JPH10261589A - Semiconductor thin film and thin-film semiconductor device using it - Google Patents

Semiconductor thin film and thin-film semiconductor device using it

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Publication number
JPH10261589A
JPH10261589A JP8026398A JP8026398A JPH10261589A JP H10261589 A JPH10261589 A JP H10261589A JP 8026398 A JP8026398 A JP 8026398A JP 8026398 A JP8026398 A JP 8026398A JP H10261589 A JPH10261589 A JP H10261589A
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JP
Japan
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film
mobility
oxygen
less
semiconductor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP8026398A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Kouyuu Chiyou
宏勇 張
Naoto Kusumoto
直人 楠本
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication date
Application filed by Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd filed Critical Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Publication of JPH10261589A publication Critical patent/JPH10261589A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the mobility of a thin-film-like semiconductor material by applying ultraviolet ray laser beams to an amorphous silicon thin film where the concentration of carbon, nitrogen, and oxygen is equal to or less than a specific value for dissolving, recrystallizing it, and then setting a wavenumber where the Raman shift of a Raman peak is equal to or less than a specific value. SOLUTION: An amorphous silicon covering is formed on a crystal substrate 601 and is etched in a rectangular shape, an amorphous silicon film 602 where the concentration of carbon, nitrogen, and oxygen is equal to or less than 1μ10<19> cm<-3> is obtained and then irradiated with excimer laser beams thus recrystallizing an impurity region. In this case, the Raman peak dependency of an electron mobility is small when the central value of the Raman peak of a silicon covering being subjected to laser annealing treatment is equal to or less than 515 cm<-1> but the electron mobility increases rapidly as the central value of the peak increases when the central value is equal to or more than 515 cm<-1> . More specifically, by setting to a wavenumber where the Raman shift of the Raman peak is equal to or less than 515 cm<-1> , a thin-film semiconductor material with a high mobility 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。以下、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。
したがって、通常、マイクロクリスタルあるいはセミア
モルファスと称される10nm程度の微細な結晶の集合
体である物質をもアモルファスと称することとする。
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. Hereinafter, 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.
Therefore, a substance which is an aggregate of fine crystals of about 10 nm which is usually called a microcrystal or a semi-amorphous is also referred to as an amorphous.

【0003】さて、アモルファス半導体(アモルファス
シリコンやアモルファスゲルマニウム等)を利用する場
合には、その作製は400度C以下の比較的低温でおこ
なえるため、高温プロセスが採用できない液晶ディスプ
レー等において有望な方法として注目されている。
When an amorphous semiconductor (amorphous silicon, amorphous germanium, or the like) is used, it can be manufactured at a relatively low temperature of 400 ° C. or less. Attention has been paid.

【0004】しかしながら、純粋なアモルファス半導体
はそのキャリヤ移動度(電子移動度やホール移動度)が
著しく小さいため、これをそのまま、例えば薄膜トラン
ジスター(TFT)のチャネル形成領域として用いるこ
とは稀で、通常はこれらアモルファス半導体材料にレー
ザー光やキセノンランプ光等の強光を照射して、溶融再
結晶させ、結晶質の半導体材料に変成せしめて、そのキ
ャリヤ移動度を向上させて用いていた。(以下の文章で
はの方法を「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な呼応かをもたらす、強力な
フラッシュランプ光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, the method will be referred to as "laser annealing."
It is not necessary to use a laser. Irradiation with strong flash lamp light that provides the same response as laser light irradiation is also included. )

【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の特性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. It has been found that it has a very close relationship with the characteristics of 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。ついで本発明人らは、移動度を向上せしめるべ
き研究の途上において、被膜中に含有される酸素、窒
素、炭素の量が移動度に大きな影響を及ぼしていること
を見出した。図1に示されているものでは、膜中に存在
する窒素原子および酸素原子の数は無視できる程度の微
量なものであったが、酸素原子の数は膜の中央部におい
て、2×1021cm-3程度であった。そこで、膜中に含
まれる酸素原子の数を減少させることによって、ラマン
・ピークの中心値と電子移動度の関係がどのように変化
するかを調べた。
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. Next, the present inventors have found that in the course of research for improving the mobility, the amounts of oxygen, nitrogen, and carbon contained in the coating greatly affect the mobility. In the structure shown in FIG. 1, the number of nitrogen atoms and oxygen atoms existing in the film was negligibly small, but the number of oxygen atoms was 2 × 10 21 at the center of the film. cm -3 . Therefore, it was investigated how the relationship between the center value of the Raman peak and the electron mobility changes by reducing the number of oxygen atoms contained in the film.

