JP3208011B2

JP3208011B2 - 絶縁ゲイト型電界効果半導体装置

Info

Publication number: JP3208011B2
Application number: JP15287994A
Authority: JP
Inventors: 聡寺本
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 2001-09-10
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: JPH07335902A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁基板上に形成され
る薄膜半導体を用いた絶縁ゲイト型電界効果半導体装置
（一般に薄膜トランジスタまたはＴＦＴと呼ばれる）の
構成、及びその作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、絶縁基板（特にガラス基板）
上に形成された薄膜半導体を用いた絶縁ゲイト型電界効
果半導体装置（以下ＴＦＴという）が知られている。こ
れら絶縁基板上に形成されたＴＦＴは、液晶ディスプレ
ーやイメージセンサーといった装置に利用されている。

【０００３】そして、上記のようなＴＦＴにおいては、
ゲイト絶縁膜として酸化珪素（SiO₂) が用いられるのが
普通である。

【０００４】またＴＦＴの活性層としては、結晶性珪素
膜を用いることが高い特性を得るためには必要である。
結晶性珪素膜の作製方法としては、減圧熱ＣＶＤ法等に
より微結晶構造を有する珪素膜を直接成膜する方法、非
晶質珪素膜に加熱処理やレーザー光の照射を行うことに
よって、結晶性を与える方法等がある。

【０００５】いずれの場合であっても単結晶構造を得る
ことは現状では不可能である。即ち、得られる結晶性珪
素膜の形態は、多結晶構造や微結晶構造、さらには結晶
構造と非晶質構造との混在した状態、さらには結晶構造
が含まれた構造となる。

【０００６】上記のような結晶構造は、珪素の不対結合
手が多量に存在しているので、その中和（終端化）のた
めに水素を活性層中に含ませる必要がある。即ち活性層
の水素化を行う必要がある。

【０００７】しかし一方でゲイト絶縁膜中に水素が含ま
れることは極力避けなければならない。これは、ＴＦＴ
の動作中においてゲイト絶縁膜中に可動イオンが存在す
ると、ヒステリシスが生じたり、しきい値の変動が生じ
たりすることの原因となるからである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来のＴＦＴをガラス
基板上に形成した場合、装置全体が静電気を帯びやすい
ので、ゲイト絶縁膜がその静電気によって絶縁破壊して
しまう問題がある。即ち静電気の帯電によって、ゲイト
絶縁膜を境にして高電圧が印加された状態になり、その
電圧にゲイト絶縁膜が耐えられなくなってしまうという
問題があった。

【０００９】上記問題は、酸化珪素（SiO₂) 膜のエネル
ギーバンドギャップ(Eg)が約８eVと大きく、その比誘電
率が約3.8 と比較的小さいことに起因すると考えられ
る。

【００１０】また酸化珪素膜の代わりに、Egが約５eVで
あり、比誘電率が約７である窒化珪素(Si₃N₄) 膜をゲイ
ト絶縁膜として用いることも考えられるが、窒化珪素膜
をゲイト絶縁膜として用いた場合には、Siクラスタが電
荷捕獲中心となるので、Ｃ−Ｖ特性にヒステリシスが出
てしまう。また、Ｂ−Ｔ処理において、ΔＶ_thが約10Ｖ
程度動いてしまうという不都合がある。即ち、窒化珪素
をゲイト絶縁膜として用いた場合には、その絶縁膜中に
電荷捕獲中心が存在することになるので、絶縁膜として
は好ましいものではない。

【００１１】そこで、本明細書で開示する発明では、（１）静電気によって静電破壊しにくいゲイト絶縁膜を
提供する。（２）その内部に電荷捕獲中心が存在しにくいゲイト絶
縁膜を提供する。といった点を課題とする。

【００１２】また、活性層中には水素を含ませることが
必要であるが、活性層中に水素を含ませた場合、この活
性層中の水素が隣接するゲイト絶縁膜に拡散してしまう
という問題がある。このことは、活性層に接するゲイト
絶縁膜中には水素が含まれないようにする必要があると
いう問題と両立しない。

【００１３】そこで、本明細書で開示する発明において
は、活性層中のイオンがゲイト絶縁膜中に拡散しないよ
うなゲイト絶縁膜を提供することを別な課題とする。

【００１４】また、ゲイト電極として金属を主成分とし
た材料を採用した場合、この金属材料とゲイト絶縁膜を
構成する半導体成分とが合金化してしまうという問題が
ある。そこで、本明細書で開示する発明においては、金
属材料成分を含んだゲイト電極からゲイト絶縁膜中にゲ
イト電極中の金属成分が拡散しないような構成を提供す
ることをさらなる課題とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本明細書で開示する発明
の一つは、絶縁ゲイト型電界効果半導体装置であって、
ゲイト絶縁膜が、ＳｉＯ_xＮ_yで示される材料で構成さ
れており、該材料中において、膜厚方向に対してＮの組
成比率が変化していることを特徴とする半導体装置、を
要旨とするものである。特に絶縁基板上に上記構成を有
すＴＦＴを形成することは、静電気による静電破壊を防
ぐ上で有用である。

【００１６】さらに、上記ＳｉＯ_xＮ_yで示される材料
で構成されるゲイト絶縁膜中には塩素(Cl)が添加されて
いることを特徴とするものである。

【００１７】またさらに、上記塩素が添加されたＳｉＯ
_xＮ_yで示される材料を形成する際に、塩素を膜中に添
加するために、原料ガスとしてクロールシラン、または
ジクロールシランを用いた気相法を用いることを特徴と
するものである。

