JPH03248434A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents
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Landscapes
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- Recrystallisation Techniques (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野コ
本発明は、非単結晶半導体薄膜を用いて作成される半導
体装置の製造方法に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device made using a non-single crystal semiconductor thin film.
[従来の技術]
非晶質シリコン薄膜、微結晶シリコン薄膜、多結晶シリ
コン薄膜等の非単結晶半導体薄膜には、ダングリングボ
ンドが多数存在する。たとえば、多結晶シリコン薄膜に
関しては、結晶粒界に存在するダングリングボンド等の
欠陥が、キャリアに対するトラップ準位となりキャリア
の伝導に対して障壁として働<、 (J、 Y、
W、 5eto、 J。[Prior Art] A large number of dangling bonds exist in non-single crystal semiconductor thin films such as amorphous silicon thin films, microcrystalline silicon thin films, and polycrystalline silicon thin films. For example, in polycrystalline silicon thin films, defects such as dangling bonds that exist at grain boundaries become trap levels for carriers and act as barriers to carrier conduction.
W, 5eto, J.
Appl、Phys、、46.p5247 (1975
))。従って、多結晶シリコン薄膜トランジスタの性能
を向上させる為には、前記欠陥を但減させる必要がある
。 (J、A p p 1. P h Y s。Appl, Phys., 46. p5247 (1975
)). Therefore, in order to improve the performance of polycrystalline silicon thin film transistors, it is necessary to reduce the defects. (J, A p p 1. P h Y s.
53 (2)、 p1193 (1982))、
この目的の為に水素による前記欠陥の終端化が行われて
おり、この様な水素化の方法としては、水素プラズマ処
理法、水素イオン注入法、あるいはプラズマ窒化膜から
の水素の拡散法等が知られている。53 (2), p1193 (1982)),
For this purpose, the defects are terminated with hydrogen, and such hydrogenation methods include hydrogen plasma treatment, hydrogen ion implantation, and hydrogen diffusion from a plasma nitride film. Are known.
[発明が解決しようとする課題]
しかし、従来の水素化の方法では、以下に述べる欠点が
あった。 (1)水素イオン注入法においては、イオン
注入装置と言う高価な装置を必要とし、数百人程度の多
結晶シリコン層に制御性良く水素を打ち込むことが困難
である等の欠点がある。[Problems to be Solved by the Invention] However, conventional hydrogenation methods have the following drawbacks. (1) The hydrogen ion implantation method requires an expensive device called an ion implanter, and has drawbacks such as the difficulty of implanting hydrogen into a polycrystalline silicon layer with good control over several hundred people.
(2)プラズマ窒化膜からの水素の拡散法においては、
水素の供給が不十分であるために、水素プラズマ処理と
比べて特性が十分向上しない等の欠点がある。 (3)
水素プラズマ処理法においては、特性の向上という点で
は優れているが、プラズマダメージによるゲート耐圧不
良、閾値電圧(Vth)のシフト等の不良が多発する等
の欠点がある。(2) In the hydrogen diffusion method from plasma nitride film,
Since the supply of hydrogen is insufficient, there are drawbacks such as the characteristics not being sufficiently improved compared to hydrogen plasma treatment. (3)
Although the hydrogen plasma treatment method is excellent in improving characteristics, it has drawbacks such as frequent occurrence of defects such as poor gate breakdown voltage and shift of threshold voltage (Vth) due to plasma damage.
そこで、本発明は水素化によるTPT特性向上の効果を
確保しつつ、前述の問題を解決した半導体装置の製造方
法を提供することを目的とする。Therefore, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device that solves the above-mentioned problems while ensuring the effect of improving TPT characteristics by hydrogenation.
[課題を解決するための手段]
本発明の半導体装置の製造方法は、以下の特徴を有する
。[Means for Solving the Problems] The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention has the following features.
(1)絶縁ゲイト型電界効果トランジスタのチャンネル
領域の少なくとも一部が非単結晶半導体よりなる半導体
装置の製造方法において、シリコンを主体とし、水素を
含む非晶質薄膜を形成する工程、該非晶質薄膜上に水素
の拡散係数が非晶質二酸化珪素よりも小さい物質から成
るキャップ層を形成する工程、熱処理によって該非晶質
薄膜中に存在する水素を脱離、拡散させる工程を少なく
とも有し、前記熱処理工程において、非晶質シリコンか
ら水素が脱Hを開始する温度から所定のアニール温度ま
での昇温速度を5℃/分よりもt’sさくしたことを特
徴とする。(1) In a method of manufacturing a semiconductor device in which at least a part of the channel region of an insulated gate field effect transistor is made of a non-single crystal semiconductor, a step of forming an amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen; The step of forming a cap layer made of a substance having a hydrogen diffusion coefficient smaller than that of amorphous silicon dioxide on the thin film, and the step of desorbing and diffusing hydrogen present in the amorphous thin film by heat treatment, In the heat treatment process, the heating rate from the temperature at which hydrogen starts dehydrogenating from the amorphous silicon to the predetermined annealing temperature is set to be t's lower than 5° C./min.
(2)前記熱処理工程の熱処理温度が300℃〜500
℃程度であることを特徴とする。(2) The heat treatment temperature in the heat treatment step is 300°C to 500°C.
It is characterized by a temperature of about ℃.
(3)前記シリコンを主体とし、水素を含む非晶質薄膜
をプラズマCVD法で形成したことを特徴とする。(3) The amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen is formed by a plasma CVD method.
(4)前記シリコンを主体とし、水素を含む非晶質薄膜
をプラズマCVD法で形成する際の基板温度が200℃
程度以下であることを特徴とする。(4) The substrate temperature when forming the amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen by plasma CVD is 200°C.
It is characterized by being less than a certain degree.
