JP2000503479A - 半導体デバイスと、同デバイスの製造方法 - Google Patents

半導体デバイスと、同デバイスの製造方法

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Abstract

(57)【要約】 動作特徴を改良し、半導体デバイスの操作の過程中に生ずる脱不動態を減じるためにジュウテリウムによって半導体デバイスをコンディショニングするための好ましい方法を述べる。周期律表のＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族からの１種類以上の元素を含有する半導体（１２）と、半導体層（１３、１４）と、絶縁層（１７）と、導電層（２０）とを含む半導体デバイス（１１）をも述べる。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体デバイスと、同デバイスの製造方法 発明の背景 本発明は半導体デバイスの分野に関し、特に、半導体デバイスの特性の経時的 劣化を減ずるための半導体デバイス又はその要素の処理方法に関する。 さらなる背景として、水素不動態化は半導体デバイスの製造における周知の確 立された慣習になっている。水素不動態化プロセスでは、半導体デバイスの作用 に影響を与える欠陥を除去する。例えば、このような欠陥は半導体デバイスの活 性要素の再結合／発生中心として述べられている。これらの中心は、一部は印加 バイアスに依存して、荷電キャリヤーを除去する又は好ましくない荷電キャリヤ ーを加える状態をエネルギーギャッブに導入するボンドをダングリングする(dan gling)ことによって惹起されると考えられる。ダングリングボンドは主として、 デバイス中の表面又は界面に生ずるが、これらはまた、空孔、微細孔、転位にお いて生ずると考えられ、不純物にも結合すると考えられる。 数年間にわたって、多くの水素不動態化方法が提案されている。例えば、米国 特許第３，９２３，５５９号は、例えば金属酸化物半導体電界効果型トランジス ター（ＭＯＳＦＥＴ）デバイスのようなデバイスの製造において、金属電極を付 着させる前に水素ガスを二酸化ケイ素の層中に導入する方法を述べている。その 後、金属電極を付着させることによって、デバイス内に水素ガスをトラップさせ る。その後、デバイスを高温においてアニールして、予め導入された水素をケイ 素表面に移動させて、デバイス製造中に生じた望ましくない界面状態を中和させ る。 米国特許第４，１５１，００７号は、デバイス製造の最後の製造工程がデバイ スを水素ガス雰囲気において６５０℃〜９５０℃の温度において加熱することを 含む不動態化方法を述べている。この最終水素アニール工程は報告によれば緩慢 なトラッピングの効果を否定することによって、ＭＯＳ構造の安定性を改良した 。 米国特許第４，１１３，５１４号は、例えば、４５０℃未満の温度において分 子状水素に作用するグロー放電装置を用いて発生させた原子状水素にデバイスを 暴露させることを含む不動態化方法を述べている。これと幾らか類似して、米国 特許第４，３３１，４８６号は、水素プラズマを発生させて、半導体デバイスを 原子状水素によって処理する不動態化方法を述べている。 米国特許第３，８４９，２０４号は、水素イオンを欠陥領域に注入し、その後 に、基板を不活性雰囲気中でアニールして、界面状態を排除することを含む不動 態化方法を述べている。 半導体工業において生じている他の問題は、ホットキャリア効果によるデバイ ス性能の劣化である。これは特に、対応して大きい電圧が用いられる小さいデバ イスに関して重要である。このような高い電圧が用いられる場合には、チャンネ ルキャリアは絶縁層に入って、デバイス作用(device behavier)を劣化させるた めに充分に強力である。例えば、シリコンに基づくＰ−チャンネルＭＯＳＦＥＴ では、ドレイン近くに正の酸化物電荷を生じる、酸化物中にトラップされたエネ ルギーホール(energetric hole)によってチャンネル強度を減ずることができる 。他方では、Ｎ−チャンネルＭＯＳＦＥＴでは、酸化物に入って、界面トラップ と酸化物摩耗とを生じる電子によって、ゲート〜ドレイン短絡(gate−to-drain short)が惹起されうる。“ドレイン エンジニアリング”は、これらの問題に対 処することを試みて登場した分野であり、例えば、チャンネルとドレイン本体と の間に軽度にドープされたドレイン延長部が形成される、軽度にドープされたド レイン（ＬＤＤ）の使用を含む。ホットキャリア効果に対する感受性を低下させ るための上記及びその他の可能な処置に関する、この他の詳細に関しては、例え ば米国特許第５，３５２，９１４号、第５，２２９，３１１号、第５，１７７， ５７１号、第５，０９８，８６６号、第４，８５９，６２０号、第４，６９１， ４３３号及び第４，５２１，６９８号を参照することができる。しかし、これら の解決策は典型的に製造方法を複雑にするので、費用がかかる。これらの回避、 又は少なくともこれらの簡単化が望ましい。 この背景を考慮すると、改良された不動態化方法と、このような方法に基づく デバイスとの必要性が存在する。本発明はこれらの必要性に対処する。 発明の概要 例えばＭＯＳデバイスを含めた半導体デバイスを、それらの動作特性(operati onal characteristics)を改良するために、ジュウテリウムによって有利に処理 することができることが発見されている。