JP3970891B2 - Semiconductor device - Google Patents

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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。   The present invention relates to a thin film semiconductor device such as a thin film transistor having excellent reliability and mass productivity and high yield, and a method for manufacturing the same. As an application field of the present invention, for example, a driving circuit such as a liquid crystal display or a thin film image sensor, or a three-dimensional integrated circuit is constituted.

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。   Conventionally, a semiconductor integrated circuit has been mainly a monolithic type formed on a semiconductor substrate such as silicon. However, in recent years, attempts have been made to form it on an insulating substrate such as glass or sapphire. The reason is that the parasitic capacitance between the substrate and the wiring is reduced and the operation speed is improved, and especially the glass material such as quartz is not limited in size as a silicon wafer and is inexpensive. This is because the elements can be easily separated, and a latch-up phenomenon that causes a problem particularly in a CMOS monolithic integrated circuit does not occur. In addition to the above reasons, in a liquid crystal display or a contact image sensor, a thin film transistor (TFT) is formed on a transparent substrate because it is necessary to integrate a semiconductor element and a liquid crystal element or a light detection element. Etc. need to be formed.

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。   For these reasons, a thin film semiconductor element has been formed on an insulating substrate. As an example of a conventional thin film semiconductor element, a TFT is shown in FIG. As shown in the drawing, a film 503 made of silicon oxide or the like is formed as a passivation film on an insulating substrate 501, and a TFT is formed on the insulating film 501 independently of other TFTs. Like a MOSFET of a monolithic integrated circuit, a TFT includes a source (drain) region 507 and a drain (source) region 509, a channel formation region (also simply referred to as a channel region) 508 sandwiched therebetween, a gate insulating film 504, a gate electrode. 510 and a source (drain) electrode 511 and a drain (source) electrode 512. Further, an interlayer insulator 506 such as PSG is provided so that multilayer wiring is possible.

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。   The example of FIG. 5 is called a forward coplanar type, but there are other types of TFTs called reverse coplanar type, forward stagger type, and reverse stagger type depending on the arrangement of the gate electrode and the channel region. However, the details are left to other literature and will not be discussed further here.

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。   Even in monolithic integrated circuits, contamination with alkali ions such as sodium and potassium, or transition metal ions such as iron, copper, and nickel is a serious problem, and great care must be taken to prevent the entry of these ions. I have been. Even in TFTs, the problem of these ions is equally serious, and attention is paid to cleaning the production process so as to minimize contamination. In addition, measures are taken to prevent these elements from being contaminated.

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。 The difference between thin film semiconductor elements and monolithic integrated circuits is that the concentration of contaminating ions in the substrate is relatively high. In other words, single crystal silicon used in monolithic integrated circuits has been produced so as to eliminate these harmful pollutant elements with the accumulation of technology over many years. Is 10 10 cm −3 or less.

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。   However, in general, the contamination element concentration of the insulating substrate for thin film semiconductor elements is not low. Of course, in the case of a single crystal substrate such as a spinel substrate or a sapphire substrate, it is theoretically possible to reduce the concentration of the foreign element that becomes the contamination source, but it is not practical from the profit side. In addition, if the quartz substrate is manufactured by a gas phase reaction using high-purity silane gas and oxygen as raw materials, it is ideally able to stop the invasion of foreign elements. When is taken in, it is difficult to exhale it. In addition, the substrate used for the liquid crystal display has a priority on cost, so it is necessary to use a low-priced one. In such a case, various kinds of foreign elements are used from the beginning to facilitate manufacture and processing. Contains. Some of these foreign elements themselves are not preferable for the semiconductor element, and in the process of adding these foreign elements, they may be mixed from the outside or may be included as impurities in the additive material.

