JPH04286339A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
Semiconductor device and its manufacturing methodInfo
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- JPH04286339A JPH04286339A JP3051258A JP5125891A JPH04286339A JP H04286339 A JPH04286339 A JP H04286339A JP 3051258 A JP3051258 A JP 3051258A JP 5125891 A JP5125891 A JP 5125891A JP H04286339 A JPH04286339 A JP H04286339A
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- H10D30/01—Manufacture or treatment
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- H10D30/031—Manufacture or treatment of FETs having insulated gates [IGFET] of thin-film transistors [TFT]
- H10D30/0312—Manufacture or treatment of FETs having insulated gates [IGFET] of thin-film transistors [TFT] characterised by the gate electrodes
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【0001】0001
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置及びその製
造方法に係わり、特に、絶縁性非晶質材料上の半導体装
置及びその製造方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device and a method of manufacturing the same, and more particularly to a semiconductor device formed on an insulating amorphous material and a method of manufacturing the same.
【0002】0002
【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化が進み、4
MDRAM、1MSRAM等の量産や16M、64MD
RAM、4MSRAM等の開発・試作が進められている
。今後、これらの半導体素子の高密度化が更に進むにつ
れて、三次元構造の半導体素子実現に対する期待が更に
高まるものと予想される。SRAMを例にとると、4M
以上のSRAMでは、メモリーセルに高抵抗poly−
Siを用いた4−T型のSRAMやシリコン基板上にn
チャンネルとpチャンネルのMOSFETを形成した6
−T型のSRAMに代わり、積層CMOS構造のSRA
Mが検討、試作されている。積層CMOS構造では、シ
リコン基板上にnチャンネルMOSFETが形成され、
絶縁材料を挟んでpチャンネルpoly−SiTFTが
積層された構造になっており、4−T型と6−T型の長
所を持ち合わせている。即ち、pチャンネルをpoly
−SiTFTで形成し、積層構造とすることで4−T型
とほぼ同じセルサイズでCMOS構造を実現でき、高集
積性、ソフトエラー耐性、低消費電力性等に優れたSR
AMが実現できる。[Background Art] In recent years, semiconductor devices have become highly integrated, and
Mass production of MDRAM, 1MSRAM, etc., 16M, 64MD
Development and prototyping of RAM, 4MSRAM, etc. is underway. In the future, as the density of these semiconductor devices progresses further, it is expected that expectations for the realization of semiconductor devices with three-dimensional structures will further increase. Taking SRAM as an example, 4M
In the above SRAM, the memory cells are made of high-resistance poly-
4-T type SRAM using Si or n
6 that formed channel and p-channel MOSFETs
-SRA with stacked CMOS structure instead of T-type SRAM
M is being considered and prototyped. In a stacked CMOS structure, an n-channel MOSFET is formed on a silicon substrate,
It has a structure in which p-channel poly-Si TFTs are stacked with an insulating material in between, and has the advantages of 4-T type and 6-T type. That is, the p channel is
-By forming with Si TFT and creating a stacked structure, a CMOS structure can be realized with almost the same cell size as a 4-T type, and SR has excellent high integration, soft error resistance, and low power consumption.
AM can be realized.
【0003】0003
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来のpol
y−SiTFTの構造及び製造方法では、以下に述べる
問題があった。(1)550℃〜650℃程度のアニー
ルを数時間〜数十時間行う必要があるため、スループッ
トが低い。(2)550℃〜650℃程度の固相成長ア
ニールを行っただけでは、多結晶シリコンの結晶化率等
の結晶性を十分に向上させることができず、十分なオン
オフ比を有するTFTを形成することが困難である。
(3)セルフアライン法でゲート電極をマスクとしてソ
ースドレイン領域を形成するため、ドレイン端での電子
・正孔対の生成電流等を原因としたオフリーク電流が発
生し、オフ電流を抑えられない等の問題があった。そこ
で、本発明はより簡便かつ実用的なTFT構造及びその
製造方法で、結晶性の高い多結晶シリコンを再現性良く
形成し、高移動度でオンオフ比が大きいpoly−Si
TFTを形成する素子構造及びその製造方法を提供する
ものである。[Problem to be solved by the invention] However, the conventional pol
The structure and manufacturing method of y-SiTFT has the following problems. (1) Since it is necessary to perform annealing at about 550° C. to 650° C. for several hours to several tens of hours, the throughput is low. (2) Solid-phase growth annealing at about 550°C to 650°C alone cannot sufficiently improve the crystallinity such as the crystallization rate of polycrystalline silicon, forming a TFT with a sufficient on-off ratio. difficult to do. (3) Since the source/drain region is formed using the gate electrode as a mask using the self-alignment method, off-leakage current occurs due to current generated by electron/hole pairs at the drain end, making it impossible to suppress off-current. There was a problem. Therefore, the present invention uses a simpler and more practical TFT structure and its manufacturing method to form highly crystalline polycrystalline silicon with good reproducibility, and to form poly-Si with high mobility and large on-off ratio.
