DE19825081A1 - Halbleiterdünnfilm und Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleiterdünnfilm und Halbleitervorrichtung

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Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter­ dünnfilm, der auf einem Substrat ausgebildet ist, das eine isolierende Oberfläche hat, und auf eine Halbleitervorrich­ tung, die einen solchen Halbleiterdünnfilm als aktive Schicht verwendet. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen solchen Halbleiterdünnfilm und eine Halbleitervorrichtung, in welcher der Halbleiterdünnfilm aus einem Material hergestellt ist, das Silizium als Hauptkomponente enthält.
In dieser Beschreibung wird der Ausdruck "Halbleitervorrichtung" so verwendet, daß er alle Vorrichtun­ gen einschließt, die unter Verwendung eines Halbleiters funk­ tionieren, wobei insbesondere die folgenden Vorrichtungen eingeschlossen sind.
  • (1) Einzelne Elemente wie ein Dünnfilmtransistor;
  • (2) Halbleiterschaltungen unter Verwendung eines ein­ zelnen Elementes aus (1);
  • (3) Elektrooptische Vorrichtungen unter Verwendung ei­ nes einzelnen Elements aus (1) oder einer Halblei­ terschaltung aus (2);
  • (4) Elektronische Schaltungen, die eine Halbleiter­ schaltung aus (2) oder eine elektrooptische Vor­ richtung aus (3) verwenden.
BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
In den letzten Jahren haben die Techniken des Ausbildens von Dünnfilmtransistoren (TFTs) unter Verwendung eines Halblei­ terdünnfilms (Dicke: Hunderte oder Tausende von Angström), der auf einem Substrat ausgebildet ist, das eine isolierende Oberfläche aufweist, eine stärkere Aufmerksamkeit gewonnen. Dünnfilmtransistoren werden im allgemeinen in verschiedenen elektronischen Vorrichtungen, wie ICs und elektrooptischen Vorrichtungen verwendet, und sie werden nun mit hoher Ge­ schwindigkeit entwickelt, insbesondere als Schaltelemente von Bildanzeigevorrichtungen.
Beispielsweise wird in Flüssigkristallanzeigevorrichtungen versucht, TFTs auf alle Arten elektronischer Schaltungen anzuwenden, wie auf eine Bildpunktmatrixschaltung, in welcher Bildpunktgebiete, die in Matrixform angeordnet sind, einzeln gesteuert werden, auf eine Treiberschaltung für das Steuern der Bildpunktmatrixschaltung oder eine logische Schaltung (eine Prozessorschaltung, eine Speicherschaltung oder der­ gleichen) für das Verarbeiten eines externen Datensignals.
Aktuell werden in der Praxis TFTs, die einen amorphen Silizi­ umfilm als aktive Schicht verwenden, verwendet. TFTs, die einen kristallinen Siliziumfilm verwenden, wie beispielsweise einen Polysiliziumfilm, sind jedoch für elektrische Schaltun­ gen nötig, wie eine Treiberschaltung und eine logische Schal­ tung, die bei einer noch höheren Geschwindigkeit arbeiten sollen.
Techniken des aktuellen Anmelders sind beispielsweise in den nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichungen Nr. 7- 130652 und 8-78329 beschrieben und als Verfahren für das Ausbilden eines kristallinen Siliziumfilms auf einem Glas­ substrat bekannt. Der Inhalt dieses Veröffentlichungen ist hier durch Bezugnahme eingeschlossen. Durch das Verwenden eines Katalysatorelements für eine Beschleunigung der Kri­ stallisation eines amorphen Siliziumfilms, gestatten die Techniken dieser Veröffentlichungen die Ausbildung eines Kristallsiliziumfilm, der eine überragende Kristallinität hat, bei einer Hitzebehandlung von 500-600°C für ungefähr 4 Stunden.
Insbesondere ist die Technik der Veröffentlichung Nr. 8-78329 so gestaltet, daß die obige Technik verwendet wird, um das Kristallwachstum in einer Richtung zu bewirken, die ungefähr parallel zur Substratoberfläche verläuft. Die aktuellen An­ melder nennen ein sich ergebendes kristallisiertes Gebiet insbesondere ein "laterales Wachstumsgebiet".
Es kann jedoch sogar eine Treiberschaltung, die unter Verwen­ dung solcher TFTs konstruiert ist, nicht vollständig die geforderte Leistung erreichen. Insbesondere ist es aktuell unmöglich, unter Verwendung konventioneller TFTs Hochge­ schwindigkeitsschaltungen zu konstruieren, die bei extrem hohen Geschwindigkeiten (Megahertz bis Gigahertz) arbeiten sollen.
Um die Kristallinität eines kristallinen Siliziumfilms, der Korngrenzen aufweist (ein sogenannter polykristalliner Sili­ ziumfilm), zu verbessern, haben die Erfinder Versuche durch­ geführt, wie das bei einen halbamorphen Halbleiter (nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 57-160121 etc.) und einen einbereichigen Halbleiter (nicht geprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 8-139019) beispielhaft beschrieben wurde.
Das den Halbleiterfilmen, die in den obigen Veröffentlichun­ gen beschrieben wurden, gemeinsame Konzept besteht darin, Korngrenzen im wesentlichen harmlos zu machen. Das heißt, die wichtigste Aufgabe bestand darin, im wesentlichen Korngrenzen zu eliminieren, um somit eine sanftere Bewegung der Träger (Elektronen oder Löcher) zu ermöglichen.
Die in den obigen Veröffentlichungen beschriebenen Halblei­ terfilme sind jedoch noch immer ungenügend, wenn es darum geht, den logischen Schaltungen zu gestatten, den erforderli­ chen Hochgeschwindigkeitsbetrieb durchzuführen. Das heißt, um ein Leiterplattensystem (system-on-panel) zu verwirklichen, das logische Schaltungen einschließt, ist es notwendig, ein Material zu entwickeln, das unbekannt ist, das heißt, ein vollständig neues Material.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obige Anforderung zu erfüllen, das heißt, einen Halbleiter­ dünnfilm zu liefern, mit dem eine Halbleitervorrichtung ver­ wirklicht werden kann, die eine extrem gute Leistung auf­ weist, die eine Konstruktion einer solchen Hochgeschwindig­ keitslogikschaltung gestattet, wie das konventionelle TFTs nicht liefern können, und eine Halbleitervorrichtung zu lie­ fern, die einen solchen Halbleiterdünnfilm verwendet.
Die Erfindung liefert einen Halbleiterdünnfilm, der einen zusammengefügten Körper einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kristallen darstellt, bei der die Oberflä­ chenausrichtung ungefähr gleich der {100} Ausrichtung ist, und in dem nahezu alle Kristallgitter an jeder Korngrenze eine Kontinuität aufweisen.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Halbleiter­ dünnfilm bereitgestellt, der ein zusammengefügter Körper einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen ist, wobei die Oberflächenausrichtung ungefähr gleich der {110} Ausrichtung ist, und worin nahezu alle Gitterrän­ der, die erkannt werden, so liegen, daß sie jegliche Korn­ grenze unterschiedlicher Kristallkörner gerade queren und da kontinuierlich sind.
Die Erfindung bezieht sich auf Techniken für die Realisierung der obigen Halbleiterdünnfilme. Halbleitervorrichtungen, die unter Verwendung der obigen jeweiligen Halbleiterdünnfilme erzeugt werden, haben die folgenden Merkmale:
  • (1) Mindestens das Kanalausbildungsgebiet besteht aus einem Halbleiterdünnfilm, der ein zusammengefügter Körper einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen ist, wobei die Oberflächenausrichtung des Halbleiter­ dünnfilms ungefähr gleich der {100} Ausrichtung ist, und wobei fast alle Kristallgitter des Halbleiterdünnfilms eine Kontinuität an jeder Kristallgrenze aufweisen.
  • (2) Mindestens das Kanalausbildungsgebiet besteht aus einem Halbleiterdünnfilm, der ein zusammengefügter Körper einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen ist, wobei die Oberflächenausrichtung des Halbleiter­ dünnfilms ungefähr gleich der {110} Ausrichtung ist, und fast alle der Gitterränder des Halbleiterdünnfilms, die erkannt werden, so liegen, daß sie jede Korngrenze verschiedener Kristallkörner gerade queren und dort kontinuierlich sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1A und 1B sind HR-TEM Photographien vergrößerter Kri­ stallkörner eines Halbleiterfilms;
Fig. 2A-2C zeigen schematisch Richtungsverhältnisse eines Kristalls;
Fig. 3A-3C sind Photographien und eine schematische Zeich­ nung, von denen jede ein elektronisches Strahlbeugungsmuster zeigt;
Fig. 4 ist eine Kurve, die eine elektrische Charakteristik eines Dünnfilmtransistors zeigt;
Fig. 5 ist eine Kurve, die Frequenzcharakteristika eines Ringoszillators zeigt;
Fig. 6 ist eine Photographie, die ein Ausgangsspektrum eines Ringoszillators zeigt;
Fig. 7 ist eine Kurve, die eine Skalierungsregel zeigt;
Fig. 8A-8E und 9A-9D zeigen ein Herstellverfahren eines Dünnfilmtransistors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10A-10E zeigen ein Herstellverfahren eines Dünnfilm­ transistors gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfin­ dung;
Fig. 11A-11E zeigen ein Herstellverfahren eines Dünnfilm­ transistors gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfin­ dung;
Fig. 12A-12D, 13A-13D und 14A-14C zeigen ein Herstellver­ fahren eines aktiven Matrixsubstrats gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 15A und 15B zeigen Konfigurationen aktiver Ma­ trixsubstrate gemäß einer siebten Ausführungsform der Erfin­ dung;
Fig. 16A und 16B zeigen Konfigurationen aktiver Ma­ trixsubstrate gemäß einer achten Ausführungsform der Erfin­ dung;
Fig. 17 ist eine Schnittansicht, die eine Flüssigkristallvor­ richtung gemäß einer neunten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 18 ist eine perspektivische Ansicht eines aktiven Ma­ trixsubstrats gemäß einer neunten Ausführungsform;
Fig. 19A-19F zeigen Beispiele elektronischer Vorrichtungen (Anwendungsprodukte) gemäß einer elften Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 20 zeigt schematisch, wie das Kristallwachstum voran­ schreitet;
Fig. 21A und 21B sind TEM-Photographien, die Kristallkör­ ner eines Kristallsiliziumfilms zeigen;
Fig. 22A-22C zeigen ein Modell, das sich auf die Erzeugung und das Verschwinden von Defekten bezieht; und
Fig. 23 ist eine Kurve, die Konzentrationsprofile von C, N und O zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung, wie sie oben zusammengefaßt wurde, wird nachfolgend im Detail unter Verwendung von Ausführungs­ formen beschrieben.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
Diese Ausführungsform ist auf ein Herstellverfahren eines Halbleiterdünnfilms gemäß der Erfindung und auf eine Halblei­ tervorrichtung (insbesondere eines TFTs) unter Verwendung des Halbleiterdünnfilms als dessen aktiver Schicht gerichtet. Das Herstellverfahren wird hauptsächlich unter Bezug auf die Fig. 8A-8E bis 9A-9D beschrieben. Nach der Beschreibung des Herstellungsverfahrens, hat man Kenntnis in Verbindung mit dem TFT dieser Erfindung erhalten, und es erfolgt eine Beschreibung seiner Kristallstruktur und seiner elektrischen Eigenschaften.
Als erstes wird ein Quarzsubstrat 801 als ein Substrat, das eine isolierende Oberfläche hat, vorbereitet. Ein Silizium­ substrat, auf dem ein thermischer Oxidationsfilm ausgebildet wird, kann statt des Quarzsubstrates 801 verwendet werden. Weiterhin ist es möglich, einen amorphen Siliziumfilm auf einem Quarzsubstrat auszubilden, und ihn dann durch eine vollständige thermische Oxidation in einen isolierenden Film umzuwandeln. Weiterhin kann ein Quarzsubstrat, ein Kera­ miksubstrat oder ein Siliziumsubstrat verwendet werden, auf denen ein Siliziumnitridfilm als isolierendem Film ausgebil­ det wird.
Dann wird ein amorpher Siliziumfilm 802 mit einer solchen Decke ausgebildet, daß die endgültige Dicke (das ist die Dicke nach der Dickenverminderung durch thermische Oxidation) einen Wert von 10-75 nm (vorzugsweise 15-45 nm) annimmt. Es ist wichtig, daß die Konzentrationen der Unreinheiten im Film während der Filmausbildung sorgfältig gehandhabt werden.
In dieser Ausführungsform werden die Konzentration von C (Kohlenstoff), N (Stickstoff), O (Sauerstoff) und S (Schwefel), bei denen es sich um typische Unreinheiten im amorphen Siliziumfilm 802 handelt, so gehandhabt, daß sie weniger als 5×1018 Atome/cm3 (vorzugsweise 1 × 1018 Atome/cm3 oder weniger) betragen. Wenn irgendeine dieser Unreinheiten mit einer Konzentration höher als der obige Wert vorkommt, wird sie die Kristallisierung nachteilig beeinflussen und möglicherweise die Filmqualität nach der Kristallisierung vermindern.
Fig. 23 zeigt das Ergebnis einer SIMS-(sekundäre Ionenmassen­ spektroskopie)-Analyse, in welcher die Konzentrationen der Unreinheiten in einem amorphen Siliziumfilm, der unter den Bedingungen dieser Ausführungsform hergestellt wurde, gemes­ sen wurde. Die Probe gestaltete sich derart, daß ein 0,5 µm dicker amorpher Siliziumfilm auf einem Siliziumwafer ausge­ bildet wurde. Wie man aus Fig. 23 sieht, wurde darauf geach­ tet, daß die Konzentrationen des C, N und O innerhalb der obigen Bereiche liegen. Es sei angemerkt, daß in dieser Be­ schreibung die Konzentration eines Elements in einem Film durch einen Minimalwert in einem SIMS-Meßergebnis definiert wird.