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。   For example, TN glass is an inexpensive glass substrate, has good heat resistance, and has a thermal expansion coefficient close to that of silicon. Therefore, TN glass is preferable as a substrate for a liquid crystal display, but contains about 5% of lithium. A part of this lithium is ionized and penetrates into the semiconductor element as mobile ions, resulting in deterioration of the element. Further, it is difficult to produce a lithium having a purity of 99% or higher, and usually contains about 0.7% sodium. The ionization rate of sodium is about 10%, which is extremely large, and this sodium ion has a very serious effect on the characteristics of the device.

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。   In the conventional thin-film semiconductor element, as shown in FIG. 5, with respect to the penetration of the movable ions, silicon oxide or the like is used as a passivation film, and the interlayer insulator is made of PSG or BPSG. It has been addressed by gettering mobile ions. However, it has been difficult to sufficiently prevent contamination by these methods. An object of the present invention is to suppress deterioration of the element due to the entry of these contaminating elements and ions.

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。 In the present invention, a film (blocking film) having a blocking action against mobile ions such as silicon nitride, aluminum oxide, and tantalum oxide is formed on the lower and upper parts of the thin film semiconductor element in order to suppress the contamination as described above. 1 × 10 18 to 5 × 10 20 pieces / cm 3 , preferably 1 × of a halogen element such as chlorine or fluorine on one or both of the semiconductor film (channel region) and the gate insulating film constituting the TFT. It is characterized by containing 10 19 to 1 × 10 20 pieces / cm 3 . The halogen element is strongly bonded to mobile ions such as sodium in the semiconductor film or the insulating film, and has the effect of significantly reducing the effect.

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。   According to the present invention, a thin film semiconductor element such as a TFT having little influence of mobile ions such as sodium can be manufactured. Conventionally, it has become possible to form TFTs even on substrates on which elements could not be formed due to the presence of mobile ions. To implement the present invention, a coplanar type as shown in FIGS. 1 to 4, or a reverse coplanar type, staggered type, or reverse staggered type TFT may be used. In addition, since the present invention does not limit the operation of the thin film semiconductor device, the silicon of the transistor may be amorphous, polycrystalline, microcrystalline, or an intermediate state thereof. Obviously, it may be a single crystal or even a single crystal.

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。   A typical example of the present invention is shown in FIG. FIG. 1 shows a TFT using the present invention. That is, a first silicon nitride film 102 is formed on the insulating substrate 101 as a first blocking film. The first silicon nitride film has an effect of preventing contamination from the substrate. Then, a film 103 having good adhesion to a silicon material such as silicon oxide is formed on the first silicon nitride film. When the semiconductor film is formed directly on the first silicon nitride without forming the film 103 and a TFT is manufactured, the channel region becomes conductive by the trap level generated at the interface between the silicon nitride and the semiconductor material, and the TFT Will not work. Therefore, it is important to provide such a buffer.

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。   A TFT is formed on the film 103. The TFT has a source (drain) region 107, a drain (source) region 109, a channel region 108 sandwiched between them, a gate insulating film 104, and a gate electrode 110. Each of the source, drain, and channel regions of the TFT is formed of a monocrystalline, polycrystalline, or amorphous semiconductor material. As the semiconductor material, for example, silicon, germanium, silicon carbide, and alloys thereof can be used.

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。
Then, a second silicon nitride film 105 is formed as a second blocking film so as to cover the TFT. Here, it is a feature of the present invention that the second silicon nitride film is formed after the fabrication of the TFT and before the electrodes are formed on the source and / or the drain. In the conventional technique, a silicon nitride film as a final passivation film is formed after electrode formation, but the present invention has a different purpose from the silicon nitride film formed in that sense. That is, the second silicon nitride film in the present invention is formed to enclose the TFT together with the first silicon nitride film, and is intended to prevent contamination in the electrode forming process after the TFT formation. To do. Therefore, a silicon nitride film may be formed as a final passivation film as in the prior art after forming a TFT and its associated electrodes and wirings according to the present invention.