【0012】以下、本明細書ではこれらの酸素、窒素、
炭素等の異種元素の濃度とは、被膜の中心部分の濃度を
いうものとする。なぜならば、被膜の基板に近い部分、
あるいは被膜の表面の近傍は、これら異種元素の濃度が
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。被膜中で最もコ
レラ異種元素の濃度の小さな部分は、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、本明細書で、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指すものとする。
Hereinafter, these oxygen, nitrogen,
The concentration of a different element such as carbon refers to the concentration at the center of the coating. Because the part of the coating near the substrate,
Alternatively, the concentration of these different elements is extremely high in the vicinity of the surface of the coating, but the different elements present in these regions are considered to have little effect on the carrier mobility which is a problem in the present invention. This is because the. The portion with the lowest concentration of cholera heteroelement in the film is the central portion of the film in a normal film, and the central portion of the film is considered to play an important role in semiconductor devices such as field-effect transistors. Because. For the reasons described above, in this specification, when simply referring to the concentration of a different element,
It refers to the concentration at the center of the coating.

【0013】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ができた。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.

【0014】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.

【0015】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 as in 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.

【0016】本発明人らは、さらに、同様な傾向がラマ
ン・ピークの半値幅(FWHM)においても見られるこ
とを発見した。この様子を図3に示す。図3の横軸は、
レーザーアニールした被膜のラマン・ピークの半値幅を
単結晶珪素の半値幅でわったものであり、ここでは半値
幅比(FWHM RATIO)とよぶ。FWHM RA
TIOが小さく、1に近いものほど単結晶珪素に近い構
造を有していると考えられる。そして、図から明らかな
ように、酸素濃度が同じ場合には、FWHMRATIO
が1に近いものほど電子移動度が大きいことがわかっ
た。また、先のラマン・ピークの中心値の場合と同様に
膜中の酸素濃度が小さいものほど電子移動度が大きく、
同様な傾向は酸素の濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に
関しても見られた。すなわち、これらの濃度の小さいも
のほど大きな電子移動度が得られた。さらに、ホール移
動度についても同様な傾向が見られた。この場合にも図
2の場合と同様に図3の点線より左側は溶融−再結晶領
域であると考えている。
The present inventors have further found that a similar tendency is observed in the Raman peak full width at half maximum (FWHM). This is shown in FIG. The horizontal axis in FIG.
The half-width of the Raman peak of the laser-annealed coating is divided by the half-width of single-crystal silicon, and is referred to herein as the half-width ratio (FWHM RATIO). FWHM RA
It is considered that the smaller TIO is, the closer to 1, the structure is closer to single crystal silicon. As is apparent from the figure, when the oxygen concentration is the same, the FWHM RATIO
It was found that the electron mobility was higher as the value was closer to 1. Also, as in the case of the center value of the Raman peak, the electron mobility increases as the oxygen concentration in the film decreases,
A similar tendency was observed for nitrogen and carbon concentrations in addition to oxygen concentration. That is, the smaller the concentration, the higher the electron mobility. Further, a similar tendency was observed for the hole mobility. Also in this case, as in the case of FIG. 2, the left side of the dotted line in FIG. 3 is considered to be a melt-recrystallization region.