Damit die Konzentrationen von C, N und O innerhalb der obigen Bereiche liegen, ist es wünschenswert, daß ein Niederdruck- CVD-Ofen, der in dieser Ausführungsform verwendet wird, einer Trockenreinigung auf regulärer Basis unterworfen wird, um seine Filmausbildungskammer sauber zu halten. Die Trockenrei­ nigung kann durch das Einleiten eines CIF3 (Chlorfluorid) Gases mit 100-300 sccm durch den Ofen, der auf ungefähr 200-­ 400°C aufgeheizt ist, und das Reinigen der Filmausbildungs­ kammer durch Fluor, das durch eine thermische Zersetzung gebildet wird, erfolgen.
Nach dem Wissen der Erfinder können Ablagerungen (die haupt­ sächlich aus Materialien mit Silizium als Hauptkomponente bestehen) von ungefähr 2 µm Dicke vollständig innerhalb von 4 Stunden entfernt werden, wenn die Temperatur im Ofen auf 300°C und die Flußrate des CIF3 Gases auf 300 sccm festge­ setzt wird.
Die Konzentration des Wasserstoffs im amorphen Siliziumfilm 802 ist auch ein sehr wichtiger Parameter; es scheint, daß ein Film mit besserer Kristallität durch das Verringern des Wasserstoffgehaltes erhalten wird. Somit wird bevorzugt, daß der amorphe Siliziumfilm 802 durch eine Niederdruck-CVD aus­ gebildet wird. Es ist möglich, durch das Optimieren der Fil­ mausbildungsbedingungen Plasma-CVDs zu benutzen.
Dann wird der Schritt der Kristallisierung des amorphen Siliziumfilm 802 durch Verwendung der Technik, die von den Erfindern entwickelt wurde, und die in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7-130652 beschrieben ist, deren gesamter Inhalt hiermit durch Bezugnahme einge­ schlossen wird, durchgeführt. Obwohl jede der Techniken, die in den ersten und zweiten Ausführungsformen dieser Veröffent­ lichung beschrieben sind, verwendet werden kann, sofern die vorliegende Erfindung betroffen ist, so wird die Technik der zweiten Ausführungsform (im Detail beschrieben in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 8-78329) bevorzugt.
Gemäß der Technik, die in der Veröffentlichung Nr. 8-78329 beschrieben ist, wird ein erster Maskenisolationsfilm 803 für das Auswählen eines Katalysatorelementzugabegebietes ausge­ bildet. Der Maskenisolationsfilm 803 hat eine Vielzahl von Öffnungen, durch die ein Katalysatorelement hinzugegeben wird. Die Position des Kristallgebietes kann durch diese Öffnungen bestimmt werden.
Dann wird eine Ni enthaltende Schicht 804 durch das Aufbrin­ gen einer Lösung, die Nickel (Ni) als Katalysatorelement für das Beschleunigen der Kristallisierung des amorphen Silizium­ films 802 (siehe Fig. 8A) enthält, mittels Schleuderbeschich­ ten ausgebildet. Beispiele verwendbarer Katalysatorelemente sind außer Nickel Kobalt (Co), Eisen (Fe), Palladium (Pd), Platin (Pt), Kupfer (Cu), Gold (Au) und Germanium (Ge).
Das Verfahren des Hinzufügens des Katalysatorelements kann auch eine Ionenimplantierung oder eine Plasmadotierung sein, von denen jedes eine Widerstandsmaske verwendet. Diese Tech­ niken sind bei der Konstruktion miniaturisierter Schaltungen wirksam, da die Verminderung des Gebietes, das durch das Katalysatorelementhinzufügungsgebiet belegt wird, und die Steuerung der Wachstumslänge des seitlichen Wachstumsgebietes leichter gemacht werden.
Nachdem der Katalysatorelementhinzufügungsschritt beendet wurde, wird eine Wasserstoffentfernung bei 450°C für 1 Stunde durchgeführt, und dann wird der amorphe Siliziumfilm 802 durch das Durchführen einer Hitzebehandlung bei 500-700°C (typischerweise 550-650°C) für 4-24 Stunden in einer inerten Atmosphäre oder einer Sauerstoffatmosphäre kristallisiert. In dieser Ausführungsform wird eine Hitzebehandlung bei 570°C für 14 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Zu dieser Zeit schreitet die Kristallisierung des amorphen Siliziumfilms 802 hauptsächlich bei den Kernen, die im mit Nickel angereicherten Gebiet 805 auftreten, fort, und es wird ein Kristallgebiet 806 als Ergebnis des Wachstums ausgebil­ det, das ungefähr parallel zur Oberfläche des Substrates 801 verläuft (siehe Fig. 8B). Die Erfinder nennen das Kristallge­ biet 806 ein laterales Wachstumsgebiet. Das laterale Wachs­ tumsgebiet ist vorteilhaft, da es als ganzes eine überlegene Kristallität aufweist, da seine Ansammlung von Kristallen im allgemeinen eine gleiche Kristallität aufweist.
Ein Gebiet, das laterales Wachstumsgebiet genannt werden kann, wird mikroskopisch auch in dem Fall ausgebildet, wenn die Technik, die in der ersten Ausführungsform der oben er­ wähnten Veröffentlichung Nr. 7-130652 beschrieben ist, ver­ wendet wird. Diese Technik weist jedoch das Problem der Steu­ erbarkeit der Korngrenzen auf, da die Kerne nicht gleichmäßig in einer Ebene auftauchen.
Nachdem die Hitzebehandlung für die Kristallisierung beendet wurde, wird der Maskenisolationsfilm 803 entfernt, und eine Musterausbildung wird durchgeführt, um eine inselförmige Halbleiterschicht (aktive Schicht) 807 auszubilden, die aus einem Teil des lateralen Wachstumsgebietes 806 besteht.
Dann wird ein Gate-Isolationsfilm 808 ausgebildet, wobei es sich um einen Isolationsfilm handelt, der Silizium enthält. Die Dicke des Gate-Isolationsfilmes 808 kann im Bereich von 20-250 nm eingestellt werden, nachdem sie in einem späteren thermischen Oxidationsschritt erhöht wird. Das Filmausbil­ dungsverfahren kann ein bekanntes Gasphasenverfahren (Plasma- CVD, Sputtern oder dergleichen) umfassen.
Dann wird, wie in Fig. 8C gezeigt, eine Hitzebehandlung (ein Katalysatorelementgetterverfahren) durchgeführt, um die Kon­ zentration des Katalysatorelements (Nickel) zu vermindern. Bei dieser Hitzebehandlung wird ein Halogenelement in die Verarbeitungsatmosphäre eingeschlossen, um den Metallelement­ gettereffekt des Halogenelements zu verwenden.
Um den Gettereffekt des Halogenelements voll zu verwirkli­ chen, ist es vorteilhaft, die Hitzebehandlung bei einer Tem­ peratur von über 700°C durchzuführen. Bei 700°C oder weniger besteht die Möglichkeit, daß die Halogenverbindung in der Verarbeitungsatmosphäre kaum zersetzt wird, und man keinen Gettereffekt erhält.
In Anbetracht dessen wird die Hitzebehandlung bei einer Tem­ peratur von über 700°C durchgeführt, vorzugsweise bei 800-­ 1000°C (typischerweise 950°C), und die Verarbeitungszeit wird auf 0,1 bis 6 Stunden (typischerweise 0,5 bis 1 Stunde) fest­ gesetzt.
In dieser Ausführungsform wird eine Hitzebehandlung bei 950°C für 30 Minuten in einer Atmosphäre, die 0,5 bis 10 Volumen­ prozent Wasserstoffchlorid (HCl) (in dieser Ausführungsform 3 Volumenprozent) bezüglich einer Sauerstoffatmosphäre enthält, durchgeführt. Eine höhere HCL-Dichte als die des oben angege­ bene Bereich ist nicht vorteilhaft, da Unebenheiten ausgebil­ det werden, deren Tiefe oder Höhe gleich ist der Dicke der aktiven Schicht 807.
Außer HCL kann auch eine oder mehrere der Verbindungen typi­ scher Halogenelemente, einschließlich HF, NF3, HBr, Cl2, CIF3, BCL3, F2 und Br2 verwendet werden.
In diesem Schritt wird beachtet, daß Nickel in der aktiven Schicht 807 durch die Tätigkeit des Chlors gegettert und in die Luft in Form von Nickelchlorid, das flüchtig ist, entlas­ sen wird. Nach der Ausführung dieses Schrittes ist die Kon­ zentration von Nickel in der aktiven Schicht 807 auf 5×1017 Atome/cm3 oder weniger vermindert.
Der Wert 5×1017 Atome/cm3 stellt die untere Erkennungsgrenze von SIMS dar. In einer Analyse der TFTs, die experimentell durch die Erfinder hergestellt wurden, wurde kein Einfluß von Nickel auf die TFT Eigenschaften gefunden, wenn die Nickel­ konzentration 1×1018 Atome/cm3 oder weniger (vorzugsweise 5 × 1017 Atome/cm3 oder weniger) betrug. In dieser Beschreibung wird die Konzentration der Unreinheiten durch einen Minimal­ wert in einem SIMS-Messungsergebnis definiert.
Bei der obigen Hitzebehandlung schreitet die thermische Oxi­ dationsreaktion an der Schnittstelle zwischen der aktiven Schicht 807 und dem Gate-Isolationsfilm 808 fort, wobei die Dicke des Gate-Isolationsfilms 808 so stark zunimmt, wie die Dicke eines sich ergebenden thermischen Oxidationsfilms. Durch das Ausbilden eines thermischen Oxidationsfilms in dieser Art, kann man eine Halbleiter/Isolationsfilm-Schnitt­ stelle mit einer sehr kleinen Zahl von Schnittstellenzustän­ den erhalten. Die Hitzebehandlung liefert auch den Effekt, daß ein Fehler in der thermischen Oxidationsfilmausbildung an den Enden der aktiven Schicht 807 (Kantenverdünnung) verhin­ dert werden kann.
Zur Verbesserung der Filmqualität des Gate-Isolationsfilms 808 ist das Durchführen einer Hitzebehandlung bei 950°C für ungefähr 1 Stunde in einer Stickstoffatmosphäre nach der obi­ gen Hitzebehandlung in einer Halogenatmosphäre vorteilhaft.
Es wurde durch eine SIMS-Analyse herausgefunden, daß das Halogenelement, das bei der Getter-Behandlung verwendet wurde, in der aktiven Schicht 807 mit einer Konzentration von 1 × 1015 bis 1 × 1020 Atomen/cm3 verbleibt. Es wurde durch eine SIMS-Analyse auch herausgefunden, daß das Halogenelement in einer hohen Konzentration zwischen der aktiven Schicht 807 und dem thermischen Oxidationsfilm, der durch die Hitzebe­ handlung ausgebildet wurde, besteht.
Wie bei den anderen Elementen zeigt eine SIMS-Analyse, daß die Konzentrationen typischer Unreinheiten von C, N, O und S weniger als 5 × 1018 Atome/cm3 (typischerweise 1 × 1018 Atome/cm3 oder weniger) betragen.
Danach wird ein (nicht gezeigter) Metallfilm, der Aluminium als Hauptkomponente aufweist, ausgebildet und dann in ein Gateelektrodenstartteil 809 ausgeformt (siehe Fig. 8D). In dieser Ausführungsform wird ein Aluminiumfilm, der Scandium in einer Konzentration von 2 Gewichtsprozent enthält, ausge­ formt. Statt eines Aluminiumfilms kann auch ein Tantalfilm, ein leitender Siliziumfilm etc. verwendet werden.
In dieser Stufe wird eine Technik der Erfinder, die in der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7- 135318 beschrieben ist, deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen wird, verwendet. Diese Veröffentli­ chung beschreibt eine Technik des Ausbildens von Source- und Drain-Gebieten und Unreinheitsgebieten niedriger Konzentra­ tion in einer selbstausrichtenden Art durch das Verwenden eines Oxydfilms der durch eine Anodisierung gebildet wird.
Zuerst wird in einer Stufe, bei der eine (nicht gezeigte) Widerstandsmaske, die für die Musterausbildung des Aluminium­ films verwendet wurde, so gelassen wird, wie sie ist, eine Anodisierung in einer wäßrigen 3% Oxalsäurelösung durchge­ führt, wobei ein poröser anodischer Oxydfilm 810 ausgebildet wird.
Die Dicke des porösen anodischen Oxydfilms 810 nimmt mit der Oxidationszeit zu. Da die Widerstandsmaske auf der oberen Oberfläche verbleibt, wird der poröse anodische Oxidfilm 810 nur auf den Seitenflächen des Gatelelektrodenstartteils 809 ausgebildet. Gemäß der Technik der Veröffentlichung Nr. 7- 135318 entspricht die Filmdicke der Länge der Verunreini­ gungsgebiete niedriger Konzentration (von denen eines als LDD-Gebiet bezeichnet wird). In dieser Ausführungsform wird die Anodisierung unter solchen Bedingungen durchgeführt, daß die Filmdicke 700 nm beträgt.
Dann wird nach Entfernen der (nicht gezeigten) Widerstands­ maske, eine Anodisierung in einem Elektrolyt durchgeführt, das man durch das Mischen von Weinsäure (3%) in eine Ethylenglycollösung erhält. Als Ergebnis wird ein dichter, nicht poröser anodischer Oxidschichtfilm 811 ausgebildet. Da das Elektrolyt den porösen anodischen Oxidfilm 810 durch­ dringt, wird der anodische Oxidfilm 811 auch innerhalb des porösen anodischen Oxidfilm 810 ausgebildet.
Die Dicke des nicht porösen anodischen Oxidfilms 811 wird durch die angewandte Spannung bestimmt. In dieser Ausfüh­ rungsform wird die Anodisierung mit einer Spannung von 80 V durchgeführt, um eine Filmdicke von ungefähr 100 nm zu lie­ fern.
Ein Aluminiumfilm 812, der nach den obigen beiden Anodisie­ rungsschritten verbleibt, dient im wesentlichen als Gate- Elektrode.
Nachdem der Zustand der Fig. 8E auf die obige Weise erreicht wurde, wird der Gate-Isolationsfilm 808 durch ein Trockenät­ zen durch das Verwenden der Gate-Elektrode 812 und dem porö­ sen anodischen Oxidfilm 810 als Maske weggeätzt. Dann wird der poröse anodische Oxidfilm 810 entfernt. Die Endteile eines sich ergebenden Gate-Isolationsfilms 813 stehen in der Dicke des porösen anodischen Oxidfilms 810 vor (siehe Fig. 9A).