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。   After the second silicon nitride film is formed, the interlayer insulating film 106 is formed by using an interlayer insulating material such as PSG, and the source (drain) electrode 111 and the drain (source) electrode 112 are formed. As described above, aluminum oxide or tantalum oxide may be used as the blocking film in addition to silicon nitride.

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。   In the example of FIG. 1, however, the gate insulating film extends far away, and there is a possibility that movable ions and the like enter the TFT from the end. An improvement of this is the example shown in FIG. 2, and since the gate insulating film is only on the TFT, there is no problem as shown in FIG. However, in this case, since the source and drain regions adjacent to the channel region are in contact with the silicon nitride film, the silicon nitride in this portion is polarized by the gate voltage or traps electrons to operate the TFT. May be disturbed.

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。   An example of overcoming that problem is shown in FIG. Here, the source region and the drain region adjacent to the channel region are not adjacent to the silicon nitride film. Therefore, the difficulties of silicon nitride polarization and electron traps are solved. However, when a self-alignment process using a gate electrode as a mask is adopted for forming the source and drain regions, in this example, as in the example of FIG. 1, an acceptor or donor element must be implanted through the gate insulating film. Therefore, if the ion implantation method is adopted, it is necessary to increase the acceleration energy of ions. At this time, as a result of fast ion implantation, the source and drain regions may be expanded by the secondary scattering.

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。   In FIG. 2, 201 is an insulating substrate, 202 is a first silicon nitride film, 203 is a buffer insulating film such as silicon oxide, 204 is a gate insulating film, 205 is a second silicon nitride film, and 206 is an interlayer insulating film. , 207 are source (drain) regions, 208 is a channel region, 209 is a drain (source) region, 210 is a gate electrode, 211 is a source (drain) electrode, and 212 is a drain (source) electrode. 3, 301 is an insulating substrate, 302 is a first silicon nitride film, 303 is a buffer insulating film such as silicon oxide, 304 is a gate insulating film, 305 is a second silicon nitride film, and 306 is an interlayer. An insulating film, 307 is a source (drain) region, 308 is a channel region, 309 is a drain (source) region, 310 is a gate electrode, 311 is a source (drain) electrode, and 312 is a drain (source) electrode.

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SiNx 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。 In the present invention, when a silicon nitride film is used as the blocking film, x = 1.0 to x = 1.7 is suitable when expressed as SiN x in the chemical formula, and in particular, x = 1.3 to x = 1. Good results have been obtained with 35 stoichiometric compositions (x = 1.33) or close to it. Therefore, in the present invention, it is better to form silicon nitride by the low pressure CVD method. However, it goes without saying that even if a silicon nitride film formed by plasma CVD or photo CVD is used, the reliability of the device is improved as compared with the case where the present invention is not used.

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(SiCl22 )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。 The low pressure CVD method, if an attempt is made to form a silicon nitride film, using dichlorosilane and (SiCl 2 H 2) and ammonia (NH 3) as a source gas, 500 to 800 ° C. at a pressure 10 to 1000 Pa, preferably 550 to What is necessary is just to make it react at 750 degreeC. Of course, silane (SiH 4 ) or tetrachlorosilane (SiCl 4 ) may be used.

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、Al23 やTa25 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。 In the present invention, even when an aluminum oxide film or a tantalum oxide film is used, a better result is obtained with a composition close to the stoichiometric composition, Al 2 O 3 or Ta 2 O 5 . These coatings are formed by CVD or sputtering. For example, the aluminum oxide film may be obtained by oxidizing trimethylaluminum Al (CH 3 ) 3 with nitrogen oxide (N 2 O, NO, NO 2 ).