The present invention provides an element structure for forming a TFT and a manufacturing method thereof.
【0004】0004
【課題を解決するための手段】本発明の半導体装置は、
1)絶縁ゲート型半導体装置のチャンネル領域がシリコ
ンを主体とする多結晶半導体で形成された半導体装置に
おいて、チャンネル領域を含むシリコンを主体とし、ボ
ロン等の不純物をドーピングした多結晶半導体層、ゲー
ト絶縁膜、サイドウォールを有するゲート電極、該チャ
ンネル領域を含むシリコンを主体とする多結晶半導体層
の少なくとも一部の領域上に形成されたソース・ドレイ
ン領域を成す薄膜を少なくとも有することを特徴とする
。[Means for Solving the Problems] A semiconductor device of the present invention includes:
1) In a semiconductor device in which the channel region of an insulated gate semiconductor device is formed of a polycrystalline semiconductor mainly composed of silicon, a polycrystalline semiconductor layer containing the channel region mainly composed of silicon doped with impurities such as boron, and gate insulation. The semiconductor device is characterized by having at least a thin film forming a source/drain region formed on at least a part of a polycrystalline semiconductor layer mainly made of silicon including the channel region and a gate electrode having sidewalls.
【0005】2)前記半導体装置が三次元ICの積層部
の素子として形成されたことを特徴とする。2) The semiconductor device is characterized in that it is formed as an element of a stacked part of a three-dimensional IC.
【0006】3)前記チャンネル領域を成すシリコンを
主体とする多結晶半導体層の膜厚が50Å〜250Åで
あることを特徴とする。3) The channel region is characterized in that the polycrystalline semiconductor layer mainly composed of silicon has a thickness of 50 Å to 250 Å.
【0007】4)前記多結晶半導体層の結晶化率が99
.5%以上であることを特徴とする。
5)前記ソース・ドレイン領域を成す薄膜が不純物をド
ープした多結晶シリコンより成ることを特徴とする。4) The crystallization rate of the polycrystalline semiconductor layer is 99
.. It is characterized by being 5% or more. 5) The thin film forming the source/drain region is made of polycrystalline silicon doped with impurities.
【0008】6)前記不純物をドープした多結晶シリコ
ン層の抵抗率が5×10−4Ω・cm以下であることを
特徴とする。6) The polycrystalline silicon layer doped with impurities has a resistivity of 5×10 −4 Ω·cm or less.
【0009】本発明の半導体装置の製造方法は、7)絶
縁ゲート型半導体装置のチャンネル領域がシリコンを主
体とする多結晶半導体で形成された半導体装置の製造方
法において、チャンネル領域を含むシリコンを主体とし
、ボロン等の不純物をドーピングした多結晶半導体層を
形成する工程、ゲート絶縁膜を形成する工程、ゲート電
極及び該ゲート電極側壁のサイドウォールを形成する工
程、該チャンネル領域を含むシリコンを主体とする多結
晶半導体層の少なくとも一部の領域上に選択的にソース
・ドレイン領域を成す薄膜を形成する工程を少なくとも
有することを特徴とする。The method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes 7) a method for manufacturing a semiconductor device in which a channel region of an insulated gate semiconductor device is formed of a polycrystalline semiconductor mainly composed of silicon, including the channel region mainly composed of silicon; A step of forming a polycrystalline semiconductor layer doped with impurities such as boron, a step of forming a gate insulating film, a step of forming a gate electrode and sidewalls of the gate electrode, and a step of forming a silicon-based layer including the channel region. The method is characterized in that it includes at least a step of selectively forming a thin film forming a source/drain region on at least a part of the polycrystalline semiconductor layer.
【0010】8)前記ソース・ドレイン領域を成す薄膜
を形成する工程において、前記薄膜が少なくともサイド
ウォール上には成膜しない条件で選択的に成膜すること
を特徴とする。8) In the step of forming the thin film constituting the source/drain region, the thin film is selectively formed under the condition that the thin film is not formed on at least the sidewalls.
【0011】9)チャンネル領域を含むシリコンを主体
とする多結晶半導体層を、弗素、塩素の内の少なくとも
一方の元素を含むガスを少なくとも用い、更にジボラン
等のドーピングガスを添加し、前記ガスをプラズマ状に
励起分解し、成膜する工程を少なくとも有することを特
徴とする。9) A polycrystalline semiconductor layer mainly composed of silicon including a channel region is prepared by using at least a gas containing at least one of fluorine and chlorine, and further adding a doping gas such as diborane. The method is characterized in that it includes at least a step of excitation decomposition into a plasma state and forming a film.
【0012】0012
【実施例】(実施例1)図1は、本発明の実施例におけ
る半導体装置の断面図の一例である。図1では、3次元
トランジスタへの簡単な応用例(スタックト型CMOS
)を示す。Embodiment 1 FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Figure 1 shows a simple application example to a three-dimensional transistor (stacked CMOS).
) is shown.
