JP2001028449A

JP2001028449A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2001028449A
Application number: JP2000197258A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎; Yasuhiko Takemura; 保彦竹村
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-08-26
Filing date: 2000-06-29
Publication date: 2001-01-30
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JP3701549B2

Abstract

(57)【要約】【課題】【解決手段】絶縁性基板状に形成されたＴＦＴ等の薄膜
状半導体素子において、該半導体素子の下に緩衝用絶縁
膜を介して窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化タンタル
等からなる第１のブロッキング膜を形成し、さらに、Ｔ
ＦＴの上に第２のブロッキング膜を形成し，前記第１お
よび第２のブロッキング膜でＴＦＴを覆うことによって
基板やその他外部からの可動イオンの侵入を阻止すると
ともに、ＴＦＴのチャネル領域とゲイト絶縁膜中にはハ
ロゲン元素が１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上、５×１０ ¹⁸ｃｍ^-3
以下だけ存在することを特徴とする薄膜状半導体素子お
よびその作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、信頼性および量産
性に優れ、歩留りの高い、薄膜トランジスタ等の薄膜状
半導体装置およびその製造方法に関する。本発明は、そ
の応用分野として、例えば、液晶ディスプレーや薄膜イ
メージセンサー等の駆動回路あるいは３次元集積回路等
を構成せんとするものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体集積回路は、シリコン等の
半導体基板上に形成されたモノリシック型が中心であっ
たが、近年、ガラスやサファイヤ等の絶縁基板上に形成
することが試みられている。その理由としては、基板と
配線間の寄生容量が低下して動作速度が向上すること
と、特に石英その等のガラス材料は、シリコンウェファ
ーのような大きさの制限がなく、安価であること、素子
間の分離が容易で、特にＣＭＯＳのモノリシック集積回
路で問題となるようなラッチアップ現象がおこらないこ
と等のためである。また、以上のような理由とは別に液
晶ディスプレーや密着型イメージセンサーにおいては、
半導体素子と液晶素子あるいは光検出素子とを一体化し
て構成する必要から、透明な基板上に薄膜トラジスター
（ＴＦＴ）等を形成する必要がある。

【０００３】このような理由から絶縁性基板上に薄膜状
の半導体素子が形成されるようになった。従来の薄膜状
半導体素子の例として、ＴＦＴを図５に示す。図に示さ
れるように、絶縁性基板５０１上に、パッシベーション
膜として、酸化珪素等の被膜５０３が形成され、その上
にＴＦＴが他のＴＦＴとは独立して形成される。ＴＦＴ
は、モノリシック集積回路のＭＯＳＦＥＴと同様に、ソ
ース（ドレイン）領域５０７とドレイン（ソース）領域
５０９、それらに挟まれたチャネル形成領域（単にチャ
ネル領域ともいう）５０８、ゲイト絶縁膜５０４、ゲイ
ト電極５１０、そして、ソース（ドレイン）電極５１１
とドレイン（ソース）電極５１２を有している。また、
多層配線が可能なようにＰＳＧ等の層間絶縁物５０６が
設けられる。

【０００４】図５の例は、順コプラナー型と呼ばれるも
のであるが、ＴＦＴでは、ゲイト電極とチャネル領域の
配置の様子によって、これ以外に逆コプラナー型、順ス
タガー型、逆スタガー型とよばれる形態があるが、その
詳細については他の文献に任せるとして、ここではこれ
以上、言及しない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】モノリシック集積回路
においても、ナトリウムやカリウムのようなアルカリイ
オン、あるいは鉄、銅、ニッケル等の遷移金属イオンに
よる汚染は深刻な問題であり、これらのイオンの侵入を
食い止めるために、非常な注意が払われてきた。ＴＦＴ
でも、それらのイオンの問題は同様に重大なもので、極
力、汚染がないように生産工程の清浄化には注意が向け
られている。また、素子にもこれらの汚染が及ばないよ
うに対策が講じられている。

【０００６】薄膜状半導体素子がモノリシック集積回路
と異なることは、基板中の汚染イオンの濃度が比較的高
いということである。すなわち、モノリシック集積回路
に使用される単結晶シリコンは、長年の技術の蓄積によ
って、これらの有害な汚染元素を排除するようにして生
産されており、現在市販されているものでは、これらの
汚染元素は１０¹⁰ｃｍ^-3以下である。