【0017】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アモ
ルファス成分に起因するラマン・ピーク(480cm-1
付近のピーク)の強度Iaを単結晶珪素のラマン・ピー
クIc(521cm-1付近のピーク)で割ったものであ
り、以下、INTENSITY RATIOと呼ぶ。I
NTENSITY RATIOに関しては、膜中の酸素
濃度が同じであれば、INTENSITY RATIO
が小さい、すなわち、膜中のアモルファス成分が少ない
ほど電子移動度が大きく、さらに膜中に含まれる酸素の
量が少ないほど電子移動度が大きくなった。同様な傾向
は酸素の濃度以外にも、窒素や炭素の濃度に関しても見
られた。すなわち、これらの濃度の小さいものほど大き
な電子移動度が得られた。さらに、ホール移動度につい
ても同様な傾向が見られた。この場合にも図2、図3の
場合と同様に図4の点線より左側は溶融−再結晶領域で
あると考えている。
Further, the 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. FIG. 4 shows the Raman peak (480 cm −1) due to the amorphous component of the laser-annealed coating.
The intensity Ia of the near-peak is divided by the Raman peak Ic of single-crystal silicon (the peak near 521 cm -1 ), and is hereinafter referred to as INTENSITY RATIO. I
Regarding the NENSITY RATIO, if the oxygen concentration in the film is the same, the INTENSITY RATIO
Is small, that is, the less the amorphous component in the film is, the higher the electron mobility is. The smaller the amount of oxygen contained in the film is, the higher the electron mobility is. A similar tendency was observed for nitrogen and carbon concentrations in addition to oxygen concentration. 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.

【0018】さらに、経験的にラマン・ピークの強度が
大きな場合には大きなキャリヤ移動度が得られ、また、
酸素、窒素、炭素の濃度の小さな被膜のラマン・ピーク
の強度は大きかった。
Further, empirically, when the intensity of the Raman peak is large, a large carrier mobility can be obtained.
The intensity of the Raman peak of the film having a small concentration of oxygen, nitrogen and carbon was large.

【0019】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
れらの元素の量がいずれも、5×1019cm-3以下、望
ましくは1×1019cm-3以下とすることによって、例
えば、珪素膜で電子移動度として1000cm2 /V・
sもの値が得られることを見出した。本発明人らは、さ
らにこれらの元素の濃度を減らすことによって、より単
結晶半導体のキャリヤ移動度に近い値が得られるととも
に、その再現性を高めることができることを見出した。
また、同様な方法によって、ホール移動度として、30
0〜500cm2 /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 the silicon film has an electron mobility of 1000 cm 3. 2 / V ・
It was found that s values could be obtained. The present inventors have found that by further reducing the concentration of these elements, a value closer to the carrier mobility of the single crystal semiconductor can be obtained and the reproducibility thereof can be improved.
Further, by the same method, the hole mobility is set to 30.
A value of 0 to 500 cm 2 / V · s could be obtained stably.

【0020】しかしながら、例えば、これらの元素の濃
度を1×1016cm-3以下にすることは、極めて真空度
の高い環境において、きわめてこれらの元素の濃度が小
さい(1×1016cm-3以下)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。
However, for example, when the concentration of these elements is set to 1 × 10 16 cm −3 or less, the concentration of these elements is extremely small (1 × 10 16 cm −3) in an environment with a very high degree of vacuum. Even if laser annealing is performed on the film of the following), it cannot be easily achieved. This is because a small amount of oxygen gas, nitrogen gas, moisture, carbon dioxide, etc. contained in the atmosphere is taken into the film during laser annealing, or these gases adsorbed on the surface of the film are used for laser annealing. It is presumed that this was because it was taken into the film at that time.

【0021】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1000cm2
/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 1000 cm 2.
/ V · s silicon film was obtained.

【0022】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. After the formation, a method in which the film is continuously formed without changing the atmosphere in the same chamber, or once in an extremely high vacuum state and then in an atmosphere suitable for film formation is suitable. However, more product yield,
In order to improve reproducibility and reliability, it is desirable to prepare a dedicated chamber for forming each 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.