(5)絶縁ゲイト型電界効果トランジスタのチャンネル
領域の少なくとも一部が非単結晶半導体よりなる半導体
装置の製造方法において、シリコンを主体とし、水素を
含む非晶質薄膜を形成する工程、該非晶質薄膜上に水素
の拡散係数が非晶質二酸化珪素よりも小さい物質から成
るキャップ層を形成する工程、熱処理によって該非晶質
薄膜中に存在する水素を脱離、拡散させる工程を少なく
とも有し、前記熱処理工程において、一旦400℃〜5
00 @C程度若しくはそれ以上の温度まで昇温しアニ
ールする段階と、400℃程度以下まで冷却し、所定の
時間アニールする段階を少なくとも有することを特徴と
する。(5) In a method of manufacturing a semiconductor device in which at least a part of the channel region of an insulated gate field effect transistor is made of a non-single crystal semiconductor, a step of forming an amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen; The step of forming a cap layer made of a substance having a hydrogen diffusion coefficient smaller than that of amorphous silicon dioxide on the thin film, and the step of desorbing and diffusing hydrogen present in the amorphous thin film by heat treatment, In the heat treatment process, the temperature is once 400℃~5
It is characterized by having at least a step of raising the temperature to a temperature of about 0.00 C or higher and annealing, and a step of cooling to about 400° C. or lower and annealing for a predetermined time.
[実施例コ
本発明の実施例を、第1図の本発明における薄膜トラン
ジスタの工程図にしたがって説明する。[Embodiment] An embodiment of the present invention will be described in accordance with a process diagram of a thin film transistor according to the present invention shown in FIG.
第1図(a)は、ガラス、石英等の絶縁性非晶質基板若
しくは5i02等の絶縁性非晶質材料層等の絶縁性非晶
質材料1−1上に、多結晶シリコン等の非単結晶シリコ
ン薄膜1−2を堆積させ、七の後ホトリソグラフィ法に
より該非単結晶シリコン薄膜をパターン形成する工程で
ある。該非単結晶シリコン薄膜の形成方法としては以下
に述べるような方法がある。FIG. 1(a) shows an insulating amorphous material 1-1 such as an insulating amorphous substrate such as glass or quartz, or an insulating amorphous material layer such as 5i02, and a non-conductive material such as polycrystalline silicon. In this step, a single crystal silicon thin film 1-2 is deposited, and after step 7, the non-single crystal silicon thin film is patterned by photolithography. As a method for forming the non-single crystal silicon thin film, there are the following methods.
(1)減圧CVD法で580℃〜650℃程度で多結晶
シリコン薄膜を堆積させる。(1) Deposit a polycrystalline silicon thin film at about 580° C. to 650° C. by low pressure CVD method.
(2)EB(Electron Beam)蒸着法、
スパッタ法、プラズマCVD法等で非晶質シリコン薄膜
を堆積後、550℃〜650℃程度で2〜70時間程時
間開相成長アニールを行い、粒径1〜2μm以上の大粒
径の多結晶シリコン薄膜を形成する。(2) EB (Electron Beam) vapor deposition method,
After depositing an amorphous silicon thin film by sputtering, plasma CVD, etc., open-phase growth annealing is performed at about 550°C to 650°C for about 2 to 70 hours to form a polycrystalline film with large grains of 1 to 2 μm or more. Form a silicon thin film.
(3)減圧CVD法等で多結晶シリコン薄膜を堆積後、
イオンインプラ法により、Si等を打ち込み、該多結晶
シリコン薄膜を非晶質化した後、550℃〜650℃程
度で固相成長アニールを行い、粒径1〜2μm程度の大
粒径多結晶シリコン薄膜を形成する。(3) After depositing a polycrystalline silicon thin film by low pressure CVD method etc.
After implanting Si or the like using the ion implantation method to make the polycrystalline silicon thin film amorphous, solid-phase growth annealing is performed at approximately 550°C to 650°C to form large-grained polycrystalline silicon with a grain size of approximately 1 to 2 μm. Forms a thin film.
尚、上述の方法で多結晶シリコンを形成した場合、結晶
化度が100%に近い、文字通りの多結晶シリコンとな
る場合と、結晶化度が50%程度〜90%程度の多結晶
シリコンとなる場合がある。In addition, when polycrystalline silicon is formed by the above method, there are cases where the crystallinity is close to 100%, literally polycrystalline silicon, and cases where the crystallinity is about 50% to 90%. There are cases.
この場合、後者は多結晶シリコンと呼ぶよりも微結晶シ
リコンと呼ぶ方がふされしいかも知れないが、本特許で
は、特に断わりが無い場合は、両者を含めて多結晶シリ
コンと呼ぶことにする。また、非単結晶性のシリコン薄
膜1−2としては、上述の多結晶シリコン薄膜以外にも
、微結晶シリコンや非晶質シリコン薄膜を用いてもよい
。In this case, it may be more appropriate to call the latter microcrystalline silicon rather than polycrystalline silicon, but in this patent, unless otherwise specified, both will be referred to as polycrystalline silicon. . Further, as the non-monocrystalline silicon thin film 1-2, microcrystalline silicon or amorphous silicon thin film may be used in addition to the above-mentioned polycrystalline silicon thin film.