【００１８】そして、上記ＳｉＯ_xＮ_yで示される材料
は、そのエネルギーバンドギャップが5.3 〜7.0 eVであ
り、比誘電率が４〜６であり、ｘ及びｙが、０＜ｘ＜
２、０＜ｙ＜4/3 を満たすことを特徴とするものであ
る。上記ｘ及びｙは、作製条件によって変更が可能であ
り、実施態様に合わせて設定すればよい。またその組成
は、Ｏが１原子％以上、好ましくは１０原子％以上含ま
れ、同時にＮが0.001 原子％以上、好ましくは0.1 原子
％以上含まれていることが必要である。

【００１９】ＳｉＯ_xＮ_yで示される材料を形成する方
法として、ＰＣＶＤ法(13.56MHz)、ＬＰＣＶＤ法、光Ｃ
ＶＤ法、パルス波形を印加するＰＣＶＤ法等の気相法を
用いることができる。

【００２０】また、ＳｉＯ_xＮ_yで示される絶縁膜中に
は必要に応じて、他のハロゲン元素や不純物を人為的に
ドーピングすることも可能である。

【００２１】本明細書で開示する他の発明の構成は、ゲ
イト絶縁膜がＳｉＯ_xＮ_yで示される薄膜で構成されて
おり、前記ゲイト絶縁膜中において、Ｎの組成比率がゲ
イト電極および／または活性層との界面において最大と
なっていることを特徴とする。

【００２２】上記構成において、ＳｉＯ_xＮ_yで示され
る薄膜におけるＮ（窒素）の組成比率をゲイト電極およ
び／または活性層との界面において最大とするというの
は、以下のような場合をいう。図４〜図６に示すのは、
ＳｉＯ_xＮ_yで示されるゲイト絶縁膜中におけるＮ（窒
素）の組成比率（縦軸）とゲイト絶縁膜の膜厚方向にお
ける位置との関係を示したものである。

【００２３】図４に示すのは、ゲイト絶縁膜と活性層と
の界面において、Ｎの組成比率が最大となるようにした
例である。また図５に示すのは、ゲイト絶縁膜とゲイト
電極との界面でＮの組成比率が最大となるようにした例
である。また図６に示すのは、ゲイト絶縁膜と活性層と
の界面、およびゲイト絶縁膜とゲイト電極との界面の両
方において、Ｎの組成比率が最大となるようにした例で
ある。なおここでいう最大というのは、組成比率が相対
的に一番大きくなっているという意味である。

【００２４】上記構成において、活性層中に珪素の結晶
化を助長する金属元素が含まれている場合において、ゲ
イト絶縁膜と活性層との界面でＮの組成比率が最大とな
るようにすることで、活性層中からこれら金属元素がゲ
イト絶縁膜中に拡散してしまうことを防ぐことができ
る。これは、Ｎの組成比率を大きくすることで、Ｓｉ−
Ｎ結合を利用したバリア層を構成できるからである。

【００２５】上記のような金属元素は、珪素に対して侵
入型の元素であることが必要である。具体的には、これ
ら金属元素としては、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、
Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕから選ばれた一種
または複数種類の元素を用いることができる。

【００２６】上記に列挙した金属元素は、加熱処理工程
において、珪素膜中に拡散していく。そして、上記の進
入型の元素が、拡散していくのと同時に珪素の結晶化が
進行していく。即ち、上記進入型の金属は、拡散してい
った先々でもって触媒的な作用でもって非晶質珪素膜の
結晶化を助長する。

【００２７】また上記進入型の元素は、珪素膜中に速や
かに拡散していってしまうので、その導入量（添加量）
が重要となる。即ち、その導入量が少ないと、結晶化を
助長する効果が小さく、良好な結晶性を得ることができ
ない。またその導入量が多過ぎると、珪素の半導体特性
が損なわれてしまう。

【００２８】従って、非晶質珪素膜への上記金属元素の
導入量の最適範囲が重要となる。例えば、上記結晶化を
助長する金属元素としてＮｉを利用する場合、結晶化さ
れた珪素膜中における濃度が１×１０¹⁵ｃｍ^-3以上とな
るように非晶質珪素膜中にＮｉ元素の導入量を制御する
ことにより、結晶化を助長する効果を得ることができ
る。また結晶化された珪素膜中におけるＮｉの濃度が１
×１０¹⁹ｃｍ^-3以下となるようにＮｉ元素の導入量を制
御すれば、半導体特性が阻害されることがないことが判
明している。ここでいう濃度とは、ＳＩＭＳ（２次イオ
ン分析法）によって得られる最小値によって定義され
る。また、上記に挙げたＮｉ以外の金属元素について
も、Ｎｉと同様の濃度範囲においてその効果を得ること
ができる。

【００２９】上記に列挙した金属元素以外にＡｌやＳｎ
を用いた場合にも、非晶質珪素膜の結晶化を助長させる
ことができる。しかしＡｌやＳｎは、珪素と合金を形成
してしまい珪素膜中に拡散進入していかない。この場
合、結晶化は珪素と合金を形成した部分が結晶核となっ
て、その部分から結晶成長が進行していく。このように
ＡｌやＳｎを用いた場合には、ＡｌやＳｎを導入した部
分（即ちこれら元素と珪素との合金層）からしか結晶成
長が行われないので、前述のＮｉ等の進入型の元素を用
いた場合に比較して、その結晶性が一般に悪いという問
題がある。例えば、一様に結晶化した結晶性珪素膜を得
ることが困難であるという問題がある。さらに合金層の
存在がデバイスの作製にさいして障害となる問題、さら
には合金層が存在することによってデバイスの信頼性が
低下する問題が存在する。