Dann wird ein Schritt des Hinzufügens eines Verunreinigungs­ elements für das Erzeugen eines Leitfähigkeitstyps durchge­ führt. Das Verunreinigungselement kann P (Phosphor) oder As (Arsen) für die n-Typ Leitfähigkeit und B (Bor) für die p-Typ Leitfähigkeit sein.
In diesem Schritt wird das erste Hinzufügen einer Verunreini­ gung mit einer hohen Beschleunigungsspannung durchgeführt, um n Gebiete 814 und 815 auszubilden. Da die Beschleunigungs­ spannung ungefähr 80 kV beträgt, wird das Verunreinigungsele­ ment nicht nur auf die offengelegten Teile der aktiven Schicht sondern auch auf Teile der aktiven Schicht, die unter den offengelegten Endteilen des Gate-Isolierfilms 813 (siehe Fig. 9B) liegen, hinzugefügt. Die Einstellungen werden so vorgenommen, daß die n⁻ Gebiete 814 und 815 eine Verunreini­ gungskonzentration von 1 × 1018 bis 1 × 1019 Atome/cm3 aufweisen.
Es wird dann ein zweites Hinzufügen von Verunreinigungen bei einer niedrigen Beschleunigungsspannung durchgeführt, um n⁺ Gebiete 816 und 817 auszubilden. Da die Beschleunigungsspan­ nung nur ungefähr 10 kV beträgt, dient der Gate-Isolations­ film 813 als eine Maske (siehe Fig. 9C). Die Einstellungen werden so vorgenommen, daß n⁺-Gebiete 816 und 817 einen Flä­ chenwiderstand von 500 Ω oder weniger (vorzugsweise 300 Ω oder weniger) aufweisen.
Unter den Unreinheitsgebieten, die durch den obigen Schritt ausgeformt wurden, werden die n⁺-Gebiete zu einem Source- Gebiet 816 und einem Drain-Gebiet 817, und die n⁻-Gebiete werden Verunreinigungsgebiete 818 niedriger Konzentration. Da das Verunreinigungselement nicht zum Teil der aktiven Schicht direkt unter der Gate-Elektrode 813 hinzugefügt wird, so wird dieser Teil im wesentlichen ein eigenleitendes Kanalausbil­ dungsgebiet 819.
Wegen des Effektes des Schwächens eines starken elektrischen Feldes, das sich zwischen dem Kanalausbildungsgebiet 819 und dem Drain-Gebiet 817 entwickelt, wird das Verunreinigungsge­ biet 818 ein LDD-(leicht dotiertes Drain-)-Gebiet genannt.
Nachdem die aktive Schicht auf obige Art vervollständigt wurde, wird das Verunreinigungselement durch eine Kombination einer Ofenausglühung, einer Laserausglühung, einer Lampenaus­ glühung etc. aktiviert. Zur selben Zeit wird die Beschädigung der aktiven Schicht, die im Verunreinigungselementhinzufü­ gungsschritt verursacht wurde, repariert.
Dann wird ein 500 nm dicker Zwischenschichtisolationsfilm 820 ausgebildet, bei dem es sich um einen Siliziumdioxydfilm, einen Siliziumnitridfilm, einen Siliziumoxynitridfilm, einen organischen Harzfilm oder einen mehrlagigen Film davon han­ deln kann.
Polyimid, Acryl, Polyamid, Polyimidamid oder dergleichen können als organisches Harzfilmmaterial verwendet werden. Die Verwendung eines organischen Harzfilms ist in den folgenden Punkten vorteilhaft. Beispielsweise kann ein Film leicht ausgebildet werden (1), ein Dickfilm kann leicht ausgebildet werden (2), die parasitäre Kapazität kann durch dessen kleine relative Dielektrizitätskonstante vermindert werden (3), und die Flachheit ist hoch (4).
Dann werden, nachdem Kontaktlöcher ausgebildet sind, eine Source-Elektrode 821 und eine Drain-Elektrode 822 ausgebil­ det. Schließlich wird die ganze Vorrichtung durch das Erhit­ zen des ganzen Substrats bei 350°C für 1-2 Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre hydriert, wobei freie Bindungen in den Filmen (insbesondere in der aktiven Schicht) abgeschlossen werden.
Ein TFT, der eine in Fig. 9D gezeigte Struktur hat, wird somit hergestellt. Die Merkmale des so hergestellten TFT werden nachfolgend beschrieben.
KENNTNISSE ÜBER DIE KRISTALLSTRUKTUR DER AKTIVEN SCHICHT
Mikroskopisch hat eine aktive Schicht, die durch das obige Herstellungsverfahren ausgebildet wurde, eine Kristallstruk­ tur, in welcher eine Vielzahl von stabförmigen oder flach­ stabförmigen Kristallen nahezu parallel zueinander in einer solchen Regelmäßigkeit angeordnet sind, daß sie in eine be­ stimmte Richtung gerichtet sind. Dies kann leicht durch eine Beobachtung mittels eines TEM- (Transmissionselektronenmikroskop)-Verfahrens bestätigt wer­ den.
Fig. 1A ist eine HR-TEM (hochauflösende Transmissionselektro­ nenmikroskop)-Photographie mit einem Vergrößerungsfaktor von acht Millionen einer Korngrenze zwischen stabförmigen und flachstabförmigen Kristallen. In dieser Beschreibung ist eine Korngrenze definiert als eine Grenze, die an einer Schnitt­ stelle ausgebildet ist, wo stabförmige oder flachstabförmige Kristalle miteinander in Kontakt treten, und sie unterschei­ det sich somit von einer makroskopischen Korngrenze, die durch die Kollision lateraler Wachstumsgebiete ausgebildet wird.
Das oben erwähnte HR-TEM-Verfahren ist eine Technik, in wel­ cher ein Elektronenstrahl vertikal auf eine Probe angewandt wird, und eine Anordnung von Atomen oder Molekülen wird durch das Verwenden von Interferenzen zwischen den ausgesendeten Elektronen oder den elastisch zerstäubten Elektronen ausge­ wertet.
Beim HR-TEM Verfahren kann ein Anordnungszustand von Kri­ stallgittern als Gitterrand erkannt werden. Somit kann durch Beobachten von Korngrenzen ein Bindungszustand der Atome an Korngrenzen geschätzt werden. Obwohl ein Gitterrand wie schwarze und weiße Streifen erscheint, werden solche Streifen durch einen Unterschied im Kontrast verursacht, wobei sie keine Atompositionen anzeigen.
Fig. 1A ist eine typische HR-TEM Photographie eines kri­ stallinen Siliziumfilms, den man durch die Erfindung erhält, und sie zeigt einen Zustand, bei dem zwei verschiedene Kri­ stallkörner einander an einer Korngrenze kontaktieren, die von links oben nach rechts unten verläuft. Die zwei Kristall­ körner haben ungefähr eine {110} Ausrichtung, obwohl ein kleiner Unterschied zwischen ihren Kristallachsen existiert.
Wie später beschrieben wird, zeigt eine Untersuchung einer Vielzahl von Kristallkörnern durch einen Elektronenstrahlbeu­ gung, daß fast alle Kristallkörner ungefähr eine {110} Aus­ richtung haben.
Viele der untersuchten Kristallkörner sollten eine (011) Oberfläche und eine (101) Oberfläche haben, wobei diese äqui­ valenten Oberflächen zusammen durch eine {110} Oberfläche dargestellt werden. Dies wird kurz unter Bezug auf die Fig. 2A-2C beschrieben.
Fig. 2A zeigt schematisch ein Kristallkorn, dessen Kristall­ oberfläche eine {110} Ebene darstellt (die Kristallachse beträgt <110<). Eine {110} Kristalloberfläche umfaßt eine <111< Achse, eine <100< Achse, etc.
Die Notation der Fig. 2A ist ein Beispiel einer Indexnota­ tion, basierend auf der Mengenlehre. Die Fig. 2B und 2C zeigen Beispiele, die eine strenge Indexnotation verwenden. Beispielsweise sind die Kristallachsen [110] und [01-1] äqui­ valent zueinander und werden zusammen dargestellt durch <110<.
Die Notation, wie [01-1], wird in dieser Beschreibung für eine leichtere Beschreibung verwendet, wobei das Zeichen "-" statt eines logischen Symbols verwendet wird, das eine Inver­ sion darstellt.
Da eine Diskussion, die strenge Kristallrichtungen (Kristallachsen) verwendet, zu verschiedenen Wegen des Ver­ ständnisses führt, wie das oben beispielhaft ausgeführt wurde, wird die Indexnotation, basierend auf der Mengenlehre in der folgenden Beschreibung verwendet, was auch zur Verein­ fachung der Beschreibung dient. Es sollte klar sein, daß dieselben physikalischen Eigenschaften in allen äquivalenten Kristalloberflächen erhalten werden.
Übrigens werden, wie das in Fig. 1A gezeigt ist, Gitterrän­ der, die den {111} und {100} Ebenen entsprechen, in der Ober­ fläche gefunden. Der Satz "ein Gitterrand, der der {111} Ebene entspricht" bedeutet einen Gitterrand, in welcher eine {111} Oberfläche als Querschnitt erscheint, den man erhält, wenn man ein Kristallkorn entlang des Gitterrandes schneidet. Welcher Ebene ein Gitterrand entspricht, kann, basierend auf Intervallen des Gitterrandes, leicht geprüft werden (vereinfachtes Verfahren).
Eine Vielzahl von Gitterrändern, die vertikal, horizontal und schräg verlaufen, findet man beim oberen Kristallkorn der Fig. 1A, während man nur ein Gitterrand im unteren Kristall­ korn findet. Es wird angenommen, daß dies durch den Einfluß einer Elektronenstrahlanwendungsrichtung während der TEM- Beobachtung bedingt ist. Das heißt, beim oberen Kristallkorn wird ein Elektronenstrahl vertikal auf die Kristalloberfläche angewandt, und somit werden eine Vielzahl von Gitterrändern in der Oberfläche gefunden. Andererseits wird, da das untere Kristallkorn leicht gegenüber dem oberen Kristallkorn geneigt ist, ein Elektronenstrahl nicht vertikal auf das untere Kri­ stallkorn ausgeübt, was es nur gestattet, einen speziellen Gitterrand zu erkennen.
Die Aufmerksamkeit wird nun auf die Gitterränder gerichtet, die der {111} Ebene entsprechen. Wie man aus Fig. 1A sieht, ist einer der beiden Gitterränder des oberen Kristallkorns, das der {111} Ebene entspricht, parallel zum Gitterrand des unteren Kristallkorns, das der {111} Ebene entspricht, ange­ ordnet.
Die Gitterränder der zwei unterschiedlichen Kristallkörner sind miteinander verbunden, so daß die Korngrenze unabhängig vom Vorhandensein der Korngrenze gequert wird. Das heißt, die meisten der Streifen, die die Korngrenze queren, erstrecken sich gerade und kontinuierlich, obwohl sie zu verschiedenen Kristallkörnern gehören. Dies trifft für willkürlich ausge­ wählte Korngrenzen zu. Neunzig Prozent (vorzugsweise 95% oder mehr) aller Gitterränder oder mehr weisen ein Kontinuität an den Korngrenzen auf.
Dieser Typ einer Kristallstruktur ist das bemerkenswerteste Merkmal eines kristallinen Siliziumfilms der Erfindung, und es stellt eine Kristallstruktur dar, die eine Korngrenze verwirklicht, die die Erfinder erhalten wollten.
Dieser Typ einer Kristallstruktur (korrekter, einer Korn­ grenzstruktur) zeigt an, daß zwei verschiedene Kristallkörner miteinander an der Korngrenze mit einem sehr hohen Passungs­ grad zusammengefügt werden. Das heißt, Kristallgitter werden kontinuierlich miteinander an den Korngrenzen verbunden, und Fallenzustände durch Kristalldefekte etc. treten weniger wahrscheinlich auf. Mit anderen Worten, die Kristallgitter weisen eine Kontinuität an den Korngrenzen auf.
Zum Vergleich ist eine HR-TEM Photographie eines konventio­ nellen Hochtemperatur-Polisiliziumfilms in Fig. 1B gezeigt. Im Falle der Fig. 1B, der später beschrieben wird, hat die Kristalloberfläche keine Regelmäßigkeit, und die Kristallkör­ ner haben keine solche Ausrichtung, die durch die {110} Ebene bestimmt wird. Im Vergleich mit der Fig. 1A werden jedoch Kristallkörner beobachtet, die eine Gitterrand haben, der der {111} Ebene entspricht.
In Fig. 1B findet man nur einen Gitterrand für jedes der oberen und unteren Kristallkörner. Das rührt vom oben be­ schriebenen Grund her. Eine Messung der Intervalle der Git­ terränder gemäß demselben Verfahren, das oben beschrieben wurde, zeigt, daß jeder der Gitterränder der oberen und unte­ ren Kristallkörner der {111} Ebene entspricht, wie das in Fig. 1B gezeigt ist.
Die zwei Gitterrändern sind jedoch nicht parallel zueinander, wie man das aus Fig. 1B sieht, und somit unterscheidet sich die Kristallstruktur dieser Probe klar von der Probe der Fig. 1A.
Weiterhin enden, wie das durch die Pfeile in Fig. 1B ange­ zeigt ist, viele Streifen an der Korngrenze. Da freie Bindun­ gen (die als Kristalldefekte angesehen werden) an solchen Positionen existieren würden, ist es sehr wahrscheinlich, daß Störstellenzustände dort ausgeformt werden, die die Trägerbe­ wegung stören.
Wie oben beschrieben wurde, sind Gitter im kristallinen Sili­ ziumfilm der Erfindung an den Korngrenzen kontinuierlich, und es werden keine Kristalldefekte obiger Art gefunden. Dies beweist auch, daß der kristalline Siliziumfilm der Erfindung ein Halbleiterfilm ist, der sich klar vom konventionellen Hochtemperatur-Poysiliziumfilm unterscheidet.
