1乃至請求項10記載の半導体薄
膜を半導体領域に用いたことを特徴とする薄膜半導体装
置。
11. A thin film semiconductor device using the semiconductor thin film according to claim 1 for a semiconductor region.
【請求項12】請求項11記載の薄膜半導体装置を複数
用いたことを特徴とする液晶電気光学装置。
12. A liquid crystal electro-optical device comprising a plurality of the thin film semiconductor devices according to claim 11.
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