【００３０】

【作用】ＳｉＯ_xＮ_yは、Egが5.3 〜７.0Egであり、比
誘電率が４〜６であるので、フロアノートハイム電流
（絶縁膜を介したトンネル電流）を酸化珪素膜より約１
桁多く流すことができ、静電破壊に到ることを抑制する
ことができる。

【００３１】また、ゲイト絶縁膜であるＳｉＯ_xＮ_y膜
には、酸素が含まれており、この酸素がヒステリシスを
無くすように作用し、さらにＮ（ＳｉＮ結合）がＮａ
や、重金属（ＦｅやＮｉやＣｏ）イオンのドリフトを防
ぐように作用する。

【００３２】さらに、塩素（Ｃｌ）が添加されているの
で、ＮａイオンやＦｅイオンをＮａＣｌやＦｅＣｌとし
て中和（固定化）させることができ、さらにゲイト絶縁
膜中における不純物イオンの悪影響を抑えることができ
る。

【００３３】また、ＳｉＯ_xＮ_yで示されるゲイト絶縁
膜中において膜厚方向においてＮの組成比率を変化させ
ることで、膜厚方向における任意の層にバリア層を形成
することができる。特に、ＳｉＯ_xＮ_yで示されるゲイ
ト絶縁膜と活性層との界面において、Ｎの組成比率を最
大とすることによって、この部分にバリア層を形成する
ことができ、このバリア層の作用によって、活性層中か
ら拡散してくる水素イオンや金属イオンがゲイト絶縁膜
中に侵入してしまうことを防ぐことができる。

【００３４】また、ＳｉＯ_xＮ_yで示されるゲイト絶縁
膜とゲイト電極との界面において、Ｎの組成比率を最大
とすることによって、この部分にバリア層を形成するこ
とができ、このバリア層の作用によって、ゲイト電極か
ら拡散してくるゲイト電極を構成する材料成分がゲイト
絶縁膜中に侵入してしまうことを防ぐことができる。

【００３５】

【実施例】

〔実施例１〕本発明を利用して、ＴＦＴを作製する例を
図１に示す。まず、ガラス基板（コーニング７０５９、
３００ｍｍ×３００ｍｍもしくは１００ｍｍ×１００ｍ
ｍ）１０１上に下地酸化膜１０２として厚さ１０００Å
〜３０００Åの酸化珪素膜を形成する。この酸化珪素膜
には、塩素を添加し、Ｎａや重金属の可動イオンの影響
を抑えるようにする。

【００３６】この酸化膜の形成方法としては、酸素雰囲
気中でのスパッタ法やＴＥＯＳをプラズマＣＶＤ法で分
解・堆積した膜を４５０〜６５０℃でアニールする方法
を採用すればよい。塩素の添加は、雰囲気中に添加して
もよいし、スパッタ法を用いる場合には、ターゲットに
添加してもよい。

【００３７】その後、プラズマＣＶＤ法（ＰＣＶＤ法）
やＬＰＣＶＤ法によって非晶質珪素膜１０３を３００〜
１５００Å、好ましくは５００〜１０００Å堆積する。
この非晶質珪素膜１０３は、ソース領域、チャネル形成
領域、ドレイン領域を構成する活性層となる。

【００３８】ここで、非晶質珪素膜を用いたＴＦＴを作
製するのであれば、この非晶質珪素膜１０３の上にゲイ
ト絶縁膜を形成すればよい。また、結晶性の珪素膜を用
いるのであれば、ここで熱アニール（６００度以下で行
うのが好ましい）やレーザー光の照射による結晶化を行
えばよい。なお結晶化の際には、酸化珪素膜等で保護膜
１０４を珪素膜の汚染防止のために設けるのが効果的で
ある。

【００３９】つぎに、活性層となる珪素膜１０３をパタ
ーニングし、活性層１０５と１０６を形成する。そして
この活性層１０５と１０６を覆って、ゲイト絶縁膜とな
るＳｉＯ_xＮ_y膜１０７を２００〜１５００Åの厚さに
形成する。ＳｉＯ_xＮ_y膜は、比誘電率が４〜６であ
り、酸化珪素膜の比誘電率3.8 に比較して、約50％大き
いので、電気的に同じ条件を得るのに、その膜厚を酸化
珪素膜の場合と比較して50％厚くすることができる。電
気的に同じ条件でゲイト絶縁膜の膜厚を厚くできること
は、絶縁耐圧の問題（同じ電圧が印加された場合、膜厚
が厚い方が電界が弱くなる）、さらにはピンホールを経
由してのリークの問題に対して有利である。

【００４０】形成方法は、クロールシランやジクロール
シランを原料ガスとして用いたＰＣＶＤ法を用いる。形
成条件は、基板温度を300 度〜600 度として、印加する
高周波エネルギーとして、13.56MHzの高周波を用いる。
コーニング7059に代表されるガラス基板は、一般にガラ
ス転移温度が600 〜900 度であり、プロセス温度として
は、600 度以下の温度であることが好ましい。