次に第1図(b)に示すように熱酸化法等によりゲート
酸化膜1−4を形成する。ドライ酸化法を用いれば酸素
雰囲気で約1150℃の熱処理によって、絶縁耐圧の高
い良質のゲート酸化膜を得ることができる。ウェット酸
化法を用いれば900℃程度の低温でも酸化膜が形成さ
れるが、ドライ酸化法で形成された膜に比べれば絶縁耐
圧は低く、膜質は劣る。前記非単結晶シリコン薄膜1−
2として多結晶シリコンを用いた場合は、この熱酸化工
程で熱処理による結晶成長が進み、結晶化度が向上し、
結晶粒径が拡大する。前記非単結晶シリコン薄膜1−2
として非晶質シリコン薄膜若しくは微結晶シリコン薄膜
を用いた場合にも、熱酸化工程で前記結晶粒径は500
0Aから数μmの大きさの多結晶シリコンに結晶成長す
る。尚、ゲート酸化膜の形成方法としては、上述の熱酸
化法に限らず、 (1)CVD法、プラズマCVD法、
ECR−PCVD法、光CVD法、スパッタ法等でSi
O2膜を形成する。 (2)プラズマ酸化法等で低温酸
化する0等の方法もある。これらの方法は、プロセスの
温度を600℃程度以下の低温にできるため、基板とし
て、安価なガラス基板を用いることができる。Next, as shown in FIG. 1(b), a gate oxide film 1-4 is formed by a thermal oxidation method or the like. If dry oxidation is used, a high-quality gate oxide film with high dielectric strength can be obtained by heat treatment at about 1150° C. in an oxygen atmosphere. If a wet oxidation method is used, an oxide film can be formed even at a low temperature of about 900° C., but the dielectric strength is lower and the film quality is inferior compared to a film formed by a dry oxidation method. Said non-single crystal silicon thin film 1-
When polycrystalline silicon is used as 2, crystal growth due to heat treatment progresses in this thermal oxidation step, and the degree of crystallinity improves.
Grain size expands. Said non-single crystal silicon thin film 1-2
Even when an amorphous silicon thin film or a microcrystalline silicon thin film is used as
Crystals grow from 0A to polycrystalline silicon with a size of several μm. Note that the method for forming the gate oxide film is not limited to the above-mentioned thermal oxidation method, but also includes (1) CVD method, plasma CVD method,
Si by ECR-PCVD method, photoCVD method, sputtering method, etc.
Form an O2 film. (2) There is also a method of low temperature oxidation such as plasma oxidation. These methods allow the process temperature to be as low as about 600° C. or lower, so that an inexpensive glass substrate can be used as the substrate.
次に第1図(C)に示すようにゲート電極1−5を形成
する。該ゲート電極材料には、−数的に多結晶シリコン
が用いられている。該多結晶シリコン層の形成方法とし
ては、 (1)減圧CVD法で多結晶シリコンを形成し
、オキシ塩化リン等を用いた熱拡散法により、N″po
ly−Siを形成する方法、 (2)プラズマCVD法
等で、B(ボロン)、P(リン)等の不純物をドープし
た非晶質シリコン層を形成し、550℃〜650℃程度
の固相成長アニールを2時間程度〜70時間程度行い、
該非晶質シリコン層を多結晶化することで、P−pol
y−5i、N”poly−3iを形成する等の方法があ
る。特に、固相成長法を用いて、ゲート電極を形成した
場合は、結晶粒径1〜2μm以上の結晶粒を含む大粒径
の多結晶シリコンが形成できるため、熱拡散法を用いた
場合よりも、低抵抗の多結晶シリコンを形成することが
出来るという利点がある。更に、ゲート電極として、P
”poly−8iを用いた場合は、チャンネルイオンイ
ンプラを省くことが出来るという利点もあるが、詳細は
後述する。続いて該ゲート電極1−5をマスクとして不
純物元素をイオン注入して、ソース領域1−6及びドレ
イン領域1−7を形成する。前記不純物元素としては、
リン、ヒ素あるいはボロン等が用いられている。Next, as shown in FIG. 1(C), a gate electrode 1-5 is formed. Polycrystalline silicon is used as the gate electrode material. The method for forming the polycrystalline silicon layer is as follows: (1) Polycrystalline silicon is formed by low pressure CVD, and N″po
ly-Si formation method, (2) Form an amorphous silicon layer doped with impurities such as B (boron) and P (phosphorous) by plasma CVD method, etc., and heat it in the solid phase at about 550°C to 650°C. Growth annealing is performed for about 2 hours to about 70 hours,
By polycrystallizing the amorphous silicon layer, P-pol
There are methods such as forming y-5i, N"poly-3i. In particular, when forming the gate electrode using solid phase growth method, large grains containing crystal grains with a crystal grain size of 1 to 2 μm or more are available. Since it is possible to form polycrystalline silicon with a diameter of
"When poly-8i is used, there is an advantage that channel ion implantation can be omitted, but the details will be described later. Next, using the gate electrode 1-5 as a mask, impurity elements are ion-implanted to form the source region. 1-6 and drain region 1-7 are formed.As the impurity element,
Phosphorus, arsenic, boron, etc. are used.
次に第1図(d)に示すように眉間絶縁膜1−8を堆積
させる。続いて、前記ソース領域1−6及びドレイン領
域1−7の不純物活性化と、前記層間絶縁膜1−8の緻
密化の目的で600℃〜1000℃程度の熱処理を行う
。Next, as shown in FIG. 1(d), a glabellar insulating film 1-8 is deposited. Subsequently, heat treatment is performed at approximately 600° C. to 1000° C. for the purpose of activating impurities in the source region 1-6 and drain region 1-7 and densifying the interlayer insulating film 1-8.
次に第1図(e)に示すように非晶質シリコン膜1−9
をプラズマCVD法等の方法で堆積させる。この際、非
晶質シリコン薄膜中には10%程度の水素が含まれてい
る。装置としては、通常のプラズマCVD装置を利用し
て行うことが出来る。Next, as shown in FIG. 1(e), an amorphous silicon film 1-9 is formed.
is deposited by a method such as a plasma CVD method. At this time, the amorphous silicon thin film contains about 10% hydrogen. As an apparatus, a normal plasma CVD apparatus can be used.
