JP4247165B2 - Method for manufacturing insulated gate type semiconductor device - Google Patents

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本発明は、絶縁ゲイト型半導体装置、特に薄膜状の絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ(TFT)の構造およびその作製方法に関するものである。   The present invention relates to an insulated gate semiconductor device, and more particularly to a structure of a thin-film insulated gate field effect transistor (TFT) and a manufacturing method thereof.

近年、薄膜状絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ(TFT)が盛んに研究されている。例えば、本発明人等の発明である特願平4−30220や同4−38637には、ゲイト電極として、アルミニウムやチタン、クロム、タンタル、シリコンを使用し、その周囲を陽極酸化法によって形成した酸化アルミニウムで覆い、よって、ソース/ドレインとゲイト電極の重なりを無くし、むしろオフセット状態とし、また、ソース/ドレイン領域をレーザーアニールによって再結晶化せしめる作製方法およびTFTが記述されている。   In recent years, thin film insulated gate field effect transistors (TFTs) have been actively studied. For example, in Japanese Patent Application Nos. 4-30220 and 4-38637 which are the inventions of the present inventors, aluminum, titanium, chromium, tantalum, and silicon are used as gate electrodes, and the periphery thereof is formed by an anodic oxidation method. A fabrication method and TFT are described that are covered with aluminum oxide, thus eliminating the overlap of the source / drain and gate electrodes, but rather in an offset state, and recrystallizing the source / drain regions by laser annealing.

このようなTFTは、従来のオフセットを有しないシリコンゲイトTFTやタンタルやクロムのような高融点金属をゲイト電極とし、熱アニールによって活性化したTFTに比較して優れた特性を示した。しかしながら、その特性を再現性よく得ることは困難であった。   Such TFTs have excellent characteristics compared to conventional TFTs having no offset and silicon gate TFTs or high melting point metals such as tantalum and chromium as gate electrodes and activated by thermal annealing. However, it has been difficult to obtain the characteristics with good reproducibility.

原因の1つは、外部からのナトリウム等の可動イオンの侵入によるものであった。特にアルミニウム等の金属材料からなるゲイト電極の形成(スパッタ法や電子ビーム蒸着法が使用される)やその後の陽極酸化の際に、外部からナトリウムが侵入する危険があったためである。特にスパッタ法では、ナトリウムの汚染が大きかった。しかしながら、スパッタ法は電子ビーム蒸着法よりも量産性に優れた方法であるので、コスト削減のためにはぜひとも使用することが望まれた方法であった。   One of the causes was due to intrusion of mobile ions such as sodium from the outside. This is because there is a risk that sodium may intrude from the outside during the formation of a gate electrode made of a metal material such as aluminum (sputtering or electron beam evaporation is used) and the subsequent anodic oxidation. Especially in the sputtering method, the contamination of sodium was large. However, since the sputtering method is superior in mass productivity to the electron beam evaporation method, it has been desired to be used by all means for cost reduction.

ナトリウムは、リンガラス等によってブロッキングされ、また、ゲッタリングされることが知られていた。したがって、ゲイト絶縁膜をリンガラスで形成することが一般にはおこなわれていた。しかしながら、リンガラスを上記の特許の目的とする低温で作製することは困難であった。また、リンガラスをこのような低温で作製しようとすれば、酸化珪素のゲイト絶縁膜に、例えばイオンドーピング法によって注入すると、ゲイト絶縁膜中に多くの欠陥が生じ、かえって、TFTの特性を劣化させてしまうことがあった。   Sodium has been known to be blocked and gettered by phosphor glass or the like. Therefore, the gate insulating film is generally formed of phosphorous glass. However, it has been difficult to produce phosphorous glass at the low temperature that is the object of the above patent. If phosphorous glass is to be produced at such a low temperature, if it is implanted into the gate insulating film of silicon oxide by, for example, ion doping, many defects are generated in the gate insulating film, which deteriorates the characteristics of the TFT. There was something that would let me.

さらに、陽極酸化は100〜300Vもの高電圧を必要とし、ゲイト絶縁膜の破壊が懸念される。すなわち、上記特許に示された技術範囲では、半導体被膜の上にゲイト絶縁膜が形成され、その上にゲイト電極が存在するのであるが、陽極酸化時には、正に帯電したゲイト電極と浮遊状態の半導体被膜の間に電圧が生じ、ゲイト電極上の陽極酸化膜が厚くなって、ゲイト電極と電解溶液間の抵抗が大きくなるにつれ、ゲイト電極からゲイト絶縁膜、半導体被膜を介して電解溶液に流れる電流が増加する。そして、この電流のためにゲイト絶縁膜が破壊されてしまうことがある。   Furthermore, anodic oxidation requires a high voltage of 100 to 300 V, and there is a concern about the breakdown of the gate insulating film. That is, in the technical range shown in the above patent, a gate insulating film is formed on a semiconductor film and a gate electrode is present on the semiconductor film. However, during anodization, a positively charged gate electrode and a floating state are present. As a voltage is generated between the semiconductor film, the anodic oxide film on the gate electrode becomes thicker, and the resistance between the gate electrode and the electrolytic solution increases, it flows from the gate electrode to the electrolytic solution through the gate insulating film and the semiconductor film. The current increases. The gate insulating film may be destroyed due to this current.