【００４１】例えば、原料ガスとして、ジクロールシラ
ン(SiH₂Cl₂) を用いた場合、反応ガスとしてこのジクロ
ールシラン以外に、アンモニア(NH₃) と一酸化窒素(N
₂O) とを用いれば、気相反応の結果、ＳｉＯ_xＮ_yとＨ
ＣｌとＨ₂ Ｏとが生成され、Ｃｌ（塩素）が添加された
ＳｉＯ_xＮ_y膜が得られる。また原料ガスとして、クロ
ールシランを用いた場合にも同様に膜中にＣｌを添加す
ることができる。

【００４２】このＳｉＯ_xＮ_y膜１０７の形成方法とし
ては、印加電圧をパルス化したＰＣＶＤ法、さらにはＬ
ＰＣＶＤ法、さらには光ＣＶＤ法を利用することができ
る。

【００４３】この後、必要に応じて、活性層１０５、１
０５とゲイト絶縁膜１０７との界面特性を改善するた
め、水素雰囲気中で３５０℃，２時間のアニールを行
う。

【００４４】その後、厚さ２０００Å〜５μｍのアルミ
ニウム膜を電子ビーム蒸着法によって形成して、これを
パターニングし、図１（Ｃ）に示すようにゲイト電極１
０８、１０９を形成する。

【００４５】その後、イオンドーピング法によって、各
ＴＦＴの島状シリコン膜中に、ゲイト電極部をマスクと
して自己整合的に一導電型を付与する不純物を注入す
る。この際には、最初に全面にフォスフィン（ＰＨ₃ ）
をドーピングガスとして燐を注入し、その後、図の島状
領域１０５だけをフォトレジストで覆って、ジボラン
（Ｂ₂ Ｈ₆ ）をドーピングガスとして、島状領域１０６
だけに硼素を注入する。ドーズ量は、燐は２〜８×１０
¹⁵ｃｍ^-2、硼素は４〜１０×１０¹⁵ｃｍ^-2とし、硼素の
ドーズ量が燐を上回るように設定する。

【００４６】さらに、図１（Ｄ）に示すようにＫｒＦエ
キシマーレーザー（波長２４８ｎｍ、パルス幅２０ｎｓ
ｅｃ）を照射して、上記不純物領域の導入によって、結
晶性の劣化した部分の結晶性を改善させるとともに、注
入された不純物の活性化を行う。レーザーのエネルギー
密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ² 、好ましくは２５０
〜３００ｍＪ／ｃｍ² とする。

【００４７】こうして、Ｎ型不純物領域を領域１１０、
１１１に、Ｐ型不純物領域を領域１１２、１１３に形成
する。これらの領域のシート抵抗は２００〜８００Ω／
ｃｍ²である。

【００４８】その後、全面に層間絶縁物１１４として、
ＴＥＯＳを原料として、これと酸素とのプラズマＣＶＤ
法、もしくはオゾンとの減圧ＣＶＤ法あるいは常圧ＣＶ
Ｄ法によって酸化珪素膜を厚さ３０００Å形成した。基
板温度は１５０〜４００℃、好ましくは２００℃〜３０
０℃とした。

【００４９】そして、ＴＦＴのソース／ドレインにコン
タクトホールを形成し、アルミニウム配線１１５〜１１
７を形成する。図１（Ｅ）には、左側のＮＴＦＴ（Ｎチ
ャネル型薄膜トランジスタ）と右側のＰＴＦＴ（Ｐチャ
ネル型薄膜トランジスタ）でインバータ回路が形成され
ていることが示されている。

【００５０】珪素膜１０３を熱アニールにより結晶化さ
せた場合、ＴＦＴの移動度はＮＴＦＴで５０〜１００ｃ
ｍ² ／Ｖｓ、ＰＴＦＴで３０〜１００ｃｍ² ／Ｖｓが得
られる。本実施例では最高プロセス温度は６００℃以下
であるので、コーニング７０５９等の無アルカリガラス
であれば、基板の縮みやソリ等は皆無である。このた
め、基板が本実施例の如く大きなものであってもパター
ンのずれが発生することはほとんどなく、したがって、
大面積ディスプレーもしくはその駆動回路に応用する上
で都合がよい。

【００５１】〔実施例２〕本実施例の作製工程の概略を
図２に示す。本実施例は、アクティブマトリクス型の液
晶表示装置の画素駆動に用いるＴＦＴの作製例である。

【００５２】基板２０１としてはコーニング７０５９ガ
ラス基板（厚さ１．１ｍｍ、３００×４００ｍｍ）を使
用する。このガラス基板には、ガラス基板中からのナト
リウム等の不純物がＴＦＴ中に拡散しないように、プラ
ズマＣＶＤ法で全面に厚さ５０〜５００Å、好ましくは
５０〜２００Åの窒化珪素膜２０２が形成してある。

【００５３】まず、上記のガラス基板上に下地酸化膜２
０３（酸化珪素）を形成する。その後、ＬＰＣＶＤ法も
しくはプラズマＣＶＤ法で非晶質珪素膜２０４（厚さ３
００〜１５００Å、好ましくは３００〜５００Å）を形
成し、４００℃で１時間脱水素化を行った後、これをパ
ターニングして島状の半導体領域（ＴＦＴの活性層）２
０４を形成する。

【００５４】さらに実施例１と同様な方法により、Ｓｉ
Ｏ_xＮ_y膜をゲイト絶縁膜２０５として形成する。勿
論、ゲイト絶縁膜を形成する前に、非晶質珪素膜２０４
をレーザー光の照射、または熱アニール（６００度以下
で行うのが好ましい）によってその結晶化を助長させ、
結晶性シリコン（微結晶、多結晶、、ポリシリコン、セ
ミアモルファス等の結晶性を有するシリコン膜の総称）
としてもよい。