反応室の中に基板をセットし、該反応室中にモノシラン
ガス、若しくはモノシランガスを水素ガス若しくはアル
ゴンガス等で希釈したガスを導入する。内圧は0.3〜
2Torr程度とする。13゜56MHzの高周波パワ
ーを印加し、上述のガスを分解し、基板上に水素化アモ
ルファスシリコン(a−3i:H)を500人〜1μm
程度形成する。基板温度は、室温〜350℃程度である
が、低温のアニールによって、効率よく水素が脱離する
点から、200℃以下が特に望ましい。A substrate is set in a reaction chamber, and monosilane gas or a gas obtained by diluting monosilane gas with hydrogen gas, argon gas, or the like is introduced into the reaction chamber. Internal pressure is 0.3~
It is set to about 2 Torr. A high frequency power of 13°56MHz is applied to decompose the above gas, and hydrogenated amorphous silicon (a-3i:H) is deposited on the substrate in a thickness of 500 to 1 μm.
form a degree. The substrate temperature is from room temperature to about 350° C., but is particularly preferably 200° C. or lower since hydrogen is efficiently desorbed by low-temperature annealing.
続いて、第1図(f)に示すように、該非晶質シリコン
膜1−9上にキャップ層1−10を形成し、300℃〜
500℃程度の温度で水素化アニールを施す、アニール
時間は30分〜5時間程度である。このアニールによっ
て、非晶質シリコンから原子状の水素が脱離し、層間絶
縁膜、ゲート電極中を拡散し、多結晶シリコンの結晶粒
界に存在するダングリングボンドを終端化する。尚、キ
ャップ層1−10としては、非晶質シリコンから発生す
る水素が拡散しにくい材料が望ましい。例えば、 (1
)Cr、Mo、AI等の金属薄膜をスパッタ法、蒸着法
等で300人〜1μm程度形成する方法、 (2)非晶
質窒化珪素(a−3iNx)を1000人〜1μm程度
形成する方法が特に望ましい。尚、キャップ層の材質は
上記材料に限らず非晶質二酸化珪素(SiO2)よりも
水素が拡散しにくい(拡散係数が小さい)材料である点
が重要である。Subsequently, as shown in FIG. 1(f), a cap layer 1-10 is formed on the amorphous silicon film 1-9 and heated at 300°C to
Hydrogenation annealing is performed at a temperature of about 500° C., and the annealing time is about 30 minutes to 5 hours. Through this annealing, atomic hydrogen is desorbed from the amorphous silicon, diffuses into the interlayer insulating film and the gate electrode, and terminates dangling bonds existing at the grain boundaries of the polycrystalline silicon. Note that the cap layer 1-10 is preferably made of a material in which hydrogen generated from amorphous silicon does not easily diffuse. For example, (1
) A method of forming a metal thin film of Cr, Mo, AI, etc. to a thickness of about 300 to 1 μm by sputtering, vapor deposition, etc.; (2) A method of forming amorphous silicon nitride (a-3iNx) to a thickness of about 1000 to 1 μm. Particularly desirable. Note that the material of the cap layer is not limited to the above-mentioned materials, but it is important that it be a material in which hydrogen is more difficult to diffuse (has a smaller diffusion coefficient) than amorphous silicon dioxide (SiO2).
続いて、所定の水素化アニール温度までの昇温方法につ
いて述べる。非晶質シリコン上に水素拡散防止用のキャ
ップ層を形成しであるため水素化アニールの方法を最適
化しないと、水素の急激な脱離に伴う非晶質シリコン層
の剥離やピンホール等の欠陥発生等の問題を生ずる。そ
こで、水素化アニールの条件、特に、所定の水素化アニ
ール温度までの昇温方法は重要である。第2図は本発明
の実施例における昇温方法の模式図の一例である。Next, a method of raising the temperature to a predetermined hydrogenation annealing temperature will be described. Since a cap layer is formed on amorphous silicon to prevent hydrogen diffusion, unless the hydrogenation annealing method is optimized, the amorphous silicon layer may peel off or pinholes may occur due to rapid desorption of hydrogen. This causes problems such as defects. Therefore, the conditions for hydrogenation annealing, particularly the method of raising the temperature to a predetermined hydrogenation annealing temperature, are important. FIG. 2 is an example of a schematic diagram of a temperature raising method in an embodiment of the present invention.
第2図において、 (a)は所定の温度に保たれたアニ
ール炉に試料を挿入し、所定の水素化アニル温度(T1
)まで所定の昇温速度で昇温しで、所定の水素化アニー
ル温度(TI)でアニールする場合を示す、昇温速度は
、5℃/分より遅い方が水素の脱離に伴う欠陥の発生や
膜の剥離が抑制され望ましい、尚、昇温速度は常に一定
である必要はなく、上述の値の範囲で変動しても無論構
わない。In Fig. 2, (a) shows that a sample is inserted into an annealing furnace maintained at a predetermined temperature, and a predetermined annealing temperature (T1
), and annealing is performed at a predetermined hydrogenation annealing temperature (TI). A temperature increase rate slower than 5°C/min will reduce defects due to hydrogen desorption. This is desirable because generation and film peeling are suppressed. However, the temperature increase rate does not always have to be constant, and may of course be varied within the above-mentioned range.
尚、T1は、前述の通り300℃〜500℃程度が望ま
しい、特に、350’C〜400℃程度が、非晶質シリ
コンからの水素の脱離と脱離した水素の拡散が効率よく
成され、更に多結晶シリコンのダングリングボンドへの
水素付加の効率も良いため、特に望ましい、又、400
℃〜500℃程度以上のアニール温度では、非晶質シリ
コンからの水素の脱離と脱離した水素の拡散は上述の温
度よりも更に効率的に起こるが、多結晶シリコンのダン
グリングボンドへの水素付加の効率が低下する(水素の
付加と脱離が同時に起こるようになるため)。As mentioned above, T1 is preferably about 300°C to 500°C, and in particular, about 350°C to 400°C allows for efficient desorption of hydrogen from amorphous silicon and diffusion of the desorbed hydrogen. Furthermore, it is particularly desirable because the efficiency of adding hydrogen to the dangling bonds of polycrystalline silicon is high, and 400
At an annealing temperature of approximately 500°C to 500°C, desorption of hydrogen from amorphous silicon and diffusion of desorbed hydrogen occur more efficiently than at the above-mentioned temperatures; The efficiency of hydrogen addition decreases (because hydrogen addition and desorption occur simultaneously).