【0023】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50〜1000nmが適していた。
The material of the protective film at this time may be silicon oxide, silicon nitride or silicon carbide, provided that the conditions for transmitting laser light are 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. Moreover, the thickness was suitably 50 to 1000 nm.

【0024】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.

【0025】図5は、電子移動度が22cm2 /V・
s、201cm2 /V・sおよび980cm2 /V・s
と測定されたレーザーアニールによって形成されたチャ
ネル形成領域を有する電界効果トランジスターの、チャ
ネル形成領域の各部におけるラマン・ピークの半値幅
(FWHM)を示したものである。図において、横軸は
チャネル形成領域の位置を表す。Lはチャネル形成領域
の長さであって、100μmである。Xはチャネル形成
領域の座標を表し、X/L=0とは、チャネル形成領域
のソース領域との界面、X/L=1とは、チャネル形成
領域のドレイン領域との界面、X/L=0.5とは、チ
ャネル形成領域の中央を表している。図から明らかなよ
うに電子移動度が22cm2 /V・sのものはFWHM
が大きく、しかもその変動は大きくない。FWHMが小
さいほど被膜の結晶性が単結晶のものに近く、それゆえ
電子移動度が大きいことは図3およびそれに関連する説
明で述べたとおりであり、このデータ事態はそれと矛盾
するものではない。しかしながら、FWHMの場所によ
る変動(場所依存性)が小さいということは、被膜の結
晶性が場所によらずほぼ同じものであることを物語って
いる。なお、この被膜の酸素濃度は約8×1020cm-3
で、レーザーアニールによっては溶融しなかったものと
推定されている。
FIG. 5 shows that the electron mobility is 22 cm 2 / V ·
s, 201cm 2 / V · s and 980cm 2 / V · s
FIG. 4 shows the full width at half maximum (FWHM) of the Raman peak in each part of the channel forming region of the field effect transistor having the channel forming region formed by the laser annealing. 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 the figure, the one with an electron mobility of 22 cm 2 / V · s is FWHM
And its fluctuation is not 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 8 × 10 20 cm −3.
It is estimated that they did not melt by laser annealing.

【0026】一方、電子移動度が201cm2 /V・s
のものは、酸素濃度が同じく8×1020cm-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980cm2 /V・
sのものと同等あるいはそれより小さなFWHMの値を
示した。FWHMが小さいということはその部分の電子
移動度が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。
On the other hand, the electron mobility is 201 cm 2 / V · s
Had an oxygen concentration of 8 × 10 20 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 place, the electron mobility is 980 cm 2 / V ·
The value of FWHM was equal to or smaller than that of s. A small FWHM implies a high electron mobility in that area,
This means that a portion having crystallinity equivalent to that of single crystal silicon is localized in the same film. 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.

【0027】電子移動度が980cm2 /V・sのもの
は、酸素濃度は他の2つに比べて、著しく小さく約1×
1019cm-3であった。図から明らかなように、全般的
にFWHMは小さく、さらにFWHMの場所依存性も小
さい。このことは全体的に電子移動度が大きく、単結晶
珪素と同等な結晶性を有する材料からなっていることを
示唆し、デバイス等に量産するのに極めて適している。
In the case of the electron mobility of 980 cm 2 / V · s, the oxygen concentration is remarkably smaller than that of the other two by about 1 ×.
It was 10 19 cm -3 . As is clear from the figure, the FWHM is generally small, and the location dependency of the FWHM is also small. This suggests that the material has a high electron mobility as a whole and is made of a material having the same crystallinity as single-crystal silicon, and is extremely suitable for mass production of devices and the like.