【００５５】次に、実施例１と同じ要領でアルミニウム
のゲイト電極２０６を形成し、基板ごと電解溶液に浸漬
して、これを陽極として通電し、ゲイト電極等のアルミ
ニウム配線表面に陽極酸化物の被膜２０９を形成する。
このような陽極酸化の技術は本発明人等の出願である特
願平４−３０２２０、同４−３８６３７、および同４−
５４３２２に記述されている。この工程の完了した様子
を図２（Ｂ）に示す。また、陽極酸化工程が終了した後
に、逆に負の電圧、例えば−１００〜−２００Ｖの電圧
を０．１〜５時間印加してもよい。このときには、基板
温度は１００〜２５０℃、代表的には１５０℃とするこ
とが好ましい。

【００５６】この工程によって、酸化珪素中あるいは酸
化珪素とシリコン界面にあった可動イオンがゲイト電極
（Ａｌ）に引き寄せられる。このように、陽極酸化後、
もしくは陽極酸化中にゲイト電極に負の電圧を印加する
技術は、本発明人等の出願の特願平４−１１５５０３
（平成４年４月７日出願）に記述されている。

【００５７】またこのゲイト電極２０６の側面の酸化物
の被膜２０９は、後のイオン注入の際にマスクとなり、
オフセットゲイト構造を形成することができる。

【００５８】その後、Ｐ型の不純物として、硼素をイオ
ンドーピング法で活性層２０４に自己整合的に注入し、
ＴＦＴのソース／ドレイン領域２０８、２０９を形成
し、さらに、図２（Ｃ）に示すように、これにＫｒＦエ
キシマレーザー光を照射して、このイオンドーピングの
ために結晶性の劣化した珪素膜の結晶性を改善する。こ
のときにはレーザー光のエネルギー密度は２５０〜３０
０ｍＪ／ｃｍ² と設定する。このレーザー照射によっ
て、このＴＦＴのソース／ドレインのシート抵抗は３０
０〜８００Ω／ｃｍ²となる。

【００５９】またこの時、酸化物の被膜２０９の作用
で、自己整合的にオフセットゲイト構造が実現される。

【００６０】その後、ポリイミドによって層間絶縁物２
１０を形成し、さらに、画素電極２１１をＩＴＯによっ
て形成する。そして、コンタクトホールを形成して、Ｔ
ＦＴのソース／ドレイン領域にクロム／アルミニウム多
層膜で電極２１２、２１３を形成し、このうち一方の電
極２１３はＩＴＯにも接続するようにする。クロム／ア
ルミニウム多層膜は、下層にクロム膜２００〜２０００
Å、典型的には１０００Å、上層にアルミニウム膜１０
００〜２００００Å、典型的には５０００Åが堆積され
てできている。これらは連続的にスパッタ法にて形成す
ることが望まれる。

【００６１】最後に、水素中で２００〜３００℃の温度
で２時間アニールして、シリコンの水素化を完了する。
このようにして、ＴＦＴが完成する。

【００６２】ここで示したのは、一つの画素に一つの駆
動用のＴＦＴ（Ｐチャネル型ＴＦＴ）が形成された例で
あるが、上記の工程を同時に行うことで、多数のＴＦＴ
をマトリクス状に配列せしめ、アクティブマトリクス型
液晶表示装置を作製することができる。

【００６３】本発明の他の応用例としては、金属配線が
形成された後の半導体集積回路において、ＴＦＴを形成
する、いわゆる３次元ＩＣが挙げられる。その他にも様
々な応用が可能である。

【００６４】〔実施例３〕本実施例は、ゲイト電極を金
属を主成分材料とした構成において、ゲイト電極を構成
する金属成分（この場合アルミニウム）がゲイト絶縁膜
に拡散し、そこで合金化してしまうことを防ぐ構成に関
する。

【００６５】図３に本実施例で示すＴＦＴの作製工程を
示す。まずガラス基板３０１上にＳｉＯ_xＮ_yで示され
る薄膜３０２をジクロールシランを用いたプラズマＣＶ
Ｄ法により１０００Åの厚さに形成する。さらにプラズ
マＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法により非晶質珪素膜３
０３を１０００Åの厚さに形成する。

【００６６】そしてスピンコート法により酢酸ニッケル
塩を非晶質珪素膜３０３上にコートする。これは、結晶
化を助長する金属元素であるニッケルを非晶質珪素膜に
導入するためである。そして不活性雰囲気中において５
５０度、４時間の加熱処理を行い非晶質珪素膜３０３を
結晶化させ結晶性珪素膜を得る。なお結晶性珪素膜中に
含有させるニッケル元素の濃度は、１×１０¹⁵ｃｍ^-3〜
１×１０¹⁹ｃｍ^-3とすることが望ましい。これは、１×
１０¹⁵ｃｍ^-3以下では結晶化の際の助長効果が小さく、
１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上では珪素の半導体特性が失われて
しまうからである。

【００６７】非晶質珪素膜を結晶化させ結晶性珪素膜を
得たら、水素イオン注入を行う。こうして、結晶性珪素
膜中に水素イオンの注入を行い、注入された水素によっ
て結晶性珪素膜中における珪素の不対結合手を中和させ
る。水素イオンを結晶性珪素膜中に含ませる方法として
は、水素イオンの注入の他に水素雰囲気中における加熱
による方法、水素プラズマ雰囲気中に試料をさらす方法
を挙げることができる。そしてパターニングを行いＴＦ
Ｔの活性層３０４を形成する。なお、前記の水素イオン
の注入は、この活性層３０４の形成後に行ってもよい。