【0013】図1において、101はシリコン基板、1
02はp−well領域、103は素子分離領域、10
4はゲート絶縁膜、105はゲート電極、106はソー
ス・ドレイン領域を成すn+拡散層、107はゲート絶
縁膜、108は多結晶シリコン層、109はゲート絶縁
膜、110は上部ゲート電極、111はサイドウォール
、114はコンタクトホール、112は多結晶シリコン
上の低抵抗薄膜(ソース・ドレイン領域となる)、11
3はゲート電極上の低抵抗薄膜、115は配線である。
本発明のpoly−SiTFTは、サイドウォールを用
いたセルフアライン型の構造を有することを特徴とし、
ソース・ドレイン領域を選択的に成膜する構造を特徴と
する。本発明では、ソース・ドレイン領域とゲート電極
の短絡をサイドウォールで防ぐことができ、同時にサイ
ドウォールにより、オフセット構造を形成できるため、
ドレイン端での電子・正孔対の生成電流やField−
Enhanced−Emission電流等を原因とし
たオフリーク電流を抑制し、充分なオンオフ比が得られ
る。又、図1では、多結晶シリコン層108が、ゲート
絶縁膜を介して上下2つのゲート電極105,110に
よって挟まれたダブルゲート構造を例としている。この
様なダブルゲート構造を採用し、多結晶シリコン層の膜
厚を250Å以下、望ましくは150Å以下とすること
で、オン電流が飛躍的に増加し、ゲート長1.2μm、
ゲート幅0.6μmのPチャンネルトランジスタでドレ
イン電圧3V、ゲート電圧3Vの時のオン電流として、
約1×10−6Aが得られた。更に、本発明のオフセッ
トゲート構造を採用することで、オフ電流も低減され、
ゲート長1.2μm、ゲート幅0.6μmのPチャンネ
ルトランジスタでドレイン電圧0V、ゲート電圧0Vの
時のオフ電流を1×10−14A以下に抑えることがで
きた。その結果、8ケタ以上オンオフ比が得られた。尚
、上部電極のオフセット構造を有効に機能させるために
は、下部電極端が上部電極のオフセット領域よりも内側
にはいることが重要である。
従って、下部電極のゲート長は上部電極と同程度にする
か、それよりも狭く設計することが望ましい。In FIG. 1, 101 is a silicon substrate;
02 is a p-well region, 103 is an element isolation region, 10
4 is a gate insulating film, 105 is a gate electrode, 106 is an n+ diffusion layer forming a source/drain region, 107 is a gate insulating film, 108 is a polycrystalline silicon layer, 109 is a gate insulating film, 110 is an upper gate electrode, 111 is a sidewall, 114 is a contact hole, 112 is a low resistance thin film on polycrystalline silicon (becomes a source/drain region), 11
3 is a low resistance thin film on the gate electrode, and 115 is a wiring. The poly-Si TFT of the present invention is characterized by having a self-aligned structure using sidewalls,
It is characterized by a structure in which films are selectively formed in the source and drain regions. In the present invention, the sidewalls can prevent short circuits between the source/drain region and the gate electrode, and at the same time, the sidewalls can form an offset structure.
The generation current of electron-hole pairs at the drain end and the field-
Off-leakage current caused by enhanced-emission current or the like is suppressed, and a sufficient on-off ratio can be obtained. Further, FIG. 1 shows an example of a double gate structure in which the polycrystalline silicon layer 108 is sandwiched between two upper and lower gate electrodes 105 and 110 with a gate insulating film interposed therebetween. By adopting such a double gate structure and setting the thickness of the polycrystalline silicon layer to 250 Å or less, preferably 150 Å or less, the on-current increases dramatically, and the gate length is 1.2 μm.
The on-current when the drain voltage is 3V and the gate voltage is 3V in a P-channel transistor with a gate width of 0.6μm is:
Approximately 1×10 −6 A was obtained. Furthermore, by adopting the offset gate structure of the present invention, off-state current is also reduced.
With a P-channel transistor having a gate length of 1.2 μm and a gate width of 0.6 μm, the off-state current when the drain voltage is 0 V and the gate voltage is 0 V can be suppressed to 1×10 −14 A or less. As a result, an on-off ratio of 8 digits or more was obtained. In order for the offset structure of the upper electrode to function effectively, it is important that the lower electrode end is located inside the offset region of the upper electrode. Therefore, it is desirable to design the gate length of the lower electrode to be approximately the same as that of the upper electrode, or to be narrower than that of the upper electrode.
【0014】図2は、本発明の実施例における半導体装
置の製造工程図の一例である。尚、図2では3次元トラ
ンジスタへの簡単な応用例(スタックト型CMOS)を
示す。FIG. 2 is an example of a manufacturing process diagram of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention. Note that FIG. 2 shows a simple example of application to a three-dimensional transistor (stacked CMOS).
【0015】図2において、(a)は、シリコン基板2
01にp−well領域202を形成し、LOCOS酸
化法で素子分離領域203を形成する工程である。In FIG. 2, (a) shows a silicon substrate 2
In this step, a p-well region 202 is formed in 01, and an element isolation region 203 is formed using the LOCOS oxidation method.