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。 If the present invention is carried out more effectively, the concentration of hydrogen atoms in the semiconductor film of a thin film semiconductor device such as a TFT is not more than 4 times, preferably not more than 1 time, the concentration of halogen atoms to be added. In addition, it is desirable that the concentration of harmful elements such as carbon, nitrogen and oxygen is 7 × 10 19 cm −3 or less, preferably 1 × 10 19 cm −3 or less. Furthermore, sodium contained in the semiconductor film, lithium, for the mobile ions such as potassium, its concentration is desired to be at most 5 × 10 18 cm -3. In order to achieve the above object, it is desirable to pay sufficient attention to the raw material gas and use a high purity gas of 5N or more. Furthermore, in the present invention, the use of an insulating substrate containing a large amount of a mobile ion source is borne in mind. However, if the present invention is implemented more effectively, the first silicon nitride in such a substrate is used. When forming the film, it is preferable to completely cover the periphery of the substrate with a silicon nitride film. In such a state, in the subsequent handling, the probability that mobile ions originating from the substrate are mixed into the element region can be significantly reduced.

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N24 )、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。 FIG. 4 shows an example of forming a low impurity concentration drain (LDD), which is a known technique, using the present invention. First, a silicon nitride film 402 having a thickness of 50 to 1000 nm is formed on an insulating substrate 401 such as quartz or AN glass by a low pressure CVD method. At this time, as described above, if the back surface of the substrate is also covered with the silicon nitride film, the probability that mobile ions generated from the back surface will reach the surface in a later step is significantly reduced. It is also preferable for maintaining cleanliness. A buffering silicon oxide film 403 is similarly formed on the silicon nitride film by a low pressure CVD method to a thickness of 50 to 1000 nm. At this time, 3 to 6%, for example, about 5% by volume of hydrogen chloride (HCl), nitrogen fluoride (NF 3 or N 2 F 4 ), chlorine (Cl 2 ), fluorine (F 2 ) ), Various halogen gases such as chlorofluorocarbon gas and carbon tetrachloride (CCl 4 ) are mixed, and halogen elements such as chlorine and fluorine are taken into the obtained silicon oxide film.

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。   Since this halogen binds to alkali ions such as sodium and fixes sodium, a greater effect can be obtained in preventing sodium contamination. However, addition of excess halogen is not preferable because it roughens the film and impairs adhesion and surface flatness. In addition, when the coating is formed by a photo CVD method or a plasma CVD method instead of the low pressure CVD method, it is preferable that 2 to 5% by volume of the gas containing the halogen element is mixed in the source gas. Further, when the coating is formed by sputtering, 2 to 20% by volume of the halogen gas may be mixed in the sputtering atmosphere. In the case of the sputtering method, the gas composition in the atmosphere is difficult to be reflected in the composition of the film, so that the concentration needs to be slightly higher than in the case of the CVD method.

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。 Next, an amorphous silicon film or a microcrystalline or polycrystalline silicon film is formed to a thickness of 20 to 500 nm by low pressure CVD, plasma CVD, or sputtering. Then, this is etched on the island. When forming this silicon film, a halogen element is preferably introduced into the film as in the case of forming the film 403 first. As in the case of the coating film 403, the halogen element may be introduced by mixing a halogen-containing gas into the atmosphere during film formation, or by introducing an ion implantation method after forming the film. Good. At this time, the concentration of the raw material gas is such that the concentration of the halogen element in the coating is 1 × 10 18 to 5 × 10 20 pieces / cm 3 , preferably 1 × 10 19 to 1 × 10 20 pieces / cm 3. Must be controlled.

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。   Furthermore, when the concentration of hydrogen atoms in the film is 4 times or less, preferably 1 or less, the halogen concentration, the effect of halogen addition is further improved. This effect is explained as follows. Hydrogen atoms are necessary for terminating the dangling bond of silicon, but the bond is weak and the bond is easily broken. On the other hand, the halogen element is strongly bonded to silicon. If there is an excess of hydrogen in the silicon (although it also has a lot of dangling bonds in the film), most of the halogens will bind to the silicon and consequently move ions that move through the film Can't getter. Therefore, it is presumed that the effect of halogen addition is small in silicon having a high hydrogen concentration, and that the effect of halogen addition is large in silicon having a low hydrogen concentration.