【００６８】活性層３０４を形成したら、ゲイト絶縁膜
としてＳｉＯ_xＮ_yで示される薄膜３０５を形成する。
このゲイト絶縁膜として機能するＳｉＯ_xＮ_yで示され
る薄膜３０５は、その組成を漸次変化させていることを
特徴とする。ここでは、図４に示すような組成で成膜を
行うことを特徴とする。

【００６９】図４は、横軸に活性層からゲイト電極に至
る位置を示し、縦軸に窒素（Ｎ）の組成比率を示すもの
である。図４において、ｍａｘは0.1 原子％〜30原子
％、ｍｉｎは0.001 原子％〜３原子％である。この値は
窒素原子の組成比率を示すものである。図４に示すよう
な組成比率を得るためには、例えば原料ガスとしてＳｉ
Ｈ₄ とＯ₂ とＮＨ₄ とを用い、ＮＨ₄ の混合比を制御す
ることによって行う。即ち、ゲイト絶縁膜であるＳｉＯ
_xＮ_y膜の成膜開始時から成膜進行中において徐々にＮ
Ｈ₄ の混合比を低下させることによって、図４に示すよ
うな窒素の組成比率を得る。原料ガスとしては、Ｓｉ₂
Ｈ₆ のような高次のシラン系ガス、Ｎ₂ ０ガス等を用い
ることもできる。

【００７０】図４に示すような窒素の組成比率とするこ
とによって、活性層とゲイト絶縁膜との界面およびその
近傍のゲイト絶縁膜において窒素が多く含まれる構成と
することができる。珪素と窒素の結合は緻密であり高い
バリア効果を有している。即ち、Ａで示される領域は、
活性層から進入してくる水素イオンやニッケルイオンを
防止するバリアの役割を果たす。またＡ以外の領域にお
いては、窒素の組成比率が低いので、窒化珪素膜におい
て問題となるSiクラスタに起因する電荷捕獲中心を少な
くすることができる。またゲイト絶縁膜全体としては、
ＳｉＯ_xＮ_y膜として得られる有意性を持っている。即
ち、本実施例の構成を採用することで、ＳｉＯ_xＮ_y膜
が有している有意性に加えて、活性層から各種イオンが
ゲイト絶縁膜中に進入することを防止する有意性を得る
ことができる。

【００７１】ゲイト絶縁膜３０５を形成したら、アルミ
ニウムを主成分とする薄膜を５０００Åの厚さに形成す
る。そしてこのアルミニウムを主成分とする薄膜をパタ
ーニングして、ゲイト電極３０６を形成する。ゲイト電
極３０６を形成したらこのゲイト電極を陽極として電解
溶液中で陽極酸化を行い、酸化物層３０７を形成する。
この酸化物層３０７は２０００Åの厚さに形成する。こ
の酸化物層３０７が存在することによって、後の不純物
イオン注入工程において、オフセットゲイト領域を形成
することができる。

【００７２】次に不純物イオンの注入を行いソース領域
３０８、ドレイン領域３１０、チャネル形成領域３０９
を自己整合的に形成する。また同時にオフセットゲイト
領域３１１が形成される。ここではＮチャネル型のＴＦ
Ｔを形成するためにＰ（リン）イオンの注入を行う。不
純物イオンの注入終了後、レーザー光または強光を照射
することにによって、ソース領域３０８とドレイン領域
３１０の活性化を行う。なおこの工程は４００〜７００
℃の加熱によるものであってもよい。（図３（Ｃ））

【００７３】そして、層間絶縁膜３１２として酸化珪素
膜をプラスマＣＶＤ法で形成する。そして孔開け工程を
経て、ソース電極３１３とドレイン電極３１４を形成
し、ＴＦＴを完成させる。図３に示すＴＦＴは、活性層
がＳｉＯ_xＮ_yで示される薄膜で包み込まれることにな
るので、活性層中から水素や結晶化を助長する金属元素
を外部に流出しない構成とすることができる。

【００７４】本実施例で示した構成は、実施例１および
実施例２に示す薄膜トランジスタのゲイト絶縁膜に利用
できることはいうまでもない。

【００７５】〔実施例４〕本実施例は、実施例３に示す
構成のゲイト絶縁膜３０５において、その組成比率を図
５に示すようなものとしたことを特徴とする。図５に示
すのは、ゲイト絶縁膜３０５を構成するＳｉＯ_xＮ_y膜
における窒素（Ｎ）の比率を示すものである。即ち、ゲ
イト絶縁膜３０５中における窒素の比率が活性層３０４
側からゲイト電極３０６側に向かって、徐々に大きくな
るように構成したことを特徴とする。

【００７６】図５において、ｍａｘは0.1 原子％〜30原
子％、好ましくは１原子％〜30原子％、ｍｉｎは0.001
原子％〜３原子％である。この値は、窒素系の原料ガス
（例えばＮＨ₄ ）の混合比を変化させることによって制
御できる。また、図５に示すように漸次窒素原子の比率
を徐々に変化させるには、成膜中において窒素系ガスの
混合比を徐々に変化させればよい。