本発明は、このような現状を鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は外部からの可動イオンの侵入を防ぎ、さらに、ゲイト絶縁膜の破壊を防止して、信頼性を向上させることを課題とする。   The present invention has been made in view of such a current situation. That is, it is an object of the present invention to improve the reliability by preventing the intrusion of mobile ions from the outside and further preventing the breakdown of the gate insulating film.

本発明の絶縁ゲイト型半導体装置は、絶縁基板上に少なくとも半導体層、絶縁膜層およびアルミニウム、クロム、チタン、タンタル、シリコンのいずれか、あるいはそれらの合金またはそれらの多層からなるゲイト電極を有し、絶縁膜層は、酸化アルミニウム単層、酸化珪素単層、窒化珪素単層、窒化アルミニウム単層、酸化アルミニウム層と窒化珪素層の2層、酸化アルミニウム層と酸化珪素層の2層、窒化珪素層と酸化珪素層の2層、または酸化アルミニウム層と酸化珪素層と窒化珪素層の3層からなる。例えば、アルミニウムゲイト電極とゲイト絶縁膜の間に窒化珪素膜を介在させるものである。窒化珪素の組成はシリコンを1としたとき、窒素の比率は1から4/3、より好ましくは1.2から4/3の間が望ましい。もちろん、窒素とシリコン以外に水素や酸素が添加されていてもよい。   The insulated gate type semiconductor device of the present invention has at least a semiconductor layer, an insulating film layer, and a gate electrode made of aluminum, chromium, titanium, tantalum, silicon, an alloy thereof, or a multilayer thereof on an insulating substrate. The insulating film layer is composed of an aluminum oxide single layer, a silicon oxide single layer, a silicon nitride single layer, an aluminum nitride single layer, two layers of an aluminum oxide layer and a silicon nitride layer, two layers of an aluminum oxide layer and a silicon oxide layer, silicon nitride Two layers of a layer and a silicon oxide layer, or three layers of an aluminum oxide layer, a silicon oxide layer, and a silicon nitride layer. For example, a silicon nitride film is interposed between an aluminum gate electrode and a gate insulating film. As for the composition of silicon nitride, when silicon is 1, the ratio of nitrogen is preferably 1 to 4/3, more preferably 1.2 to 4/3. Of course, hydrogen or oxygen other than nitrogen and silicon may be added.

この窒化珪素被膜は、ナトリウム等の可動イオンをブロッキングする効果があるので、ゲイト電極その他からチャネル領域に可動イオンが侵入することを防止する効果を有するだけでなく、通常のゲイト絶縁膜である酸化珪素に比べて、導電性がよいのでゲイト電極と、その下の半導体領域(チャネル領域)との間に過剰な電圧がかからず、ゲイト絶縁膜の破壊が防げるという特徴をも有する。   Since this silicon nitride film has an effect of blocking mobile ions such as sodium, it not only has an effect of preventing mobile ions from entering the channel region from the gate electrode or the like, but also an oxidation that is a normal gate insulating film. Since it is more conductive than silicon, an excessive voltage is not applied between the gate electrode and the underlying semiconductor region (channel region), and the gate insulating film can be prevented from being broken.

したがって、半導体領域とゲイト絶縁膜を形成し、その後に、前記窒化珪素膜を形成し、しかる後にゲイト電極を形成するためのアルミニウム電極を形成する。アルミニウム電極を陽極酸化している間には、この窒化珪素膜は、基板全面にわたって、一体として存在していると、基板全面にわたって、陽極電位がほぼ一定に保たれるので望ましい。
また、本発明の絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法は、絶縁基板上に半導体領域を形成する工程と、前記半導体領域上に、酸化アルミニウム単層、酸化珪素単層、窒化珪素単層、窒化アルミニウム単層、酸化アルミニウム層と窒化珪素層の2層、酸化アルミニウム層と酸化珪素層の2層、窒化珪素層と酸化珪素層の2層、または酸化アルミニウム層と酸化珪素層と窒化珪素層の3層からなる絶縁膜層を形成する工程と、前記絶縁膜層上にアルミニウム、クロム、チタン、タンタル、シリコンのいずれか、あるいはそれらの合金またはそれらの多層を主体とする金属被膜を形成する工程と、前記金属被膜に、電解溶液中で電流を通じて、その表面に酸化物層を形成する工程とを有することを特徴とする。
本発明の絶縁ゲイト型半導体装置およびその作製方法において、前記ゲイト電極(前記金属被膜)が珪素とアルミニウムの合金からなるときは、前記ゲイト電極(前記金属被膜)は珪素が0.5〜3%添加されたアルミニウム層からなる。
Therefore, a semiconductor region and a gate insulating film are formed, after which the silicon nitride film is formed, and then an aluminum electrode for forming a gate electrode is formed. While the aluminum electrode is anodized, it is desirable that this silicon nitride film is present over the entire surface of the substrate because the anodic potential is maintained substantially constant over the entire surface of the substrate.
The method for manufacturing an insulated gate semiconductor device of the present invention includes a step of forming a semiconductor region on an insulating substrate, and an aluminum oxide single layer, a silicon oxide single layer, a silicon nitride single layer, and an aluminum nitride on the semiconductor region. Single layer, two layers of an aluminum oxide layer and a silicon nitride layer, two layers of an aluminum oxide layer and a silicon oxide layer, two layers of a silicon nitride layer and a silicon oxide layer, or three of an aluminum oxide layer, a silicon oxide layer, and a silicon nitride layer A step of forming an insulating film layer comprising a layer, and a step of forming a metal film mainly composed of aluminum, chromium, titanium, tantalum, silicon, an alloy thereof, or a multilayer thereof on the insulating film layer; And a step of forming an oxide layer on the surface of the metal film through an electric current in an electrolytic solution.
In the insulated gate semiconductor device and the manufacturing method thereof according to the present invention, when the gate electrode (the metal film) is made of an alloy of silicon and aluminum, the gate electrode (the metal film) is made of 0.5 to 3% of silicon. It consists of an added aluminum layer.

