JPH0357613B2 - - Google Patents

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JPH0357613B2
JPH0357613B2 JP53124022A JP12402278A JPH0357613B2 JP H0357613 B2 JPH0357613 B2 JP H0357613B2 JP 53124022 A JP53124022 A JP 53124022A JP 12402278 A JP12402278 A JP 12402278A JP H0357613 B2 JPH0357613 B2 JP H0357613B2
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Japan
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semiconductor
mis
hydrogen
fet
film
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Shunpei Yamazaki
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は絶縁ゲイト型電界効果半導体装置(以
下MIS−FETという)に関するものであつて、
第1のMIS−FETが基板に設けられたその上方
または上方面に第2のMIS−FETが設けられる
ことを目的としている。 本発明は、非単結晶半導体を半導体装置の少な
くとも一部に有する半導体装置に関する。 本発明は、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ
(以下、MIS−FETという)のゲイト絶縁物下の
チヤネル領域の少なくとも一部が、アモルフアス
または多結晶のいわゆる非単結晶半導体より成
り、かつこの半導体中に水素元素を0.1モル%以
上混入せしめることに関する。 そしてこの非単結晶領域で、不対結合手等によ
る再結合中心をこの水素により中和しかつ消滅せ
しめることを特長とする。その結果、電子または
ホールの移動度をこれまで知られている単結晶の
場合に等しくまたは概略等しくさせんとする。 従来、半導体装置は単結晶の半導体基板に対し
MIS−FETまたはバイポーラ型のトランジスタ、
さらにまたはそれらをキヤパシタ、抵抗、ダイオ
ード等を同一基板に複合化して集積化した装置を
製造するにとどまつていた。 このため、アクテイブエレメントであるMIS−
FETは必ず単結晶基板に設けられていた。特に
MIS−FETにおいては、ゲイト以下のチヤネル
領域、またバイポーラ、トランジスタにおいては
ベース、コレクタはキヤリアのライフタイムが微
妙に影響を与えるため、その領域はキヤリアであ
る電子またはホールに対する再結合中心が十分小
さい濃度の単結晶半導体が用いられていた。そし
てかかる活性領域に単結晶半導体が用いられない
場合、PN接合においても、逆方向耐圧において
ソフト・ブレイクダウンまたはリーク増大が観察
され、それらは格子欠陥その他の格子不整、不対
結合手による再結合中心の存在が悪化の主因であ
つた。 本発明はこれらの根本原因である再結合中心の
密度を単結晶でない非単結晶(多結晶またはアモ
ルフアス)においても十分小さくすることを可能
とし、その結果初めて完成したものである。 一般に単結晶シリコンを用いた半導体装置を形
成するにあたつては、種々の温度における熱処理
を必要とする。例えばシリコン半導体においては
900〜1200℃での不純物の熱拡散、400〜550℃に
おけるアルミニユームのコンタクトのアロイ、
350〜900℃における酸化珪素、窒化珪素、シリコ
ンの気相法(減圧CVD)による被膜作製である。
本発明はこれらのすべてまたは大部分の熱処理工
程を経た装置として完成または大部分が完成した
半導体装置に対し、水素を化学的に活性または原
子状態で添加することを特徴とする。本発明では
かかる添加作用を総称して誘導キユリング
(induction curing)ともいう。特に水素(重水
素も含む)を高周波エネルギまたはマイクロ波エ
ネルギにより誘導励起して化学的活性状態にし、
その雰囲気、特に10-2mmHg以上の圧力の雰囲気
中に半導体装置を5分〜2時間さらすことによ
り、この活性状態の元素が半導体特に非単結晶半
導体中の不対結合手と結合し、さらにまた不対結
合手同志を互いに共有結合せしめ、電気的に中和
することを特徴としている。 以下にその実施例に従つて本発明を説明する。 第1図は本発明に至るMIS型電界効果半導体の
縦断面図である。 この発明は、シリコン半導体基板1上に200Å
〜2μの厚さの酸化珪素または窒化珪素の薄膜2
を形成した。このために半導体基板に対し表面よ
り150〜300KeVのイオン注入法により酸素また
は窒素を打ち込むことにより成就した。これを真
空状態または水素雰囲気にて900〜1100℃で10〜
30分アニールを行つた。さらにその上面に減圧気
相法によりシリコン膜を形成した。これはシラン
(SiH4)、ジクロールシラン(SiH2Cl2)、その他
の珪化物を反応性気体として0.1〜10torr(mmHg)
の圧力状態にした上、500〜900℃の温度で行うい