Die Fig. 3A-3C zeigen die Ergebnisse einer Untersuchung eines kristallinen Siliziumfilms der Erfindung durch eine Elektronenstrahlbeugung. Fig. 3A zeigt ein typisches Elektro­ nenstrahlbeugungsmuster eines kristallinen Siliziumfilms der Erfindung und Fig. 3B zeigt ein typisches Elektronenstrahl­ beugungsmuster eines konventionellen Hochtemperaturpolysili­ ziumfilms als Vergleich.
Da die Messungen mit dem Durchmesser eines Elektronen­ strahlstrahlungskegels durchgeführt wurden, der auf 1,35 µm festgesetzt wurde, können die Fig. 3A und 3B angesehen werden, als hätten sie genügend makroskopische Information verglichen mit der Information des Gitterrandniveaus.
Fig. 3C ist ein Elektronenstrahlbeugungsmuster, das man er­ hält, wenn ein Elektronenstrahl vertikal auf eine {110} Ober­ fläche des einkristallinen Siliziums gerichtet wird. Gewöhn­ licherweise wird die Ausrichtung einer beobachteten Probe durch das Vergleichen eines solchen Elektronenstrahlbeugungs­ musters und eines Beobachtungsergebnisses geschätzt.
Im Falle der Fig. 3A erscheinen Beugungspunkte, die dem <110< Einfall entsprechen, wie das in Fig. 3C gezeigt ist, relativ klar, und es wird bestätigt, daß die Kristallachse eine <110< Achse ist (die Kristalloberfläche ist eine {110} Oberfläche).
Die jeweiligen Beugungspunkte haben leichte Streubereiche auf konzentrischen Kreisen, wobei angenommen wird, daß dies durch eine gewisse Verteilung des Rotationswinkels um die Kristall­ achse verursacht wird. Aus den Mustern der jeweiligen Beu­ gungspunkte wird geschätzt, daß sich der Streubereich inner­ halb von 5° befindet.
Unter vielen beobachteten Beugungsmustern, sind welche, die einen Teil aufweisen, bei dem keine Beugungspunkte existieren (auch Fig. 3A hat einen Teil, bei dem keine Beugungspunkte existieren). Dies kann am wahrscheinlichsten folgendermaßen erklärt werden. Ein Teil des Beugungsmusters wird nicht er­ kannt, da eine Probe angenähert eine {110} Orientierung auf­ weist, aber ihre Kristallachse leicht von der <110< Achse abweicht.
Basierend auf der Tatsache, daß eine Kristalloberfläche nahe­ zu immer eine {111} Ebene umfaßt, schließen die Erfinder, daß das obige teilweise Fehlen von Beugungspunkten durch eine Abweichung des Drehungswinkels um die <111< Achse verursacht wird.
Andererseits haben im Falle des Elektronenstrahlbeugungsmu­ sters der Fig. 3B Beugungspunkte keine klare Regelmäßigkeit und sind nahezu zufällig ausgerichtet; mit anderen Worten, es wird angenommen, daß Kristalle, die verschiedene Arten von Ebenenausrichtungen aufweisen, die sich von der {110} Aus­ richtung unterscheiden, in unregelmäßiger Art gemischt sind.
Wie das durch die obigen Beobachtungsergebnisse angezeigt ist, hat der kristalline Siliziumfilm der Erfindung die Merk­ male, daß fast alle Kristallkörner ungefähr die {110} Aus­ richtung aufweisen, und daß die Gitter eine Kontinuität an den Korngrenzen aufweisen. Diese Merkmale fehlen bei einem konventionellen Polysiliziumfilm.
Der Grund, warum nahezu alle Kristallkörner ungefähr die {110} Orientierung aufweisen, wird aus der Beschreibung der nicht geprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 7- 321339 der Erfinder, deren gesamter Inhalt hier durch Bezug­ nahme eingeschlossen wird, deutlich.
Es wurde anhand von TEM-Photographien bestätigt, daß wenn ein amorpher Siliziumfilm kristallisiert wird, stabförmige oder flachstabförmige Kristalle (die auch als nadelförmige oder säulenförmige Kristalle bezeichnet werden), die ungefähr parallel zum Substrat wachsen, eine <111< Achse als Wachs­ tumsrichtung aufweisen. Dies ist schematisch in Fig. 20 dar­ gestellt.
Wo ein amorpher Siliziumfilm unter Verwendung von Ni als Katalysatorelement kristallisiert wird, schreitet das Kri­ stallwachstum in der <111< Achsenrichtung fort, wobei NiSi2 Ablagerungen als Zwischenstücke dienen. Es wird angenommen, daß dies durch die Tatsache verursacht wird, daß in den Kri­ stalloberflächen von NiSi2 und Si die {111} Ebenen solche Strukturen haben, um einen hohen Anpassungspegel zu liefern.
Da die Innenseite eines stabförmigen oder flachstabförmigen Kristallwachstums im wesentlichen als ein Einkristall angese­ hen werden kann, wird er als c-SI (Kristallsilizium) in Fig. 20 bezeichnet.
Obwohl verschiedene Arten von Ebenen auf den Seitenoberflä­ chen eines stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalls, der in der <111< Achsenrichtung gewachsen ist, ausgebildet werden können (das heißt, Oberflächen parallel zur Wachstumsrich­ tung), ist es am wahrscheinlichsten, daß die {110} Ebene auftaucht. Dies kommt daher, daß die {110} Ebene die größte Atomdichte unter den Ebenen hat, die auf den Seitenoberflä­ chen ausgebildet werden können.
Aus dem obigen Grund erscheint in einem Kristallkorn, das mit einer {111} Oberfläche als sein Kopf gewachsen ist, wie dies im Falle der Erfindung stattfindet (das heißt, ein Kristall­ korn, das in der <111< Achsenrichtung gewachsen ist), eine {110} Ebene als eine Oberfläche (das ist eine Beobachtungs­ oberfläche).
Die Erfinder führten Röntgenbeugungsmessungen gemäß dem Ver­ fahren, wie es in der Veröffentlichung Nr. 7-321339 (dessen Inhalt hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen wird) be­ schrieben ist, durch und berechneten Ausrichtungsverhältnisse der kristallinen Siliziumfilme der Erfindung. Diese Veröf­ fentlichung definiert das Ausrichtungsverhältnis durch ein Berechnungsverfahren, das durch Gleichung (1) ausgedrückt wird:
{220} Ausrichtungsexistenzverhältnis = 1 (konstant)
{111} Ausrichtungsexistenzverhältnis = (relative Inten­ sität von {111} einer Probe zu {220})/(relative Intensität von {111} eines Puders zu {220})
{311} Ausrichtungsexistenzverhältnis = (relative Inten­ sität von {311} einer Probe zu {220})/(relative Intensität von {311} eines Puders zu {220})
{220} Ausrichtungsverhältnis = {220} Ausrichtungsexi­ stenzverhältnis/({220} Ausrichtungsexistenzverhältnis + {111} Ausrichtungsexistenzverhältnis + {311} Ausrichtungsexi­ stenzverhältnis).
Obwohl die Kristalloberfläche als die {220} Ebene in den Messungen erkannt wurden, ist sie natürlich äquivalent zur {110} Ebene. Die Messungen zeigen, daß die {110} Ebene die Hauptausrichtungsebene ist, und daß das Ausrichtungsverhält­ nis 0,7 oder mehr (typischerweise 0,9 oder mehr) beträgt.
Wie oben beschrieben wurde, hat der kristalline Siliziumfilm der Erfindung eine Kristallstruktur, die sich vollständig von der des konventionellen Polysiliziumfilms unterscheidet, basierend darauf man sagen kann, daß der kristalline Silizi­ umfilm der Erfindung ein vollständig neuer Halbleiterfilm ist.
Bei der Ausbildung eines Halbleiterdünnfilms gemäß der Erfin­ dung, spielt der Ausglühschritt (in dieser Ausführungsform der Schritt der Fig. 8C), der bei einer Temperatur ausgeführt wird, die gleich oder höher als die Kristallisationstempera­ tur ist, eine wichtige Rolle bei der Verminderung von Defek­ ten in den Kristallkörnern. Dies wird nachfolgend beschrie­ ben.
Fig. 21A ist eine TEM-Photographie mit einem Vergrößerungs­ faktor von 250 000 eines kristallinen Siliziumfilms zum Zeit­ punkt, wenn der Kristallisationsschritt der Fig. 8B beendet wurde. Es wurde ein Zickzack-Defekt (der durch einen Pfeil angedeutet ist) in den Kristallkörnern gefunden (die schwar­ zen und weißen Teile erscheinen durch einen Kontrastunter­ schied).
Obwohl der Defekt dieses Typs hauptsächlich ein Stapelfehler ist, der durch eine fehlerhafte Stapelordnung der Atome in der Siliziumgitterebene verursacht wird, kann es sich um eine Verschiebung oder irgend einen anderen Defekt handeln. Der Defekt der Fig. 21A scheint ein Stapelfehler zu sein, der eine defekte Oberfläche parallel zur {111} Ebene aufweist, wie das aus der Tatsache geschlossen werden kann, daß der Zickzack-Defekt um ungefähr 70° gebogen ist.
Anderseits hat, wie das in Fig. 21B gezeigt ist, ein kri­ stalliner Siliziumfilm der Erfindung, der mit demselben Ver­ größerungsfaktor betrachtet wird, nahezu keine Defekte von Stapelfehlern, Verschiebungen, etc. in Kristallkörnern und er hat somit eine sehr hohe Kristallität. Diese Tendenz gilt für die gesamte Filmoberfläche. Obwohl es aktuell schwierig ist, die Zahl der Defekte zu Null zu machen, ist es möglich, sie immerhin auf einen solchen Pegel zu vermindern, der im we­ sentlichen als null angesehen werden kann.
Das heißt, der kristalline Siliziumfilm der Fig. 21B kann als Einkristall betrachtet werden, oder er kann hauptsächlich so betrachtet werden, da die Zahl der Defekte in den Kristall­ körnern auf einen fast vernachlässigbaren Pegel vermindert wurde, und Korngrenzen durch ihre hohe Kontinuität niemals zu Barrieren gegenüber einer Trägerbewegung werden.
Wie oben beschrieben wurde, unterscheiden sich, obwohl die Kristallsiliziumfilme, die in den Photographien der Fig. 21A und 21B gezeigt sind, nahezu dieselben bezüglich ihrer Kontinuität sind, diese Filme stark in der Zahl der Defekte in den Kristallkörnern. Die Tatsache, daß der Kristallsilizi­ umfilm der Erfindung weit überlegene elektrische Eigenschaf­ ten gegenüber dem Kristallsiliziumfilm der Fig. 21A zeigt, rührt hauptsächlich vom Unterschied der Anzahl der Defekte her.
Aus den obigen Diskussionen wird verständlich, daß der Schritt der Fig. 8C unverzichtbar für die Erfindung ist. Der Anmelder nimmt das folgende Modell für die Erscheinungen an, die bei diesem Schritt auftreten.
Als erstes werden im Zustand der Fig. 21A Atome des Katalysa­ torelements (typischerweise Nickel) an Defekten (hauptsächlich Stapelfehlern) in Kristallkörnern auskristal­ lisiert. Das heißt, es wird angenommen, daß dort viele Si-Ni- Si Bindungen existieren.
Wenn das Katalysatorelementgetterverfahren ausgeführt wird, werden Ni-Atome, die an den Defekten vorhanden sind, ent­ fernt, und Si-Ni Bindungen werden gelöst. Überschüssige Bin­ dungen der Si Atome bilden sofort Si-Si Bindungen, um einen stabilen Zustand zu errichten. Die Defekte verschwinden auf diese Art.
Es ist bekannt, daß Defekte in einem Kristallsiliziumfilm verschwinden, wenn eine Hochtemperaturausglühung durchgeführt wird. Es wird daraus geschlossen, daß in der Erfindung die Siliziumrekombination sanfter verläuft, da viele freie Bin­ dungen bei der Auflösung der Si-Ni Bindungen erzeugt werden.
Weiterhin wird angenommen, daß überschüssige Siliziumatome, die zur selben Zeit erzeugt werden, wenn der Kristallsilizi­ umfilm thermische oxidiert wird, zu Defekten wandern und stark zur Ausbildung von Si-Si Bindungen beitragen. Dies bildet auch die Erklärung dafür, warum ein Hochtemperaturpo­ lysiliziumfilm nur eine schmale Anzahl von Defekten in Kri­ stallkörnern aufweist.
Der Anmelder nimmt auch ein Modell an, bei dem die Hitzebe­ handlung bei einer Temperatur, die höher (typischerweise 700-­ 1100°C) als die Kristallisationstemperatur liegt, bewirkt, daß der Kristallsiliziumfilm an der darunterliegenden Ober­ fläche befestigt wird, um das Anhaften daran zu verstärken, was wiederum bewirkt, daß Defekte verschwinden.
Der Kristallsiliziumfilm und der Siliziumoxydfilm als der darunterliegende Film unterscheiden sich voneinander im ther­ mischen Ausdehnungskoeffizient um einen Faktor, der etwas kleiner ist als 10. Somit wird, nachdem der amorphe Silizium­ film in den kristallinen Siliziumfilm umgewandelt wurde (siehe Fig. 21A) eine sehr starke Spannung auf den kristalli­ nen Siliziumfilm während dessen Abkühlung ausgeübt.
Dies wird nachfolgend unter bezug auf die Fig. 22A-22C erläutert. Fig. 22A zeigt einen Hitzeverlauf, dem ein Kri­ stallsiliziumfilm nach dem Kristallisationsschritt unterwor­ fen wird. Zuerst wird ein Kristallsiliziumfilm, der bei einer Temperatur t1 kristallisiert wurde, während einer Abkühldauer (a) auf Raumtemperatur abgekühlt.
Fig. 22B zeigt den Kristallsiliziumfilm, der sich in der Mitte der Abkühldauer (a) befindet. Die Bezugszahlen 1050 und 1051 bezeichnen ein Quarzsubstrat beziehungsweise einen Kri­ stallsiliziumfilm. In diesem Zustand wird angenommen, daß die Haftung zwischen dem Kristallsiliziumfilm 1051 und dem Quarz­ substrat 1050 an der Schnittstelle 1052 nicht hoch ist, wo­ durch viele Innenkorndefekte auftreten.