【０００７】しかしながら、一般に薄膜状半導体素子用
の絶縁性基板の汚染元素濃度は低くない。もちろん、ス
ピネル基板やサファイヤ基板のような単結晶基板では、
上記汚染源となる異元素の濃度を低減することが理論的
には可能であるが、採算面から現実的ではない。また、
石英基板は、高純度シランガスと酸素を原料として、気
相反応で製造すれば、理想的には異元素の侵入を食い止
めることが可能であるが、構造がアモルファスであるの
で、いったん異元素が取り込まれた場合にこれを外部に
吐き出すことが困難である。また、液晶ディスプレーに
使用される基板は特にコストの問題が優先するため、価
格の低いものを用いる必要があり、そのようなものでは
製造・加工を容易にするため、最初から、各種の異元素
を含有している。これらの異元素自体が半導体素子にと
って好ましくないものもあるし、これらの異元素を添加
する過程で、外部から混入し、あるいは添加材料に不純
物として含まれる場合がある。

【０００８】例えば、ＴＮガラスは安価なガラス基板で
耐熱性がよく、熱膨張率等がシリコンに近いため、液晶
ディスプレー用の基板として好ましいものであるが、リ
チウムを５％程度含有している。このリチウムの一部は
イオン化し、可動イオンとして半導体素子に侵入し、素
子の劣化をもたらす。また、このリチウムは９９％以上
の高純度のものを製造することが難しく、通常、０．７
％程度のナトリウムが含まれている。ナトリウムのイオ
ン化率は１０％程度で、極めて大きく、このナトリウム
イオンは素子の特性に極めて深刻な影響をもたらす。

【０００９】従来の薄膜状半導体素子では、図５に示す
ように、この可動イオンの侵入に対しては、酸化珪素等
をパッシベーション膜として使用し、また、層間絶縁物
をＰＳＧやＢＰＳＧとすることによってこれらの可動イ
オンをゲッタリングすることによって対処されてきた。
しかしながら、これらの方法では汚染を十分に防ぐこと
は困難であった。本発明は、これらの汚染元素・イオン
を侵入によって素子が劣化することを抑制することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決する手段】本発明では、以上のような汚染
を抑制するために薄膜半導体素子の下部と上部にそれぞ
れ窒化珪素、酸化アルミニウム、酸化タンタル等の可動
イオンに対するブロッキング作用を有する膜（ブロッキ
ング膜）を形成し、さらに、ＴＦＴを構成する半導体被
膜（チャネル領域）あるいはゲイト絶縁被膜のいずれか
一方、あるいは双方に、塩素、弗素等のハロゲン元素を
１×１０¹⁸〜５×１０²⁰個／ｃｍ^-3、好ましくは１×１
０¹⁹〜１×１０²⁰個／ｃｍ³含有させたことを特徴とす
る。ハロゲン元素は半導体被膜中あるいは絶縁被膜中に
おいて、ナトリウム等の可動イオンと強く結合し、その
効果を著しく低下せしめる作用を有する。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の典型的な例は図１に示さ
れる。図１では本発明を用いたＴＦＴが示されている。
すなわち、絶縁性基板１０１上に第１のブロッキング膜
として第１の窒化珪素膜１０２が形成されている。第１
の窒化珪素皮膜は基板からの汚染を防ぐ効果を有する。
そして、第１の窒化珪素膜上に、例えば酸化珪素のよう
なシリコン材料と密着性のよい皮膜１０３を形成する。
この皮膜１０３を形成せずして、直接、半導体皮膜を第
１の窒化珪素上に形成し、ＴＦＴを作製すると、窒化珪
素と半導体材料の界面に生ずるトラップ準位によってチ
ャネル領域が導通化し、ＴＦＴが動作しなくなる。した
がって、このような緩衝体を設けることは重要である。

【００１２】皮膜１０３上にはＴＦＴが形成される。Ｔ
ＦＴは、ソース（ドレイン）領域１０７とドレイン（ソ
ース）領域１０９、それらに挟まれたチャネル領域１０
８、ゲイト絶縁膜１０４、ゲイト電極１１０を有する。
ＴＦＴのソース、ドレイン、チャネル各領域は単結晶も
しくは多結晶、あるいはアモルファスの半導体材料で形
成される。半導体材料としては、例えば、シリコン、ゲ
ルマニウム、炭化珪素、およびこれらの合金が使用され
うる。