【0028】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(連続発振かパルス発振か、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、各種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、赤外線レーザ
ーが使用でき、レーザーアニールする膜の厚さによって
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到達せず、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
比較的内部にまで侵入し、よってレーザーアニールは深
部でも起こる。したがって、膜厚とレーザーの種類を選
択することによって、膜の表面近傍のみをレーザーアニ
ールすることが可能である。いずれにしても、溶融−再
結晶という過程を経るように、レーザーの波長、強度等
を選択することによって高いキャリヤ移動度が得られ
た。溶融という条件を満たすためには、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
融点以上、すなわち、珪素の場合には大気圧下で140
0度C以上、ゲルマニウムの場合には大気圧下で100
0度C以上が必要である。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。
In order to obtain a 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 include laser oscillation conditions (continuous oscillation or pulse oscillation, repetition frequency, intensity,
Wavelength, coating, etc.) and cannot be said unconditionally. As the laser, an ultraviolet laser such as various excimer lasers or 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, in general, silicon or germanium materials have a short absorption length with respect to ultraviolet light, so that laser light does not reach 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 into the inside. Therefore, laser annealing occurs even in deep parts. Therefore, by selecting the film thickness and the type of laser, it is possible to perform laser annealing only near the surface of the film. In any case, high carrier mobility was obtained by selecting the wavelength, intensity and the like of the laser so as to go through the process of melting and recrystallization. In order to satisfy the condition of melting, in a long time,
The temperature of the part irradiated with the laser is higher than the melting point of the semiconductor, that is, in the case of silicon, 140 ° C. under the atmospheric pressure.
0 ° C or higher, 100 ° C for germanium under atmospheric pressure
0 degree C or more is required. However, for example, in a very short time of 10 nanoseconds realized by an excimer laser, the melting of the coating film is not observed even if a temperature instantaneously exceeding 2000 ° C. is observed spectroscopically. Sometimes this is not done, and this definition of temperature does not really make much sense.

【0029】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再結晶化が起こると
同時に、半導体原子間結合において不対結合手(タング
リング・ボンド)が生じ、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・ボンドを埋めると考えられるのであるが、
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と考えられる。
As an additional matter, after the semiconductor film is laser-annealed, it is placed in a hydrogen atmosphere at 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 considered to be because laser annealing causes recrystallization and, at the same time, dangling bonds (tangling bonds) are generated in semiconductor interatomic bonds, which function as a barrier to carriers. If the semiconductor contains a lot of oxygen, nitrogen, carbon, etc., these are thought to fill the dangling bonds,
When the concentration of oxygen, nitrogen, carbon, or the like is extremely low as in the present invention, it is considered that dangling bonds cannot be filled, and thus it is necessary to perform annealing in a hydrogen atmosphere after laser annealing.

【0030】[0030]

【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.

【0031】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 spectroscopy (SIMS) that the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in this coating were all 10 19 cm -3 or less.

【0032】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 at 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.

【0033】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.

【0034】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.

【0035】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 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 606 and a drain region 607 were formed in the silicon film. This is shown in FIG.

【0036】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
領域が再結晶化された。
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 recrystallized.

【0037】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.

【0038】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.

【0039】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
0cm2 /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4.9V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%.
0 cm 2 / V · s. Further, the threshold voltage (threshold voltage) was 4.9V. The concentration of oxygen, nitrogen, and carbon in the channel formation region of this field-effect transistor was measured by SIMS and found to be 1 × 10 19 cm −3 or less.

【0040】〔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.

【0041】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも1019cm-3以下であることを、2次イオン質
量分析法(SIMS)によって確認した。
It was confirmed by secondary ion mass spectroscopy (SIMS) that the concentrations of oxygen, nitrogen and carbon in this film were all 10 19 cm -3 or less.

【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 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 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.

【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.

【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 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.

【0045】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・シリコン膜が結
晶化された。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結晶
化が同時におこなわれる。そのため、実施例1の方法で
は、ソース領域あるいはドレイン領域とチャネル形成領
域の界面に多くの欠陥が生じたのに対し、欠陥が少な
く、結晶性が連続的な界面が得られた。
Further, the whole substrate is placed in a vacuum 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 crystallized. In this method, unlike in the first embodiment, crystallization of the source or drain region and the channel formation region is performed 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.

【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、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.

【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、アルミニウム電極をこれらの領域に形成した。以上
の工程によって電界効果型トランジスターが形成され
た。
Finally, holes were made in the silicon oxide film (thickness: 100 nm) existing on the source region and the drain region, and aluminum electrodes were formed in these regions. 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99
0cm2 /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 99%.
0 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 .