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。 Further, in a semiconductor film such as silicon, the concentration of carbon, nitrogen, and oxygen as harmful elements other than mobile ions are all 7 × 10 19 atoms / cm 3 or less, preferably 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less. It is desirable to be. This is because these elements are not removed by addition of halogen.

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。 Furthermore, although mobile ions such as sodium, lithium, and potassium can be gettered by addition of halogen, the effect is canceled when they are present in excess, so the concentration of these mobile ions is 5 × 10 5 in all cases. It is desirable that it is 18 pieces / cm 3 or less.

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。   Now, a silicon oxide film having a thickness of 10 to 200 nm is formed as a gate insulating film on the thus formed silicon film by a low pressure CVD method or a sputtering method. At this time, as described above, the halogen material gas may be mixed in the raw material gas or the sputtering gas.

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。 Then, a polycrystalline or microcrystalline silicon film doped with phosphorus to about 10 21 cm −3 is formed thereon by low pressure CVD or plasma CVD. Then, this silicon film and the gate insulating film (silicon oxide) thereunder are patterned to form a gate electrode 410 and a gate insulating film 404.

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。 Further, ion implantation is performed in a self-aligned manner using this gate electrode as a mask, and a source (drain) region 407 and a drain (source) region 408 having relatively low impurity concentrations (about 10 17 to 10 19 cm −3 ) are formed. . A portion where impurities are not implanted remains as a channel region 408. Thus, FIG. 4A is obtained.

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。   Next, as shown in FIG. 4B, a PSG film 413 is formed on the entire surface by low pressure CVD. Then, this is etched by a known directional etching to form a side wall 414 next to the gate electrode. Thereafter, ion implantation is performed again to form a source (drain) region 407a and a drain (source) region 409a having a high impurity concentration. The regions having a low impurity concentration are a source (drain) region 407b and a drain (source) region 409b to form an LDD. In this way, FIG. 4C is obtained.

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。   Thereafter, as shown in FIG. 4D, a silicon nitride film 405 is formed to a thickness of 50 to 1000 nm on the entire surface by low pressure CVD. Thereafter, for example, the silicon film is crystallized by low-temperature annealing at about 600 ° C., and the source and drain regions are activated. This step may be performed by laser annealing. In this way, an intermediate of TFT is obtained.

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。   The example of FIG. 4 is merely an example of the present invention, and it will be apparent that the present invention is not limited to the above steps. In the example of FIG. 4, as in the example of FIG. 3, there is no portion where the silicon nitride film, the gate electrode, and the source or drain region are adjacent to each other. That is, unlike the case of FIG. 2, since the side wall 414 exists, there is no problem which was anxious about FIG. Further, unlike FIG. 3, the donor and acceptor can be easily added without passing through the insulating film.

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(SiCl22 )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(Si26 )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。 The characteristics of the TFT using the present invention will be described. The TFT used in this example is an LDD type TFT manufactured on a quartz glass substrate according to the process of FIG. First, a silicon nitride film 402 having a thickness of 100 nm is formed on the quartz glass substrate 401 and on the back surface of the substrate by a low pressure CVD method. Further, a silicon oxide film (low temperature oxide film (LTO film)) is continuously formed by a low pressure CVD method. 403) was formed to a thickness of 200 nm, and finally an amorphous silicon film was formed to a thickness of 30 nm by low pressure CVD. The maximum process temperature at this time was 600 ° C. In the above steps, the film was formed in a CVD apparatus including three reaction chambers arranged in succession. However, in forming the silicon oxide film and the amorphous silicon film, a halogen gas other than the material gas was used. 5 vol% of hydrogen chloride gas (HCl) was added as an additive gas for reaction. As a result, chlorine could be added into the silicon oxide film and the amorphous silicon film. In the analysis by secondary ion mass spectrometry, the concentration of chlorine in the silicon oxide film and the amorphous silicon film is 2.3 × 10 19 atoms / cm 3 and 3.1 × 10 19 atoms / cm −, respectively. It was 3 . As the source gas for the silicon nitride film, dichlorosilane (SiCl 2 H 2) and ammonia (NH 3), as the source gas for the silicon oxide film, disilane (Si 2 H 6) and oxygen (O 2) Disilane and hydrogen chloride were used as source gases for the hydrogen chloride and amorphous silicon films, respectively. The purity was 6N. It was confirmed that the amount of hydrogen atoms in the silicon oxide film and the amorphous silicon film thus obtained was 1 × 10 19 atoms / cm 3 or less. In addition, since the film formation was performed continuously without exposure to the atmosphere, it was confirmed that the concentration of carbon, nitrogen, and oxygen in the silicon film was 1 × 10 18 atoms / cm 3 or less.