【００１３】そして、このＴＦＴを覆って、第２のブロ
ッキング膜として第２の窒化珪素皮膜１０５が形成され
る。ここで、第２の窒化珪素皮膜が、ＴＦＴの作製の後
で、かつ、ソースおよび／またはドレインに電極が形成
される前に形成されることが本発明の特徴とするところ
である。従来の技術では、電極形成後にファイナルパッ
シベーション膜としての窒化珪素膜が形成されたが、本
発明はそのような意味で形成される窒化珪素膜とは目的
が異なる。すなわち、本発明における第２の窒化珪素膜
は、第１の窒化珪素膜とともにＴＦＴを包み込んでしま
うために形成されるのであり、ＴＦＴ形成後の電極形成
の工程での汚染をも防ぐことを意図するものである。し
たがって、本発明によってＴＦＴとそれに付随する電極
や配線を形成した後、従来のようにファイナルパッシベ
ーション膜として窒化珪素膜を形成してもよい。

【００１４】さて、第２の窒化珪素膜形成後に、層間絶
縁材料、例えばＰＳＧ等によって、層間絶縁膜１０６を
形成し、ソース（ドレイン）電極１１１とドレイン（ソ
ース）電極１１２を形成する。ブロッキング膜として
は、窒化珪素以外に、酸化アルミニウムや酸化タンタル
を用いてもよいことは先に述べたとおりである。

【００１５】図１の例では、しかしながら、ゲイト絶縁
膜が遠方に延びており、その端部から可動イオン等がＴ
ＦＴ内部に侵入する可能性がある。これを改良したもの
が、図２に示される例で、ゲイト絶縁膜はＴＦＴ上にし
かないため、図１のような問題はない。しかしながら、
この場合はチャネル領域に隣接した部分のソース領域お
よびドレイン領域が窒化珪素膜に接触しているため、こ
の部分の窒化珪素がゲイト電圧によって分極し、あるい
は電子をトラップして、ＴＦＴの動作を妨げることがあ
る。

【００１６】その問題を克服した例が図３に示される。
ここでは、チャネル領域に隣接したソース領域およびド
レイン領域は窒化珪素膜に隣接していない。したがっ
て、窒化珪素の分極や電子トラップという困難は解決さ
れる。しかしながら、ソースおよびドレイン領域の形成
にあたって、ゲイト電極をマスクとするセルフアライン
プロセスを採用する場合には、この例では図１の例と同
様に、ゲイト絶縁膜を通して、アクセプターあるいはド
ナー元素を注入しなければならず、そのためイオン注入
法を採用するのであれば、イオンの加速エネルギーを高
める必要がある。その際、高速イオンが注入される結
果、その２次散乱によってソースおよびドレイン領域が
広がることがある。

【００１７】図２において、２０１は絶縁性基板、２０
２は第１の窒化珪素膜、２０３は酸化珪素等の緩衝用絶
縁膜、２０４はゲイト絶縁膜、２０５は第２の窒化珪素
膜、２０６は層間絶縁膜、２０７はソース（ドレイン）
領域、２０８はチャネル領域、２０９はドレイン（ソー
ス）領域、２１０はゲイト電極、２１１はソース（ドレ
イン）電極、２１２はドレイン（ソース）電極である。
また、図３において、３０１は絶縁性基板、３０２は第
１の窒化珪素膜、３０３は酸化珪素等の緩衝用絶縁膜、
３０４はゲイト絶縁膜、３０５は第２の窒化珪素膜、３
０６は層間絶縁膜、３０７はソース（ドレイン）領域、
３０８はチャネル領域、３０９はドレイン（ソース）領
域、３１０はゲイト電極、３１１はソース（ドレイン）
電極、３１２はドレイン（ソース）電極である。

【００１８】本発明において、ブロッキング膜として窒
化珪素膜を使用する場合、化学式でＳｉＮ_xで表したと
き、ｘ＝１．０からｘ＝１．７が適し、特に、ｘ＝１．
３からｘ＝１．３５の化学量論的組成（ｘ＝１．３３）
のもの、あるいはそれに近いのものでよい結果が得られ
た。したがって、本発明では、窒化珪素は減圧ＣＶＤ法
によって形成する方が良かった。しかしながら、プラズ
マＣＶＤ法や光ＣＶＤ法で形成された窒化珪素皮膜であ
っても、本発明を使用しない場合に比べて素子の信頼性
が向上することは言うまでもない。