以上のように、ゲイト電極と半導体層(チャネル領域)の間に窒化珪素膜、酸化珪素膜、酸化アルミニウム膜、窒化アルミニウム膜、またはそれらの多層膜を形成することによって、可動イオンの侵入を防止し、また、ゲイト電極の陽極酸化時のゲイト絶縁膜の破壊を防止することができた。   As described above, mobile ions can be prevented from entering by forming a silicon nitride film, silicon oxide film, aluminum oxide film, aluminum nitride film, or a multilayer film thereof between the gate electrode and the semiconductor layer (channel region). In addition, it was possible to prevent the gate insulating film from being broken during the anodic oxidation of the gate electrode.

以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。   The following examples illustrate the invention in more detail.

図1には本実施例の作製工程断面図を示す。なお、本実施例の詳細な条件は、本発明人らの出願した特願平4−30220、あるいは同4−38637とほとんど同じであるので、特別には詳述しない。まず、基板101として日本電気硝子社製のN−0ガラスを使用した。このガラスは歪温度が高いけれども、リチウムが多く含まれ、また、ナトリウムもかなりの量が存在する。そこで、基板からのこれら可動イオンの侵入を阻止する目的で、プラズマCVD法もしくは減圧CVD法で窒化珪素膜102を厚さ10〜50nmだけ形成する。さらに、下地の酸化珪素皮膜103を厚さ100〜800nmだけ、スパッタ法によって形成した。その上にアモルファスシリコン被膜をプラズマCVD法によって20〜100nmだけ形成し、600℃で12〜72時間、窒素雰囲気中でアニールし、結晶化させた。さらに、これをフォトリソグラフィー法と反応性イオンエッチング(RIE)法によってパターニングして、図1(A)に示すように島状の半導体領域104(NチャネルTFT用)と105(PチャネルTFT用)とを形成した。   FIG. 1 shows a cross-sectional view of a manufacturing process of this example. The detailed conditions of the present embodiment are almost the same as those of Japanese Patent Application No. 4-30220 or 4-38637 filed by the present inventors, and will not be specifically described in detail. First, N-0 glass manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd. was used as the substrate 101. Although this glass has a high strain temperature, it contains a lot of lithium and there is also a significant amount of sodium. Therefore, the silicon nitride film 102 having a thickness of 10 to 50 nm is formed by the plasma CVD method or the low pressure CVD method for the purpose of preventing the entry of these movable ions from the substrate. Further, the underlying silicon oxide film 103 was formed by sputtering to a thickness of 100 to 800 nm. An amorphous silicon film having a thickness of 20 to 100 nm was formed thereon by plasma CVD, and annealed at 600 ° C. for 12 to 72 hours in a nitrogen atmosphere to cause crystallization. Further, this is patterned by a photolithography method and a reactive ion etching (RIE) method to form island-like semiconductor regions 104 (for N-channel TFTs) and 105 (for P-channel TFTs) as shown in FIG. And formed.

さらに、酸化珪素をターゲットとする酸素雰囲気中でのスパッタ法によって、ゲイト酸化膜106を厚さ50〜200nmだけ堆積した。さらに、窒化珪素膜107をプラズマCVD法もしくは減圧CVD法によって、厚さ2〜20nm、好ましくは8〜11nmだけ堆積した。   Further, a gate oxide film 106 having a thickness of 50 to 200 nm was deposited by sputtering in an oxygen atmosphere using silicon oxide as a target. Further, a silicon nitride film 107 was deposited by a thickness of 2 to 20 nm, preferably 8 to 11 nm, by plasma CVD or low pressure CVD.

次に、スパッタリング法もしくは電子ビーム蒸着法によってアルミニウム被膜を形成して、これを混酸(5%の硝酸を添加した燐酸溶液)によってパターニングし、ゲイト電極・配線108〜111を形成した。このようにして、TFTの外形を整えた。   Next, an aluminum film was formed by sputtering or electron beam evaporation, and this was patterned with a mixed acid (phosphoric acid solution to which 5% nitric acid was added) to form gate electrodes / wirings 108-111. In this way, the outer shape of the TFT was adjusted.