わゆる減圧気相法によつた。発熱は1〜10MHzの
高周波誘導を用いた。しかし抵抗加熱でもよい。
この減圧気相法による半導体膜の形成は本発明人
に特許になる特公昭51−1389に基づいた。もちろ
ん室温〜500℃の温度でグロー放電法またはスパ
ツタ法を利用してもよい。 こうしてこの上面に0.1〜2μの厚さのシリコン
半導体膜を形成した。この絶縁層2が純粋の
SiO2またまSi3N4にあつては多結晶であつたが、
この酸素または窒素の量が1018〜1021cm-3である
場合にはこの上に形成される半導体層は非単結晶
を一部に含むエピタキシヤル構造であつた。本実
施例においては、実質的にエピタキシヤル構造と
なつていた。 しかし、再結合中心をより少なくすることによ
り、より完全結晶と同等の半導体とすることはき
わめて重要である。 本発明の目的はかかる再結合中心が多数存在す
る半導体膜において、前記再結合中心を水素を添
加することによりその数を減らすことである。 フイールド絶縁物3を1〜2μの厚さに、本発
明人の発明による特許(特公昭52−20312、特公
昭50−37500)に基づき実施した。この後、ゲイ
ト絶縁物12を100〜1000Åの厚さに作り、また
必要に応じてシリコン半導体のコンタクト7を形
成し、その上にセルフアライン方式によりゲイト
電極11を、減圧CVD法により半導体膜を作つ
た。 加えてSiO2膜のオーバーコート10を0.5〜2μ
の厚さに形成した。この時この上面に平坦面とす
るため、SiO2膜のかわりにPIQ等を用いてもよ
い。アルミニユームの電極の穴開け8、さらにア
ルミニユームの電極、リード8を形成した。ソー
ス、ドレイン6はチヤネル形成領域4がP型であ
つては1018〜1021cm-3のN+型の不純物、例えばリ
ン、砒素により形成した。ゲイト電極をモリブデ
ン、タングステン等の金属で行つてもよいまた
1019cm-3以上の濃度にリン等を混入して、低抵抗
の半導体リードとしてもよい。他方、チヤネル領
域は不純物濃度が1014〜1017cm-3の低濃度であり、
きわめて敏感である。 電子またはホールのキヤリアは単結晶では一般
に構造敏感性をもつことが知られていた。しかし
本発明はかかる構造敏感性が結晶構造に起因する
のではなく、その中に存在する再結合中心の反応
に起因するものであることを発見した。 本発明はその結果、この敏感性を与える再結晶
中心を中和消滅させようとしたものである。この
ため、本発明においては、ここに水素を0.1モル
%特に5〜20モル%添加した。その結果、、第1
図Aの構造が出来上がつた後、水素の添加により
キヤリアのライフタイムが103〜105倍になつた。
C−Vダイオード特性で評価してもQss≒1010cm
-2のオーダのほぼ理論どおりのC−V特性を示し
ていた。この水素添加の際に種々の条件を変更し
た結果を以下に示す。
The present invention relates to an insulated gate field effect semiconductor device (hereinafter referred to as MIS-FET),
The second MIS-FET is intended to be provided above or on the upper surface of the first MIS-FET provided on the substrate. The present invention relates to a semiconductor device having a non-single crystal semiconductor in at least a portion of the semiconductor device. The present invention provides that at least a part of a channel region under a gate insulator of an insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as MIS-FET) is made of an amorphous or polycrystalline non-single crystal semiconductor, and that Relates to mixing 0.1 mol% or more of hydrogen element. In this non-single crystal region, recombination centers due to dangling bonds and the like are neutralized and eliminated by the hydrogen. As a result, the mobility of electrons or holes is to be made equal or approximately equal to that of previously known single crystals. Traditionally, semiconductor devices were manufactured using single-crystal semiconductor substrates.