【００１９】減圧ＣＶＤ法によって、窒化珪素膜を形成
しようとすれば、原料ガスとしてジクロールシラン（Ｓ
ｉＣｌ₂Ｈ₂）とアンモニア（ＮＨ₃）を用い、圧力１
０〜１０００Ｐａで５００〜８００℃、好ましくは５５
０〜７５０℃で反応させればよい。もちろん、シラン
（ＳｉＨ₄）やテトラクロロシラン（ＳｉＣｌ₄）を用
いてもよい。

【００２０】また、本発明において、酸化アルミニウム
膜や酸化タンタル膜を用いる場合においても、化学量論
的組成、Ａｌ₂Ｏ₃やＴａ₂Ｏ₅に近い組成のものほどよ
い結果が得られた。これらの被膜はＣＶＤ法やスパッタ
法によって形成される。例えば、酸化アルミニウム膜
は、トリメチルアルミニウムＡｌ（ＣＨ₃）₃を酸化窒
素（Ｎ₂Ｏ、ＮＯ、ＮＯ₂）によって酸化させればよ
い。

【００２１】本発明をより効果的に実施せんとすれば、
ＴＦＴ等の薄膜状半導体素子の半導体被膜中の水素原子
の濃度は、添加されるハロゲン原子の濃度の４倍以下、
好ましくは１倍以下であることが望まれ、また、炭素、
窒素、酸素等の有害元素の濃度は７×１０¹⁹ｃｍ^-3以
下、好ましくは１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であることが望ま
れる。さらに、半導体被膜中に含まれるナトリウム、リ
チウム、カリウム等の可動イオンについても、その濃度
は５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることが望まれる。以上の
ような目的を達成するためにも、原料ガスには十分な注
意を払い、５Ｎ以上の高純度ガスを使用することが望ま
れる。さらに、本発明では可動イオン源を多く含有する
絶縁性基板を用いることを念頭に置いているが、より本
発明を効果的に実施せんとすれば、そのような基板にお
いて、第１の窒化珪素膜を形成する際に、基板の周囲を
もれなく窒化珪素膜で覆ってしまうとよい。そのような
状態では、以後の取扱において、基板を源泉とする可動
イオンが素子領域に混入する確率を著しく低下せしめる
ことができる。

【００２２】図４には、本発明を使用して、公知の技術
である低不純物濃度ドレイン（ＬＤＤ）を形成する例を
示した。まず、石英あるいはＡＮガラス等の絶縁性基板
４０１上に減圧ＣＶＤ法によって窒化珪素膜４０２を厚
さ５０〜１０００ｎｍ形成する。このときには、先に述
べたように、基板の裏面も窒化珪素膜で覆ってしまう
と、後の工程において、裏面から発生した可動イオンが
表面に到達する確率が著しく低くなり、また、製造装置
の清浄度を保つうえでも好ましい。窒化珪素膜の上に緩
衝用の酸化珪素皮膜４０３を同じく減圧ＣＶＤ法によっ
て、厚さ５０〜１０００ｎｍ形成する。この際、原料ガ
ス中に体積比で３％から６％、例えば５％ほどの塩化水
素（ＨＣｌ）、弗化窒素（ＮＦ₃あるいはＮ₂Ｆ₄）、
塩素（Ｃｌ₂ ）、弗素（Ｆ₂）、各種フロンガス、四塩
化炭素（ＣＣｌ₄）等のハロゲンを含むガスを混入させ
ておくと、得られる酸化珪素膜中に塩素、弗素等のハロ
ゲン元素が取り込まれる。

【００２３】このハロゲンはナトリウム等のアルカリイ
オンと結合して、ナトリウムを固定するので、ナトリウ
ム汚染を防ぐうえでより大きな効果が得られる。しか
し、過剰なハロゲンの添加は膜を粗にし、密着性や表面
の平坦性を損なうので好ましくない。また、減圧ＣＶＤ
法のかわりに光ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ法によって該
被膜を形成する場合にも、原料ガス中に上記のハロゲン
元素を有するガスを、２〜５体積％混入するとよい。さ
らに、スパッタ法によって該被膜を形成する場合には、
上記ハロゲンガスをスパッタ雰囲気中に、２〜２０体積
％混入するとよい。スパッタ法による場合には、雰囲気
中のガス組成は被膜の組成に反映されにくいので、ＣＶ
Ｄ法の場合よりやや濃度を多くする必要がある。