【0016】(b)は、ゲート絶縁膜204を形成後、
ゲート電極205をpoly−Si等を素子材とし形成
後、所定の形状にパターン形成し、ソース・ドレイン領
域を成すn+拡散層206を形成する工程である。(b) shows that after forming the gate insulating film 204,
This is a step of forming a gate electrode 205 using poly-Si or the like as an element material, and then patterning it into a predetermined shape to form an n+ diffusion layer 206 that forms a source/drain region.
【0017】(c)は、ゲート絶縁膜207を形成し、
多結晶シリコン層208を形成し、所定の形状にパター
ン形成する工程である。ゲート絶縁膜の形成方法として
は、CVD法、プラズマCVD法、ECR−PCVD法
、光CVD法、スパッタ法等で低温成膜する方法が、シ
リコン基板上に形成した素子の不純物の再分布等を防ぐ
目的からして望ましい。次に、多結晶シリコン層の形成
方法としては、プラズマCVD法(PCVD法)で基板
温度300℃〜450℃程度の低温で多結晶シリコンを
膜厚50Å〜1500Å程度成膜する方法が有効である
。反応ガスとして、SiH4、Si2H6等に加えて、
弗素(F)、塩素(Cl)等の元素を含む反応ガスを適
量混合することで、高品質な多結晶シリコン膜を低温形
成できる。成膜条件の一例を以下に示す。反応ガスとし
て、SiH4、ジクロルシラン(SiH2Cl2)、H
2を用い、混合比を例えば、SiH4:SiH2Cl2
=1:20〜1:200程度、SiH4:H2=1:1
00〜1:1000程度に設定し、基板温度を300℃
〜450℃程度に保持し、rfパワーを印加し、反応ガ
スを分解し多結晶シリコンを成膜する。膜厚に関しては
、多結晶シリコン層を薄膜化すると、オフ電流が減少し
、Vth(しきい値電圧)が減少する現象が知られてい
る。従って、多結晶シリコン層の膜厚は500Å以下が
望ましく、50Å〜250Å程度が特に望ましい。従っ
て、この様な薄膜でかつ高品質な多結晶シリコンを形成
することが特に重要となる。基板温度が300℃以下の
場合は、結晶化率が低く、<220>配向性も見られな
いが、基板温度を400℃〜450℃程度にすると50
Å〜250Å程度の薄膜でも、結晶化率98%以上で<
220>に配向した高品質な多結晶シリコンを成膜する
ことができる。尚、結晶化率を上げるという点では、基
板温度は450℃〜600℃程度で成膜した膜のほうが
さらに良好で、99.5%以上の結晶化率を達成でき、
TFTのオン電流の増大及びオフ電流の低減に有効であ
る。この様に、本発明によれば、低温で高品質の多結晶
シリコン膜を形成できるため、本実施例に示したスタッ
クト型CMOSを始め、高性能な3次元ICを低温で製
造することができる。尚、本実施例では反応ガスとして
、SiH2Cl2を用いる場合を示したが、これに限定
されるものではない。例えばSiCl4、SiH2Cl
2、SiHCl3、Cl2、SiF4、SiHF3、S
iH2F2、SiH3F、Si2F6、F2、HCl等
のF(弗素)もしくはCl(塩素)のうちの少なくとも
一方の元素を含むエッチング性を有する反応ガスとSi
H4、Si2H6、Si3H8等の反応ガスを適量混合
することで、高品質な多結晶シリコンを低温で成膜する
ことができる。(c) forms a gate insulating film 207;
This is a step of forming a polycrystalline silicon layer 208 and patterning it into a predetermined shape. Methods for forming gate insulating films include low-temperature deposition methods such as CVD, plasma CVD, ECR-PCVD, photo-CVD, and sputtering, which reduce the redistribution of impurities in elements formed on silicon substrates. This is desirable for the purpose of prevention. Next, as a method for forming a polycrystalline silicon layer, it is effective to form a polycrystalline silicon film with a thickness of about 50 Å to 1500 Å using a plasma CVD method (PCVD method) at a low substrate temperature of about 300° C. to 450° C. . In addition to SiH4, Si2H6, etc. as a reaction gas,
By mixing an appropriate amount of a reactive gas containing elements such as fluorine (F) and chlorine (Cl), a high-quality polycrystalline silicon film can be formed at a low temperature. An example of film forming conditions is shown below. As reaction gases, SiH4, dichlorosilane (SiH2Cl2), H
2, and the mixing ratio is, for example, SiH4:SiH2Cl2
= about 1:20 to 1:200, SiH4:H2 = 1:1
00 to 1:1000, and the substrate temperature to 300℃.