さらに、電解溶液中でゲイト電極・配線108〜111に電流を通じ、陽極酸化法によって、酸化アルミニウム膜112〜115を形成した。陽極酸化の条件としては、本発明人等の発明である特願平4−30220に記述された方法を採用した。ここまでの様子を図1(B)に示す。   Furthermore, aluminum oxide films 112 to 115 were formed by passing an electric current through the gate electrodes / wirings 108 to 111 in an electrolytic solution by an anodic oxidation method. As the conditions for anodization, the method described in Japanese Patent Application No. 4-30220, which is the invention of the present inventors, was employed. The state up to this point is shown in FIG.

次に、公知のイオン注入法によって、半導体領域104にはN型の不純物を、半導体領域105にはP型の不純物を注入し、N型不純物領域(ソース、ドレイン)116とP型不純物領域117を形成した。この工程は公知のCMOS技術を使用した。さらに、反応性イオンエッチング法によってゲイト電極・配線部の下に存在するもの以外の窒化珪素107を除去した。この工程はウェットエッチングによっても代用できる。その際には、陽極酸化膜である酸化アルミニウムと窒化珪素のエッチングレイトの違いを利用して、酸化アルミニウムをマスクとしてセルフアライン的にエッチングできる。   Next, an N-type impurity is implanted into the semiconductor region 104 and a P-type impurity is implanted into the semiconductor region 105 by a known ion implantation method, and the N-type impurity region (source, drain) 116 and the P-type impurity region 117 are implanted. Formed. This process used a known CMOS technology. Further, the silicon nitride 107 other than those existing under the gate electrode / wiring portion was removed by reactive ion etching. This process can be substituted by wet etching. In that case, the difference in etching rate between aluminum oxide, which is an anodic oxide film, and silicon nitride can be used to perform self-aligned etching using aluminum oxide as a mask.

このようにして、図1(D)に示されるような構造が得られた。なお、当然のことながら、先のイオン注入によって不純物の注入された部分の結晶性は著しく劣化し、実質的に非結晶状態(アモルファス状態、あるいはそれに近い多結晶状態)になっている。そこで、レーザーアニールによって結晶性を回復させた。この工程は、600〜850℃の熱アニールによってもよい。レーザーアニールの条件は、例えば、特願平4−30220に記述されたものを使用した。レーザーアニール後は、250〜450℃の水素雰囲気(1〜700torr、このましくは500〜700torr)で30分〜3時間、アニールをおこない、半導体領域に水素を添加し、格子欠陥(ダングリングボンド等)を減らした。   In this way, a structure as shown in FIG. 1D was obtained. As a matter of course, the crystallinity of the portion into which the impurity has been implanted is significantly degraded by the previous ion implantation, and is substantially in an amorphous state (an amorphous state or a polycrystalline state close thereto). Therefore, crystallinity was recovered by laser annealing. This step may be performed by thermal annealing at 600 to 850 ° C. For example, the laser annealing conditions described in Japanese Patent Application No. 4-30220 were used. After laser annealing, annealing is performed in a hydrogen atmosphere at 250 to 450 ° C. (1 to 700 torr, preferably 500 to 700 torr) for 30 minutes to 3 hours, hydrogen is added to the semiconductor region, and lattice defects (dangling bonds) Etc).

このようにして、素子の形状を整えた。その後は、通常のように、酸化珪素のスパッタ成膜によって層間絶縁物118を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術によって電極用孔を形成して、半導体領域あるいはゲイト電極・配線の表面を露出させ、最後に、第2の金属被膜(アルミニウムあるいはクロム)を選択的に形成して、これを電極・配線119〜121とした。ここで、第1の金属配線108、111上を第2の金属配線119、121が横断する。以上のようにして、NTFT122とPTFT123を形成できた。   In this way, the shape of the element was adjusted. Thereafter, as usual, an interlayer insulator 118 is formed by sputtering film formation of silicon oxide, an electrode hole is formed by a known photolithography technique, and the surface of the semiconductor region or the gate electrode / wiring is exposed, Finally, a second metal film (aluminum or chromium) was selectively formed, and this was used as electrodes / wirings 119 to 121. Here, the second metal wires 119 and 121 cross over the first metal wires 108 and 111. As described above, NTFT 122 and PTFT 123 were formed.

図2には本実施例の作製工程断面図を示す。なお、本実施例の詳細な条件は、本発明人らの出願した特願平4−30220とほとんど同じであるので、特別には詳述しない。まず、基板201として日本電気硝子社製のN−0ガラスを使用し、プラズマCVD法もしくは減圧CVD法で窒化珪素膜202を厚さ10〜50nmだけ形成した。さらに、下地の酸化珪素皮膜203を厚さ100〜800nmだけ、スパッタ法によって形成した。その上にアモルファスシリコン被膜をプラズマCVD法によって20〜100nmだけ形成し、600℃で12〜72時間、窒素雰囲気中でアニールし、結晶化させた。さらに、これをパターニングして、図2(A)に示すように島状の半導体領域204(NチャネルTFT用)と205(PチャネルTFT用)とを形成した。   FIG. 2 shows a cross-sectional view of a manufacturing process of this example. The detailed conditions of the present embodiment are almost the same as those of Japanese Patent Application No. 4-30220 filed by the present inventors, and will not be specifically described in detail. First, N-0 glass manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd. was used as the substrate 201, and a silicon nitride film 202 having a thickness of 10 to 50 nm was formed by plasma CVD or low pressure CVD. Further, the underlying silicon oxide film 203 was formed by sputtering to a thickness of 100 to 800 nm. An amorphous silicon film having a thickness of 20 to 100 nm was formed thereon by plasma CVD, and annealed at 600 ° C. for 12 to 72 hours in a nitrogen atmosphere to cause crystallization. Further, this was patterned to form island-shaped semiconductor regions 204 (for N-channel TFTs) and 205 (for P-channel TFTs) as shown in FIG.