【００７７】図５に示すような構成を採用した場合、ゲ
イト絶縁膜３０５中におけるゲイト電極３０６側にバリ
ア層を形成することができるので、ゲイト電極からゲイ
ト電極中に含まれる材料成分がゲイト絶縁膜中に拡散す
ることを防ぐことができる。例えば、ゲイト電極を構成
するアルミニウムがゲイト絶縁膜中に拡散し、ゲイト絶
縁膜中において珪素原子と合金化してしまうことを防ぐ
ことができる。

【００７８】特にソース／ドレイン領域の活性化工程を
加熱によって行おうとする場合に、本実施例に示す構成
を採用することは有効である。即ち、ゲイト電極にアル
ミニウムのような低融点金属を用いた場合には、一般に
４００〜７００℃程度で行われるソース／ドレイン領域
に対する活性化工程において、ゲイト電極を構成するア
ルミニウムがゲイト絶縁膜中に拡散し、ゲイト絶縁膜中
に存在する珪素と合金化してしまうことを防ぐことがで
きる。

【００７９】〔実施例５〕本実施例は、実施例３に示す
構成のゲイト絶縁膜３０５において、その組成比率を図
６に示すようなものとしたことを特徴とする。図６に示
すのは、ゲイト絶縁膜３０５を構成するＳｉＯ_xＮ_y膜
における窒素（Ｎ）の組成比率を示すものである。即
ち、ゲイト絶縁膜３０５中における窒素の組成比率を活
性層３０４側からゲイト電極３０６側に向かって、Ｕ字
型に変化するように構成したことを特徴とする。

【００８０】図６において、ｍａｘは３原子％〜30原子
％、好ましくは１原子％〜30原子％、ｍｉｎは0.01原子
％〜３原子％である。この値は、窒素系の原料ガス（例
えばＮＨ₄ ）の混合比を変化させることによって制御で
きる。また、図６に示すように漸次窒素原子の比率をＵ
字型に変化させるには、成膜の最中において窒素系ガス
の混合比を徐々に変化させればよい。

【００８１】図６に示すような構成を採用した場合、ゲ
イト絶縁膜３０４中においてゲイト電極３０６側界面と
ゲイト絶縁膜３０４側界面とにバリア層を形成すること
ができる。従って、ゲイト電極からゲイト電極中に含ま
れる材料成分がゲイト絶縁膜中に拡散することを防ぐこ
とができると同時に活性層から水素イオンや結晶化を助
長する金属元素（例えばＮｉ）がゲイト絶縁膜内に拡散
してくるのを防ぐことができる。

【００８２】図６に示すような構成を採用することで、
ゲイト絶縁膜の電気的な安定性を向上させることがで
き、ＴＦＴを特性を高めることができる。

【００８３】〔実施例６〕図６に示すのは、図３に示す
ＴＦＴのゲイト絶縁膜３０５における窒素（Ｎ）の組成
比率が活性層界面からゲイト電極界面に向かってＵ字型
に漸次変化（滑らかに変化、または滑らかと見なせる変
化、または滑らかと近似できる変化）している場合の例
である。しかし、窒素の構成比が滑らかに変化しておら
ず段階的に変化している場合であっても、図６に示す場
合と同様な効果を得ることができる。

【００８４】図７に本実施例におけるゲイト絶縁膜（Ｓ
ｉＯ_xＮ_yで示される薄膜）中における窒素の組成比率
を示す。図７に示すのは、ゲイト絶縁膜において、活性
層側から段階的（この場合は３段階）に窒素濃度（窒素
の組成比率）を減少させ、ゲイト電極側に向かって段階
的（この場合は３段階）に窒素濃度（窒素の組成比率）
を増加させた例である。なお、ｍａｘは３原子％〜30原
子％、ｍｉｎは0.01原子％〜３原子％である。

【００８５】図７に示すような構成を得るには、必要と
する段階の回数にゲイト絶縁膜の成膜回数を分け、その
段階毎に導入する原料ガスの混合比を制御すればよい。

【００８６】図７に示すような構成を採用した場合、段
階的に変化する部分において誘電率が非連続的に変化す
るので、等価的にキャパシタが直列に接続された状態と
なるという問題がある。即ち、等価的にキャパシタが直
列に接続された状態となることで、ゲイト絶縁膜中に電
荷が充電された状態が実現されてしまうという問題があ
る。（従って、この点に関しては、図６に示すように連
続的に組成比率を変化させた方がより好ましい）

【００８７】〔実施例７〕本実施例は、図７に示す構成
の変形であり、図８に示すような構成でＳｉＯ_xＮ_yで
示されるゲイト絶縁膜中における窒素の構成比を変化さ
せたとを特徴とする。なお、ｍａｘは３原子％〜30原子
％、ｍｉｎは0.01原子％〜３原子％である。

【００８８】

【効果】絶縁基板、特にガラス基板上に設けられたＴＦ
Ｔのゲイト絶縁膜をＳｉＯ_xＮ_yとすることによって、・ゲイト電極の静電破壊を防止することがでる。・ＳｉＮ結合によってＮａや重金属イオンのドリフトを
防ぐことができる。・膜中に固定電荷が存在することがないので、Ｃ─Ｖ特
性にヒステリシスが出ず、安定した動作を期待すること
ができる。

【００８９】また上記ＳｉＯ_xＮ_y膜の作製方法に際し
て、原料ガスとしてクロールシラン、またはジクロール
シランを用いることで、膜中にＣｌ（塩素）を添加する
ことができ、このＣｌの働きで不純物イオンを固定化す
ることができ、上記効果に加えてさらに安定した効果を
得ることができる。