The temperature is maintained at about 450° C. and RF power is applied to decompose the reaction gas and form a polycrystalline silicon film. Regarding film thickness, it is known that when a polycrystalline silicon layer is made thinner, off-state current decreases and Vth (threshold voltage) decreases. Therefore, the thickness of the polycrystalline silicon layer is preferably 500 Å or less, and particularly preferably about 50 Å to 250 Å. Therefore, it is particularly important to form such a thin film of high quality polycrystalline silicon. When the substrate temperature is below 300°C, the crystallization rate is low and no <220> orientation is observed, but when the substrate temperature is about 400°C to 450°C, the
Even with a thin film of about Å to 250 Å, the crystallization rate is 98% or more.
220>, high quality polycrystalline silicon can be formed into a film. In terms of increasing the crystallization rate, a film formed at a substrate temperature of about 450°C to 600°C is even better, achieving a crystallization rate of 99.5% or more.
This is effective in increasing the on-state current and reducing the off-state current of the TFT. As described above, according to the present invention, a high-quality polycrystalline silicon film can be formed at low temperatures, so high-performance three-dimensional ICs, including the stacked CMOS shown in this example, can be manufactured at low temperatures. . Note that although this example shows the case where SiH2Cl2 is used as the reaction gas, the present invention is not limited to this. For example, SiCl4, SiH2Cl
2, SiHCl3, Cl2, SiF4, SiHF3, S
Si
By mixing appropriate amounts of reactive gases such as H4, Si2H6, Si3H8, etc., high-quality polycrystalline silicon can be formed at low temperatures.
【0018】又、チャンネル領域に不純物をドーピング
して、Vth(しきい値電圧)を制御する手段も極めて
有効である。固相成長法で形成した多結晶シリコンTF
Tでは、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傾向がある。又、上記
TFTを水素化した場合、その傾向がより顕著になる。
そこで、チャンネル領域に1015〜1019/cm3
程度の不純物をドープすると、Vthのシフトを抑える
ことができる。そこで、SiH4及びSiH2Cl2等
の塩素もしくは弗素を含むガスに加えて、B2H6等の
ドーピングガスを混入することで、イオンインプラを用
いずにチャンネルドーピングを行なうことができる。成
膜条件の一例としては、SiH4+SiH2Cl2:B
2H6=1:0.1ppm〜0.1%程度混入すること
で、Vth制御が可能となる。特に、ドープ量を最適化
することで、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、CMOS型のTFT素
子を形成する場合においてもPch、Nchを選択的に
チャンネルドープせずに、チャンネル部をなす多結晶シ
リコンの成膜工程のみで、Pch、Nch共、Vthの
制御が可能である。Also, it is extremely effective to control Vth (threshold voltage) by doping impurities into the channel region. Polycrystalline silicon TF formed by solid phase growth method
At T, the N-channel transistor tends to shift Vth in the depletion direction, and the P-channel transistor tends to shift in the enhancement direction. Moreover, when the above-mentioned TFT is hydrogenated, this tendency becomes more pronounced. Therefore, 1015 to 1019/cm3 is applied to the channel area.
By doping a certain amount of impurities, the shift in Vth can be suppressed. Therefore, by mixing a doping gas such as B2H6 in addition to a gas containing chlorine or fluorine such as SiH4 and SiH2Cl2, channel doping can be performed without using ion implantation. An example of film forming conditions is SiH4+SiH2Cl2:B
2H6=1: By mixing about 0.1 ppm to 0.1%, Vth control becomes possible. In particular, by optimizing the doping amount, Vth can be controlled so that the off-state currents of both the P-channel transistor and the N-channel transistor are minimized. Therefore, even when forming a CMOS type TFT element, it is possible to control the Vth of both Pch and Nch by simply forming the polycrystalline silicon that forms the channel part without selectively doping the Pch and Nch channels. It is.
【0019】(d)は、ゲート絶縁膜209を形成する
工程である。ゲート絶縁膜の形成方法としては、CVD
法、プラズマCVD法、ECR−PCVD法、光CVD
法、スパッタ法等で低温成膜する方法が、シリコン基板
上に形成した素子の不純物の再分布等を防ぐ目的からし
て望ましい。(d) is a step of forming a gate insulating film 209. CVD is the method for forming the gate insulating film.
method, plasma CVD method, ECR-PCVD method, photoCVD
A low-temperature film formation method such as a method or a sputtering method is preferable for the purpose of preventing redistribution of impurities in an element formed on a silicon substrate.