MIS-FET or bipolar transistor,
In addition, devices have only been produced in which capacitors, resistors, diodes, etc. are combined and integrated on the same substrate. For this reason, the active element MIS-
FETs were always mounted on single-crystal substrates. especially
In MIS-FETs, the channel region below the gate, and in bipolar transistors, the base and collector are subtly affected by the carrier lifetime, so the recombination center for carrier electrons or holes is sufficiently small in that region. Concentrated single crystal semiconductors were used. When a single crystal semiconductor is not used in such an active region, soft breakdown or increased leakage is observed in the reverse breakdown voltage even in the PN junction, and these are caused by lattice defects, other lattice misalignments, and recombination due to dangling bonds. The presence of the center was the main cause of the deterioration. The present invention makes it possible to sufficiently reduce the density of recombination centers, which is the root cause of these problems, even in non-single crystals (polycrystals or amorphous), and has been completed for the first time as a result. Generally, when forming a semiconductor device using single crystal silicon, heat treatment at various temperatures is required. For example, in silicon semiconductors
Thermal diffusion of impurities at 900-1200℃, alloying of aluminum contacts at 400-550℃,
The film is fabricated using a vapor phase method (low-pressure CVD) of silicon oxide, silicon nitride, and silicon at 350 to 900°C.
The present invention is characterized in that hydrogen is added in a chemically active or atomic state to a semiconductor device that has undergone all or most of these heat treatment steps and has been completed or mostly completed. In the present invention, such additive action is also collectively referred to as induction curing. In particular, hydrogen (including deuterium) is induced to be excited by high frequency energy or microwave energy to be brought into a chemically active state.
By exposing the semiconductor device to this atmosphere, especially an atmosphere with a pressure of 10 -2 mmHg or more for 5 minutes to 2 hours, the elements in the active state combine with the dangling bonds in the semiconductor, especially in the non-single crystal semiconductor, and further It is also characterized by covalently bonding unpaired bonds to each other and electrically neutralizing them. The present invention will be explained below with reference to Examples. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an MIS type field effect semiconductor according to the present invention. In this invention, a 200 Å film is formed on a silicon semiconductor substrate 1.
~2μ thick silicon oxide or silicon nitride thin film 2
was formed. This was accomplished by implanting oxygen or nitrogen into the semiconductor substrate from the surface using ion implantation at 150 to 300 KeV. This is heated at 900 to 1100℃ for 10 to 10 minutes in a vacuum or hydrogen atmosphere.
Annealing was performed for 30 minutes. Further, a silicon film was formed on the upper surface by a reduced pressure vapor phase method. This uses silane (SiH 4 ), dichlorosilane (SiH 2 Cl 2 ), and other silicides as reactive gases at 0.1 to 10 torr (mmHg).
The so-called reduced pressure gas phase method was used, which was carried out at a pressure of 500 to 900°C. High frequency induction of 1 to 10 MHz was used to generate heat. However, resistance heating may also be used.
The formation of a semiconductor film by this reduced pressure vapor phase method was based on Japanese Patent Publication No. 1389/1989, which was patented by the present inventor. Of course, a glow discharge method or a sputter method may be used at a temperature of room temperature to 500°C. In this way, a silicon semiconductor film with a thickness of 0.1 to 2 μm was formed on this upper surface. This insulating layer 2 is pure
SiO 2 and Si 3 N 4 were polycrystalline, but
When the amount of oxygen or nitrogen was 10 18 to 10 21 cm -3 , the semiconductor layer formed thereon had an epitaxial structure partially containing non-single crystals. In this example, the structure was substantially epitaxial. However, it is extremely important to make the semiconductor more equivalent to a perfect crystal by reducing the number of recombination centers. An object of the present invention is to reduce the number of such recombination centers in a semiconductor film in which a large number of them exist by adding hydrogen to the recombination centers. The field insulator 3 was made to have a thickness of 1 to 2 μm based on patents invented by the present inventor (Japanese Patent Publication No. 52-20312, Japanese Patent Publication No. 50-37500). After this, a gate insulator 12 is formed to a thickness of 100 to 1000 Å, and a silicon semiconductor contact 7 is formed as required, and a gate electrode 11 is formed on it by a self-aligning method and a semiconductor film is formed by a low pressure CVD method. I made it. In addition, overcoat 10 of SiO 2 film with a thickness of 0.5 to 2μ
It was formed to a thickness of . At this time, in order to make the upper surface flat, PIQ or the like may be used instead of the SiO 2 film. Holes 8 were formed for aluminum electrodes, and aluminum electrodes and leads 8 were formed. When the channel forming region 4 is P type, the source and drain 6 are formed of N + type impurities such as phosphorus and arsenic at a concentration of 10 18 to 10 21 cm -3 . The gate electrode may also be made of metal such as molybdenum or tungsten.