【００２４】次に非晶質シリコン膜あるいは微結晶また
は多結晶シリコン膜を減圧ＣＶＤ法、あるいはプラズマ
ＣＶＤ法、あるいはスパッタ法によって厚さ２０〜５０
０ｎｍだけ形成する。そして、これを島上にエッチング
する。このシリコン膜を形成する際にも、先に被膜４０
３を形成する場合と同様にハロゲン元素を被膜中に導入
するとよい。ハロゲン元素の導入の方法は先の被膜４０
３の場合と同様に被膜形成時の雰囲気中にハロゲンを含
有するガスを混入させてもよいし、また、被膜形成後、
イオン注入法によって導入してもよい。このとき、ハロ
ゲン元素の被膜中での濃度は、１×１０¹⁸〜５×１０²⁰
個／ｃｍ³、好ましくは１×１０¹⁹〜１×１０²⁰個／ｃ
ｍ³となるように原料ガスの濃度を制御しなければなら
ない。

【００２５】さらにまた、同時に被膜中の水素原子の濃
度は、このハロゲンの濃度の４倍以下、好ましくは１倍
以下であると、ハロゲン添加の効果がより向上する。こ
の効果は以下のように説明される。水素原子は、シリコ
ンのダングリングボンドをターミネイトする上で必要で
あるが、その結合は弱く、簡単に結合が切れてしまう。
一方、ハロゲン元素はシリコンと強く結合する。もし、
シリコン中に水素が過剰に存在する場合には（それは被
膜中にダングリングボンドが多いということでもある
が）、ほとんどのハロゲンはシリコンと結合し、その結
果、被膜中を移動する可動イオンをゲッタリングするこ
とができない。したがって、水素濃度の大きいシリコン
中では、ハロゲン添加の効果が小さく、水素濃度の小さ
いシリコン中では、ハロゲン添加の効果が大きいものと
推測される。

【００２６】また、シリコン等の半導体被膜では、可動
イオン以外の有害元素として、炭素、窒素、酸素の濃度
がいずれも７×１０¹⁹個／ｃｍ³以下、好ましくは１×
１０¹⁹個／ｃｍ³以下であるあることが望まれる。これ
らの元素はハロゲン添加によっても除去されないもので
あるからである。

【００２７】さらに、ハロゲン添加によってナトリウム
やリチウム、カリウム等の可動イオンがゲッタリングで
きるとはいえ、過剰に存在する場合にはその効果も打ち
消されてしまうので、これら可動イオンの濃度は、いず
れも５×１０¹⁸個／ｃｍ³以下であるあることが望まれ
る。

【００２８】さて、このようにして形成されたシリコン
被膜上に、ゲイト絶縁膜として、厚さ１０〜２００ｎｍ
の酸化珪素膜を減圧ＣＶＤ法、あるいはスパッタ法によ
って形成する。この際も、先のように、原料ガス中、あ
るいはスパッタガス中にハロゲン材料ガスを混入させて
おくとよい。

【００２９】そして、その上に減圧ＣＶＤ法、あるいは
プラズマＣＶＤ法によって、リンが１０²¹ｃｍ^-3程度に
ドープされた多結晶あるいは微結晶シリコン膜を形成す
る。そして、このシリコン膜およびその下のゲイト絶縁
膜（酸化珪素）をパターニングし、ゲイト電極４１０と
ゲイト絶縁膜４０４を形成する。

【００３０】さらに、このゲイト電極をマスクとしてセ
ルフアライン的にイオン注入をおこない、比較的不純物
濃度の小さい（１０¹⁷〜１０¹⁹ｃｍ^-3程度）ソース（ド
レイン）領域４０７、ドレイン（ソース）領域４０８を
形成する。不純物の注入されなかった部分がチャネル領
域４０８として残る。こうして、図４（Ａ）が得られ
る。

【００３１】次に、図４（Ｂ）に示すように減圧ＣＶＤ
法によって、全体にＰＳＧ膜４１３が形成される。そし
て、これを公知の方向性エッチングによってエッチング
し、ゲイト電極の横に側壁４１４を形成する。その後、
再び、イオン注入をおこない、不純物濃度の高いソース
（ドレイン）領域４０７ａとドレイン（ソース）領域４
０９ａを形成する。不純物濃度の低い領域はソース（ド
レイン）領域４０７ｂとドレイン（ソース）領域４０９
ｂとなって、ＬＤＤを形成する。こうして、図４（Ｃ）
を得る。