さらに、スパッタ法によって、ゲイト酸化膜206を厚さ50〜200nmだけ堆積した。さらに、窒化珪素膜207をプラズマCVD法もしくは減圧CVD法によって、厚さ2〜20nm、好ましくは8〜11nmだけ堆積した。   Further, a gate oxide film 206 having a thickness of 50 to 200 nm was deposited by sputtering. Further, a silicon nitride film 207 was deposited by a thickness of 2 to 20 nm, preferably 8 to 11 nm, by plasma CVD or low pressure CVD.

次に、スパッタリング法もしくは電子ビーム蒸着法によってアルミニウム被膜を形成して、これをパターニングし、ゲイト電極・配線208〜211を形成した。このようにして、図2(A)のようにTFTの外形を整えた。   Next, an aluminum film was formed by sputtering or electron beam evaporation, and this was patterned to form gate electrodes / wirings 208-211. In this way, the outer shape of the TFT was adjusted as shown in FIG.

さらに、電解溶液中でゲイト電極・配線208〜211に電流を通じ、陽極酸化法によって、酸化アルミニウム膜212〜215を形成した。陽極酸化の条件としては、本発明人等の発明である特願平3−30220に記述された方法を採用した。ここまでの様子を図2(B)に示す。   Further, aluminum oxide films 212 to 215 were formed by anodizing the current through the gate electrodes and wirings 208 to 211 in the electrolytic solution. As the conditions for anodization, the method described in Japanese Patent Application No. 3-30220 which is the invention of the present inventors was adopted. The state up to this point is shown in FIG.

次に、図2(C)に示すように、反応性イオンエッチング法によってゲイト電極・配線部の下に存在するもの以外の窒化珪素207および酸化珪素206を除去し、半導体領域204、205を露出させた。この工程はウェットエッチングによっても代用できる。その際には、陽極酸化膜である酸化アルミニウムと窒化珪素、酸化珪素のエッチングレイトの違いを利用して、酸化アルミニウムをマスクとしてセルフアライン的にエッチングできる。さらに、本発明人等の発明であるレーザードーピング技術(特願平3−283981)によって、半導体領域204にはN型の不純物を、半導体領域205にはP型の不純物をドーピングし、N型不純物領域(ソース、ドレイン)216とP型不純物領域217を形成した。この工程は特願平3−283981に記述されるようなCMOS技術を使用した。   Next, as shown in FIG. 2C, the silicon nitride 207 and the silicon oxide 206 other than those existing under the gate electrode / wiring portion are removed by reactive ion etching, and the semiconductor regions 204 and 205 are exposed. I let you. This process can be substituted by wet etching. In that case, the etching can be performed in a self-aligned manner using aluminum oxide as a mask by utilizing the difference in etching rate between aluminum oxide, which is an anodic oxide film, silicon nitride, and silicon oxide. Further, the semiconductor region 204 is doped with an N-type impurity and the semiconductor region 205 is doped with a P-type impurity by the laser doping technique (Japanese Patent Application No. Hei 3-283981) which is an invention of the present inventors. A region (source, drain) 216 and a P-type impurity region 217 were formed. This process used CMOS technology as described in Japanese Patent Application No. 3-283981.

このようにして、図2(D)に示されるような構造が得られた。なお、レーザードーピング法では、不純物の注入とアニールが同時におこなわれるため、実施例1のようなレーザーアニールや熱アニールの工程は不要である。レーザードーピング後は、250〜450℃の水素雰囲気(1〜700torr、このましくは500〜700torr)で30分〜3時間、アニールをおこない、半導体領域に水素を添加し、格子欠陥(ダングリングボンド等)を減らした。   In this way, a structure as shown in FIG. 2D was obtained. In the laser doping method, since impurity implantation and annealing are performed simultaneously, the laser annealing and thermal annealing steps as in the first embodiment are unnecessary. After laser doping, annealing is performed in a hydrogen atmosphere at 250 to 450 ° C. (1 to 700 torr, preferably 500 to 700 torr) for 30 minutes to 3 hours, hydrogen is added to the semiconductor region, and lattice defects (dangling bonds) Etc).