Das heißt, es wird angenommen, daß der Kristallsiliziumfilm 1051, dem eine Spannung durch den Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten auferlegt wird, sich sehr wahr­ scheinlich auf dem Quarzsubstrat 1050 bewegt, und Defekte 1053, wie Stapelfehler und Verschiebungen werden durch so eine Kraft als Zugspannung leicht bewirkt.
Der Kristallsiliziumfilm, der in der obigen Art erhalten wird, befindet sich im Zustand der Fig. 21A. Danach wird der Katalysatorelementgetterschritt bei einer Temperatur t2 durchgeführt, wie das in Fig. 22A gezeigt ist, wobei die Defekte im Kristallsiliziumfilm aus den obigen Gründen ver­ schwinden.
In diesem Schritt ist es wichtig, daß im Katalysatorelement­ getterschritt der Kristallsiliziumfilm auf dem Quarzsubstrat 1050 befestigt wird, um seine Anhaftung daran zu verbessern. Das heißt, der Getterschritt dient auch als Schritt zum Befe­ stigen des Kristallsiliziumfilms auf dem Quarzsubstrat 1050 (darunterliegendes Teil).
Nach Beendigung des Getter- und Fixierschrittes wird der Kristallsiliziumfilm während einer Kühlungsdauer (b) auf Raumtemperatur abgekühlt. Im Gegensatz zur Kühlungsdauer (a) nach dem Kristallisationsschritt befindet sich im Kühlungs­ schritt (b) eine Schnittstelle 1055 zwischen dem Quarz­ substrat 1050 und dem ausgeglühten Kristallsiliziumfilm 1054 in einem Zustand einer sehr großen Anhaftung (siehe Fig. 22C).
Wo die Anhaftung so hoch ist, wird der Kristallsiliziumfilm 1054 vollständig auf dem Quarzsubstrat 1050 befestigt, und somit bewirkt eine Spannung, die auf den Kristallsiliziumfilm 1054 während der Kühlungsdauer (b) ausgeübt wird, keine De­ fekte. Das heißt, es kann verhindert werden, daß Defekte wieder erzeugt werden.
Obwohl Fig. 22A das Verfahren zeigt, in welcher die Tempera­ tur auf die Raumtemperatur nach dem Kristallisationsschritt vermindert wird, kann der Getter- und Befestigungsschritt durch ein Erhöhen der Temperatur sofort nach dem Beenden des Kristallisationsschrittes durchgeführt werden. Ein solches Verfahren kann auch einen Kristallsiliziumfilm der Erfindung erzeugen.
Der Kristallsiliziumfilm der Erfindung, der auf die obige Art erhalten wird (siehe Fig. 21B), weist das Merkmal auf, daß die Zahl der Defekte in den Kristallkörnern viel kleiner als im Kristallsiliziumfilm ist, der dem Kristallisationsschritt unterzogen wird (siehe Fig. 21A).
In einer Elektronenspinnresonanzanalyse (ESR) erscheint der Unterschied in der Zahl der Defekte als ein Unterschied in der Spin-Dichte. Aktuell wurde deutlich, daß die Spin-Dichte eines Kristallsilizumfilms der Erfindung maximal 5 × 1017 Spins/cm3 oder weniger (vorzugsweise 3 × 1017 Spins/cm3 oder weniger) beträgt. Da dieser Meßwert jedoch dicht an der Er­ kennungsgrenze der aktuell verfügbaren Meßinstrumente liegt, wird angenommen, daß die tatsächliche Spin-Dichte sogar noch niedriger liegt.
Der Kristallsiliziumfilm der Erfindung, der die obige Kri­ stallstruktur und die Merkmale aufweist, wird ein kontinuier­ licher Kornsiliziumfilm (CGS) genannt.
KENNTNISSE ÜBER DIE ELEKTRISCHEN EIGENSCHAFTEN EINES TFT
Ein TFT, der unter Verwendung eines kristallinen Silizium­ films, der in der oben beschriebenen Art ausgeformt wurde, für seine aktive Schicht hergestellt wurde, zeigt elektrische Eigenschaften, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Fig. 4 zeigt Id-Vg Kurven (Id-Vg Charakteristika) eines n-Kanal TFT, die so aufgezeichnet wurden, daß die horizontale Achse die Gate- Spannung Vg und die vertikale Achse den Logarithmus des Drain-Stroms Id darstellt. Die elektrischen Eigenschaften wurden unter Verwendung eines marktüblichen Instruments (Typenname 4145B von Hewlett Packard Co.) gemessen.
In Fig. 4 bezeichnen die Bezugszeichen 401 und 402 elektrische Eigenschaften eines TFT, der eine aktive Schicht verwendet, die durch das oben beschriebene Verfahren ausgeformt wird, beziehungsweise eines konventionellen TFT. Der konventionelle TFT ist ein TFT der keiner Hitzebehandlung (Getter-Verfahren) nach der Ausbildung des Gate-Isolierfilms in der ersten Aus­ führungsform unterworfen wurde.
Ein Vergleich der beiden Transistoreigenschaften zeigt, daß sogar bei denselben Gate-Spannungen der Einschaltstrom (on­ current) der Kennlinie 401 zwei oder vier Ordnungen größer ist als der der Kennlinie 402. Der Einschaltstrom bedeutet einen Drain-Strom, der fließt, wenn sich ein TFT in einem eingeschalteten Zustand befindet (die Gate-Spannung befindet sich ungefähr in einem Bereich von 0 bis 5V in Fig. 4).
Man sieht auch, daß die Unterschwellwerteigenschaft der Kenn­ linie 401 der der Kennlinie 402 überlegen ist. Die Unter­ schwellwerteigenschaft ist ein Parameter, der die Schnellig­ keit des Schaltbetriebes eines TFT anzeigt, und sie ist bes­ ser, wenn die Id-Vg-Kurve schneller ansteigt oder steiler fällt, wenn ein TFT in einen eingeschalteten oder ausgeschal­ teten Zustand umgeschaltet wird.
Typische elektrische Eigenschaften eines TFT, der gemäß der Erfindung erzeugt wurde, stellen sich wie folgt dar:
  • (1) Für die n-Typ TFT und die p-Typ TFT ist der Unter­ schwellwertkoeffizient, der einen Parameter für das Anzeigen der Schaltleistung (der Schnelligkeit des Schaltens zwischen An- und Aus-Betrieb) eines TFTs ist, 60-100 mV/Dekade (typischerweise 60-85 mV/Dekade) klein. Dieser Datenwert ist ungefähr gleich dem eines Feldeffekttransistors mit isolier­ tem Gate (IGFET), der ein einkristallines Silizium verwendet.
  • (2) Die Feldeffektmobilität (µFE), die einen Parameter darstellt, der die Betriebsgeschwindigkeit eines TFT dar­ stellt, ist 200-650 cm2/Vs (n-Typ TFT; typischerweise 250-300 cm2/Vs) oder 100-300 cm2/Vs (p-Typ TFT; typischerweise 150-­ 200 cm2/Vs) groß.
  • (3) Die Schwellwertspannung (Vth), die ein Parameter ist, der grob die Treiberspannung eines TFT anzeigt, ist -0,5 bis 1,5 V (n-Typ TFT) oder -1,5 bis 0,5 V (p-Typ TFT) klein. Dies bedeutet, daß ein TFT mit einer kleinen Leistungsversor­ gungsspannung angesteuert werden kann, und somit der Lei­ stungsverbrauch vermindert werden kann.
Wie oben beschrieben wurde, hat ein TFT, der gemäß der Erfin­ dung produziert wurde, weit überlegene Schalteigenschaften und Hochgeschwindigkeitsbetriebseigenschaften.
EIGENSCHAFTEN EINER SCHALTUNG AUS TFTS DER ERFINDUNG
Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Frequenzeigen­ schaften eines Ring-Oszillators, der von den Erfindern unter Verwendung von TFTs konstruiert wurde, die gemäß der Erfin­ dung produziert wurden. Der Ring-Oszillator ist eine Schal­ tung, in welcher ungerade numerierte Stufen von Inverter­ schaltungen, die eine MOS-Struktur haben, miteinander in ringförmiger Weise verbunden werden, und die für das Bestim­ men der Verzögerungszeit pro einstufiger Inverterschaltung verwendet wird. Die Ring-Oszillatoren, die in den Experimen­ ten verwendet wurden, haben die folgende Konfiguration:
Zahl der Stufen: Neun
Dicke des Gate-Isolierfilms des TFT: 30 nm und 50 nm
Gate-Länge des TFT: 0,6 µm.
Fig. 5 zeigt die Ergebnisse eines Experiments, in dem Oszil­ lationsfrequenzen der Ringoszillatoren mit einem Spektrumana­ lyser gemessen werden, wenn die Leistungsversorgungsspannung 5 V beträgt. In Fig. 5 wurde eine Oszillationsfrequenz von mehr als 1 GHz verwirklicht, wenn TFTs, die einen 30 nm dic­ ken Gate-Isolationsfilm aufweisen, verwendet wurden.
Fig. 6 zeigt ein Ausgabespektrum des Spektrumanalyzers, wenn eine Oszillationsfrequenz von 1,04 GHz erhalten wurde. Die horizontale Achse stellt die Frequenz (1-1,1 GHz) dar, und die vertikale Achse stellt die Spannung (Ausgangsamplitude) auf einer logarithmischen Skala dar. Wie man aus Fig. 6 sieht, hat das Ausgangsspektrum eine Spitze bei ungefähr 1,04 GHz. Ein Schwanz des Ausgangsspektrums rührt von der Auflö­ sung des Instruments her und beeinflußt die experimentellen Ergebnisse nicht.
Ein Schieberegister, das eine der TEGs der LSI Schaltungen darstellt, wurde tatsächlich produziert und seine Betriebs­ frequenz wurde geprüft. Ausgabepulse mit einer Betriebsfre­ quenz von 100 MHz wurden durch eine Schieberegisterschaltung erhalten, in der die Dicke eines Gate-Isolationsfilms 30 nm betrug, die Gatelänge 0,6 µm betrug, die Leistungsversor­ gungsspannung bei 5 V lag und die Zahl der Stufen 50 beträgt.
Die obigen überraschenden Daten des Ring-Oszillators und des Schieberegisters zeigen, daß die Leistung des TFT der Erfin­ dung äquivalent zu der eines IGFET, der ein einkristallines Silizium verwendet, ist oder diese überschreitet.
Die folgenden Daten bestätigen die obige Einschätzung. Fig. 7 ist eine Kurve von Daten, in welcher die horizontale Achse die Leistungsversorgungsspannung VDD und die vertikale Achse die Verzögerungszeit τpd pro Stufe der Inverter des F/O (Fan­ out-Verhältnis) = 1 zeigt (von Kenji Maeguchi et al., "Revolution of Logic LSI Technology", Seite 108, Science Forum Corp., 1995).
Verschiedene Kurven (angezeigt durch unterbrochene Linien) stellen in Fig. 7 Daten dar, die man mit dem IGFETs, die ein einkristallines Silizium verwenden, mit verschiedenen Gestal­ tungsregeln erhalten hat, und sie zeigen an, das eine Skalie­ rungsregel genannt wird.
Eine durchgezogene Linienkurve in Fig. 7 wird erhalten, wenn eine Beziehung zwischen der Verzögerungszeit und der Lei­ stungsversorgungsspannung eines Inverters, die unter Verwen­ dung des oben beschriebenen Ring-Oszillators erhalten wurde, auf Fig. 7 angewandt wird. Es sollte der Tatsache Aufmerksam­ keit gewidmet werden, daß die Leistung des Inverters, der unter Verwendung von TFTs hergestellt wurde, in denen die Kanallänge 0,6 µm und die Dicke tox eines Gate-Isolations­ films 30 nm beträgt, überlegen sind der eines Inverters, der unter Verwendung von IGFETs produziert wurde, in welchen die Kanallänge 0,5 µm und die Dicke tox des Gate-Isolationsfilms 11 nm beträgt.
Das zeigt klar, daß die Leistung des TFT gemäß der Erfindung besser ist als die des IGFET. Wenn beispielsweise der Gate- Isolationsfilm des TFT der Erfindung dreimal dicker oder noch dicker als der des IGFET gemacht wird, ist die Leistung des ersteren gleich oder sogar besser als die des letzteren. Das heißt, man kann sagen, daß der TFT der Erfindung eine höhere Durchbruchspannung hat als der IGFET, der gleiche Eigenschaf­ ten aufweist.
Weiterhin ist es möglich, eine überlegene Leistung sogar durch die Miniaturisierung des TFT der Erfindung gemäß der Skalierungsregel zu realisieren. Beispielsweise wird basie­ rend auf der Skalierungsregel erwartet, daß ein Ring-Oszilla­ tor, der gemäß einer 0,2 µm Regel produziert wurde, eine Betriebsfrequenz von 9 GHz erreicht (da die Betriebsfrequenz f im inversen Verhältnis zum Quadrat der Kanallänge L steht).
Wie oben beschrieben wurde, konnte bestätigt werden, daß der TFT der Erfindung überlegene Eigenschaften aufweist, und somit ein vollständig neuer TFT ist, der es einer Halbleiter­ schaltung, die ihn verwendet, gestattet, einen Hochgeschwin­ digkeitsbetrieb von 10 GHz oder mehr auszuführen.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
Während die erste Ausführungsform auf den Fall der Verwendung eines Siliziumfilms als Halbleiterfilm ausgerichtet ist, ist sie auch wirksam bei der Verwendung eines Siliziumfilm, der Germanium mit 1-10% enthält, was durch SixGe1-x (0 < X < 1; vorzugsweise 0,9 ≦ X ≦ 0,99) ausgedrückt wird.