【００３２】その後、図４（Ｄ）に示すように、減圧Ｃ
ＶＤ法によって、全体に窒化珪素膜４０５を、厚さ５０
〜１０００ｎｍ形成する。その後、例えば、６００℃程
度の低温アニールによってシリコン膜の結晶化をおこな
い、ソース、ドレイン領域の活性化をおこなう。この工
程はレーザーアニールでおこなってもよい。このように
して、ＴＦＴの中間体が得られる。

【００３３】図４の例は、本発明の例を示したに過ぎ
ず、本発明が、上記の工程に制約されないことは明らか
であろう。図４の例では、図３の例と同様に、窒化珪素
膜とゲイト電極とソースあるいはドレイン領域が隣接す
る部分がない。すなわち、図２の場合とは違って、側壁
４１４が存在するため、図２で懸念されたような問題は
ない。さらに、図３とは異なって、ドナーやアクセプタ
ーの添加は絶縁膜を通さず容易におこなえるという特徴
を有する。

【００３４】

【実施例】本発明を用いたＴＦＴの特性について記述す
る。本実施例で使用したＴＦＴは石英ガラス基板上に図
４のプロセスに従って作製したＬＤＤ型ＴＦＴである。
まず、石英ガラス基板４０１上および、その基板の裏面
に減圧ＣＶＤ法によって窒化珪素膜４０２を厚さ１００
ｎｍ形成し、さらに、連続的に減圧ＣＶＤ法によって酸
化珪素膜（低温酸化膜（ＬＴＯ膜）ともいう）４０３を
厚さ２００ｎｍ形成し、最後に、やはり減圧ＣＶＤ法に
よって非晶質シリコン膜を厚さ３０ｎｍ形成した。この
ときの最高プロセス温度は６００℃であった。そして、
以上の工程では、連続的に配置された３つの反応室より
なるＣＶＤ装置において成膜されたが、酸化珪素膜と非
晶質シリコン膜の成膜の際には、材料ガス以外にハロゲ
ン添加ガスとして塩化水素ガス（ＨＣｌ）を５体積％添
加して反応させた。その結果、酸化珪素膜と非晶質シリ
コン膜の中に塩素を添加することができた。２次イオン
質量分析法による分析では、酸化珪素膜中および非晶質
シリコン膜中の塩素の濃度は、それぞれ、２．３×１０
¹⁹個／ｃｍ³、３．１×１０¹⁹個／ｃｍ^-3であった。な
お、窒化珪素膜の原料ガスとしては、ジクロールシラン
（ＳｉＣｌ₂Ｈ₂）とアンモニア（ＮＨ₃）、酸化珪素膜
の原料ガスとしては、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）と酸素
（Ｏ₂）と塩化水素、非晶質シリコン膜の原料ガスとし
ては、ジシランと塩化水素をそれぞれ用いた。純度はい
ずれも６Ｎのものを用いた。このようにして得られた酸
化珪素膜と非晶質シリコン膜中の水素原子の量は、いず
れも１×１０¹⁹個／ｃｍ³以下であることが確認され
た。また、成膜は大気に触れることなく連続的におこな
ったため、シリコン膜においては、炭素、窒素、酸素の
濃度は１×１０¹⁸個／ｃｍ³以下であることが確認され
た。

【００３５】次に、非晶質シリコン膜を島状にパターニ
ングした。そして、その非晶質シリコン膜の表面のごく
薄い部分、厚さ２〜１０ｎｍを陽極酸化法によって酸化
した。陽極酸化はＫＮＯ₂を添加したＮメチルアセトア
ミド（ＮＭＡ）あるいはテトラハイドロフルフリルアル
コール（ＴＨＦ）を電解液とし、白金電極をカソードと
して、１０〜５０℃で定電圧法によっておこなった。陽
極酸化終了後、アルゴン雰囲気中６００℃で１２時間ア
ニールした。その後、スパッタ法によって酸化珪素膜を
１００ｎｍ形成した。ここで、スパッタ雰囲気は酸素と
アルゴンもしくは他の希ガスと塩化水素の混合気体と
し、かつ、酸素の分圧を８０％以上とした。塩化水素ガ
スの濃度は１０％とした。スパッタ成膜においては、ス
パッタ衝撃によって、下地の膜に欠陥が生じる。例え
ば、下地がシリコン膜であった場合には、シリコン中に
酸素原子が打ち込まれ、酸素の濃度が増加する。このよ
うな状態ではシリコンは極在準位の多いものとなってし
まう。すなわち、シリコンと酸化珪素の境界がはっきり
しないものとなってしまう。しかし、本実施例のように
予め薄い陽極酸化膜を形成しておけば、スパッタの際に
は既に酸化珪素が存在しているため、上記のような原子
の混合が避けられ、シリコン膜と酸化珪素膜の境界は保
たれる。