そこで、一旦り00℃〜500℃程度若しくはそれ以上
の温度まで昇温し、10分〜1時間程度アニールを行い
、水素の脱離と拡散を促進した後、400℃程度以下ま
で冷却し、多結晶シリコンのダングリングボンド等の欠
陥への水素の付加を促進するアニールを30分〜2時間
程度行うアニル方法はきわめて有効である。第2図(b
)は所定の温度(T2)まで所定の昇温速度で昇温し、
続いて、水素化アニール温度である所定の温度(TI)
まで昇温速度を遅くして昇温する場合を示す。Therefore, the temperature is raised to about 00°C to 500°C or higher, annealed for about 10 minutes to 1 hour to promote hydrogen desorption and diffusion, and then cooled to about 400°C or less. An annealing method in which annealing is performed for about 30 minutes to 2 hours to promote the addition of hydrogen to defects such as dangling bonds in crystalline silicon is extremely effective. Figure 2 (b
) is heated to a predetermined temperature (T2) at a predetermined heating rate,
Subsequently, a predetermined temperature (TI) which is the hydrogenation annealing temperature
This shows the case where the temperature is increased at a slow rate until .
昇温速度をT2の前後で変える理由は、前述のように2
50℃〜300℃程度(プラズマCVD法による成膜時
の基板温度が低く、室温程度で成膜した膜は150℃程
度から水素が脱離する場合がある。)より高い温度で膜
中より水素の脱離が始まるため、その前後で昇温速度を
変え、水素の脱離が始まった後は、昇温速度を5℃/分
よりも遅くして、欠陥の発生や膜の剥離を抑制するため
である。The reason for changing the heating rate before and after T2 is 2 as mentioned above.
Approximately 50°C to 300°C (The substrate temperature during film formation by plasma CVD is low, and a film formed at room temperature may lose hydrogen from around 150°C.) At higher temperatures, hydrogen may be released from the film. Since desorption of hydrogen begins, the temperature increase rate is changed before and after that, and after hydrogen desorption begins, the temperature increase rate is made slower than 5℃/min to suppress the occurrence of defects and peeling of the film. It's for a reason.
従って、T2は200℃〜350℃程度にするのが望ま
しい、 (基板温度が低く、室温付近で成膜した膜の場
合は、T2は100℃〜150℃程度が望ましい、)尚
、T2までは昇温速度を5℃/分よりも早くしてよく、
昇温時間の短縮にもなる。Therefore, it is desirable that T2 be approximately 200°C to 350°C. The heating rate may be faster than 5°C/min,
It also shortens the heating time.
また、第2図(a)の場合と同様に、昇温速度は常に一
定である必要はない。また、T2の前後での昇温速度の
変化もステップ的である必要はなく徐々に昇温速度を変
えてもよい。また昇温速度を変える温度(T2)は複数
あってもよい。第2図(c)は所定の温度(T2)まで
昇温した後、T2で所定の時間保持し、続いて水素化ア
ニール温度である所定の温度T1まで昇温する場合を示
す、アニール温度より低い温度で所定時間(例えば20
分〜2時間程度)保持することで水素をよりゆっくり抜
くことができ、欠陥の発生や膜の剥離を抑制することが
できる。T2は250℃〜350℃程度が望ましい。
(基板温度が低く、室温付近で成膜した膜の場合は、T
2は150℃〜200℃程度が望ましい、)尚、所定の
温度(T2)は一定に保つ必要はない0例えば5℃/分
よりも遅い昇温速度でゆっくり昇温させてもよい、また
所定の温度に保持する温度(T2)は複数あってもよい
0例えば250℃程度で一旦保持した後で350℃程度
で再び保持する等の方法もあり、欠陥の発生や膜の剥離
をより抑制することができる。尚、第2図(a)〜(C
)の内の複数を組み合わせて用いることで、より欠陥の
発生や膜の剥離を抑制することも可能である。また、第
2図(a)〜(c)は本実施例の一例であり、本発明は
これに限定されるものではない。Further, as in the case of FIG. 2(a), the temperature increase rate does not always need to be constant. Further, the change in temperature increase rate before and after T2 does not need to be stepwise, and the temperature increase rate may be changed gradually. Further, there may be a plurality of temperatures (T2) at which the temperature increase rate is changed. Figure 2(c) shows the case where the temperature is raised to a predetermined temperature (T2), held at T2 for a predetermined time, and then raised to a predetermined temperature T1, which is the hydrogenation annealing temperature. at a low temperature for a predetermined period of time (e.g. 20
By holding the film for about 1 minute to 2 hours, hydrogen can be removed more slowly, and the occurrence of defects and peeling of the film can be suppressed. T2 is preferably about 250°C to 350°C.
(If the substrate temperature is low and the film is formed near room temperature, T
2 is preferably about 150°C to 200°C.) Note that it is not necessary to keep the predetermined temperature (T2) constant. For example, the temperature may be raised slowly at a rate slower than 5°C/min. There may be more than one temperature (T2) to maintain at the temperature of be able to. In addition, Fig. 2 (a) to (C
) can be used in combination to further suppress the occurrence of defects and peeling of the film. Moreover, FIGS. 2(a) to 2(c) are examples of the present embodiment, and the present invention is not limited thereto.
続いて、第1図(g)に示すように、前記キャップ層1
−10及び非晶質シリコン層1−9をエツチング除去し
た後、ソース領域及びドレイン領域のコンタクト電極1
−11を形成すれば薄膜トランジスタが完成する。該コ
ンタクト電極材料としてはAIやCrやNi等の金属材
料を用いる。Subsequently, as shown in FIG. 1(g), the cap layer 1 is
-10 and the amorphous silicon layer 1-9 are removed by etching, the contact electrode 1 of the source region and the drain region is removed.
-11, the thin film transistor is completed. As the contact electrode material, a metal material such as AI, Cr, or Ni is used.