Durch die Verwendung eines solchen zusammengesetzten Halblei­ terfilms kann die Schwellwertspannung klein gemacht werden, wenn ein n-Typ oder p-Typ TFT hergestellt wird. Ferner kann die Feldeffekt-Mobilität erhöht werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
In der ersten Ausführungsform wird keine Verunreinigung ab­ sichtlich zur aktiven Schicht hinzugefügt, und somit ist das Kanalausbildungsgebiet eigenleitend oder im wesentlichen eigenleitend. Der Ausdruck "im wesentlichen eigenleitend" bedeutet einen Zustand, der eine der folgenden Bedingungen erfüllt: (1) die Aktivierungsenergie eines Siliziumfilms beträgt die Hälfte der Bandlücke (das heißt, das Fermi-Niveau ist ungefähr im Zentrum des verbotenen Bandes angeordnet), (2) die Verunreinigungskonzentration ist niedriger als die Spinndichte, und (3) es wird keine Verunreinigung absichtlich hinzugefügt.
Es ist jedoch möglich, eine bekannte Kanaldotiertechnik bei der Herstellung eines TFTs gemäß der vorliegenden Erfindung zu verwenden. Die Kanaldotiertechnik ist eine Technik für das Hinzufügen einer Verunreinigung zu mindestens einem Kanalaus­ bildungsgebiet, um die Schwellwertspannung zu steuern.
In der Erfindung kann eine Verunreinigung mit sehr niedriger Konzentration hinzugefügt werden, da die Schwellwertspannung ursprünglich sehr klein ist. Die Tatsache, daß die Konzentra­ tion einer hinzugefügten-Unreinheit sehr klein sein kann, ist sehr vorteilhaft, da die Schwellwertspannung ohne eine Ver­ minderung der Trägermobilität gesteuert werden kann.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
Diese Ausführungsform ist auf einen Fall gerichtet zur Erzie­ lung eines Getter-Effekts eines Phosphorelements zusätzlich zu dem eines Halogenelements (erste Ausführungsform). Diese Ausführungsform wird unter Bezug auf die Fig. 10A-10E beschrieben.
Als erstes werden die Schritte für das Getter-Verfahren durch ein Halogenelement der ersten Ausführungsform ausgeführt, um den Zustand der Fig. 8C zu erreichen. Dann wird eine Gate- Elektrode 11 aus Tantal oder einem Material, das Tantal als Hauptkomponente aufweist, ausgeformt.
Dann wird ein anodischen Oxidfilm 12 durch Anodisieren der Oberfläche der Gate-Elektrode 11 ausgebildet (siehe Fig. 10A). Der anodische Oxidfilm 12 dient als Schutzfilm.
Dann wird der Gate-Isolationsfilm 808 durch ein trockenes Ätzen weggeätzt, wobei die Gate-Elektrode 11 als Maske verwe­ ndet wird. In diesem Zustand werden die Verunreinigungsgebie­ te 13 und 14 durch das Hinzufügen von Phosphor oder Arsen mittels einer Ionenimplantation ausgebildet (siehe Fig. 10B).
Dann wird, nachdem ein dicker Siliziumnitridfilm ausgebildet wurde, ein Zurückätzen durch ein Trockenätzen ausgeführt, um Seitenwände 15 auszubilden. Danach werden ein Source-Gebiet 16 und ein Drain-Gebiet 17 durch das erneute Hinzufügen von Phosphor- oder Arsenionen ausgebildet (siehe Fig. 10C).
Das zweite Hinzufügen von Phosphor wird in den Teilen unter den Seitenwänden 15 nicht durchgeführt, und somit werden diese Teile ein Paar Verunreinigungsgebiete 18 niedriger Konzentration, die Phosphor in einer niedrigeren Konzentra­ tion als das Source-Gebiet 16 und das Drain-Gebiet 17 enthal­ ten. Der Teil unter der Gate-Elektrode 11 wird ein Kanalaus­ bildungsgebiet 19, das eigenleitend oder im wesentlichen eigenleitend ist, oder eine sehr kleine Menge einer Verunrei­ nigung für die Schwellwertspannungssteuerung enthält.
Nachdem der Zustand der Fig. 10C auf die obige Weise erhalten wurde, wird wie in der ersten Ausführungsform eine Hitzebe­ handlung bei 450-650°C (typischerweise 600°C) für 8-24 Stun­ den (typischerweise 12 Stunden) durchgeführt.
Obwohl dieser Hitzebehandlungsschritt für das Gettern des Katalysatorelements (in dieser Ausführungsform Nickel) durch das Phosphorelement vorgesehen ist, wird zur selben Zeit die Verunreinigung aktiviert und es wird die Beschädigung der aktiven Schicht, die bei der Ionenimplantierung verursacht wurde, repariert.
In diesem Schritt bewirkt die Hitzebehandlung, daß Nickel­ atome im Kanalausbildungsgebiet 19 verbleiben, damit sie sich zu den Source- und Drain-Gebieten 16 und 17 bewegen, wo sie gegettert und inaktiviert werden. Auf diese Weise können Nickelatome, die im Kanalausbildungsgebiet 19 verbleiben, entfernt werden.
Da die Source- und Drain-Gebiete 16 und 17 als Elektroden dienen, wenn sie leitend sind, so beeinflußt das Vorhanden­ sein/das Fehlen von Nickel in solchen Gebieten niemals die elektrischen Eigenschaften. Deswegen können die Source- und Drain-Gebiete 16 und 17 als Getter-Plätze verwendet werden.
Nachdem der Zustand der Fig. 10D in der obigen Weise erreicht wurde, werden eine Zwischenschichtisolationsfilm 20, eine Source-Elektrode 21 und eine Drain-Elektrode 22 ausgeformt, um einen Dünnfilmtransistor fertigzustellen, wie das in Fig. 10E gezeigt ist.
Obwohl in dieser Ausführungsform die Gate-Elektrode aus Tan­ tal hergestellt ist, kann sie aus einem leitenden kristalli­ nen Siliziumfilm bestehen. Weiterhin ist das Verfahren zur Ausbildung von Verunreinigungsgebieten niedriger Konzentra­ tion nicht auf das dieser Ausführungsform beschränkt.
Das wichtigste Merkmal dieser Ausführungsform ist, daß Kata­ lysatorelementatome, die im Kanalausbildungsgebiet verblei­ ben, zu den Source- und Drain-Gebieten bewegt und dort geget­ tert werden. Dies wurde erreicht, indem man den Metallele­ mentgettereffekt des Phosphors oder Arsens berücksichtigte.
Diese Ausführungsform ist auf einen n-Typ TFT gerichtet. Im Falle eines p-Typ TFT ist es notwendig, beide Elemente Phos­ phor und Bor zu den Source- und Drain-Gebieten hinzuzufügen, da der Getter-Effekt nur mit dem Borelement erreicht wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 5
Diese Ausführungsform ist auf einen Fall gerichtet, bei dem die Erfindung auf einen Dünnfilmtransistor angewandt wird, der eine andere Struktur als in der ersten Ausführungsform aufweist. Diese Ausführungsform wird unter Bezug auf die Fig. 11A-11E beschrieben.
Als erstes wird eine Gate-Elektrode 32 auf einem Quarz­ substrat 31 ausgebildet. Es ist notwendig, daß die Gate-Elek­ trode 32 eine stark hitzebeständige Elektrode ist, die aus Tantal, Silizium oder dergleichen hergestellt ist, so daß sie einem späteren thermischen Oxidationsschritt widersteht.
Dann wird ein Gate-Isolationsfilm 33 so ausgebildet, daß er die Gate-Elektrode 32 bedeckt, und es wird ein 50 nm dicker amorpher Siliziumfilm 34, der eine aktive Schicht wird, dar­ auf ausgebildet. Danach wird, nachdem ein Maskenisolations­ film 35, der eine Öffnung aufweist, in der derselben Art wie in der ersten Ausführungsform ausgebildet wurde, eine Nickel enthaltende Schicht 36 ausgebildet (siehe Fig. 11A).
Nachdem der Zustand der Fig. 11A erreicht wurde, wird eine Hitzebehandlung für eine Kristallisation durchgeführt, um einen kristallinen Siliziumfilm 37 zu erhalten, der ein late­ rales Wachstumsgebiet darstellt (siehe Fig. 11B).
Danach wird, nachdem der Maskenisolationsfilm 35 entfernt wurde, eine Hitzebehandlung in einer Atmosphäre, die ein Halogenelement enthält, durchgeführt. Die Hitzebehandlung kann dieselbe sein, wie in der ersten Ausführungsform. In diesem Schritt werden Nickelatome gegettert, das heißt, sie werden aus dem kristallinen Siliziumfilm 37 in die Atmosphäre abgegeben (siehe Fig. 11C).
Nach dem Beenden des Getter-Verfahrens wird eine aktive Schicht 38, die aus nur einem lateralen Wachstumsgebiet be­ steht, durch die Musterausbildung ausgebildet, und es wird ein Siliziumnitridfilm als Kanalstopper 39 darauf ausgeformt (siehe Fig. 11D).
Nachdem der Zustand der Fig. 11D erhalten wurde, wird ein kristalliner Siliziumfilm, der eine n-Typ Leitfähigkeit auf­ weist, ausgebildet und dann in das Source-Gebiet 40 und das Drain-Gebiet 41 ausgeformt. Weiterhin werden eine Source- Elektrode 42 und eine Drain-Elektrode 43 ausgebildet.
Schließlich wird die ganze Vorrichtung einer Hitzebehandlung in einer Wasserstoffatmosphäre unterzogen, um eine inver­ tierte abgestufte Struktur des TFT zu vollenden, wie das in Fig. 11E gezeigt ist. Die Struktur dieser Ausführungsform ist eine der verschiedenen Strukturen des invertierten abgestuf­ ten Struktur-TFT und die Erfindung ist nicht auf die Struktur dieser Ausführungsform beschränkt. Die Erfindung kann ferner auch auf andere Boden-Gate-TFTs angewandt werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 6
Diese Ausführungsform ist auf einen Fall gerichtet, bei dem eine Bildpunktmatrixschaltung und eine periphere Schaltung in monolithischer Weise durch das Ausbilden der TFTs der Erfin­ dung auf einem Substrat, das eine isolierende Oberfläche hat, konstruiert werden. Diese Ausführungsform wird unter Bezug auf die Fig. 12A-12D bis Fig. 14A-14C beschrieben. In dieser Ausführungsform wird eine CMOS-Schaltung ausgeformt, die ein Beispiel (Basisschaltung) einer peripheren Schaltung, wie einer Treiberschaltung oder einer Logikschaltung ist.
Zuerst wird ein 75 nm dicker amorpher Siliziumfilm 52 und ein Maskenisolationsfilm 53 auf einem Quarzsubstrat 51 ausgebil­ det, und eine Nickel enthaltende Schicht 54 wird durch eine Spinnbeschichtung ausgebildet (siehe Fig. 12A). Diese Schrit­ te sind dieselben wie in der ersten Ausführungsform.
Dann wird, nachdem eine Wasserstoffentfernung bei 450°C für ungefähr eine Stunde durchgeführt wurde, eine Hitzebehandlung bei 590°C für 8 Stunden in einer Stickstoffatmosphäre durch­ geführt, um kristalline Gebiete 55-58 zu erhalten, das heißt, Gebiete 55 und 56 mit hinzugefügtem Nickel und laterale Wachstumsgebiete 57 und 58 (siehe Fig. 12B).
Nach der Beendigung der Hitzebehandlung für die Kristallisie­ rung wird der Maskenisolationsfilm 53 entfernt und eine Mu­ stergebung wird durchgeführt, um die inselartigen Halbleiter­ schichten (aktive Schichten) 59-61 ausschließlich aus den lateralen Wachstumsgebieten 57 und 58 auszubilden (siehe Fig. 12C).
Die Bezugszeichen 59-61 bezeichnen die aktive Schicht eines n-Typ TFT, um eine CMOS-Schaltung zu bilden, die aktive Schicht eines p-Typ TFT, um die CMOS-Schaltung zu bilden, und die aktive Schicht eines n-Typ TFT (Bildpunkt TFT), um eine Bildpunktmatrixschaltung zu bilden.
Nach der Ausbildung der aktiven Schichten 59-61 wird ein Gate-Isolationsfilm 62, bei dem es sich um einen Isolations­ film handelt, der Silizium enthält, darauf ausgebildet. Dann wird ein Katalysatorelementgetterverfahren unter denselben Bedingungen wie in der ersten Ausführungsform durchgeführt (siehe Fig. 12D).
Danach wird ein (nicht gezeigter) Metallfilm, der Aluminium als Hauptkomponente enthält, ausgeformt und dann in Gate- Elektrodenstartteile 63-65 ausgebildet (siehe Fig. 13A). In dieser Ausführungsform wird ein Aluminiumfilm, der Scandium mit 2 Gewichtsprozent enthält, ausgebildet.
Dann werden poröse anodische Oxidationsfilme 66-68, nicht poröse anodische Oxidfilme 69-71 und Gate-Elektroden 72-74 durch die Technik, die in der Veröffentlichung Nr. 7-135318 beschrieben ist, in derselben Art wie in der ersten Ausfüh­ rungsform (siehe Fig. 13B) ausgebildet.
Nachdem der Zustand der Fig. 13B erreicht wurde, wird der Gate-Isolationsfilm 62 durch das Verwenden der Gate-Elektro­ den 72-74 und den porösen anodischen Oxidfilmen 66-68 als Maske weggeätzt. Die porösen anodischen Oxidfilme 66-68 wer­ den dann entfernt, um den Zustand der Fig. 13C zu erreichen. In Fig. 13C bezeichnen Bezugszahlen 75-77 die Gate-Isolatio­ nsfilme nach der Verarbeitung.
Dann werden Verunreinigungsionen für Verleihen einer n-Typ Leitfähigkeit in zwei Schritten in derselben Art wie in der ersten Ausführungsform hinzugefügt. n Gebiete werden durch die erste Hinzufügung der Unreinheit ausgebildet, die mit einer hohen Beschleunigungsspannung durchgeführt wird, und n⁺ Gebiete werden durch das zweite Hinzufügen einer Unreinheit ausgeformt, wobei diese mit einer niedrigen Beschleunigungs­ spannung durchgeführt wird.