【００３６】この酸化珪素膜の形成後、減圧ＣＶＤ法に
よって、リンを１０²¹ｃｍ^-3程度含んだｎ⁺型の微結晶
珪素膜を厚さ３００ｎｍ形成した。以上の被膜形成の最
高プロセス温度は６５０℃であった。その後、ゲイト電
極のパターニングをおこないゲイト電極４１０とゲイト
絶縁膜４０４を形成した。さらに、イオン打ち込みによ
って砒素イオンを２×１０¹⁸ｃｍ^-3だけ注入し、ソース
およびドレイン領域４０７、４０９を形成した。こうし
て、図４（Ａ）を得た。

【００３７】次いで、図４（Ｂ）のように減圧ＣＶＤ法
によってＰＳＧ膜４１３を形成し、方向性エッチングに
よって、図４（Ｃ）に示される側壁４１４を形成した。
さらに、イオン打ち込み法によって砒素イオンを領域４
０７ａおよび４０９ａに５×１０²⁰ｃｍ^-3注入した。

【００３８】その後、全体に窒化珪素膜４０５を減圧Ｃ
ＶＤ法によって形成した。こうして、図４（Ｄ）を得
た。その後、真空中６２０℃で４８時間アニールして、
領域４０７ａ、４０７ｂ、４０８、４０９ａ、４０９ｂ
を活性化させた。そして、減圧ＣＶＤ法によって層間絶
縁物として、全体にＰＳＧ膜を形成し、電極用の穴を開
け、アルミ電極をソース領域およびドレイン領域に形成
した。そして、最後に、パッシベーションの目的で全体
に再び、減圧ＣＶＤ法によって窒化珪素膜を形成した。

【００３９】このようにして形成されたＴＦＴは極めて
信頼性の高いものであった。いわゆるバイアス−温度処
理（ＢＴ処理）によっても素子の動作特性が変化しない
ことが示された。ＢＴ処理とは、加温状態でソース、ド
レイン間とゲイト電極に電圧を加える処理のことで、正
常な素子であれば何ら問題が生じないが、例えば可動イ
オンが含まれているような素子では、特性の変化が見ら
れる。その様子を図６に示す。

【００４０】図６（Ａ）には、可動イオンがゲイト絶縁
膜中とチャネル領域に存在するＴＦＴが示されている。
チャネル領域にアルカリの可動イオン（図中にＡ⁺と示
される）が存在し、アルカリイオンはドナーとなるの
で、チャネル領域は弱いＮ型（Ｎ^-型）となる。この状
態を状態１とする。このＴＦＴのゲイト電極とソース、
ドレイン間に、図６（Ｂ）に示すように正のバイアス電
圧を加えると、まず、チャネル領域の可動イオン（正イ
オン）がゲイト電極から遠ざかり、チャネル領域は真性
化（Ｉ型化）する。この状態を状態２とする。この結
果、ＴＦＴのＩ_D（ドレイン電流）−Ｖ_G（ゲイト電
圧）特性は、図６（Ｄ）に示すように、右側に大きく移
動する。

【００４１】しかしながら、ゲイト絶縁膜にも可動イオ
ンが存在する場合には、ゲイト電極にかかるバイアス電
圧のために、可動イオンがゲイト電極の下部（チャネル
領域側）に集まり、結果として、チャネル領域は正の電
界を感じるようになる。そのため、チャネル領域には電
子があつまり、再び、弱くＮ型化する。この状態を状態
３とすると、図６（Ｅ）に示されるように、状態２から
状態３へＩ_D−Ｖ_G特性曲線は左へ移動する。結局、バ
イアス電圧によって、ＴＦＴの特性は最初のものに比べ
て右に移動したものとなる。

【００４２】また、逆に負のバイアスをかけた場合には
チャネル領域に可動イオンが集まり、その結果、チャネ
ル領域のＮ型化が進行し、ゲイト電圧によってドレイン
電流を制御できない状態となる。