したがって、本発明の好ましい１実施 態様は、デバイスをジュウテリウムによって不動態化する工程を含む、半導体デ バイスを処理するための方法を提供する。このように不動態化された半導体デバ イスも本発明の一部を形成する。 さらに好ましい態様では、本発明はＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族元素又はこれら の混合物を包含する半導体層を含む半導体デバイスを提供する。このデバイスは 半導体層上に絶縁（誘電）層をも含み、この層では、キャリア効果に対するデバ イスのレジリエンスを有意に高めるために充分な量でジュウテリウム原子がＩＩ Ｉ族、ＩＶ族若しくはＶ族元素の原子に共有結合する。 本発明の他の実施態様は、本発明のジュウテリウム処理済み半導体デバイスを ホットキャリア効果を生じるような条件下で動作させ、製造が完了した後の半導 体デバイス中に及び／又は多様な製造工程の１つ以上においてジュテリウムを導 入し、導入されたジュウテリウムを用いてデバイスの動作特徴を改良する方法を 提供する。 本発明の方法及びデバイスは半導体、それらの製造及びそれらの使用の分野に 特有の利益を提供する。例えば、提供するデバイスは改良された動作特徴を実証 し、ホットキャリア効果によるエージング又は“脱不動態(depassivation)”に 安定である。さらに、本発明のデバイスは、性能を高めるために高い電圧を用い て操作されることができ、しかもホットキャリア効果による劣化に良好に耐える ことができる。同様に、本発明の方法は、高い電圧で通常操作される放射線高透 過性(radiation hard)デバイスを製造するために有利である。さらに、本発明の 方法を容易にかつ経済的に実施して、既存の製造方法に組み込むことができ、本 発明の方法は、さもなくばホットキャリア効果から保護するために必要である、 費用のかかる及び／又は複雑な処置、例えば軽度にドープされたドレイン（ＬＤ Ｄ）テクノロジーの必要性を除去するか、又はこのような処置の実施により製造 プロセス上の柔軟性を与えることができる。本発明のこの他の目的、特徴及び利 益は以下の説明から明らかになるであろう。図面の簡単な説明 図１は、本発明を適用することができる、１種類の具体的な金属酸化物半導体 電界効果型トランジスターの線図である。 図２は、実験の項で考察するように水素中（ソリッド(solid)記号）及びジュ ウテリウム中（オープン記号）で焼結された５種類のＮＭＯＳトランジスターの 相互コンダクタンスの時間依存性劣化の比較を示すグラフである。 図３は、実験の項で考察するように水素中（ソリッド(solid)記号）及びジュ ウテリウム中（オープン記号）で焼結された５種類のＮＭＯＳトランジスターの しきい電圧の時間依存性増加の比較を示すグラフである。 好ましい実施態様の説明 本発明の原理の理解を容易にするために、その実施態様を次に参照し、専門用 語を用いて、同実施態様を説明する。それにも拘わらず、これによって本発明の 範囲の限定が意図されず、本明細書に述べるような変更、さらなる改良及び応用 が本発明が属する技術分野に熟練した人に通常思いつくものと見なされることは 理解されるであろう。 上記で開示したように、本発明の好ましい実施態様は半導体デバイスとその要 素との製造にジュウテリウムの使用を含む。半導体デバイスの動作特徴を劇的に 改良するために半導体デバイスをジュウテリウムによって有利に処理することが できることが発見されている。例えば、ジュウテリウムによる処理はホットキャ リア効果による半導体デバイスの脱不動態又は”エージング”を減ずる。このよ うなエージングは例えばしきい電圧、相互コンダクタンス、又は他のデバイス特 徴の実質的な劣化によって立証される。本発明によると、デバイスをコンディシ ョニングして(condition)、これらの劣化の程度を安定に減ずるためにジュウテ リウムを用いて、半導体デバイスを製造する。これは、例えば、ホットキャリア 効果に対する保護が望ましい、デバイスの領域に分子状（Ｄ2）、原子状（0Ｄ） 又はイオン状（Ｄ+）ジュウテリウムを配置して、例えば半導体層の原子に結合 して、安定に組み込まれるように、ジュウテリウムをこの領域の原子と共有結合 させることによって、達成されることができる。この共有結合は加熱によって便 利に達成されることができる。これらに関して、例えば分子状（ガス状）ジュウ テリウ ムの拡散又は原子状若しくはイオン状ジュウテリウムの注入によって、ジュウテ リウムを所望の領域に供給して、この所望の領域に共有結合させる特定の形式は 、本発明の広範囲な態様にとって重要ではない。 同様に、本発明は広範囲な半導体デバイスとそれらの製造方法とに適用可能で ある。一般的にいうと、半導体デバイスは少なくとも１個の活性要素、例えばダ イオード、トランジスター、サイリスター等をその中に含む。具体的な例は、Ｃ ＭＯＳ及びｎＭＯＳテクノロジー、発光ダイオード、レーザーダイオード等を含 めた、例えばＭＯＳＦＥＴデバイスのような、ＭＯＳに基づくデバイスを包含す る。これに関して、本明細書で考察する、ＭＯＳに基づくテクノロジーは、一般 におこなわれるように、金属以外のゲート導体の使用を包含するように意図され るので、ＭＯＳに基づくデバイスへの言及は他の絶縁ゲートテクノロジー(insul ated gate technology)（例えば、ＩＧＦＥＴ）を包含する。次に、本発明の態 様をＭＯＳＦＥＴ（即ち、ＩＧＦＥＴ）に関してさらに詳細に説明するが、本発 明が、ホットキャリア効果及び一般にエネルギー電荷キャリア(energetic charg e carrier)の効果のためにエージングを受け易い、上記及び他の半導体デバイス に適用可能であることは理解されるであろう。 