Als Ergebnis des Ausführens der obigen Schritte werden ein Source-Gebiet 78, ein Drain-Gebiet 79, Verunreinigungsgebiete 80 niedriger Konzentration und ein Kanalausbildungsgebiet 81 des n-Typ TFT, der die CMOS-Schaltung bildet, ausgeformt. Ferner werden ein Source-Gebiet 82, ein Drain-Gebiet 83, Verunreinigungsgebiete 84 niedriger Konzentration und ein Kanalausbildungsgebiet 85 des n-Typ TFT des Pixel TFT defi­ niert (siehe Fig. 13D).
Im Zustand der Fig. 13D besteht die aktive Schicht des p-Typ TFT, der die CMOS-Schaltung bildet, in derselben Struktur wie beim n-Typ TFT.
Danach werden, nachdem eine Widerstandsmaske 86 ausgebildet wurde, um die n-Typ TFTs zu bedecken, Verunreinigungsionen für das Verleihen einer p-Typ Leitfähigkeit (in dieser Aus­ führungsform Bor-Ionen) hinzugefügt.
Dieser Schritt wird in zwei Schritten ausgeführt, wie im Falle des Schrittes des Hinzufügens der Verunreinigung. Durch die Notwendigkeit einer Leitfähigkeitstypumwandlung vom n-Typ in den p-Typ werden B-(Bor)-Ionen mit einer Konzentration hinzugefügt, die mehrere Male höher als die Konzentration der P-Ionen in obigem Schritt des Hinzufügens von Verunreinigun­ gen ist.
Ein Source-Gebiet 87, ein Drain-Gebiet 88, Verunreinigungsge­ biete 89 niedriger Konzentration und ein Kanalausbildungsge­ biet 90 des p-Typ TFT, der die CMOS-Schaltung bildet, werden somit ausgeformt (siehe Fig. 14A).
Nachdem die aktiven Schichten in obiger Art fertiggestellt wurden, werden die Verunreinigungsionen durch eine Kombina­ tion eines Ofenausglühens, eines Laserausglühens, eines Lam­ penausglühens etc. aktiviert. Zur selben Zeit wird eine Be­ schädigung der aktiven Schichten, die beim Schritt des Hinzu­ fügens der Verunreinigungen verursacht wurde, repariert.
Dann wird ein mehrlagiger Film eines Siliziumoxidfilms und eines Siliziumnitridfilms als Zwischenschichtisolationsfilm 91 ausgebildet. Nachdem Kontaktlöcher ausgebildet wurden, werden die Source-Elektroden 92-94 und die Drain-Elektroden 95 und 96 ausgebildet. Man erhält somit den Zustand der Fig. 14B.
In dieser Ausführungsform wird die Drain-Elektrode 96 des Bildpunkt-TFT als Bodenelektrode eines Hilfskondensators verwendet. Deswegen muß die Drain-Elektrode 96 so ausgeformt werden, daß sie für diesen Zweck geeignet ist.
Dann wird ein Siliziumnitridfilm 97 mit einer Dicke von 10-50 nm und eine Kondensatorelektrode 98 für das Ausbilden des Hilfskondensators darauf mit einem Dicke von 100 nm ausge­ formt. In dieser Ausführungsform wird ein Titanfilm als Kon­ densatorelektrode 98 verwendet, und der Hilfskondensator wird zwischen der Kondensatorelektrode 98 und der Drain-Elektrode 96 ausgebildet.
Mit einer großen relativen Dieelektrizitätskonstante ist der Siliziumnitridfilm 97 für eine Verwendung als Dielektrikum geeignet. Ein Aluminiumfilm, ein Chromfilm oder dergleichen können statt eines Titanfilms als Kondensatorelektrode 98 verwendet werden.
Da diese Ausführungsform auf den Fall der Herstellung eines aktiven Matrixsubstrates (TFT-Seite Substrat) einer Flüssig­ kristallanzeigevorrichtung des Reflektionstyps gerichtet ist, kann der Teil unter einer Bildpunktelektrode, die später ausgeformt werden wird, frei verwendet werden (ohne daß das Öffnungsverhältnis betrachtet werden muß) im Gegensatz des Falles einer Vorrichtung des Transmissionstyps. Dies ist der Grund, warum der obige Hilfskondensator ausgebildet werden kann.
Dann wird ein organischer Harzfilm als zweiter Zwischen­ schichtisolationsfilm 99 mit einer Dicke von 0,5 bis 3 µm ausgeformt. Ein leitender Film wird auf dem Zwischenschich­ tisolationsfilm 99 ausgebildet und dann in die Form einer Bildpunktelektrode 100 gebracht. Da diese Ausführungsform auf eine Vorrichtung des Reflexionstyps gerichtet ist, wird der leitende Film, um die Bildpunktelektrode 100 zu bilden, aus einem Material hergestellt, das Aluminium als Hauptkomponente aufweist, um so der Bildpunktelektrode 100 eine Funktion eines Reflexionsfilmes zu geben.
Dann wird das ganze Substrat bei 350°C für 1-2 Stunden in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt, um die ganze Vorrichtung zu hydrieren, wobei freie Bindungen in den Filmen (insbesondere in den aktiven Schichten) ersetzt werden. Als Ergebnis der obigen Schritte werden die CMOS-Schaltung und die Bildpunktmatrixschaltung auf demselben Substrat erzeugt.
AUSFÜHRUNGSFORM 7
Diese Ausführungsform ist auf Fälle gerichtet, bei denen andere TFT-Strukturen als in der sechsten Ausführungsform verwendet werden. Als erstes zeigt die Fig. 15A einen Fall, in dem Seitenwände verwendet werden, um Verunreinigungsgebie­ te niedriger Konzentration auszubilden.
In diesem Fall werden nicht poröse anodische Oxidfilme im Zustand der Fig. 13A ausgebildet, und der Gate-Isolationsfilm wird unter Verwendung der Gate-Elektroden und ihrer anodi­ schen Oxidfilme als eine Maske geätzt. In diesem Zustand werden Verunreinigungen hinzugefügt, um n⁻ und p⁻ Gebiete auszubilden.
Danach werden, nachdem Seitenwände 1001-1003 durch Rückätzen ausgebildet wurden, Verunreinigungen hinzugefügt, um n⁺ und p⁺ Gebiete auszubilden. Als Ergebnis dieser Schritte werden Verunreinigungsgebiete niedriger Konzentration (n⁻ und p⁻ Gebiete) unter den Seitenwänden 1001-1003 ausgebildet.
Weiter werden in der Konfiguration der Fig. 15A Metallsilicid­ filme 1004-1006 durch das Verwenden einer bekannten Salicid­ technik ausgeformt. Beispiele für Metalle, die verkieselt werden sollen, sind Titan, Tantal, Wolfram und Molybden.
Andererseits weist eine Konfiguration der Fig. 15B das Merk­ mal auf, daß die Gate-Elektroden 1007-1009 kristalline Sili­ ziumfilme sind, denen ein Leitfähigkeitstyp gegeben wird. Während ihnen gewöhnlicherweise eine n-Typ Leitfähigkeit gegeben wird, können Dualgate-TFTs ausgebildet werden, in welchen ein n-Typ TFT und ein p-Typ TFT verschiedene Leitfä­ higkeitstypen aufweisen.
Eine Salicidstruktur wird auch in der Konfiguration der Fig. 15B verwendet. In diesem Fall werden auch Metallsilicidfilme 1010-1012 auf den jeweiligen Gate-Elektroden 1007-1009 ausge­ bildet.
Die Konfigurationen dieser Ausführungsformen sind so gestal­ tet, daß sie für TFTs geeignet sind, die eine hohe Betriebs­ geschwindigkeit aufweisen. Insbesondere die Salicidstruktur ist bei der Verwirklichung einer Betriebsfrequenz im Bereich mehrerer Gigahertz sehr wirksam.
AUSFÜHRUNGSFORM 8
Diese Ausführungsform ist auf Fälle gerichtet, bei denen ein Hilfskondensator eine andere Struktur als in der sechsten Ausführungsform hat.
Zuerst wird im Falle der Fig. 16A ein Drain-Gebiet 1020 einer aktiven Schicht ausgeformt, so daß es breiter ist als das notwendige Gebiet, und ein Teil des Drain-Gebietes 1020 wird als Bodenelektrode eines Hilfskondensators verwendet. In diesem Fall existiert ein Gate-Isolationsfilm 1021 auf dem Drain-Gebiet 1020 und es wird eine Kondensatorelektrode 1022 darauf ausgebildet. Die Kondensatorelektrode 1022 ist aus demselben Material wie die Gate-Elektroden hergestellt.
Der Teil des Drain-Gebietes 1020, das verwendet wird, um den Hilfskondensator auszubilden, kann im voraus durch das Hinzu­ fügen einer Verunreinigung in diesem Teil leitend gehalten werden. Alternativ kann eine Inversionsschicht, die ausge­ bildet wird, wenn eine konstante Spannung an die Kondensato­ relektrode 1022 gelegt wird, verwendet werden.
Da eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung des Reflektionstyps im Falle der Fig. 16A ausgebildet wird, kann der Hilfskonden­ sator unter voller Verwendung des Teiles auf der Rückseite der Bildpunktelektrode ausgebildet werden, was es gestattet, eine große Kapazität zu gewährleisten. Obwohl die Struktur der Fig. 16A auch auf eine Flüssigkristallvorrichtung des Transmissionstyps angewandt werden kann, sollte man Vorsicht walten lassen, da das Öffnungsverhältnis abnimmt, wenn das Gebiet, das durch den Hilfskondensator belegt wird, zu groß ist.
Andererseits zeigt Fig. 16B einen Fall des Ausbildens einer Flüssigkristallvorrichtung des Transmissionstyps. In der Struktur der Fig. 16B wird eine Drain-Elektrode 1023 als Bodenelektrode eines Hilfskondensators verwendet, und es werden ein Siliziumnitridfilm 1024 und eine schwarze Maske 1025 darauf ausgebildet. Der Hilfskondensator wird zwischen der Drain-Elektrode 1023 und der schwarzen Maske 1025 ausge­ bildet.
Wie oben beschrieben wurde, weist die Struktur der Fig. 16B das Merkmal auf, daß die schwarze Maske 1025 auch als obere Elektrode eines Hilfskondensators dient.
Durch die Vorrichtung des Transmissions-Typs ist eine Bild­ punktelektrode 1026 ein transparenter leitender Film (beispielsweise ein ITO Film).
In der Struktur der Fig. 16B kann das Öffnungsverhältnis durch das Ausbilden des Hilfskondensators, der dazu neigt, ein großes Gebiet auf dem TFT zu belegen, erhöht werden. Weiterhin kann, da ein Siliziumnitridfilm, der eine große relative Dielektrizitätskonstante hat, derart verwendet wer­ den, daß er nur 25 nm dünn ist, womit eine sehr große Kapazi­ tät in einem kleinen Gebiet erreicht werden kann.
AUSFÜHRUNGSFORM 9
Diese Ausführungsform ist auf den Fall gerichtet, in dem eine Flüssigkristallplatte unter Verwendung der Erfindung herge­ stellt wird. Fig. 17 ist eine vereinfachte Schnittansicht einer aktiven Matrixflüssigkristallplatte. Eine CMOS-Schal­ tung wird in einem Gebiet ausgebildet, in dem eine Treiber­ schaltung oder eine Logikschaltung konstruiert werden sollen, und ein Bildpunkt-TFT wird in einem Gebiet ausgebildet, in dem eine Bildpunktmatrixschaltung konstruiert werden soll.
Da die Konfigurationen der CMOS-Schaltung und der Bildpunkt­ matrixschaltung (TFT-Struktur) schon in den sechsten bis achten Ausführungsformen beschrieben wurden, werden nur no 07097 00070 552 001000280000000200012000285910698600040 0002019825081 00004 06978t­ wendige Punkte in dieser Ausführungsform beschrieben.
Als erstes erhält man den Zustand der Fig. 14C durch die Herstellungsschritte der sechsten Ausführungsform. Modifika­ tionen, wie das Verwenden eines Multi-Gate-Bildpunkt-TFT können von jemanden, der die Erfindung ausführt, auf Wunsch vorgenommen werden.
Dann wird ein Orientierungsfilm 1030 als notwendige Vorberei­ tung auf der aktiven Matrixsubstratseite ausgebildet.
Dann wird ein gegenüberstehendes Substrat vorbereitet, das aus einem Glassubstrat 1031, einem transparenten leitenden Film 1032 und einem Orientierungsfilm 1033 zusammengesetzt ist. Wenn es notwendig ist, werden eine schwarze Maske oder Farbfilter auf der gegenüberliegenden Substratseite ausgebil­ det. Sie werden in dieser Ausführungsform weggelassen.
Das aktive Matrixsubstrat und das gegenüberliegende Substrat, das so vorbereitet wurde, werden durch einen bekannten Zell­ zusammenfügungsschritt miteinander verbunden. Ein Flüssigkri­ stallmaterial 1034 wird in den Raum zwischen den beiden Substraten eingesiegelt, um eine Flüssigkristallplatte zu vollenden, wie das in Fig. 17 gezeigt ist.
Die Art des Flüssigkristallmaterials 1034 kann frei gemäß der Flüssigkristallbetriebsart (der ECB-Betriebsart, der Guest- Host-Betriebsart oder dergleichen) ausgewählt werden.
Fig. 18 zeigt in vereinfachter Art das Aussehen eines aktiven Matrixsubstrat, wie es in Fig. 14C gezeigt ist. In Fig. 18 bezeichnet eine Bezugszahl 1040 ein Quarzsubstrat; 1041 be­ zeichnet eine Bildpunktmatrixschaltung; 1042 bezeichnet eine Quellentreiberschaltung; 1043 bezeichnet eine Gate-Treiber­ schaltung; und 1044 bezeichnet eine Logikschaltung.
Obwohl im weiteren Sinn die Logikschaltung 1044 jede Art einer Logikschaltung umfaßt, die aus TFTs gebildet wird, wird sie in dieser Ausführungsform von Schaltungen unterschieden, die konventionellerweise eine Pixelmatrixschaltung und eine Treiberschaltung genannt werden und Vorrichtungen bis auf die Signalverarbeitungsschaltungen (einen Speicher, ein D/A-Wand­ ler, einen Pulsgenerator etc.).