【００４３】本実施例では、具体的には、作製後直ちに
室温でＴＦＴのゲイト電圧−ドレイン電流特性を測定し
（Ｖ_B＝０）、その後、１５０℃で１時間、ゲイト電極
に＋２０Ｖの電圧を加え、室温でＴＦＴのゲイト電圧−
ドレイン電流特性を測定し（Ｖ_B＝＋２０Ｖ）、次に、
再び、１５０℃で１時間、ゲイト電極に今度は−２０Ｖ
の電圧を加え、その後、室温でＴＦＴのゲイト電圧−ド
レイン電流特性を測定し（Ｖ_B＝−２０Ｖ）、ＴＦＴの
しきい値電圧の変動を調べた。

【００４４】図７（Ｂ）が以上に記載した方法によって
作製したＴＦＴの特性である。このように、バイアス電
圧Ｖ_Bに全く特性が影響されず、精密な測定の結果、し
きい値電圧の変動は０．２Ｖ以下であった。

【００４５】一方、図７（Ａ）に示されるものは、窒化
珪素膜４０２と４０５を設けず、かつ、ＴＦＴのいずれ
の皮膜のハロゲンの濃度をも１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下とし
たもので、それらの点以外は本実施例に示した方法と全
く同じプロセスで作製したものであるが、図から明らか
なように特性がＶ_Bに大きく依存してしまっている。図
７（Ｂ）のしきい値電圧の変動幅から本実施例で作製し
たＴＦＴのゲイト電極中の可動イオンの量は８×１０¹⁰
ｃｍ^-3程度であると推定される。以上の測定後、本実施
例で製作したＴＦＴのシリコン膜（チャネル領域）とゲ
イト絶縁膜中のナトリウム、カリウム、リチウムの濃度
を調べたところ、それぞれ、３×１０¹⁷ｃｍ^-3、７×１
０¹⁵ｃｍ^-3、５×１０¹⁵ｃｍ^-3であった。このようにか
なり多量のアルカリ元素が存在していたにも関わらず、
可動イオンの量が少ないのは、ハロゲン（この場合は塩
素）によって、固定化されてしまったためであろうと推
測される。対比のために作製したＴＦＴでは、ナトリウ
ム、カリウム、リチウムの濃度を調べたところ、それぞ
れ、７×１０¹⁸ｃｍ^-3、２×１０¹⁶ｃｍ^-3、４×１０¹⁹
ｃｍ^-3というように多量に含まれていた。このことか
ら、本発明の窒化珪素膜によるブロッキングの効果も推
測される。すなわち、本発明のように窒化珪素膜を設
け、かつ、ハロゲン元素をＴＦＴ（この場合はチャネル
領域を含むシリコン膜とゲイト絶縁膜）中に添加するこ
とによって、ＴＦＴの特性を著しく改善し、信頼性を向
上せしめることが可能であることが示された。

【００４６】

【発明の効果】本発明によって、ナトリウム等の可動イ
オンの影響の少ないＴＦＴ等の薄膜状半導体素子を作製
することができる。従来、可動イオンが存在するため素
子が形成できなかった基板においても、ＴＦＴを形成す
ることが可能となった。本発明を実施するには、図１な
いし図４のようにコプラナ型であっても、また、逆コプ
ラナ型やスタガ型、逆スタガ型のＴＦＴを用いても構わ
ない。また、本発明は、薄膜状半導体素子の動作につい
て制約を加えるものではないので、トランジスタのシリ
コンはアモルファスであっても、多結晶であっても、微
結晶であっても、またそれらの中間状態のものであって
も、さらには単結晶であっても構わないことは明らかで
あろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＴＦＴの例を示す。

【図２】本発明によるＴＦＴの例を示す。

【図３】本発明によるＴＦＴの例を示す。

【図４】本発明によるＴＦＴの作製例を示す。

【図５】従来のＴＦＴの例を示す。

【図６】可動イオンによるＴＦＴの特性への影響を示
す。

【図７】本発明を利用したＴＦＴと利用しないＴＦＴの
特性を示す。

【符号の説明】

１０１絶縁性基板１０２第１のブロッキング膜１０３緩衝絶縁膜１０４ゲイト絶縁膜１０５第２のブロッキング膜１０６層間絶縁膜１０７ソース（ドレイン）領域１０８チャネル領域１０９ドレイン（ソース）領域１１０ゲイト電極１１１ソース（ドレイン）電極１１２ドレイン（ソース）電極

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年７月２６日（２０００．７．２
６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面に接する窒化珪素でなる第１の
ブロッキング膜と、前記ブロッキング膜の上方に形成された薄膜トランジス
タと、前記薄膜トランジスタを包んで形成された窒化珪素でな
る第２のブロッキング膜と、を有する半導体装置。