本発明により形成した多結晶シリコンTFT (pol
y−8i TFT)c7)電界効果移動度ハNチャン
ネルで50 c m2/V −s (LP CVD法5
90℃で多結晶シリコンを形成した場合)〜160 c
m2/V −s (プラズマCVD法で形成した非晶質
シリコンを600℃で約17時間固相成長させた場合)
となり、水素ガス雰囲気中でアニールしただけの場合(
〜10cm2/V−s)と比べて大幅な特性向上がなさ
れた。Polycrystalline silicon TFT (pol
y-8i TFT) c7) Field effect mobility is 50 cm2/V-s in N channel (LP CVD method 5
When polycrystalline silicon is formed at 90°C) ~160c
m2/V −s (when amorphous silicon formed by plasma CVD is grown in solid phase at 600°C for about 17 hours)
So, in the case of just annealing in a hydrogen gas atmosphere (
~10cm2/V-s), the characteristics were significantly improved.
続いて水素化に伴う閾値電圧制御の問題に関して述べる
。多結晶シリコンTPTを水素化すると、Nチャンネル
トランジスタがデプレッション方向にvthがシフトし
、Pチャンネルトランジスタがエンハンスメント方向に
シフトするが、チャンネル領域に1015〜10”/c
m3程度の不純物をドープすることで、vthを制御す
ることができる。例えば、第1図において、ゲート電極
を形成する前に、イオンインプラ法等でB(ボロン)等
の不純物を10目〜l Q + 37 c m 2程度
のドーズ量で打ち込む等の方法がある。特に、ドーズ量
が前述の値程度であれば、Pチャンネルトランジスタ、
Nチャンネルトランジスタ共オフ電流が最小になるよう
に、vthを制御することができる。従って、0MO3
型のTFT$子を形成する場合においてもPch、Nc
hを選択的にチャンネルドープせずに、全面を同一の工
程でチャンネルドープすることもできる。また、前述の
様に、ゲート電極として、従来の熱拡散法によるN″p
oly−siを用いる代わりに、固相成長法等で形成し
たP′″poly−3iを用いることで、チャンネルイ
オンインプラを用いずに、vthを制御することもでき
る。Next, we will discuss the problem of threshold voltage control associated with hydrogenation. When polycrystalline silicon TPT is hydrogenated, the N-channel transistor shifts vth in the depletion direction, and the P-channel transistor shifts in the enhancement direction;
By doping with an impurity of about m3, vth can be controlled. For example, in FIG. 1, before forming the gate electrode, there is a method of implanting an impurity such as B (boron) at a dose of about 10 to 1 Q + 37 cm 2 by ion implantation or the like. In particular, if the dose is around the above value, the P-channel transistor,
vth can be controlled so that the off-state current of both N-channel transistors is minimized. Therefore, 0MO3
Pch, Nc also when forming a type TFT
It is also possible to do channel doping over the entire surface in the same process without selectively doping h. In addition, as mentioned above, as the gate electrode, N″p
By using P′″poly-3i formed by solid phase growth method etc. instead of using oly-si, vth can also be controlled without using channel ion implantation.
次に、従来の水素プラズマ処理で多発したプラズマ損傷
による不良が、本発明の水素化では、全く発生しない理
由に関して述べる。Next, the reason why defects caused by plasma damage, which frequently occur in conventional hydrogen plasma processing, do not occur at all in the hydrogenation of the present invention will be described.
水素プラズマ処理で発生するダメージの原因は、今のと
ころ明らかではないが、プラズマ雰囲気中に浸されたこ
とにより、チャージアップが起こり、ゲート膜に電圧が
加わった状態になる。更に、基板温度が300℃程度と
比較的高いため、一種のBT (Bias−Tempe
rature)ストレスが加わり、水素プラズマ時間も
1〜2時間程度と長いために、TFTO不良が生じたと
するモデルが現象をよく説明する。The cause of damage caused by hydrogen plasma processing is not clear at present, but immersion in a plasma atmosphere causes charge-up, resulting in a state in which voltage is applied to the gate film. Furthermore, since the substrate temperature is relatively high at around 300°C, a type of BT (Bias-Temp.
The phenomenon is well explained by a model in which TFTO failure occurs due to stress and the hydrogen plasma time being as long as 1 to 2 hours.
一方、本発明の水素化の方法では、非晶質シリコンをプ
ラズマCVD法で形成し、アニールによって非晶質シリ
コンから脱離した水素原子によって水素化を行っている
。従って、非晶質シリコン成膜時に上述のようなりTス
トレスが加わらなければ、ダメージが発生しなくなる。On the other hand, in the hydrogenation method of the present invention, amorphous silicon is formed by plasma CVD, and hydrogenation is performed using hydrogen atoms released from the amorphous silicon by annealing. Therefore, unless T stress is applied as described above during the formation of an amorphous silicon film, no damage will occur.
実際、非晶質シリコンをプラズマCVD法で成膜しただ
けでは、上述のようなりTストレスは殆ど加わらず、本
発明で形成したTPTでは、ダメージによる不良を皆無
にすることができた。その理由としては、以下の2点が
考えられる。In fact, when amorphous silicon is simply formed by the plasma CVD method, almost no T stress is applied as described above, and the TPT formed according to the present invention was able to completely eliminate defects due to damage. There are two possible reasons for this:
(1)水素プラズマ処理と非晶質シリコンの成膜では、
高周波のパワーが1桁間度違うため(20cm径の電極
サイズで水素プラズマ処理=100〜200W、非晶質
シリコンの成膜: 10〜20W)、水素プラズマ処理
程チャージアップが起こりにくい。(1) In hydrogen plasma treatment and amorphous silicon film formation,
Since the power of the high frequency wave is different by one order of magnitude (hydrogen plasma treatment = 100 to 200 W for an electrode size of 20 cm, amorphous silicon film formation: 10 to 20 W), charge-up is less likely to occur than in hydrogen plasma treatment.