次に図１に関しては、本発明を適用することができる具体的なＭＯＳＦＥＴの 線図を示す。デバイス１１は、例えば周期律表のＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族から 選択された１種以上のメンバーを含む半導体基板１２を包含する。半導体基板は ｐ−型基板でもｎ−型基板でもよく、例えば、ドープされた又はドープされない 結晶質シリコン又は非晶質シリコン、ヒ化ガリウム又はヒ化ガリウムアルミニウ ムであることができる。デバイス１１は、基板１２中に形成された、ドレイン１ ３（基板の型に依存して、ｎ−型又はｐ−型）及びソース１４（同様に、ｎ−型 又はｐ−型）と、それらの間に伸びるチャンネル１５とを含む。フィールド酸化 物(field oxide)又は他の電気的絶縁体（誘電体）層１６も、ゲート絶縁体（誘 電体）１７と同様に備えられる。絶縁体１６と１７は単層からも多重層からも形 成されることができ、例えば二酸化ケイ素、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、又 はシリコン富化酸化物フィルムのような、シリコンの酸化物及び／又は窒化物を 含むことができる。デバイス１１はドレイン１３、ソース１４及びゲート１７の た めの導電性接点１８、１９及び２０をも含み、これらは例えばアルミニウム、金 又は銅のような金属；例えばケイ化タングステン、ケイ化モリブデン、ケイ化タ ンタル又はケイ化チタン、又はこれらの組合せのような金属ケイ化物；ポリシリ コン；及び窒化チタンのような、１種以上の導電性物質を包含することができる 。これらの及び他の導電性物質は技術上公知であり、本発明に用いることができ る。図示したデバイスはポリシリコンゲート接点を用いるＭＯＳＦＥＴの典型的 なデバイスであり、ゲート接点２０上に絶縁体２１を包含する。本発明の半導体 デバイスの一般的な製造方法は、種々な層の通常の成長又は付着、適当なマスク を用いるドーピング操作、カプセル封入、パッケージング及び他の工程を含む、 慣用的な方法であることができる。 本発明によると、半導体デバイスをコンディショニングして、その動作特徴を 改良するために、半導体デバイスを製造中又は製造の完了後にジュウテリウムに よって処理する。ＭＯＳＦＥＴデバイスの場合には、このような改良は半導体基 板１２（例えば、シリコン）とゲート絶縁体１７（例えば、二酸化ケイ素）との 間でジュウテリウム原子を界面に共有結合させることによって界面状態を除去す ることによって生ずると考えられる。それ故、本発明の好ましい態様では、デバ イス１１の製造中又は後に（例えば、ゲート、ソース及びドレイン接点の製造後 に）、原子形、イオン形又は分子形のいずれかのジュウテリウムを基板１２とゲ ート絶縁体１７との界面に配置し、界面に、例えば半導体層の表面の原子に共有 結合させる。 これに関して、デバイス１２のジュウテリウムコンディショニング又は不動態 化は種々な方法で達成することができる。例えば、デバイス１１を、製造の１つ 以上の工程において又は製造が完了した後に（即ち、金属接点が完成した後に） 流動する又は混合される又は静止するジュウテリウム富化雰囲気の存在下で加熱 することができる。本発明によるジュウテリウム富化雰囲気は、自然に(in natu re)生ずるレベルを越えるレベルで、及び他の供給ガス（例えば、半導体の水素 不動態化プロセスに現在用いられる精製水素ガス）中の低レベル不純物として生 ずるレベルを越えるレベルでジュウテリウムを含有する。一般的にいうと、０． １容量％〜１００容量％まで、より好ましくは約５％〜５０％、好都合には約５ ％ 〜２０％のジュウテリウムを含有する雰囲気が用いられる。ジュウテリウム富化 雰囲気は完全に又は本質的に酸素を含まないことが好ましいが、アニーリング処 置に有用な又はアニーリング処置に有害でない１種以上の他のガスを含有するこ とができる。例えば、水素ガスをジュウテリウムと組み合わせて用いることがで きる、及び／又は例えば窒素、ヘリウム、アルゴン等のような不活性ガスが存在 することができる。アニーリングプロセスは大気圧、減圧又は過圧において、好 ましくは少なくとも約２００℃からデバイスの他の要素の溶融又は分解温度まで 、より好ましくは約２００℃〜約１０００℃の範囲内、最も典型的には約２００ ℃〜約８００℃の範囲内の温度でおこなうことができる。さらに、雰囲気内での 処理がひと度完了したならば、雰囲気に残留するジュウテリウムをリサイクルと 後の使用とのために回収することができる。例えば、雰囲気を燃焼させて、重水 （Ｄ2Ｏ）を形成することができ、この重水を処理して（例えば、電気分解又は 他のやり方で）再びジュウテリウムガスを形成することができる。 半導体／ゲート絶縁体の界面、又は半導体デバイスの他の領域にジュウテリウ ムを供給して、ホットキャリア効果によるデバイス性能の劣化を軽減させる他の 方法も本発明から逸脱せずに用いることができる。例えば、イオン状又は原子状 ジュウテリウム注入とアニーリング方法とによって原子状ジュウテリウムを所望 の位置（例えば、界面）に配置することができる（例えば、米国特許第３，８４ ９，２０４号と第４，１１３，５１４号を参照のこと）、及び／又は原子状ジュ ウテリウムを製造中の半導体デバイスの層内にトラップさせて、その後に界面に 移動させることができる（例えば、米国特許第３，９２３，５５９号を参照のこ と）。