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。 Next, the amorphous silicon film was patterned into an island shape. Then, a very thin portion of the surface of the amorphous silicon film, a thickness of 2 to 10 nm, was oxidized by an anodic oxidation method. Anodization was carried out by a constant voltage method at 10 to 50 ° C. using N methylacetamide (NMA) or tetrahydrofurfuryl alcohol (THF) to which KNO 2 was added as an electrolyte and a platinum electrode as a cathode. After completion of the anodic oxidation, annealing was performed at 600 ° C. for 12 hours in an argon atmosphere. Thereafter, a silicon oxide film having a thickness of 100 nm was formed by sputtering. Here, the sputtering atmosphere was a mixed gas of oxygen and argon or other rare gas and hydrogen chloride, and the partial pressure of oxygen was 80% or more. The concentration of hydrogen chloride gas was 10%. In sputter deposition, defects are generated in the underlying film due to sputtering impact. For example, when the base is a silicon film, oxygen atoms are implanted into the silicon, and the oxygen concentration increases. In such a state, silicon has a large number of extreme levels. That is, the boundary between silicon and silicon oxide is not clear. However, if a thin anodic oxide film is formed in advance as in this embodiment, since silicon oxide already exists during sputtering, mixing of atoms as described above is avoided, and the silicon film and the oxide film are oxidized. The boundary of the silicon film is maintained.

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。 After the formation of this silicon oxide film, an n + type microcrystalline silicon film containing about 10 21 cm −3 of phosphorus was formed to a thickness of 300 nm by low pressure CVD. The maximum process temperature for the above film formation was 650 ° C. Thereafter, the gate electrode was patterned to form a gate electrode 410 and a gate insulating film 404. Further, arsenic ions were implanted by 2 × 10 18 cm −3 by ion implantation to form source and drain regions 407 and 409. Thus, FIG. 4A was obtained.

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。 Next, a PSG film 413 was formed by a low pressure CVD method as shown in FIG. 4B, and a sidewall 414 shown in FIG. 4C was formed by directional etching. Further, arsenic ions were implanted into the regions 407a and 409a by 5 × 10 20 cm −3 by ion implantation.

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。   Thereafter, a silicon nitride film 405 was formed on the entire surface by a low pressure CVD method. Thus, FIG. 4D was obtained. Thereafter, annealing was performed in vacuum at 620 ° C. for 48 hours to activate the regions 407a, 407b, 408, 409a, and 409b. Then, a PSG film was formed on the entire surface as an interlayer insulator by a low pressure CVD method, holes for electrodes were formed, and aluminum electrodes were formed in the source region and the drain region. Finally, a silicon nitride film was again formed by a low pressure CVD method for the purpose of passivation.

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。   The TFT formed in this way was extremely reliable. It has been shown that the operation characteristics of the element do not change even by so-called bias-temperature treatment (BT treatment). The BT process is a process in which a voltage is applied between the source and drain and the gate electrode in a heated state. If the element is a normal element, no problem occurs. For example, in an element including mobile ions, Changes in characteristics can be seen. This is shown in FIG.