FPC-Anschlüsse (Anschlüsse einer flexiblen gedruckten Schal­ tung) werden als externe Anschlüsse an der so erzeugten Flüs­ sigkristallplatte befestigt. Was allgemein als Flüssigkri­ stallmodul bezeichnet wird, ist eine Flüssigkristallplatte, an der FPC-Anschlüsse befestigt sind.
AUSFÜHRUNGSFORM 10
Zusätzlich zur Flüssigkristallanzeigevorrichtung, wie sie in der neunten Ausführungsform beschrieben wurde, können andere elektrooptische Vorrichtungen, wie eine aktive Matrix-EL- (Elektroluminiszens)-Anzeige Vorrichtung und eine EC- (Elektro-Chrom)-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung kon­ struiert werden.
AUSFÜHRUNGSFORM 11
In dieser Ausführungsform werden Beispiele elektronischer Vorrichtungen (Anwendungsprodukte), die eine elektrooptische Vorrichtung gemäß der Erfindung verwenden, unter Bezug auf die Fig. 19A-19F beschrieben. Beispiele von Anwendungspro­ dukten, die die Erfindung verwenden, sind eine Videokamera, eine Standbildkamera, ein Projektor, eine am Kopf befestigte Anzeige, ein Fahrzeugnavigationssystem, ein Personalcomputer und tragbare Informationsterminals (ein mobiler Computer, ein zellulares Telefon, etc.).
Fig. 19A zeigt ein zellulares Telefon, das aus einem Haupt­ körper 2001, einem Sprachausgabeabschnitt 2002, einem Spra­ cheingabeabschnitt 2003, einer Anzeigevorrichtung 2004, Mani­ pulationsschaltern 2005 und einer Antenne 2006 besteht. Die Erfindung kann auf die Anzeigevorrichtung 2004 angewandt werden.
Fig. 19B zeigt eine Videokamera, die aus einem Hauptkörper 2101, einer Anzeigevorrichtung 2102, einem Toneingabeab­ schnitt 2103, Manipulationsschaltern 2104, einer Batterie 2105 und einem Bildempfangsabschnitt 2106 zusammengesetzt ist. Die Erfindung kann auf die Anzeigevorrichtung 2102 ange­ wandt werden.
Fig. 19C zeigt einen mobilen Computer, der aus einem Haupt­ körper 2201, einem Kameraabschnitt 2202, einem Bildempfangs­ abschnitt 2203, einem Manipulationsschalter 2204 und einer Anzeigevorrichtung 2205 zusammengesetzt ist. Die Erfindung kann auf die Anzeigevorrichtung 2205 angewandt werden.
Fig. 19D zeigt eine am Kopf montierte Anzeige, die aus einem Hauptkörper 2301, Anzeigevorrichtungen 2302 und einem Bandab­ schnitt 2303 zusammengesetzt ist. Die Erfindung kann auf die Anzeigevorrichtungen 2302 angewandt werden.
Fig. 19E zeigt einen Rückprojektor, der aus einem Hauptkörper 2401, einer Lichtquelle 2402, einer Anzeigevorrichtung 2403, einem Polarisationsstrahlaufteiler 2404, Reflektoren 2405 und 2406 und einem Schirm 2407 zusammengesetzt ist. Die Erfindung kann auf die Anzeigevorrichtung 2403 angewandt werden.
Fig. 19F zeigt einen Frontprojektor, der aus einem Hauptkör­ per 2501, einer Lichtquelle 2502, einer Anzeigevorrichtung 2503, einem optischen System 2504 und einem Schirm 2505 zu­ sammengesetzt ist. Die Erfindung kann auf die Anzeigevorrich­ tung 2503 angewandt werden.
Wie oben beschrieben wurde, hat die Erfindung einen extrem breiten Anwendungsbereich und kann auf Anzeigemedien jegli­ cher Art angewandt werden. Weiterhin kann, da der TFT der Erfindung auch verwendet werden kann, um Halbleiterschaltun­ gen wie ICs und LSIs zu konstruieren, die Erfindung auf ein beliebiges Produkt angewandt werden, solange es eine Halblei­ terschaltung erfordert.
Die Erfindung gestattet eine Ausbildung eines Halbleiterdünn­ films, dessen Kristallität im wesentlichen gleich der eines Einkristallhalbleiters ist, und es möglich macht, unter Ver­ wendung eines solchen Halbleiterdünnfilms einen TFT zu ver­ wirklichen, der eine hohe Leistung zeigt, die äquivalent oder sogar höher als die Leistung eines IGFET (MOSFET) ist, der auf einem Einkristall ausgeformt wurde.
Eine Halbleiterschaltung und eine elektrooptische Vorrich­ tung, die unter Verwendung von TFTs der obigen Art ausgebil­ det werden, und eine elektronische Vorrichtung, die eine solche Halbleiterschaltung oder eine elektrooptische Vorrich­ tung einschließt, hat eine extrem hohe Leistung und sie stel­ len Produkte dar, die in ihrer Funktionalität, Tragbarkeit und Zuverlässigkeit überlegen sind.

Claims (38)

1. Halbleiterdünnfilm, der einen zusammengefügter Körper aus einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen darstellt, wobei:
die Oberflächenausrichtung im wesentlichen gleich der {110} Ausrichtung ist; und
nahezu alle Kristallgitter eine Kontinuität an jeder Kristallgrenze aufweisen.
2. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 1, wobei ein Elektronen­ strahlbeugungsmuster des Halbleiterdünnfilms eine spezielle Regelmäßigkeit durch die {110} Ausrichtung aufweist.
3. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 1, wobei jeder der stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle durch ein Kri­ stallwachstum ausgebildet wurde, das ungefähr in einer <111< Achsenrichtung mit einer Kopfoberfläche, die ungefähr gleich einer {111} Ebene verläuft, fortschreitet.
4. Halbleiterfilm nach Anspruch 1, wobei die stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle im wesentlichen parallel zueinander mit einem speziellen Richtfaktor angeordnet sind.
5. Halbleiterfilm nach Anspruch 1, wobei die Konzentration von C, N, O und S im Halbleiterdünnfilm jeweils weniger als 5×1018 Atome/cm3 beträgt.
6. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 1, wobei der Halbleiter­ dünnfilm ein Element oder eine Vielzahl von Elementen aus der Gruppe Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, Au und Ge enthält.
7. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 1, wobei der Halbleiter­ dünnfilm aus Silizium oder einer Verbindung, die Silizium als Hauptkomponente aufweist, hergestellt ist.
8. Halbleiterdünnfilm, der einen zusammengesetzten Körper aus einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen bildet, wobei
die Oberflächenausrichtung ungefähr gleich der {110} Ausrichtung ist; und
nahezu alle Gitterränder, die erkannt werden, so sind, daß sie jede Korngrenze unterschiedlicher Kristallkörner gerade und kontinuierlich queren.
9. Halbleiterfilm nach Anspruch 8, wobei ein Elektronen­ strahlbeugungsmuster des Halbleiterdünnfilms eine spezielle Regelmäßigkeit durch die {110} Ausrichtung aufweist.
10. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 8, wobei jeder der stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle durch ein Kri­ stallwachstum ausgebildet wurde, das ungefähr in einer <111< Achsenrichtung fortschreitet, mit einer Kopfoberfläche, die ungefähr gleich zu einer {111} Ebene liegt.
11. Halbleiterfilm nach Anspruch 8, wobei die stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle im wesentlichen parallel zueinander mit einem speziellen Richtfaktor angeordnet sind.
12. Halbleiterfilm nach Anspruch 8, wobei die Konzentration von C, N, O und S im Halbleiterdünnfilm jeweils weniger als 5 × 1018 Atome/cm3 beträgt.
13. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 8, wobei der Halbleiter­ dünnfilm ein Element oder eine Vielzahl von Elementen aus der Gruppe Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, Au und Ge enthält.
14. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 8, wobei der Halbleiter­ dünnfilm aus Silizium oder einer Verbindung, die Silizium als Hauptkomponente aufweist, hergestellt ist.
15. Halbleiterdünnfilm, der einen zusammengesetzten Körper aus einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kristallen darstellt; wobei:
ein {110} Ausrichtungsverhältnis 0,9 oder mehr beträgt; und
nahezu alle Kristallgitter eine Kontinuität an allen Kristallgrenzen aufweisen.
16. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 15, wobei ein Elektro­ nenstrahlbeugungsmuster des Halbleiterdünnfilms eine spezi­ elle Regelmäßigkeit durch die {110} Ausrichtung aufweist.
17. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 15, wobei jeder der stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle durch ein Kri­ stallwachstum ausgebildet wurde, das ungefähr in einer <111< Achsenrichtung fortschreite, mit einer Kopfoberfläche, die ungefähr gleich einer {111} Ebene liegt.
18. Halbleiterfilm nach Anspruch 15, wobei die stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle im wesentlichen parallel zueinander mit einem speziellen Richtfaktor angeordnet sind.
19. Halbleiterfilm nach Anspruch 15, wobei die Konzentration von C, N, O und S im Halbleiterdünnfilm jeweils weniger als 5 × 1018 Atome/cm3 beträgt.
20. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 15, wobei der Halblei­ terdünnfilm ein Element oder eine Vielzahl von Elementen aus der Gruppe Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, Au und Ge enthält.
21. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 15, wobei der Halblei­ terdünnfilm aus Silizium oder einer Verbindung, die Silizium als Hauptkomponente aufweist, hergestellt ist.
22. Halbleiterdünnfilm, der einen zusammengesetzten Körper einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen darstellt, wobei:
ein {110} Ausrichtungsverhältnis 0,9 oder mehr beträgt; und
nahezu alle Gitterränder so erkannt wurden, daß sie jegliche Korngrenze unterschiedlicher Kristallkörner gerade und kontinuierlich queren.
23. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 22, wobei ein Elektro­ nenstrahlbeugungsmuster des Halbleiterdünnfilms eine speziel­ le Regelmäßigkeit durch die {110} Ausrichtung aufweist.
24. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 22, wobei jeder der stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle durch ein Kri­ stallwachstum ausgebildet wurde, das ungefähr in einer <111< Achsenrichtung fortschreitet, mit einer Kopfoberfläche, die ungefähr gleich einer {111} Ebene liegt.
25. Halbleiterfilm nach Anspruch 22, wobei die stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle im wesentlichen parallel zueinander mit einem speziellen Richtfaktor angeordnet sind.
26. Halbleiterfilm nach Anspruch 22, wobei die Konzentration von C, N, O und S im Halbleiterdünnfilm jeweils weniger als 5 × 1018 Atome/cm3 beträgt.
27. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 22, wobei der Halblei­ terdünnfilm ein Element oder eine Vielzahl von Elementen aus der Gruppe Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, Au und Ge enthält.
28. Halbleiterdünnfilm nach Anspruch 22, wobei der Halblei­ terdünnfilm aus Silizium oder einer Verbindung, die Silizium als Hauptkomponente aufweist, hergestellt ist.
29. Halbleitervorrichtung mit isolierten Gate, in welcher mindestens eine Kanalausbildungsgebiet aus einem Halbleiter­ dünnfilm gebildet wird, der einen zusammengefügten Körper aus einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen darstellt, wobei:
die Oberflächenausrichtung des Halbleiterdünnfilms unge­ fähr gleich der {110} Ausrichtung ist; und
nahezu alle Kristallgitter des Halbleiterdünnfilms eine Kontinuität an jeder Kristallgrenze aufweisen.
30. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 29, wobei ein Elek­ tronenstrahlbeugungsmuster des Halbleiterdünnfilms eine spez­ ielle Regelmäßigkeit durch die {110} Ausrichtung aufweist.
31. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 29, wobei jeder der stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle durch ein Kri­ stallwachstum ausgebildet wurde, das ungefähr in einer <111< Achsenrichtung fortschreitet, mit einer Kopfoberfläche, die ungefähr gleich einer {111} Ebene liegt.
32. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 29, wobei die stabförmigen oder flachstabförmigen Kristalle im wesentlichen parallel zueinander mit einem speziellen Richtfaktor angeord­ net sind.
33. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 29, wobei die Konzen­ tration von C, N, O und S im Halbleiterdünnfilm jeweils weni­ ger als 5 × 1018 Atome/cm3 beträgt.
34. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Halb­ leiterdünnfilm ein Element oder eine Vielzahl von Elementen aus der Gruppe Ni, Co, Fe, Pd, Pt, Cu, Au und Ge enthält.
35. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 29, wobei der Halb­ leiterdünnfilm aus Silizium oder einer Verbindung, die Sili­ zium als Hauptkomponente aufweist, hergestellt ist.
36. Halbleitervorrichtung mit isoliertem Gate, in welcher mindestens eine Kanalausbildungsgebiet aus einem Halbleiter­ dünnfilm gebildet wird, der einen zusammengefügten Körper aus einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen darstellt, wobei:
die Oberflächenausrichtung des Halbleiterdünnfilms unge­ fähr gleich der {110} Ausrichtung ist; und
nahezu alle Gittergrenzen des Halbleiterdünnfilms so erkannt werden, daß sie jede Korngrenze unterschiedlicher Kristallkörner gerade und kontinuierlich queren.
37. Halbleitervorrichtung mit isoliertem Gate, in welcher mindestens eine Kanalausbildungsgebiet aus einem Halbleiter­ dünnfilm gebildet wird, der einen zusammengefügten Körper aus einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen darstellt, wobei:
das {110} Ausrichtungsverhältnis des Halbleiterdünnfilms 0,9 oder mehr beträgt; und
nahezu alle Kristallgitter des Halbleiterdünnfilms eine Kontinuität an jeder Kristallgrenze aufweisen.
38. Halbleitervorrichtung mit isoliertem Gate, in welcher mindestens eine Kanalausbildungsgebiet aus einem Halbleiter­ dünnfilm gebildet wird, der einen zusammengefügten Körper aus einer Vielzahl von stabförmigen oder flachstabförmigen Kri­ stallen darstellt, wobei:
das {110} Ausrichtungsverhältnis der Halbleiterdünnfilms 0,9 oder mehr beträgt; und
nahezu alle Gitterränder des Halbleiterdünnfilms so erkannt werden, daß sie jegliche Korngrenze verschiedener Kristallkörner gerade und kontinuierlich queren.
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