さらに、製造の初期段階中に、半導体デバイス基板１２の表面をコンディ ショニングして、例えば臭化ジュウテリウム、塩化ジュウテリウム若しくはフッ 化ジュウテリウムのようなハロゲン化ジュウテリウムによるエッチングによって 、又はジュウテリウムプラズマによる処理によって共有結合ジュウテリウムを含 有させることができる。例えばフッ化水素若しくは臭化水素エッチング又は水素 プラズマ処理のような、現在用いられている処理の代わりに、このような処理を 用いることは、半導体デバイス製造の分野に熟練した人の充分に理解しうる範囲 内である。このような処理は結果として望ましくは、ジュウテリウム原子を、半 導 体を構成する物質（例えば、ＩＩＩ族、ＩＶ族若しくはＶ族元素、若しくはこれ らの混合物）の表面原子に共有結合させる、例えばこのような物質の原子に直接 結合させる（例えば、Ｓｉ−Ｄ結合の場合）又はこのような原子に酸素若しくは 他の原子を介して結合させる（例えば、Ｓｉ−Ｏ−Ｄ共有結合の場合）。したが って、シリコン半導体の場合には、このような表面処理方法は望ましくは半導体 の表面をジュウテリウム−シリコン（Ｄ−Ｓｉ）及び／又はジュウテリウム−酸 素−シリコン（Ｄ−Ｏ−Ｓｉ）結合によって占有させる。処理済み半導体物質を 次に用いて、半導体デバイスを製造することができる。 デバイス製造に水素含有化合物の代わりにジュウテリウム含有化合物を用いる ことを含む、他の処理は例えば、拡散バリヤーとして作用する窒化ケイ素（Ｓｉ3 Ｎ4）スペーサーの形成におけるジュウテリウム化化合物の使用を包含する。慣 用的には、アンモニア（ＮＨ3）を例えばシラン（ＳｉＨ4）、ジシラン（Ｓｉ3 Ｈ6）又はジクロロシラン（ＳｉＣｌ2Ｈ2）のような、適当なシランと反応させ て、このような窒化ケイ素スペーサーを形成する。本発明の特別な態様では、１ 個以上の水素、好ましくは全ての水素がジュウテリウムによって置換された対応 化学薬品から窒化ケイ素スペーサーを製造することができる。したがって、式： ＮＤ(n)Ｈ(3-n)（式中、ｎは１、２又は３である）を有する化合物を適当なシラ ン：例えばＳｉＤ(m)Ｈ(4-m)（式中、ｍは１、２、３又は４である）又はＳｉ2 ＤoＨpＸq（式中、ｏは１、２、３、４、５又は６であり、ｐは０、１、２、３ ，４又は５であり、ｑは０、１、２、３，４又は５であり、Ｘは例えばブロモ− 又はクロローのようなハロゲンである、但し、ｏ＋ｐ＋ｑ＝６である）と反応さ せることによって、窒化ケイ素スペーサーを形成することができる。これらの中 で、ＮＤ3をＳｉＤ4及び／又はＳｉＣｌ2Ｄ2と反応させて、窒化ケイ素スペーサ ーを形成することが好ましい。このやり方で窒化ケイ素スペーサーを構成するこ とは、ジュウテリウム含有バックグラウンドを残し、これがデバイス中にジュウ テリウムソースを与えて、このソースは例えば熱処理中に放出されて、ＭＯＳト ランジスター又は他の同様なデバイス中の酸化物／シリコン界面を不動態化する 。これらの目的のための適当な化学薬品は化学的に得ることができるか、又は技 術上一般に公知の方法を用いて製造することができる。例えば、ジュウテリウム 化アン モニア（ＮＤ3）はオハイオ州、ＭｉａｍｉｓｂｕｒｇのＩｓｔｅｃｈ社から商 業的に入手可能である。ジュウテリウム化シラン（ＳｉＤ4）はテトラクロロシ ラン（ＳｉＣ１4）をジュウテリウム化リチウムアルミニウム（ＬｉＡｌＤ4）と 反応させて、ジュウテリウム化シランを形成することによって製造することがで きる（例えば、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｈｅ ｍｉｓｔｒｙ，１８巻，３７１頁（１９６９）と；Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｓｙｎ ｔｈｅｓｉｓ，１１巻，１７０〜１８１頁（１９６８）を参照のこと）。このよ うな反応のためのジュウテリウム化リチウムアルミニウムは公知の方法を用いて 製造することができる、又はＩｓｏｔｅｃｈ社から商業的に得ることができる。 ジジュウテロジクロロシラン（Ｄ2ＳｉＣｌ2）は、シリコン金属（Ｓｉ）を塩化 ジュウテリウム（ＤＣｌ）と反応させて、ジュウテロトリクロロシラン（ＤＳｉ Ｃｌ3）を形成し、次にこれを触媒の存在下で反応させて、ジジュウテロジクロ ロシランを形成しうることによって、製造することができる（例えば、Ｉｎｄ． Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．２７（９），１６００〜１６０６（１９８８）を参 照のこと）。ジュウテリウム化化合物を製造するための上記及び他の適当な化学 は当業者に容易に理解されるであろう。 慣用的に水素含有化学薬品が用いられるが、それらに対して対応するジュウテ リウム含有化学薬品が用いられることができる、さらに他の製造工程には、金属 不純物を除去するためにＨＣｌの代わりにＤＣｌを用いる酸化物の成長、ＮＨ3 の代わりに例えばＮＤ3のようなジュウテリウム化アンモニアによるオキシ窒化 物の成長、ジュウテリウム化シラン若しくは関連化合物によって作成されるポリ シリコンゲートの製造、Ｈ2Ｏの代わりにＤ2Ｏを用いる湿式酸化プロセス、及び 例えばＡｓＤ3、ＰＤ3、Ｂ2Ｄ6等のようなジュウテリウム化ドーパントの使用が ある。これらのプロセス及び他の同様なプロセスを用いて、デバイス中のジュウ テリウム含有バックグラウンドを与えることができ、これがジュウテリウムを放 出して、半導体デバイスをコンディショニングする。 