【0020】(e)は、上部ゲート電極210を形成後
、サイドウォール211を形成する工程である。まず、
ゲート電極210を不純物をドープした多結晶シリコン
で形成し、所定の形状にパターン形成する。多結晶シリ
コン層の形成方法としては、プラズマCVD法(PCV
D法)で基板温度300℃〜450℃程度の低温で多結
晶シリコンを膜厚500Å〜4000Å程度成膜する方
法がある。尚、本実施例では多結晶シリコン層をゲート
絶縁膜を介して上部ゲート電極と下部ゲート電極で挟ん
だダブルゲート構造のTFTを例としている。以下に、
成膜条件の一例を示す。反応ガスとして、モノシラン(
SiH4)、ジクロルシラン(SiH2Cl2)、H2
を用い、混合比を例えば、SiH4:SiH2Cl2=
1:20〜1:200程度、SiH4:H2=1:10
0〜1:1000程度に設定し、ドーピングガスとして
、ジボラン(B2H6)またはホスフィン(PH3)、
アルシン(AsH3)等を用い、例えば、SiH4:P
H3=1:0.002〜1:0.04程度の混合比で混
合する。基板温度を300℃〜450℃程度に保持し、
rfパワーを印加し反応ガスを分解し、不純物をドープ
した低抵抗多結晶シリコンを成膜する。この様にして形
成された多結晶シリコンのシート抵抗は2000Åの膜
厚で30〜50Ω/□であり、低抵抗な多結晶シリコン
を低温で成膜することができる。尚、多結晶シリコンの
形成方法はこれに限定されるものではない。続いて、サ
イドウォール211を形成する。常圧CVD法、スパッ
タ法、プラズマCVD法、ECR−PCVD法等で、S
iOx、SiNx等の絶縁膜を500Å〜3000Å程
度形成し、異方性エッチングで該絶縁膜をエッチングし
、サイドウォール211を形成する。(e) is a step of forming sidewalls 211 after forming the upper gate electrode 210. first,
The gate electrode 210 is formed of polycrystalline silicon doped with impurities and patterned into a predetermined shape. The method for forming the polycrystalline silicon layer is plasma CVD (PCV).
There is a method of forming a polycrystalline silicon film with a thickness of about 500 Å to 4000 Å at a low substrate temperature of about 300° C. to 450° C. (method D). In this embodiment, a TFT having a double gate structure in which a polycrystalline silicon layer is sandwiched between an upper gate electrode and a lower gate electrode with a gate insulating film interposed therebetween is taken as an example. less than,
An example of film forming conditions is shown below. Monosilane (
SiH4), dichlorosilane (SiH2Cl2), H2
using the mixing ratio, for example, SiH4:SiH2Cl2=
About 1:20 to 1:200, SiH4:H2=1:10
diborane (B2H6) or phosphine (PH3) as a doping gas.
Using arsine (AsH3) etc., for example, SiH4:P
Mix at a mixing ratio of about H3=1:0.002 to 1:0.04. Maintain the substrate temperature at around 300°C to 450°C,
RF power is applied to decompose the reactive gas, and a film of low resistance polycrystalline silicon doped with impurities is formed. The sheet resistance of the polycrystalline silicon formed in this way is 30 to 50 Ω/□ at a film thickness of 2000 Å, and a low-resistance polycrystalline silicon can be formed at a low temperature. Note that the method for forming polycrystalline silicon is not limited to this. Next, sidewalls 211 are formed. By atmospheric pressure CVD method, sputtering method, plasma CVD method, ECR-PCVD method, etc.
An insulating film such as iOx or SiNx is formed to a thickness of about 500 Å to 3000 Å, and the insulating film is etched by anisotropic etching to form sidewalls 211.
【0021】(f)は、層間絶縁膜207にコンタクト
ホール214を開け、低抵抗薄膜を多結晶シリコン上2
12(ソース・ドレイン領域となる)とゲート電極上2
13とコンタクトホール内に選択的に成膜し、続いて、
結晶粒界に存在する欠陥を低減する目的で、水素ガス等
を少なくとも含む気体のプラズマ雰囲気にさらす等の方
法で水素化し、配線215を形成する工程である。本実
施例では、不純物をドープした多結晶シリコンを、ソー
ス・ドレイン領域212とゲート電極上213及びコン
タクトホール内に選択的に形成する場合を例とする。多
結晶シリコン層の形成方法としては、プラズマCVD法
(PCVD法)で基板温度300℃〜450℃程度の低
温で多結晶シリコンを膜厚500Å〜3500Å程度選
択成長する方法が有効である。即ち、多結晶シリコン2
08、210上及びコンタクトホール214内のみ不純
物をドープした多結晶シリコンを選択的に成長させ、そ
れ以外の領域(層間絶縁膜207、サイドウォール21
1)には多結晶シリコンを成膜させない方法を用いるこ
とで、オフセットゲート構造のセルフアライン型のTF
Tを低温形成することができる。特に本発明では、サイ
ドウォールを設け、選択成長させることで、ゲート電極
とソース・ドレイン領域の短絡を完全に防ぐことができ
る。多結晶シリコン層の形成方法としては、プラズマC
VD法(PCVD法)で基板温度300℃〜450℃程
度の低温で多結晶シリコンを膜厚500Å〜3500Å
程度選択成長する方法が有効である。以下に、成膜条件
の一例を示す。反応ガスとして、モノシラン(SiH4
)、ジクロルシラン(SiH2Cl2)、H2を用い、
混合比を例えば、SiH4:SiH2Cl2=1:20
〜1:200程度、SiH4:H2=1:100〜1:
1000程度に設定し、ドーピングガスとして、ジボラ
ン(B2H6)またはホスフィン(PH3)、アルシン
(AsH3)等を用い、例えば、SiH4:B2H6=
1:0.002〜1:0.04程度の混合比で混合する
。基板温度を300℃〜450℃程度に保持し、rfパ
ワーを印加し反応ガスを分解し、不純物をドープした低
抵抗多結晶シリコンを成膜する。この様にして形成した
多結晶シリコンのシート抵抗は2000Åの膜厚で30
〜50Ω/□であり、低抵抗な多結晶シリコンを低温で
成膜することができる。尚、多結晶シリコンの形成方法
はこれに限定されるものではない。In (f), a contact hole 214 is opened in the interlayer insulating film 207, and a low resistance thin film is placed on the polycrystalline silicon.