(2)水素プラズマ処理では、水素ガスを分解し原子状
水素を供給しながら、熱拡散によって水素原子を多結晶
シリコン層まで拡散させる必要がある。従って、基板温
度を250℃〜3500C程度の高温に保たなければ、
水素化の効果が激減する。一方、本発明では、原子状水
素の供給とその熱拡散による水素化を、非晶質シリコン
成膜時に行うのではなく、それとは別のアニール工程で
行うため、非晶質シリコン成膜時の基板温度を低温化す
ることが出来る。また、基板温度を低温化(例えば20
0℃以下)したほうが、低温で水素が脱離しやすいため
、本発明では非晶質シリコンの成膜温度を低温化したほ
うが望ましい。従って、本発明ではBTストレスはより
軽減される。(2) In hydrogen plasma treatment, it is necessary to diffuse hydrogen atoms to the polycrystalline silicon layer by thermal diffusion while decomposing hydrogen gas and supplying atomic hydrogen. Therefore, if the substrate temperature is not kept at a high temperature of about 250°C to 3500°C,
The effect of hydrogenation is drastically reduced. On the other hand, in the present invention, the supply of atomic hydrogen and hydrogenation by thermal diffusion are not carried out during the formation of the amorphous silicon film, but in a separate annealing process. The substrate temperature can be lowered. Also, lower the substrate temperature (for example, 20
In the present invention, it is preferable to lower the film formation temperature of amorphous silicon because hydrogen is more easily desorbed at a lower temperature when the temperature is lower than 0°C. Therefore, in the present invention, BT stress is further reduced.
以上述べたように、本発明を応用すれば、ON電流が大
きく、OF F SE流が小さく、サブスレッシュホル
ド領域の立ち上がりが急峻で、信頼性の優れた薄膜トラ
ンジスタをプラズマ損傷等による不良を皆無にして製造
可能となる。更に、本発明によれば、大面積の基板を水
素化することも容易である上、量産性も向上するという
大きな利点がある。As described above, if the present invention is applied, a thin film transistor with a large ON current, a small OFF SE current, a steep rise in the subthreshold region, and excellent reliability can be made without any defects due to plasma damage, etc. It can be manufactured using Further, according to the present invention, there are great advantages in that it is easy to hydrogenate a large-area substrate and mass productivity is also improved.
本発明の応用としては、例えば、非単結晶シリコンを素
子材としたTPTによって構成された液晶表示パネル、
密着型イメージセンサ−ドライバー内蔵型のサーマルヘ
ッド、有機系EL等を発光素子としたドライバー内蔵型
の光書き込み素子や表示素子、三次元IC等が考えられ
る0本発明を用いることで、これらの素子の高速、高解
像度化等の高性能化が実現される。更に、実施例で説明
したように、600℃程度以下の低温プロセスに本発明
を応用することにより、基板として安価なガラスを用い
た大面積で高性能な半導体装置も実現可能となる。Applications of the present invention include, for example, a liquid crystal display panel constructed of TPT using non-single crystal silicon as an element material;
Contact type image sensor - A thermal head with a built-in driver, an optical writing element with a built-in driver using an organic EL etc. as a light emitting element, a display element, a three-dimensional IC, etc. can be considered. By using the present invention, these elements can be realized. High performance such as high speed and high resolution will be realized. Further, as described in the embodiments, by applying the present invention to a low temperature process of about 600° C. or lower, it is possible to realize a large-area, high-performance semiconductor device using inexpensive glass as a substrate.
尚、第1図では、poly−3iTFT製造工程に本発
明を適用した場合を例としたが、本発明はこれに限定さ
れるものではない0本発明は、チャンネル領域の少なく
とも一部が多結晶である絶縁ゲート型電界効果トランジ
スタ全てに対して有効である。また、チャンネル領域の
少なくとも一部が微結晶であるトランジスタや、スパッ
タ法や蒸着法等で形成した水素化が不十分な非晶質半導
体がチャンネル領域の一部を成すトランジスタにおいて
も本発明は有効である。Although FIG. 1 shows an example in which the present invention is applied to a poly-3i TFT manufacturing process, the present invention is not limited to this. It is effective for all insulated gate field effect transistors. The present invention is also effective in transistors in which at least a portion of the channel region is made of microcrystals, and in transistors in which a portion of the channel region is made of an insufficiently hydrogenated amorphous semiconductor formed by sputtering, vapor deposition, etc. It is.
また、チャンネル領域が単結晶であっても、三次元IC
の様に再結晶化または固相成長させたシリコン層に素子
を形成する場合、結晶内に亜粒界等の欠陥を生じ易い、
その場合、本発明に基づく半導体装置の製造方法で、欠
陥の終端化を行うと特性の向上に効果がある。Moreover, even if the channel region is single crystal, three-dimensional IC
When forming an element on a silicon layer that has been recrystallized or grown in a solid phase, defects such as subgrain boundaries are likely to occur within the crystal.
In this case, the characteristics can be effectively improved by terminating the defects using the semiconductor device manufacturing method according to the present invention.
さらに、HBT (ヘテロバイポーラトランジスタ)等
のへテロ接合界面の欠陥密度の低減に対しても本発明は
有効である。特に、ペテロ接合を形成する二つの半導体
層のうちの少なくとも一方が、非単結晶半導体よりなる
場合は、本発明によるプラズマ処理により、膜中及び界
面の欠陥を同時に低減することが出来る。Furthermore, the present invention is also effective for reducing the defect density at the heterojunction interface of HBTs (hetero-bipolar transistors) and the like. In particular, when at least one of the two semiconductor layers forming the Peter junction is made of a non-single crystal semiconductor, the plasma treatment according to the present invention can simultaneously reduce defects in the film and at the interface.