ジュウテリウム雰囲気内でのアニーリング以外の本明細書に述べた方法、例え ば、後の移動及び不動態化のためのイオン注入及び／又はジュウテリウムのトラ ッピング(entrapment)を含む方法は、不動態化を容易に促進することができるが 、 この場合には半導体と絶縁層との界面へのジュウテリウムガスの通過を妨害する 構造体がデバイス中に含まれる。例えば、この界面上の窒化ケイ素の存在はこの 界面へのジュウテリウムガスの拡散を妨害するので、上述したように、界面にジ ュウテリウムガスを供給する代替え方法又は付加的方法を任意に用いてデバイス 不動態化を促進することができる。 ジュウテリウムによる半導体デバイスのコンディショニングは、ホットキャリ ア（例えば、ホット電子）効果によるデバイスの脱不動態に関連した効果を有意 に減ずることが判明している。例えば、以下の実験の項で報告するように、ジュ ウテリウムを用いてデバイスを不動態化する場合には、水素不動態化に比べて、 しきい電圧の劣化と相互コンダクタンスとの劇的な減少が観察される（それぞれ 、図２と３を参照のこと）。これらの減少は約１０〜５０の係数による実用寿命 の改良を表し、ホット電子効果によるエージングに良好に耐えながらの、高電圧 における半導体デバイスの操作も可能にする。 本発明とその利点とのさらなる理解と、正当な評価とを容易にするために、下 記実験を報告する。この実験が本発明の例示であり、本発明を限定しないことは 理解されるであろう。 実験 １．材料と装置 １．１ ウェファ これらの実施例に用いたウェファは、一般にＩ．Ｃ．Ｋｉｚｉｌｙａｌｌｉと Ｍ．Ｊ．Ｔｈｏｍａ等，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＭ ａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ８，４４０（１９９５）に述べられているようなＡ Ｔ＆Ｔ’ｓ０．５μｍ ３．３ｖｏｌｔ ＣＭＯＳテクノロジーを用いて、下記 変化を加えて製造したＮＭＯＳトランジスタ一構造体を含有した。ゲート酸化物 をｔox〜５５Åに縮小して、ｐ孔中のドーピングを高め、リンドープされたＬＤ Ｄ領域を浅いヒ素注入した（用量＝４ｘ１０14ｃｍ-2、３０ｋｅＶにおいて）ソ ース−ドレイン延長部と取り替えた。これらの変更によって、ゲートのドレイン エッジ近くのソース−ドレインピーク電界のピーク値は強化されて、より多くの チャンネルホット電子を生じる。この浅いソース−ドレイン延長は、これらの ホット電子がＳｉ／ＳｉＯ2界面の近くに存在して、重大な界面損傷を惹起する ことを確実にする。これらのホットキャリアによって惹起された界面損傷はＮＭ ＯＳトランジスタ一相互コンダクタンス（即ち、ｇm=△ＩDS/△ＶGS｜ｖDS)の変 化をモニターすることによって、又はトランジスターしきい電圧Ｖthのシフトに よって容易に観察することができる。Ｊ．Ｍ．Ｐｅｍｂｌｅｙ等，Ａｄｖａｎｃ ｅｄ ＣＭＯＳ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＶＬＳＩ Ｅｌｅｃ ｔｒｏｎｉｃｓ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９巻，Ａ ｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ：Ｓａｎ Ｄｉｅｇｏ，１９８９を参照のこと。１ ．２ ガス 水素ガス、窒素ガス及びジュウテリウムガスはＳ．Ｊ．Ｓｍｉｔｈ Ｗｅｌｄ ｉｎｇ Ｓｕｐｐｌｙ，米国、イリノイ州，Ｄｅｃａｔｕｒから入手した。全て のガスが超高純度（ＵＨＰ）、９９．９９９％純粋であった。ジュウテリウムガ スの供給源は米国、ペンシルバニア州，ＭｏｒｒｉｓｖｉｌｌｅのＭＧ Ｉｎｄ ｕｓｔｒｉｒｓであった。１．３ 炉セットアップ ゾーン(zone)に通して窒素と、水素又はジュウテリウムとを供給する、二段ゾ ーンＭａｒｓｈａｌｌマッフル炉セットアップを用いて、ウェファをアニーリン グした。ウェファをスライド可能な石英トレーに載せて、石英プッシュロッドに よって位置決めした。炉の両ゾーンを所望のアニーリング温度に設定し、次に、 石英トレーの保持領域の全体にわたって実質的に一定の温度を得るように、ウェ ファアニーリングゾーンのレオスタットを調節した。このトレーは各ランに対し て同じに位置決めした。炉管差し込み末端キャップ上のＯリング密封ステンレス 鋼フィードスルーを通して炉中に供給されたＫ型熱電対を用いて、温度を測定し た。別のＫ型熱電対を零℃基準として役立つように氷浴（脱イオン水）に入れた 。２つの熱電対間の温度をＰＲＯＴＥＫ ＴＭ ＢＯＯＫバッテリー操作熱電対 メーターを用いて測定した。フィードバックのために固定熱電対（炉の両末端か ら１０．５インチ）を用いた２個のＢａｒｂｅｒ Ｃｏｌｅｍａｎ５７０温度制 御装置に、炉の両ゾーンを結合させた。ガスの流動のために、炉石英管差し込み の両端部はテーパー状磨りガラス接合部であり、これに対して嵌合するガラス末 端 キャップが作成された。管の両端部は充分に炉の外側であるので、熱くならず、 テフロンテープを用いて、気密なシールを容易に形成することができた。ガス純 度を維持するために金属ダイヤフラムを備えたＭａｔｈｅｓｏｎ Ｍｏｄｅｌ３ １２２〜３５０二段階調節器によって、水素又はジュウテリウムを含有するシリ ンダーを炉ガス管に接続させた。ガスは３０４ステンレス鋼管によって石英管末 端キャッブまで垂直に導かれた(plumbed)。