【0049】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520c
-1、ラマン・ピークの半値幅は4.5cm-1であり、
一度溶融したのち再結晶化した珪素の存在が確認され
た。
The concentration of oxygen, nitrogen and carbon in the channel formation 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 520 c
m -1 , the half width of the Raman peak is 4.5 cm -1 ,
The presence of silicon which was once melted and then recrystallized was confirmed.

【0050】〔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.

【0051】まず、第1の予備室に基板をセットし、予
備室を200度Cに加熱するとともに、真空排気し、予
備室の圧力が10-6torr以下の状態で1時間保持し
た。ついで、成膜時以外は常に10-4torr以下に保
持され、外気が入らないように管理された第1のチャン
バーを10-6torrまで排気し、予備室から基板を移
動させて第1のチャンバーに基板をセットし、基板およ
びターゲットを200度Cに保持したまま、真空排気
し、チャンバーの圧力が10-6torr以下の状態で1
時間保持した。そして、チャンバー内にアルゴンガスを
導入し、RFプラズマを発生させて、スパッタ成膜をお
こなった。スパッタのターゲットは99.9999%以
上の純度の珪素ターゲットを使用し、かつ、1ppmの
リンを含んでいる。成膜時の基板温度は150度C、雰
囲気は実質的に100%アルゴンで圧力は5×10-2
orrであった。アルゴンには水素その他のガスを意図
的に添加しなかった。アルゴンの濃度は99.9999
%以上であった。投入電力は200Wで、RF周波数は
13.56MHzであった。
First, the substrate was set in the first preliminary chamber, and the preliminary chamber was heated to 200 ° C., evacuated, and maintained at a pressure of 10 −6 torr or less for 1 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.

【0052】成膜終了後、RF放電を停止し、第1のチ
ャンバーを10-6torrまで排気した。ついで、常に
10-5torr以下に保持され、第1のチャンバーと第
2のチャンバーの間に設けられている第2の予備室を1
-6torrまで真空排気し、第1のチャンバーから第
2の予備室に基板を移送した。さらに、成膜時以外は常
に10-4torr以下に保持され、外気が入らないよう
に管理された第2のチャンバーを10-6torrまで排
気し、第2の予備室から基板を移動させて第2のチャン
バーに基板をセットし、基板およびターゲットを200
度Cに保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が
10-6torr以下の状態で1時間保持した。
After the film formation, 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.

【0053】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 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.

【0054】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結晶化をおこなった。
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 crystallized.

【0055】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、歩留りの向上の点で極めて効
果があった。その理由としては、被膜上に、ホコリ等が
付着したり、水分やガスの吸着が起こったり、傷が付い
たりすることが避けられるということいあると考えられ
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. Even in the case where the protective film was formed, or in the case where the protective film was not formed as in Examples 1 and 2, there was a remarkable effect in terms of improving the yield. It is considered that the reason is that dust and the like are prevented from adhering to the coating, moisture and gas are absorbed, and scratches are prevented.

【0056】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に常
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 the present embodiment, and a window is provided in the preparatory chamber to perform laser annealing. 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 can be considered, but the latter method always etches the film adhering to the window because the window 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.

【0057】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.

【0058】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 fact that the oxygen, nitrogen and carbon concentrations of this film are all 10 16 cm −3 or less means that another film produced in the same process was subjected to secondary ion mass spectrometry (SIMS).
Was confirmed by analysis.

【0059】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.

【0060】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.

【0061】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 portion 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.

【0062】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
結晶化された。
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 crystallized.