12 (becomes the source/drain region) and 2 above the gate electrode
13 and in the contact hole, and then,
In this step, in order to reduce defects existing at crystal grain boundaries, the wiring 215 is formed by hydrogenation by a method such as exposure to a plasma atmosphere of a gas containing at least hydrogen gas or the like. In this embodiment, an example is taken in which polycrystalline silicon doped with impurities is selectively formed on the source/drain region 212, on the gate electrode 213, and in the contact hole. An effective method for forming the polycrystalline silicon layer is to selectively grow polycrystalline silicon to a thickness of about 500 Å to 3500 Å using a plasma CVD method (PCVD method) at a low substrate temperature of about 300° C. to 450° C. That is, polycrystalline silicon 2
Polycrystalline silicon doped with impurities is selectively grown only on 08 and 210 and in the contact hole 214, and the other regions (interlayer insulating film 207, sidewall 21
1) By using a method that does not deposit polycrystalline silicon, a self-aligned TF with an offset gate structure can be created.
T can be formed at low temperatures. In particular, in the present invention, by providing sidewalls and selectively growing them, short circuits between the gate electrode and the source/drain regions can be completely prevented. As a method for forming the polycrystalline silicon layer, plasma C
Polycrystalline silicon is deposited to a film thickness of 500 Å to 3500 Å using the VD method (PCVD method) at a low substrate temperature of about 300°C to 450°C.
A selective growth method is effective. An example of film forming conditions is shown below. Monosilane (SiH4
), using dichlorosilane (SiH2Cl2), H2,
For example, the mixing ratio is SiH4:SiH2Cl2=1:20
~1:200 or so, SiH4:H2=1:100~1:
For example, SiH4:B2H6=
Mix at a mixing ratio of about 1:0.002 to 1:0.04. The substrate temperature is maintained at approximately 300° C. to 450° C., RF power is applied to decompose the reactive gas, and low resistance polycrystalline silicon doped with impurities is formed. The sheet resistance of the polycrystalline silicon formed in this way is 30 at a film thickness of 2000 Å.
~50Ω/□, and low-resistance polycrystalline silicon can be formed at a low temperature. Note that the method for forming polycrystalline silicon is not limited to this.
【0022】尚、本発明は、図1及び図2の実施例に示
したTFT以外にも、絶縁ゲート型半導体素子全般に応
用できる。The present invention can be applied not only to the TFTs shown in the embodiments of FIGS. 1 and 2 but also to insulated gate semiconductor devices in general.
【0023】[0023]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によればより
簡便な製造プロセスでpoly−SiTFTのVth制
御が可能となる。また、本発明のTFT構造及びその製
造方法によれば、チャンネル領域にB等の不純物を含ん
だオフセット構造を有するセルフアライン型TFTを低
温形成できるため、三次元IC等を低コストで製造でき
るようになった。本発明は、大型で高解像度の液晶表示
パネルや大型で高速高解像度の密着型イメージセンサに
も応用できる。As described above, according to the present invention, it is possible to control the Vth of a poly-Si TFT with a simpler manufacturing process. Furthermore, according to the TFT structure and manufacturing method of the present invention, a self-aligned TFT having an offset structure containing impurities such as B in the channel region can be formed at a low temperature, making it possible to manufacture three-dimensional ICs and the like at low cost. Became. The present invention can also be applied to large, high-resolution liquid crystal display panels and large, high-speed, high-resolution contact image sensors.
【0024】また、本発明は、図2の実施例に示したT
FT以外にも、絶縁ゲート型半導体素子全般に応用でき
る。[0024] Furthermore, the present invention provides the T
In addition to FT, it can be applied to insulated gate semiconductor devices in general.
【図1】本発明の実施例における半導体装置の断面図で
ある。FIG. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device in an embodiment of the present invention.
【図2】本発明の実施例における半導体装置の製造工程
図である。FIG. 2 is a manufacturing process diagram of a semiconductor device in an embodiment of the present invention.