窒素ガスラインはＯリング密封ステ ンレス鋼クイックコネクターによってガラス末端キャップに連絡された。水素ガ スラインとジュウテリウムガスラインとは同じコネクターを共有し、任意の一定 の時点ではこれらのガスの一方のみが接続されて、水素ラインとジュウテリウム ラインとの間での交差汚染の可能性を回避した。さらなる予防策として、ジュウ テリウムガスラインは液体窒素中に浸漬された銅管の連続コイルを含有して、さ もなくば炉中に水素を導入する恐れがある水分を除去した。アニーリングラン中 に、ガスはウェファサンプルを含有しない炉ゾーンを通って流れてから、ウェフ ァゾーンに入った。このようにして、ガスは予熱されたので、ウェファゾーン温 度を混乱させなかった。ウェファゾーンを出た後に、ガスは反対側末端キャップ 上の取付け部品を通って流出し、Ｍａｔｈｅｓｏｎ Ｐ６−１０００シリーズ流 量計を通過した（０．１〜２．０標準リットル／分（ＳＬＰＭ）範囲）。流量計 後に、ガスは標準フードベント(hood vent)を通って排出された。２．アニーリングラン 全てのランにおいて、窒素ガス流は０．５５ＳＬＰＭに設定された。約１０容 量％の水素又はジュウテリウムガスを含有する雰囲気を得るために、窒素又はジ ュウテリウムガス調節器を開放することによって、約０．６１ＳＬＰＭに加圧を 強化した。第１ランでは、ウェファサンブルを窒素中１０％ジュウテリウムの雰 囲気中で約１時間アニーリングした。温度は約４００℃に維持した。第２ランで は、ウェファサンブルを窒素中１０容量％水素の雰囲気中で、約４００℃の温度 において、約１時間アニーリングした。得られたウェファ上のデバイスに対して 、電気応力試験をおこなった。特に、ピーク基板電流条件において異なるゲート 長さ（０．５μｍ〜１５μm)を有するトランジスタ一上で、促進ホットキャリア ＤＣ応力実験をおこなった。印加応力電圧はＶDS＝５Ｖと、ＶGS〜２Ｖであった 。 応力前のトランジスター測定値は、水素中で焼結されたデバイスとジュウテリウ ム中で焼結されたデバイスとが同じ電気的特性（例えば、相互コンダクタンス、 しきい電圧、閾値以下勾配(subthreshold-slope)、飽和電流等）を有することを 実証する。 図２は、０．５μｍ〜０．７μｍの範囲の５種類のゲート長さを有するＮＭＯ Ｓトランジスターに関する応力時間の関数としての相互コンダクタンス劣化を示 す。図３では、応力時間の関数としてのしきい電圧上昇が同じデバイスに関して 示される。見ることができるように、ジュウテリウム雰囲気中で焼結されたウェ ファは、チャンネルホットキャリア応力に対して劇的に高レベルのレジリエンス を示す。さらなる比較試験では、追加の約８０個のトランジスターに同様に応力 を与えたところ、同様に強い傾向が観察された。これらの結果は、２０％の相互 コンダクタンス劣化を実用寿命基準と見なすならば、ジュウテリウム雰囲気中で 焼結されたトランジスターが、水素中で焼結されたデバイスよりも１０倍長い寿 命を有することを示す。しきい電圧の１００ｍＶ（又は２００ｍＶ）のシフトを 劣化基準と見なすならば、寿命の１０倍の改良も推測される。 これまでの説明では、本発明を例示し、詳述したが、これは性質において実例 と見なすべきであり、限定と見なすべきでなく、好ましい実施態様のみが記載さ れていること、及び本発明の要旨に含まれる全ての変化及び改良が保護されるこ とが望ましいことは理解されるであろう。さらに、本明細書に挙げられた全ての 刊行物は当該技術分野の知識のレベルを示すものであり、あたかも各々が個別に 参考文献として包含され、完全に記載されているかのごとく、本明細書に援用さ れる。
【手続補正書】 【提出日】１９９８年７月２１日（１９９８．７．２１） 【補正内容】 請求の範囲 １．半導体デバイスの処理方法であって、前記デバイスをジュウテリウムで 不動態化することを含む上記方法。 ２．前記半導体デバイスがシリコンを含む、請求項１記載の方法。 ３．前記不動態化が前記デバイスを加熱されたジュウテリウムガス富化雰囲 気にさらす工程を含む、請求項１記載の方法。 ４．前記不動態化が、原子状又はイオン状ジュウテリウムを前記デバイス中 に注入する工程と；前記デバイスを加熱する工程とを含む、請求項１記載の方法 。 ５．前記デバイスがシリコン層と；前記シリコン層に隣接した絶縁層とを含 む、請求項１記載の方法。 ６．前記半導体デバイスが複数の活性要素を含む、請求項１記載の方法。 ７．前記ジュウテリウム富化雰囲気がジュウテリウムガスと１種類以上の不 活性ガスとを含む、請求項３記載の方法。 ８．前記雰囲気が１容量％〜１００容量％のジュウテリウムガスを含む、請 求項７記載の方法。 ９．前記雰囲気がジュウテリウムガスと、水素、窒素、アルゴン及びヘリウ ムガスのうちの１種類以上とを含む、請求項８記載の方法。 １０．前記絶縁層がケイ素の酸化物又は窒化物を含む、請求項５記載の方法 。 １１．前記デバイスが前記絶縁層に隣接した導電層をも包含する、請求項７ 記載の方法。 １２．前記デバイスを少なくとも約２００℃の温度において加熱することを 含む、請求項３記載の方法。 １３．前記デバイスを少なくとも２００℃の温度において加熱することを含 む、請求項４記載の方法。 １４．前記デバイス上にジュウテリウム富化雰囲気を流しながら、前記デバ イスを約２００℃〜約１０００℃の温度において加熱することを含む、請求項１ ２記載の方法。 １５．ジュウテリウムによって不動態化された半導体デバイス。 １６．