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ID (ドレイン電流)−VG (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。 FIG. 6A shows a TFT in which mobile ions are present in the gate insulating film and in the channel region. Since mobile alkali ions (shown as A + in the figure) are present in the channel region, and the alkali ions serve as donors, the channel region is weakly N-type (N -type). This state is referred to as state 1. When a positive bias voltage is applied between the gate electrode and the source / drain of this TFT as shown in FIG. 6B, first, mobile ions (positive ions) in the channel region move away from the gate electrode, and the channel region becomes intrinsic. (I type). This state is referred to as state 2. As a result, the I D (drain current) -V G (gate voltage) characteristic of the TFT moves to the right as shown in FIG.

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ID −VG 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。 However, when mobile ions are also present in the gate insulating film, the mobile ions gather at the lower part of the gate electrode (on the channel region side) due to the bias voltage applied to the gate electrode. As a result, the channel region has a positive electric field. You will feel. Therefore, there is an electron in the channel region, that is, it becomes weakly N-type again. When this state as 3, as shown in FIG. 6 (E), I D -V G characteristics curve from state 2 to state 3 is moved to the left. Eventually, due to the bias voltage, the TFT characteristics are shifted to the right compared to the first.

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。   On the other hand, when a negative bias is applied, mobile ions gather in the channel region. As a result, the channel region becomes N-type and the drain current cannot be controlled by the gate voltage.

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(VB =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(VB =+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(VB =−20V)、TFTのしきい値電圧の変動を調べた。 In this example, specifically, the gate voltage-drain current characteristics of the TFT were measured immediately after fabrication at room temperature (V B = 0), and then a voltage of +20 V was applied to the gate electrode at 150 ° C. for 1 hour. The gate voltage-drain current characteristic of the TFT was measured at room temperature (V B = + 20 V), and then a voltage of −20 V was applied to the gate electrode again at 150 ° C. for 1 hour, and then the gate voltage of the TFT at room temperature. voltage - drain current characteristics measured (V B = -20V), examining the change in the threshold voltage of the TFT.

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VB 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。 FIG. 7B shows characteristics of the TFT manufactured by the method described above. As described above, the bias voltage V B is not affected at all by the characteristics, and as a result of precise measurement, the variation of the threshold voltage is 0.2 V or less.

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VB 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。
On the other hand, in FIG. 7A, the silicon nitride films 402 and 405 are not provided, and the halogen concentration of any film of the TFT is 1 × 10 14 cm −3 or less. Except for this point, it was fabricated by the same process as the method shown in this example, but the characteristic greatly depends on V B as apparent from the figure. From the fluctuation range of the threshold voltage in FIG. 7B, the amount of mobile ions in the gate electrode of the TFT manufactured in this example is estimated to be about 8 × 10 10 cm −3 . After the above measurements, the concentrations of sodium, potassium, and lithium in the silicon film (channel region) and the gate insulating film of the TFT fabricated in this example were examined, and found to be 3 × 10 17 cm −3 and 7 × 10, respectively. It was 15 cm −3 and 5 × 10 15 cm −3 . In spite of the presence of such a large amount of alkali element, it is assumed that the amount of mobile ions is small because it is immobilized by halogen (in this case, chlorine). In the TFT manufactured for comparison, when the concentrations of sodium, potassium, and lithium were examined, a large amount of 7 × 10 18 cm −3 , 2 × 10 16 cm −3 , and 4 × 10 19 cm −3 was obtained. It was included in. From this, the blocking effect by the silicon nitride film of the present invention is also estimated. That is, by providing a silicon nitride film as in the present invention and adding a halogen element to the TFT (in this case, the silicon film including the channel region and the gate insulating film), the characteristics of the TFT are remarkably improved and the reliability is improved. It was shown that it is possible to improve the performance.