また、非単結晶半導体を素子材とした太陽電池・光セン
サやバイポーラトランジスタ、静電誘導トランジスタを
はじめとして本発明は幅広く半導体プロセス全般に応用
することができる。Furthermore, the present invention can be widely applied to semiconductor processes in general, including solar cells, optical sensors, bipolar transistors, and static induction transistors using non-single crystal semiconductors as element materials.
[発明の効果]
以上述べたように、本発明によればp o l y −
5iTFT等のチャンネル領域の少なくとも一部が非単
結晶半導体よりなる絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ
の高性能化を、プラズマ損傷等による不良もなく実現で
きる。また、本発明は絶縁ゲイト型電界効果トランジス
タに限らず、半導体プロセス全般に渡り広く応用するこ
とができ、その効果はきわめて大きい。[Effect of the invention] As described above, according to the present invention, poly y −
It is possible to improve the performance of an insulated gate field effect transistor such as a 5i TFT in which at least a portion of the channel region is made of a non-single crystal semiconductor without causing defects due to plasma damage or the like. Further, the present invention can be widely applied not only to insulated gate field effect transistors but also to semiconductor processes in general, and its effects are extremely large.
第1図(a)から(g)は、本発明の実施例における薄
膜トランジスタの工程図である。
第2図(a)から(C)は、本発明の実施例における昇
温方法の模式図である。
1−1 ;絶縁性非晶質材料
1−2 ;非単結晶シリコン薄膜
1−9 ;非晶質シリコン層
1−1 o; キャップ層
時
間
時
面
第2図
(b)FIGS. 1(a) to 1(g) are process diagrams of a thin film transistor in an embodiment of the present invention. FIGS. 2(a) to 2(C) are schematic diagrams of a temperature raising method in an example of the present invention. 1-1; Insulating amorphous material 1-2; Non-single crystal silicon thin film 1-9; Amorphous silicon layer 1-1 o; Cap layer time plane Fig. 2(b)
Claims (5)
領域の少なくとも一部が非単結晶半導体よりなる半導体
装置の製造方法において、シリコンを主体とし、水素を
含む非晶質薄膜を形成する工程、該非晶質薄膜上に水素
の拡散係数が非晶質二酸化珪素よりも小さい物質から成
るキャップ層を形成する工程、熱処理によって該非晶質
薄膜中に存在する水素を脱離、拡散させる工程を少なく
とも有し、前記熱処理工程において、非晶質シリコンか
ら水素が脱離を開始する温度から所定のアニール温度ま
での昇温速度を5℃/分よりも小さくしたことを特徴と
する半導体装置の製造方法。(1) In a method of manufacturing a semiconductor device in which at least a part of the channel region of an insulated gate field effect transistor is made of a non-single crystal semiconductor, a step of forming an amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen; The step of forming a cap layer made of a substance having a hydrogen diffusion coefficient smaller than that of amorphous silicon dioxide on the thin film, and the step of desorbing and diffusing hydrogen present in the amorphous thin film by heat treatment, 1. A method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that, in a heat treatment step, a temperature increase rate from a temperature at which hydrogen starts to desorb from amorphous silicon to a predetermined annealing temperature is lower than 5° C./min.
℃程度であることを特徴とする請求項1記載の半導体装
置の製造方法。(2) The heat treatment temperature in the heat treatment step is 300°C to 500°C.
2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the temperature is about .degree.
をプラズマCVD法で形成したことを特徴とする請求項
1または請求項2記載の半導体装置の製造方法。(3) The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 or 2, wherein the amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen is formed by a plasma CVD method.
をプラズマCVD法で形成する際の基板温度が200℃
程度以下であることを特徴とする請求項3記載の半導体
装置の製造方法。(4) The substrate temperature when forming the amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen by plasma CVD is 200°C.
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the amount of damage is less than a certain amount.
領域の少なくとも一部が非単結晶半導体よりなる半導体
装置の製造方法において、シリコンを主体とし、水素を
含む非晶質薄膜を形成する工程、該非晶質薄膜上に水素
の拡散係数が非晶質二酸化珪素よりも小さい物質から成
るキャップ層を形成する工程、熱処理によって該非晶質
薄膜中に存在する水素を脱離、拡散させる工程を少なく
とも有し、前記熱処理工程において、一旦400℃〜5
00℃程度若しくはそれ以上の温度まで昇温しアニール
する段階と、400℃程度以下まで冷却し、所定の時間
アニールする段階を少なくとも有することを特徴とする
半導体装置の製造方法。(5) In a method of manufacturing a semiconductor device in which at least a part of the channel region of an insulated gate field effect transistor is made of a non-single crystal semiconductor, a step of forming an amorphous thin film mainly composed of silicon and containing hydrogen; The step of forming a cap layer made of a substance having a hydrogen diffusion coefficient smaller than that of amorphous silicon dioxide on the thin film, and the step of desorbing and diffusing hydrogen present in the amorphous thin film by heat treatment, In the heat treatment process, the temperature is once 400℃~5
1. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising at least the steps of raising the temperature to about 00° C. or higher and annealing it, and cooling it to about 400° C. or less and annealing it for a predetermined time.
Priority Applications (1)
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| JP4495490A JP2864623B2 (en) | 1990-02-26 | 1990-02-26 | Method for manufacturing semiconductor device |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JPH03248434A true JPH03248434A (en) | 1991-11-06 |
| JP2864623B2 JP2864623B2 (en) | 1999-03-03 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0634797A3 (en) * | 1993-07-13 | 1997-02-26 | Sony Corp | Active matrix thin film semiconductor device for display panel and method of manufacture. |
| US5674759A (en) * | 1993-12-28 | 1997-10-07 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method for manufacturing semiconductor device for enhancing hydrogenation effect |
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-
1990
- 1990-02-26 JP JP4495490A patent/JP2864623B2/en not_active Expired - Fee Related
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| US6150692A (en) * | 1993-07-13 | 2000-11-21 | Sony Corporation | Thin film semiconductor device for active matrix panel |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2864623B2 (en) | 1999-03-03 |
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