周期律表のＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族からの１種類以上の元素を含有 する半導体層を含む、請求項１５記載のデバイス。 １７．本質的に、シリコン又はヒ化ガリウムから成る半導体層を含む、請求 項１５記載のデバイス。 １８．半導体シリコン層と；前記半導体層に隣接した絶縁層とを包含する、 請求項16記載のデバイス。 １９．前記絶縁層がケイ素の酸化物又は窒化物を含む、請求項１８記載のデ バイス。 ２０．絶縁層に隣接した導電層を包含する、請求項１９記載のデバイス。 ２１．前記導電層が金属、ポリシリコン、窒化チタン又はケイ化金属を含む 、請求項２０記載のデバイス。 ２２．前記導電層がアルミニウム、金及び銅から選択される金属；ケイ化タ ングステン、ケイ化モリブデン、ケイ化タンタル、ケイ化ニッケル及びケイ化コ バルト若しくはこれらの組合せから選択されるケイ化金属；ポリシリコン；又は 窒化チタンを含む、請求項２１記載のデバイス。 ２３．ＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族元素又はこれらの混合物を含む半導体層と ；前記半導体層に隣接する絶縁層とを含む半導体デバイスであって、 前記デバイスのホットキャリア効果に対するレジリエンスを高めるために前記 ＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族元素の原子にジュウテリウム原子が共有結合している 上記デバイス。 ２４．前記半導体層がシリコンであり、前記絶縁層がケイ素の酸化物又は窒 化物を含む、請求項２３記載のデバイス。 ２５．前記絶縁層上の導電層をさらに含む、請求項２４記載のデバイス。 ２６．金属酸化物半導体電界効果型トランジスターである、請求項２５記載 のデバイス。 ２７．複数の活性要素を包含する、請求項２５記載のデバイス。 ２８．半導体デバイスをコンディショニングして、ホットキャリア効果に対 するデバイスのレジリエンスを高める方法であって、 ホットキャリア効果を受ける前記デバイスの領域に原子状、分子状又はイオン 状のジュウテリウムを配置する工程と；前記デバイスを加熱する工程とを含む上 記方法。 ２９．前記デバイスが少なくとも１個の金属酸化物半導体電界効果型トラン ジスターを包含する、請求項２８記載の方法。 ３０．前記デバイスが複数個の金属酸化物半導体電界効果型トランジスター を包含する、請求項２９記載の方法。 ３１．前記デバイスが結晶質シリコン半導体層と；前記半導体層上の二酸化 ケイ素層と；前記二酸化ケイ素層上の導電層とを包含する、請求項２８記載の方 法。 ３２．前記デバイスが窒化ケイ素層を包含する請求項２８記載の方法であっ て、製造中の半導体デバイスの層内に分子状ジュウテリウムをトラッピングさせ ることを包含する上記方法。 ３３．ホットキャリア効果に対するレジリエンスを有する半導体デバイスの 操作方法であって、デバイスの半導体層及び絶縁層と相互作用するホットキャリ アを形成する条件下で半導体デバイスを操作することを含み、かつ、前記半導体 がジュウテリウムによって不動態化されている上記方法。 ３４．前記デバイスが複数個の金属酸化物半導体電界効果型トランジスター を包含する、請求項３３記載の方法。 ３５．前記デバイスが結晶質シリコン半導体層と；前記半導体層上の二酸化 ケイ素層と；前記二酸化ケイ素層上の導電層とを包含する、請求項３４記載の方 法。 ３６．ジュウテリウムによって不動態化された半導体デバイスと；前記半導 体デバイスを覆うカプセルとを含むカプセル化半導体ユニット。 ３７．前記半導体デバイスが複数個の金属酸化物半導体電界効果型トランジ スターを包含する、請求項３６記載のカプセル化半導体ユニット。 ３８．前記デバイスが結晶質シリコン半導体層を包含する、請求項37記載の カプセル化半導体ユニット。 ３９．前記デバイスが前記半導体層上の二酸化ケイ素層と、前記二酸化ケイ 素層上の導電層とを包含する、請求項３８記載のカプセル化半導体ユニット。 ４０．半導体シリコン層が半導体結晶質シリコン層である、請求項１８記載 のデバイス。 ４１．金属酸化物半導体電界効果型トランジスターである、請求項４０記載 のデバイス。 ４２．半導体シリコン層が半導体結晶質シリコン層である、請求項２３記載 のデバイス。 ４３．金属酸化物半導体電界効果型トランジスターである、請求項４２記載 のデバイス。 ４４．結晶質シリコン半導体層と絶縁層との間に界面を有する電界効果型ト ランジスターであって、前記界面において共有結合したジュウテリウム原子によ って不動態化されており、それによってホットキャリア効果に対して増強したレ ジリエンスを有する上記トランジスター。 ４５．絶縁層がケイ素の酸化物又は窒化物を含む、請求項４４記載のトラン ジスター。 ４６．絶縁層がケイ素の酸化物を含む、請求項４５記載のトランジスター。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＥ，ＨＵ， ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，Ｌ Ｔ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ， ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １．半導体デバイスの処理方法であって、前記デバイスをジュウテリウムで 不動態化することを含む上記方法。 ２．前記半導体デバイスがシリコンを含む、請求項１記載の方法。 ３．前記不動態化が前記デバイスを加熱されたジュウテリウムガス富化雰囲 気にさらす工程を含む、請求項１記載の方法。 ４．前記不動態化が、原子状又はイオン状ジュウテリウムを前記デバイス中 に注入する工程と；前記デバイスを加熱する工程とを含む、請求項１記載の方法 。 ５．前記デバイスがシリコン層と；前記シリコン層に隣接した絶縁層とを含 む、請求項１記載の方法。 ６．前記半導体デバイスが複数の活性要素を含む、請求項１記載の方法。 ７．前記ジュウテリウム富化雰囲気がジュウテリウムガスと１種類以上の不 活性ガスとを含む、請求項３記載の方法。 ８．前記雰囲気が１容量％〜１００容量％のジュウテリウムガスを含む、請 求項７記載の方法。 ９．前記雰囲気がジュウテリウムガスと、水素、窒素、アルゴン及びヘリウ ムガスのうちの１種類以上とを含む、請求項５記載の方法。 １０．前記絶縁層がケイ素の酸化物又は窒化物を含む、請求項５記載の方法 。 １１．前記デバイスが前記絶縁層に隣接した導電層をも包含する、請求項７ 記載の方法。 １２．前記デバイスを少なくとも約２００℃の温度において加熱することを 含む、請求項３記載の方法。 １３．前記デバイスを少なくとも２００℃の温度において加熱することを含 む、請求項４記載の方法。 １４．前記デバイス上にジュウテリウム富化雰囲気を流しながら、前記デバ イスを約２００℃〜約１０００℃の温度において加熱することを含む、請求項１ ２記載の方法。 １５．ジュウテリウムによって不動態化された半導体デバイス。 １６．周期律表のＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族からの１種類以上の元素を含有 する半導体を含む、請求項１５記載のデバイス。 １７．本質的に、シリコン又はヒ化ガリウムから成る半導体を含む、請求項 １５記載のデバイス。 １８．半導体シリコン層と；前記半導体層に隣接した絶縁層とを包含する、 請求項16記載のデバイス。 １９．前記絶縁層がケイ素の酸化物又は窒化物を含む、請求項１８記載のデ バイス。 ２０．絶縁層に隣接した導電層を包含する、請求項１９記載のデバイス。 ２１．前記導電層が金属、ポリシリコン、窒化チタン又はケイ化金属を含む 、請求項２０記載のデバイス。 ２２．前記導電層がアルミニウム、金及び銅から選択される金属；ケイ化タ ングステン、ケイ化モリブデン、ケイ化タンタル、ケイ化ニッケル及びケイ化コ バルト若しくはこれらの組合せから選択されるケイ化金属；ポリシリコン；又は 窒化チタンを含む、請求項２１記載のデバイス。 ２３．ＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族元素又はこれらの混合物を含む半導体層と ;前記半導体層に隣接する絶縁層とを含む半導体デバイスであって、 前記デバイスのホットキャリア効果に対するレジリエンスを高めるために前記 ＩＩＩ族、ＩＶ族又はＶ族元素の原子にジュウテリウム原子が共有結合している 上記デバイス。 ２４．前記半導体層がシリコンであり、前記絶縁層がケイ素の酸化物又は窒 化物を含む、請求項２３記載のデバイス。 ２５．前記絶縁層上の導電層をさらに含む、請求項２４記載のデバイス。 ２６．金属酸化物半導体電界効果型トランジスターである、請求項２５記載 のデバイス。 ２７．複数の活性要素を包含する、請求項２５記載のデバイス。 ２８．半導体デバイスをコンディショニングして、ホットキャリア効果に対 するデバイスのレジリエンスを高める方法であって、 ホットキャリア効果を受ける前記デバイスの領域に原子状、分子状又はイオン 状のジュウテリウムを配置する工程と；前記デバイスを加熱する工程とを含む上 記方法。 ２９．前記デバイスが少なくとも１個の金属酸化物半導体電界効果型トラン ジスターを包含する、請求項２８記載の方法。 ３０．前記デバイスが複数個の金属酸化物半導体電界効果型トランジスター を包含する、請求項２９記載の方法。 ３１．前記デバイスが結晶質シリコン半導体層と；前記半導体層上の二酸化 ケイ素層と；前記二酸化ケイ素層上の導電層とを包含する、請求項２８記載の方 法。 ３２．前記デバイスが窒化ケイ素層を包含する請求項２８記載の方法であっ て、製造中の半導体デバイスの層内に分子状ジュウテリウムをトラッピングさせ ることを包含する上記方法。 ３３．ホットキャリア効果に対するレジリエンスを有する半導体デバイスの 操作方法であって、デバイスの半導体層及び絶縁層と相互作用するホットキャリ アを形成する条件下で半導体デバイスを操作することを含み、かつ、前記半導体 がジュウテリウムによって不動態化されている上記方法。 ３４．前記デバイスが複数個の金属酸化物半導体電界効果型トランジスター を包含する、請求項３３記載の方法。 ３５．前記デバイスが結晶質シリコン半導体層と；前記半導体層上の二酸化 ケイ素層と；前記二酸化ケイ素層上の導電層とを包含する、請求項３４記載の方 法。 ３６．ジュウテリウムによって不動態化された半導体デバイスと；前記半導 体デバイスを覆うカプセルとを含むカプセル化半導体ユニット。 ３７．前記半導体デバイスが複数個の金属酸化物半導体電界効果型トランジ スターを包含する、請求項３６記載の方法。 ３８．前記デバイスが結晶質シリコン半導体層を包含する、請求項３７記載 の方法。 ３９．前記デバイスが前記半導体層上の二酸化ケイ素層と、前記二酸化ケイ 素層上の導電層とを包含する、請求項３８記載の方法。
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