本発明によるTFTの例を示す。An example of a TFT according to the present invention is shown. 本発明によるTFTの例を示す。An example of a TFT according to the present invention is shown. 本発明によるTFTの例を示す。An example of a TFT according to the present invention is shown. 本発明によるTFTの作製例を示す。An example of manufacturing a TFT according to the present invention will be described. 従来のTFTの例を示す。An example of a conventional TFT is shown. 可動イオンによるTFTの特性への影響を示す。The influence of the movable ions on the TFT characteristics is shown. 本発明を利用したTFTと利用しないTFTの特性を示す。The characteristics of the TFT using the present invention and the TFT not using it are shown.

符号の説明Explanation of symbols

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
Reference Signs List 101 insulating substrate 102 first blocking film 103 buffer insulating film 104 gate insulating film 105 second blocking film 106 interlayer insulating film 107 source (drain) region 108 channel region 109 drain (source) region 110 gate electrode 111 source (drain) ) Electrode 112 Drain (source) electrode

Claims (11)

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。
An insulating substrate containing mobile ions;
A silicon nitride film formed in contact with the insulating substrate;
A silicon oxide film containing a halogen element formed on and in contact with the silicon nitride film;
A semiconductor film formed on and in contact with the silicon oxide film;
A gate insulating film containing a halogen element formed on and in contact with the semiconductor film;
A gate electrode formed on the gate insulating film,
A semiconductor device, wherein a channel formation region, a source region, and a drain region are provided in the semiconductor film.
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。
An insulating substrate containing mobile ions;
A silicon nitride film formed in contact with the insulating substrate;
A silicon oxide film containing a halogen element formed on and in contact with the silicon nitride film;
A semiconductor film formed on and in contact with the silicon oxide film;
A gate insulating film containing a halogen element formed on and in contact with the semiconductor film;
A gate electrode formed on the gate insulating film,
A semiconductor device, wherein a channel formation region, a source region, a drain region, and an LDD region are provided in the semiconductor film.
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。
An insulating substrate containing mobile ions;
A silicon nitride film formed in contact with the insulating substrate;
A first silicon oxide film containing a halogen element formed on and in contact with the silicon nitride film;
A semiconductor film containing a halogen element formed on and in contact with the first silicon oxide film;
A second silicon oxide film containing a halogen element formed on and in contact with the semiconductor film;
A gate electrode formed on the semiconductor film via the second silicon oxide film,
A semiconductor device, wherein a channel formation region, a source region, and a drain region are provided in the semiconductor film.
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、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。
An insulating substrate containing mobile ions;
A silicon nitride film formed in contact with the insulating substrate;
A first silicon oxide film containing a halogen element formed on and in contact with the silicon nitride film;
A semiconductor film containing a halogen element formed on and in contact with the first silicon oxide film;
A second silicon oxide film containing a halogen element formed on and in contact with the semiconductor film;
A gate electrode formed on the semiconductor film via the second silicon oxide film,
A semiconductor device, wherein a channel formation region, a source region, a drain region, and an LDD region are provided in the semiconductor film.
請求項3または請求項4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/cmであることを特徴とする半導体装置 5. The semiconductor device according to claim 3 , wherein the concentration of the halogen element in the semiconductor film is 1 × 10 18 to 5 × 10 20 atoms / cm 3 . 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。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the halogen element is chlorine. 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。   6. The semiconductor device according to claim 1, wherein the halogen element is fluorine. 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。   8. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor film is made of an amorphous, polycrystalline, or single crystal semiconductor. 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。   9. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor film is made of silicon, germanium, or an alloy of silicon and germanium. 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(1.0≦x≦1.7)で示されることを特徴とする半導体装置。 10. The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon nitride film is represented by a chemical formula SiN x (1.0 ≦ x ≦ 1.7). 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。   11. The semiconductor device according to claim 1, wherein the silicon nitride film has a thickness of 50 to 1000 nm.
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