【0063】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。特に、1回目のレーザーアニールが溶
融ー再結晶工程によって、高いキャリヤ移動度を有する
被膜を得ることを目的とする一方、2回目のレーザーア
ニールはレーザーの出力を抑えて、溶融させないで結晶
の微視的な秩序化を促進させ、不純物領域の抵抗を低下
させることを目的とする。そして、レーザーの出力が抑
制されることによって、1回目のレーザーアニールによ
って形成された移動度の大きな結晶性領域(主としてチ
ャネル形成領域)はほとんど変化を受けない。なおか
つ、実施例2で見られたように、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おいて、欠陥が
減らし、結晶性が連続的な界面を得ることができる。
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. In particular, the first laser annealing aims at obtaining a film having a high carrier mobility by a melting-recrystallization process, while the second laser annealing suppresses the output of the laser and fines crystals without melting. An object is to promote visual ordering and reduce resistance of an impurity region. Then, by suppressing the output of the laser, the crystalline region having high mobility (mainly the channel forming region) formed by the first laser annealing is hardly changed. Further, as seen in Example 2, at the interface between the source or drain region and the channel formation region, defects can be reduced and an interface with continuous crystallinity can be obtained.

【0064】また、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。裏面からのレーザ
ー光の照射によって、ゲイト電極に密接する領域の移動
度が高くないことは、電界効果型トランジスターにとっ
て致命的であるため、膜表面からの照射が望まれるので
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。
Unlike the method of Example 2, the reason for performing the first laser annealing for the purpose of forming the channel formation region is that when the laser annealing is performed with an ultraviolet laser, the laser irradiation surface is annealed. This is because there is a high possibility that the phenomenon will not occur in a deep part or a state with high mobility cannot be obtained, which may lower the yield of products. Irradiation from the surface of the film is desired because irradiation of the laser beam from the back surface does not cause high mobility in a region close to the gate electrode, which is fatal to the field-effect transistor. 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.

【0065】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.

【0066】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.

【0067】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995cm2 /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80
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、91個が合格した。
As a result of producing 100 field effect transistors and measuring their CV characteristics, the electron mobility in the channel forming region was 995 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 reference value of the electron mobility is 80
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.

【0068】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.

【0069】[0069]

【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。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、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。
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. Further, although the embodiment has been described with reference to the silicon coating, the present invention is applied to a germanium coating, a silicon-germanium alloy coating, and other intrinsic semiconductor materials or compound semiconductor materials. be able to. As mentioned earlier, a method called laser annealing was used as a method of improving the mobility of the amorphous film, but this expression also includes a method in which laser is not used, such as flash lamp annealing. 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 the ratio (FWHM RATIO, abscissa) of the ratio of the half-width of the Raman peak of a laser-annealed silicon film having various oxygen concentrations to the half-width of the Raman peak of single-crystal silicon and the electron mobility (vertical axis). Show the relationship.

【図4】様々な酸素濃度のレーザーアニールされた珪素
被膜のラマン・ピークのアモルファス成分の強度(48
0cm-1のピーク)の単結晶珪素成分の強度(521c
-1のピーク)に対する比率(Ia/Ic、横軸)と電
子移動度(縦軸)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】ある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 a certain field effect transistor. 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

Claims (4)

【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、溶融させた後に再結晶化し、
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ることを特徴とする半
導体薄膜。
An amorphous silicon thin film having carbon, nitrogen and oxygen concentrations of 1 × 10 19 cm −3 or less is irradiated with an ultraviolet laser beam, melted, and then recrystallized.
A semiconductor thin film obtained by reducing 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10cm
2 /V・s以下である珪素薄膜を紫外線レーザ光を照射
して、溶融させた後に再結晶化し、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 the electron mobility is 10 cm.
It is obtained by irradiating a silicon thin film of 2 / V · s or less with an ultraviolet laser beam, melting and recrystallizing the silicon thin film, and reducing the Raman peak Raman shift to a wave number of 515 cm −1 or less. Semiconductor thin film.
【請求項3】 前記紫外線レーザ光は、エキシマレーザ
であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載
の半導体薄膜。
3. The semiconductor thin film according to claim 1, wherein the ultraviolet laser beam is an excimer laser.
【請求項4】 請求項1乃至請求項3のいずれか一に記
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。
4. A thin film semiconductor device using the semiconductor thin film according to claim 1 in a semiconductor region.
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