101 ・・・ 絶縁性非晶質材料102,
208 ・・・ 多結晶シリコン層103,204,
207,209 ・・・ ゲート絶縁膜104,20
5,210 ・・・ ゲート電極105,211 ・
・・ サイドウォール106,212 ・・・ ソ
ース・ドレイン領域108 ・・・ 層間絶
縁膜109 ・・・ コンタクト穴110
・・・ 配線101... Insulating amorphous material 102,
208... Polycrystalline silicon layer 103, 204,
207, 209... Gate insulating film 104, 20
5,210... Gate electrode 105,211 ・
... Sidewalls 106, 212 ... Source/drain region 108 ... Interlayer insulating film 109 ... Contact hole 110
··· wiring
Claims (9)
領域がシリコンを主体とする多結晶半導体で形成された
半導体装置において、チャンネル領域を含むシリコンを
主体とし、ボロン等の不純物をドーピングした多結晶半
導体層、ゲート絶縁膜、サイドウォールを有するゲート
電極、該チャンネル領域を含むシリコンを主体とする多
結晶半導体層の少なくとも一部の領域上に形成されたソ
ース・ドレイン領域を成す薄膜を少なくとも有すること
を特徴とする半導体装置。1. In a semiconductor device in which a channel region of an insulated gate semiconductor device is formed of a polycrystalline semiconductor mainly composed of silicon, a polycrystalline semiconductor layer including the channel region mainly composed of silicon and doped with an impurity such as boron. , comprising at least a thin film forming a source/drain region formed on at least a part of a polycrystalline semiconductor layer mainly made of silicon, including a gate insulating film, a gate electrode having sidewalls, and the channel region. semiconductor device.
の素子として形成されたことを特徴とする請求項1記載
の半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is formed as an element of a stacked part of a three-dimensional IC.
主体とする多結晶半導体層の膜厚が50Å〜250Åで
ある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。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the polycrystalline semiconductor layer mainly composed of silicon forming the channel region has a thickness of 50 Å to 250 Å.
.5%以上であることを特徴とする請求項1から請求項
3記載の半導体装置。4. The crystallization rate of the polycrystalline semiconductor layer is 99.
.. 4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the amount is 5% or more.
が不純物をドープした多結晶シリコンより成ることを特
徴とする請求項1から請求項4記載の半導体装置。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein the thin film forming the source/drain region is made of polycrystalline silicon doped with impurities.
ン層の抵抗率が5×10−4Ω・cm以下であることを
特徴とする請求項5記載の半導体装置。6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the impurity-doped polycrystalline silicon layer has a resistivity of 5×10 −4 Ω·cm or less.
領域がシリコンを主体とする多結晶半導体で形成された
半導体装置の製造方法において、チャンネル領域を含む
シリコンを主体とし、ボロン等の不純物をドーピングし
た多結晶半導体層を形成する工程、ゲート絶縁膜を形成
する工程、ゲート電極及び該ゲート電極側壁のサイドウ
ォールを形成する工程、該チャンネル領域を含むシリコ
ンを主体とする多結晶半導体層の少なくとも一部の領域
上に選択的にソース・ドレイン領域を成す薄膜を形成す
る工程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。7. In a method of manufacturing a semiconductor device in which a channel region of an insulated gate semiconductor device is formed of a polycrystalline semiconductor mainly composed of silicon, a polycrystalline semiconductor mainly composed of silicon including the channel region and doped with an impurity such as boron is used. A step of forming a crystalline semiconductor layer, a step of forming a gate insulating film, a step of forming a gate electrode and sidewalls of the gate electrode, and a step of forming at least a part of a polycrystalline semiconductor layer mainly made of silicon including the channel region. 1. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising at least the step of forming a thin film selectively forming a source/drain region on the region.
を形成する工程において、前記薄膜が少なくともサイド
ウォール上には成膜しない条件で選択的に成膜すること
を特徴とする請求項7記載の半導体装置の製造方法。8. The semiconductor according to claim 7, wherein in the step of forming the thin film forming the source/drain region, the thin film is selectively formed under the condition that the thin film is not formed on at least the sidewalls. Method of manufacturing the device.
とする多結晶半導体層を、弗素、塩素の内の少なくとも
一方の元素を含むガスを少なくとも用い、更にジボラン
等のドーピングガスを添加し、前記ガスをプラズマ状に
励起分解し、成膜する工程を少なくとも有することを特
徴とする請求項7から請求項8記載の半導体装置の製造
方法。9. A polycrystalline semiconductor layer mainly composed of silicon including a channel region is formed by using at least a gas containing at least one of fluorine and chlorine, further adding a doping gas such as diborane, and adding a doping gas such as diborane. 9. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 7, further comprising at least a step of excitation decomposition into a plasma state and forming a film.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3051258A JPH04286339A (en) | 1991-03-15 | 1991-03-15 | Semiconductor device and its manufacturing method |
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JP (1) | JPH04286339A (en) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US6653687B1 (en) | 1996-08-13 | 2003-11-25 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Insulated gate semiconductor device |
US7339235B1 (en) | 1996-09-18 | 2008-03-04 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device having SOI structure and manufacturing method thereof |
US8603870B2 (en) | 1996-07-11 | 2013-12-10 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
-
1991
- 1991-03-15 JP JP3051258A patent/JPH04286339A/en active Pending
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