このようにして、素子の形状を整えた。その後は、通常のように、酸化珪素のスパッタ成膜によって層間絶縁物218を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術によって電極用孔を形成して、半導体領域あるいはゲイト電極・配線の表面を露出させ、最後に、第2の金属被膜(アルミニウムあるいはクロム)を選択的に形成して、これを電極・配線219〜221とした。以上のようにして、NTFT222とPTFT223を形成できた。   In this way, the shape of the element was adjusted. Thereafter, as usual, an interlayer insulator 218 is formed by sputtering film formation of silicon oxide, an electrode hole is formed by a known photolithography technique, and the surface of the semiconductor region or gate electrode / wiring is exposed, Finally, a second metal film (aluminum or chrome) was selectively formed to form electrodes / wirings 219 to 221. As described above, NTFT 222 and PTFT 223 were formed.

図3には本実施例の作製工程断面図を示す。なお、本実施例の詳細な条件は、本発明人らの出願した特願平4−30220とほとんど同じであるので、特別には詳述しない。まず、基板301として日本電気硝子社製のN−0ガラスを使用し、プラズマCVD法もしくは減圧CVD法で窒化珪素膜302を厚さ10〜50nmだけ形成した。さらに、下地の酸化珪素皮膜303を厚さ100〜800nmだけ、スパッタ法によって形成した。その上にアモルファスシリコン被膜をプラズマCVD法によって20〜100nmだけ形成し、600℃で12〜72時間、窒素雰囲気中でアニールし、結晶化させた。さらに、これをパターニングして、図3(A)に示すように島状の半導体領域304(NチャネルTFT用)と305(PチャネルTFT用)とを形成した。   FIG. 3 shows a cross-sectional view of the manufacturing process of this example. The detailed conditions of the present embodiment are almost the same as those of Japanese Patent Application No. 4-30220 filed by the present inventors, and will not be specifically described in detail. First, N-0 glass manufactured by Nippon Electric Glass Co., Ltd. was used as the substrate 301, and a silicon nitride film 302 having a thickness of 10 to 50 nm was formed by plasma CVD or low pressure CVD. Further, the underlying silicon oxide film 303 was formed by sputtering to a thickness of 100 to 800 nm. An amorphous silicon film having a thickness of 20 to 100 nm was formed thereon by plasma CVD, and annealed at 600 ° C. for 12 to 72 hours in a nitrogen atmosphere to cause crystallization. Further, this was patterned to form island-shaped semiconductor regions 304 (for N-channel TFTs) and 305 (for P-channel TFTs) as shown in FIG.

さらに、スパッタ法によって、ゲイト酸化膜306を厚さ50〜200nmだけ堆積した。さらに、窒化珪素膜307をプラズマCVD法もしくは減圧CVD法によって、厚さ2〜20nm、好ましくは8〜11nmだけ堆積した。   Further, a gate oxide film 306 having a thickness of 50 to 200 nm was deposited by sputtering. Further, a silicon nitride film 307 is deposited by a thickness of 2 to 20 nm, preferably 8 to 11 nm, by plasma CVD or low pressure CVD.

次に、スパッタリング法もしくは電子ビーム蒸着法によってアルミニウム被膜を形成して、これをパターニングし、ゲイト電極・配線308〜311を形成した。このようにして、図3(A)のようにTFTの外形を整えた。   Next, an aluminum film was formed by sputtering or electron beam evaporation, and this was patterned to form gate electrodes / wirings 308 to 311. In this way, the outer shape of the TFT was adjusted as shown in FIG.

さらに、電解溶液中でゲイト電極・配線308〜311に電流を通じ、陽極酸化法によって、酸化アルミニウム膜312〜315を形成した。陽極酸化の条件としては、本発明人等の発明である特願平4−30220に記述された方法を採用した。ここまでの様子を図3(B)に示す。   Furthermore, aluminum oxide films 312 to 315 were formed by anodizing the current through the gate electrodes / wirings 308 to 311 in the electrolytic solution. As the conditions for anodization, the method described in Japanese Patent Application No. 4-30220, which is the invention of the present inventors, was employed. The state up to this point is shown in FIG.

次に、公知のプラズマイオンドーピング法によって、半導体領域304にはN型の不純物を、半導体領域305にはP型の不純物を注入し、N型不純物領域(ソース、ドレイン)316とP型不純物領域317を形成した。この工程は公知のCMOS技術を使用した。プラズマからは、不純物元素以外に、ガスソースの希釈剤として用いられている水素もイオン化し、半導体領域中に注入された。この工程は公知のイオン注入法によってもおこなえるが、後で示す理由から水素イオンも別に注入することが求められる。   Next, an N-type impurity is implanted into the semiconductor region 304 and a P-type impurity is implanted into the semiconductor region 305 by a known plasma ion doping method, so that the N-type impurity region (source and drain) 316 and the P-type impurity region are implanted. 317 was formed. This process used a known CMOS technology. From the plasma, in addition to the impurity element, hydrogen used as a diluent for the gas source was also ionized and injected into the semiconductor region. Although this step can be performed by a known ion implantation method, it is required to implant hydrogen ions separately for the reason described later.