【００９０】また、ＳｉＯ_xＮ_y膜で構成されるゲイト
絶縁膜中において、Ｎの組成比率を活性層および／また
はゲイト電極との界面において最大とすることによっ
て、活性層および／またはゲイト電極からゲイト絶縁膜
中に各種イオンや元素が拡散しない構成を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１におけるＴＦＴの作製工程を示す。

【図２】実施例２におけるＴＦＴの作製工程を示す。

【図３】実施例３におけるＴＦＴの作製工程を示す。

【図４】ゲイト絶縁膜中における窒素の組成比率の分
布を示す。

【図５】ゲイト絶縁膜中における窒素の組成比率の分
布を示す。

【図６】ゲイト絶縁膜中における窒素の組成比率の分
布を示す。

【図７】ゲイト絶縁膜中における窒素の組成比率の分
布を示す。

【図８】ゲイト絶縁膜中における窒素の組成比率の分
布を示す。

【符号の説明】

１０１ガラス基板１０２下地酸化膜１０３珪素膜１０４保護膜１０５活性層（ＮＴＦＴ用）１０６活性層（ＰＴＦＴ用）１０７ゲイト絶縁膜（ＳｉＯ_xＮ_y膜）１０８ゲイト電極（ＮＴＦＴ用）１０９ゲイト電極（ＰＴＦＴ用）１１０Ｎ型不純物領域１１１Ｎ型不純物領域１１２Ｐ型不純物領域１１３Ｐ型不純物領域１１４層間絶縁物１１５〜１１７金属配線２０１ガラス基板２０２窒化珪素膜２０３下地酸化膜２０４珪素膜２０５ゲイト絶縁膜（ＳｉＯ_xＮ_y膜）２０６ゲイト電極２０８／２０９ソース／ドレイン２１０層間絶縁物２１１画素電極２１２，２１３電極３０１ガラス基板３０２下地膜（ＳｉＯ_xＮ_y膜）３０３非晶質珪素膜３０４活性層３０５ゲイト絶縁膜（ＳｉＯ_xＮ_y膜）３０６ゲイト電極３０７酸化物層３０８ソース領域３０９チャネル形成領域３１０ドレイン領域３１１オフセットゲイト領域３１２層間絶縁膜（酸化珪素膜）３１３ソース電極３１４ドレイン電極

フロントページの続き (56)参考文献特開平５−183162（ＪＰ，Ａ) 特開平２−139929（ＪＰ，Ａ) 特開平４−304677（ＪＰ，Ａ) 特開平５−55581（ＪＰ，Ａ) 特開平５−67635（ＪＰ，Ａ) 特開平５−145069（ＪＰ，Ａ) 特開平４−111361（ＪＰ，Ａ) 特開平５−175506（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−182517（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−28327（ＪＰ，Ａ) 特開平２−140915（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/786 H01L 21/336 H01L 21/318

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体膜と、前記半導体膜と接するゲイ
ト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜と接するゲイト電極とを
有し、前記ゲイト絶縁膜は、ＳｉＯ_xＮ_y （０＜ｘ＜２、０＜ｙ
＜４／３）で示される物質を有し、前記ゲイト絶縁膜において、前記ＳｉＯ _x Ｎ _y （０＜ｘ＜
２、０＜ｙ＜４／３）で示される物質における窒素の組
成比率は前記ゲイト電極との界面で最大となることを特
徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装置。
【請求項２】ガラス基板上に形成されたＳｉＯ _x Ｎ
_y （０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜４／３）で示される物質を有
する膜と、前記膜上に形成された結晶性珪素膜と、前記結晶性珪素
膜と接するゲイト絶縁膜と、前記ゲイト絶縁膜と接する
ゲイト電極とを有し、前記ゲイト絶縁膜は、ＳｉＯ _x Ｎ _y （０＜ｘ＜２、０＜ｙ
＜４／３）で示される物質を有し、前記ゲイト絶縁膜において、前記ＳｉＯ _x Ｎ _y （０＜ｘ＜
２、０＜ｙ＜４／３）で示される物質における窒素の組
成比率は前記ゲイト電極との界面で最大となることを特
徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装置。
【請求項３】請求項１又は２において、前記ＳｉＯ_x
Ｎ_y（０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜４／３）で示される物質の
エネルギーバンドギャップは５．３〜７．０ｅＶであ
り、比誘電率は４〜６であることを特徴とする絶縁ゲイ
ト型電界効果半導体装置。
【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか一項に
おいて、前記ゲイト絶縁膜の膜厚は２００〜１５００Å
であることを特徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装
置。
【請求項５】請求項１乃至請求項４のいずれか一項に
おいて、前記ＳｉＯ_xＮ_y（０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜４／
３）で示される物質には塩素が添加されていることを特
徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装置。
【請求項６】請求項１乃至請求項５のいずれか一項に
おいて、前記ＳｉＯ _x Ｎ _y （０＜ｘ＜２、０＜ｙ＜４／
３）で示される物質における窒素の組成比率は前記ゲイ
ト電極との界面で１原子％〜３０原子％であることを特
徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装置。
【請求項７】請求項２において、前記結晶性珪素膜に
は珪素の結晶化を助長する金属元素が含まれていること
を特徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装置。
【請求項８】請求項７において、前記金属元素は珪素
に対して侵入型の元素であることを特徴とする絶縁ゲイ
ト型電界効果半導体装置。
【請求項９】請求項７において、前記金属元素はＮ
ｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｃ
ｕ、Ａｇ、又はＡｕであることを特徴とする絶縁ゲイト
型電界効果半導体装置。