JP2005294865A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動イオンを含有する絶縁性基板および薄膜トランジスタを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】 可動イオンを含有する絶縁性基板と、薄膜トランジスタの間に窒化珪素膜、ハロゲンを含む酸化珪素膜を形成する。薄膜トランジスタの半導体層はハロゲンを含む酸化珪素膜上に形成される。また、薄膜トランジスタの半導体膜、ゲイト絶縁膜のいずれ一方にハロゲン元素を含有させることにより、基板やその他外部からの可動イオンの侵入を阻止する。これにより、絶縁性基板に含まれる可動イオンの影響をなくすことができる。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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／ｃｍ³、好ましくは１×１０¹⁹〜１×１０²⁰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。

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。

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。

皮膜１０３上にはＴＦＴが形成される。ＴＦＴ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１０８、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。

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。

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。

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ＴＦＴ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。

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。

図２において、２０１は絶縁性基板、２０２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、３０６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。

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。

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（ＳｉＣｌ₂Ｈ₂ ）とアンモニア（ＮＨ₃ ）を用い、圧力１０〜１０００Ｐａで５００〜８００℃、好ましくは５５０〜７５０℃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。

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。

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。

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。

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、ＣＶＤ法の場合よりやや濃度を多くする必要がある。

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２０〜５００ｎｍ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４０３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４０３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／ｃｍ³ 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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４０９ａ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４０９ｂとなって、ＬＤＤを形成する。こうして、図４（Ｃ）を得る。

その後、図４（Ｄ）に示すように、減圧ＣＶＤ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。

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。

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１００ｎｍ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、２．３×１０¹⁹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。

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。

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。

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４０７ａおよび４０９ａに５×１０²⁰ｃｍ^-3注入した。

その後、全体に窒化珪素膜４０５を減圧ＣＶＤ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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８×１０¹⁰ｃｍ^-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、７×１０¹⁵ｃｍ^-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、４×１０¹⁹ｃｍ^-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。

本発明によるＴＦＴの例を示す。 本発明によるＴＦＴの例を示す。 本発明によるＴＦＴの例を示す。 本発明によるＴＦＴの作製例を示す。 従来のＴＦＴの例を示す。 可動イオンによるＴＦＴの特性への影響を示す。 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

Claims (11)

1. 可動イオンを含有する絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板に接して形成された窒化珪素膜と、
   前記第窒化珪素膜上に接して形成されたハロゲン元素を含む酸化珪素膜と、
   前記酸化珪素膜上に接して形成された半導体膜と、
   前記半導体膜上に接して形成されたハロゲン元素を含むゲイト絶縁膜と、
   前記ゲイト絶縁膜上に形成されたゲイト電極と、
   を有し、
   前記半導体膜には、チャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域が設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 可動イオンを含有する絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板に接して形成された窒化珪素膜と、
   前記窒化珪素膜上に接して形成されたハロゲン元素を含む酸化珪素膜と、
   前記酸化珪素膜上に接して形成された半導体膜と、
   前記半導体膜上に接して形成されたハロゲン元素を含むゲイト絶縁膜と、
   前記ゲイト絶縁膜上に形成されたゲイト電極と、
   を有し、
   前記半導体膜には、チャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域およびＬＤＤ領域が設けられていることを特徴とする半導体装置。
3. 可動イオンを含有する絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板に接して形成された窒化珪素膜と、
   前記窒化珪素膜上に接して形成されたハロゲン元素を含む第１の酸化珪素膜と、
   前記第１の酸化珪素膜上に接して形成されたハロゲン元素を含む半導体膜と、
   前記半導体膜上に接して形成されたハロゲン元素を含む第２の酸化珪素膜と、
   前記第２の酸化珪素膜を介して、前記半導体膜上に形成されたゲイト電極と、
   を有し、
   前記半導体膜には、チャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域が設けられていることを特徴とする半導体装置。
4. 可動イオンを含有する絶縁性基板と、
   前記絶縁性基板に接して形成された窒化珪素膜と、
   前記窒化珪素膜上に接して形成されたハロゲン元素を含む第１の酸化珪素膜と、
   前記第１の酸化珪素膜上に接して形成されたハロゲン元素を含む半導体膜と、
   前記半導体膜上に接して形成された第２のハロゲン元素を含む酸化珪素膜と、
   前記第２の酸化珪素膜を介して、前記半導体膜上に形成されたゲイト電極と、
   を有し、
   前記半導体膜には、チャネル形成領域、ソース領域、ドレイン領域およびＬＤＤ領域が設けられていることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項において、前記半導体膜は、前記ハロゲン元素の濃度が１×１０¹⁸〜５×１０²⁰個／ｃｍ³であることを特徴とする半導体装置。
   半導体装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項において、前記ハロゲン元素は塩素であることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項において、前記ハロゲン元素は弗素であることを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項において、前記半導体膜は、アモルファス、多結晶または単結晶の半導体でなることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項において、前記半導体膜は、シリコン、ゲルマニウム、またはシリコンとゲルマニウムの合金でなることを特徴とする半導体装置。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項において、前記窒化珪素膜は、化学式ＳｉＮ_x（１．０≦ｘ≦１．７）で示されることを特徴とする半導体装置。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項において、前記窒化珪素膜は、膜厚が５０〜１０００ｎｍであることを特徴とする半導体装置。

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