このようにして、図3(D)に示されるような構造が得られた。なお、当然のことながら、先のイオン注入によって不純物の注入された部分の結晶性は著しく劣化し、実質的に非結晶状態(アモルファス状態、あるいはそれに近い多結晶状態)になっている。そこで、レーザーアニールによって結晶性を回復させた。この工程は、600〜850℃の熱アニールによってもよい。レーザーアニールの条件は、例えば、特願平4−30220に記述されたものを使用した。ただし、窒化珪素膜307は、波長250nm以下の短波長紫外線を透過しないので、XeClレーザー(波長308nm)やXeFレーザー(波長351nm)を使用した。   In this way, a structure as shown in FIG. 3D was obtained. As a matter of course, the crystallinity of the portion into which the impurity has been implanted is significantly degraded by the previous ion implantation, and is substantially in an amorphous state (an amorphous state or a polycrystalline state close thereto). Therefore, crystallinity was recovered by laser annealing. This step may be performed by thermal annealing at 600 to 850 ° C. For example, the laser annealing conditions described in Japanese Patent Application No. 4-30220 were used. However, since the silicon nitride film 307 does not transmit short-wavelength ultraviolet light having a wavelength of 250 nm or less, an XeCl laser (wavelength 308 nm) or an XeF laser (wavelength 351 nm) was used.

レーザーアニール後は、250〜450℃の水素雰囲気(1〜700torr、このましくは500〜700torr)で30分〜3時間、アニールをおこない、半導体中の格子欠陥(ダングリングボンド等)を減らした。実際には、窒化珪素膜307が存在する為に、半導体領域の内と外では水素のやりとりはほとんどない。したがって、例えば、プラズマドーピング法では、水素原子も多量に半導体領域中に注入されるけれども、イオン注入法では、別に水素イオン注入の工程を必要とする。また、プラズマドーピング法でも、水素の量が不十分であれば、別に水素をドーピングしなければならない。   After laser annealing, annealing was performed in a hydrogen atmosphere (1 to 700 torr, preferably 500 to 700 torr) at 250 to 450 ° C. for 30 minutes to 3 hours to reduce lattice defects (dangling bonds, etc.) in the semiconductor. . Actually, since the silicon nitride film 307 exists, there is almost no exchange of hydrogen inside and outside the semiconductor region. Therefore, for example, in the plasma doping method, a large amount of hydrogen atoms are also implanted into the semiconductor region, but in the ion implantation method, a separate hydrogen ion implantation step is required. Even in the plasma doping method, if the amount of hydrogen is insufficient, hydrogen must be separately doped.

このようにして、素子の形状を整えた。その後は、通常のように、酸化珪素のスパッタ成膜によって層間絶縁物318を形成し、公知のフォトリソグラフィー技術によって電極用孔を形成して、半導体領域あるいはゲイト電極・配線の表面を露出させ、最後に、第2の金属被膜(アルミニウムあるいはクロム)を選択的に形成して、これを電極・配線319〜321とした。以上のようにして、NTFT322とPTFT323を形成できた。   In this way, the shape of the element was adjusted. Thereafter, as usual, an interlayer insulator 318 is formed by sputtering film formation of silicon oxide, an electrode hole is formed by a known photolithography technique, and the surface of the semiconductor region or gate electrode / wiring is exposed, Finally, a second metal film (aluminum or chrome) was selectively formed to form electrodes / wirings 319 to 321. As described above, NTFT 322 and PTFT 323 were formed.

本発明人らの発明であり、平成4年2月25日出願の『薄膜状絶縁ゲイト型半導体装置およびその作製方法』(出願人、株式会社半導体エネルギー研究所、整理番号P002042−01乃至P002044−03、以上3件)に記述される2層のチャネルを有するTFTに関して、本発明を適用した例を図2に示す。   The present inventors' invention, filed on February 25, 1992, “Thin Film Insulated Gate Semiconductor Device and Method for Manufacturing the Same” (Applicant, Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd., Reference Numbers P002042-01 to P002044-) FIG. 2 shows an example in which the present invention is applied to a TFT having a two-layer channel described in (03, above 3).

すなわち、図4、図5、図6において、401、501、601はNチャネルTFT、402、402、402はPチャネルTFTであり、その各図においてチャネル領域の第1の層408、410、508、510、508、510はいずれも実質的にアモルファスシリコンからなっている。その厚さは20〜200nmであった。   That is, in FIGS. 4, 5, and 6, 401, 501, and 601 are N-channel TFTs, and 402, 402, and 402 are P-channel TFTs. , 510, 508, 510 are substantially made of amorphous silicon. Its thickness was 20-200 nm.

また、407、409、507、509、607、609は実質的に多結晶もしくはセミアモルファス状態のシリコンで、その厚さは20〜200nmである。さらに、404、406、504、506、604、606は酸化珪素からできたゲイト絶縁膜であり、厚さは50〜300nmである。そして、403、405、503、505、603、605は実施例1〜3と同じように形成された厚さ2〜20nmの窒化珪素膜である。これらの構造については、上記の特許出願あるいは実施例1の記述に基づいて作製された。   Reference numerals 407, 409, 507, 509, 607, and 609 are substantially polycrystalline or semi-amorphous silicon and have a thickness of 20 to 200 nm. Further, 404, 406, 504, 506, 604, and 606 are gate insulating films made of silicon oxide and have a thickness of 50 to 300 nm. Reference numerals 403, 405, 503, 505, 603, and 605 are silicon nitride films having a thickness of 2 to 20 nm formed in the same manner as in the first to third embodiments. About these structures, it produced based on description of said patent application or Example 1. FIG.

本発明による半導体装置の作製工程図(断面)を示す。A manufacturing process diagram (cross section) of a semiconductor device according to the present invention is shown. 本発明による半導体装置の作製工程図(断面)を示す。A manufacturing process diagram (cross section) of a semiconductor device according to the present invention is shown. 本発明による半導体装置の作製工程図(断面)を示す。A manufacturing process diagram (cross section) of a semiconductor device according to the present invention is shown. 従来例による半導体装置の構造例を示す。The structural example of the semiconductor device by a prior art example is shown. 従来例による半導体装置の構造例を示す。The structural example of the semiconductor device by a prior art example is shown. 従来例による半導体装置の構造例を示す。The structural example of the semiconductor device by a prior art example is shown.

符号の説明Explanation of symbols

101 絶縁基板
102 ブロッキング層(窒化珪素)
103 ブロッキング層(酸化珪素)
104 半導体領域(NチャネルTFT用)
105 半導体領域(PチャネルTFT用)
106 ゲイト絶縁膜
107 窒化珪素膜
108〜111 ゲイト電極・配線(アルミニウム)
112〜115 陽極酸化物層
116 N型不純物領域
117 P型不純物領域
118 層間絶縁物
119〜121 第2層金属配線
122 NTFT
123 PTFT
101 Insulating substrate 102 Blocking layer (silicon nitride)
103 Blocking layer (silicon oxide)
104 Semiconductor region (for N-channel TFT)
105 Semiconductor region (for P-channel TFT)
106 Gate insulating film 107 Silicon nitride film 108-111 Gate electrode / wiring (aluminum)
112-115 Anodic oxide layer 116 N-type impurity region 117 P-type impurity region 118 Interlayer insulators 119-121 Second layer metal wiring 122 NTFT
123 PTFT

Claims (4)

基板上に第1の窒化珪素膜を形成する第1の工程と、
前記第1の窒化珪素膜上に第1の酸化珪素膜を形成する第2の工程と、
前記第1の酸化珪素膜上に島状の半導体層を形成する第3の工程と、
前記半導体層を覆って第2の酸化珪素膜を形成する第4の工程と、
前記第2の酸化珪素膜上に第2の窒化珪素膜を形成する第5の工程と、
前記第2の窒化珪素膜上にゲイト電極を形成する第6の工程と、
前記半導体層のソース領域及びドレイン領域となる領域上の前記第2の窒化珪素膜を除去して前記第2の酸化珪素膜を露出させる第7の工程と、
水素雰囲気でアニールを行うことによって、前記半導体層に水素を添加する第8の工程と、
前記半導体層と、前記第2の酸化珪素膜と、前記第2の窒化珪素膜と、前記ゲイト電極と、を覆って層間絶縁膜を形成する第の工程と、
前記層間絶縁膜と、前記第2の酸化珪素膜と、にコンタクトホールを形成する第10の工程と、
前記コンタクトホールを介して前記半導体層に電気的に接続する配線を形成する第11の工程と、
を有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
A first step of forming a first silicon nitride film on a substrate;
A second step of forming a first silicon oxide film on the first silicon nitride film;
A third step of forming an island-shaped semiconductor layer on the first silicon oxide film;
A fourth step of forming a second silicon oxide film covering the semiconductor layer;
A fifth step of forming a second silicon nitride film on the second silicon oxide film;
A sixth step of forming a gate electrode on the second silicon nitride film;
A seventh step of removing the second silicon nitride film on a region to be a source region and a drain region of the semiconductor layer to expose the second silicon oxide film;
An eighth step of adding hydrogen to the semiconductor layer by annealing in a hydrogen atmosphere ;
A ninth step of forming an interlayer insulating film covering the semiconductor layer, the second silicon oxide film, the second silicon nitride film, and the gate electrode;
A tenth step of forming a contact hole in the interlayer insulating film and the second silicon oxide film;
An eleventh step of forming a wiring electrically connected to the semiconductor layer through the contact hole;
A method for manufacturing an insulated gate semiconductor device, comprising:
請求項において、
前記層間絶縁膜は、酸化珪素膜であることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
In claim 1 ,
The method for manufacturing an insulating gate type semiconductor device, wherein the interlayer insulating film is a silicon oxide film.
請求項又は請求項において、
前記基板はガラス基板であることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
In claim 1 or claim 2 ,
The method for manufacturing an insulated gate semiconductor device, wherein the substrate is a glass substrate.
請求項乃至請求項のいずれか一において、
前記ゲイト電極は、アルミニウム、クロム、チタン、タンタル、シリコンのいずれか、又はそれらの合金、又はそれらの多層からなることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。
In any one of Claim 1 thru | or 3 ,
The method of manufacturing an insulated gate semiconductor device, wherein the gate electrode is made of any one of aluminum, chromium, titanium, tantalum, silicon, an alloy thereof, or a multilayer thereof.
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