Phosphorus or the like may be mixed at a concentration of 10 19 cm -3 or higher to form a low-resistance semiconductor lead. On the other hand, the channel region has a low impurity concentration of 10 14 to 10 17 cm -3 ;
Extremely sensitive. It was known that electron or hole carriers are generally structurally sensitive in single crystals. However, the present invention has discovered that such structural sensitivity is not due to the crystal structure but to reactions at recombination centers present therein. As a result, the present invention attempts to neutralize and eliminate the recrystallization centers that give rise to this sensitivity. For this reason, in the present invention, 0.1 mol %, particularly 5 to 20 mol %, of hydrogen is added here. As a result, the first
After the structure shown in Figure A was completed, the carrier lifetime was increased by 10 3 to 10 5 times by adding hydrogen.
Qss≒10 10 cm even when evaluated by C-V diode characteristics
It showed a C-V characteristic of the order of -2 , which is almost in accordance with the theory. The results of changing various conditions during this hydrogenation are shown below.

【表】【table】

【表】【table】

【表】 尚、上記の処理は基板を水素雰囲気下に保持し
た状態で温度を下げて反応管より取り出した場合
の結果である。 水素気体の化学的励起は以下の方法に従つた。
即ち横型の直径5〜20cm特に15cm(高さ2m)の
石英管に対しその外側に高周波誘導炉をリング状
に水冷を可能とした銅管をスパイラル状に巻くこ
とにより実施した。使用した高周波の周波数は1
〜20MHzとした。さらにこの外側に抵抗加熱炉を
この誘導炉の電磁波に対し直角になるように発熱
体を配置して行つた。この反応管の中に、第1図
Aの半導体装置を形成した基板例えばシリコン基
板(直径10cm)を5〜50枚ボートに林立させ得る
形で装填した。さらにこれを10-3mmHgの圧力に
まで減圧した。その後水素を導入し、常圧付近に
までもどした。さらに今一度10-2〜10-3mmHgに
まで真空にし、その後10-1〜10mmHgとした。反
応系は絶えず一方より水素、ヘリウムを導入し他
方よりロータリーポンプ等により真空引きを連続
的に行つた。 水素の添加は抵抗加熱炉により基板を300〜500
℃に加熱し、その後誘導炉を電圧励起させた。電
流励起をさせる場合は、基板での金属壁または金
属質の部分のみが局部的に加熱されてしまい、好
ましくなかつた。このため、反応炉気体の活性化
は電圧励起とした。さらに温度が300℃以上であ
ると水素原子は自由にこの固体中に侵入型原子
(インターステイシアルアトム)のため動きまわ
ることができる。このため十分な平衡状態の濃度
にまでこれらの原子を半導体中に添加できた。 この後この温度を室温にまで下げた。この間も
反応炉気体の励起を続けていた。即ち、加熱+励
起を5〜60分特に30分続け、その後室温での励起
を5〜60分特に15分行つた。加熱温度はアルミニ
ユーム等の比較的低い温度で合金化または溶融す
る材料がある場合は、500℃が上限であつた。そ
の為半導体装置が完成した後に水素添加を行うに
は500℃以下にしなければならなかつた。それ以
外の場合はそれ以上の温度(600〜1000℃)で処
理してもよいが、しかし一つの大切なことは水素
は300〜500℃の温度領域より高温側で半導体中の
原子との結合をはずしH2として外に遊離されや
すくなる、結果、水素は膜中に添加されなくな
る。このため、高温における誘導キユーリングを
行つた場合、処理温度を室温にまで下げても誘導
キユーリングのための電気エネルギを加え続ける
必要がある。さらに反応容器内の圧力はグロー放
電その他の高周波誘導励起または誘導キユーリン
グが可能な範囲で高い方が好ましい。 すなわち、水素雰囲気下において、基板処理温
度が高い程、水素は膜中を移動し易く、結果とし
て水素は添加されやすく、かつ膜外へ脱離し易い
逆に基板処理温度が低い程、水素は膜中を移動し
にくく、結果として水素は添加されにくく、かつ
膜外へ脱離しにくい。そのため水素添加処理は使
用する材料が溶解しない程度の高温で水素を添加
し、水素雰囲気下で基板温度を早く下げ反応管よ
り基板を取り出すことが好ましい。 この周波数はマイクロ波であつてもよい。特に
周波数が50〜1000MHzであつた場合は反応管内の
圧力が常圧であつてもその効果は著しくあり、好
ましかつた。その場合、反応管は導波管とすると
好ましい。TEMモードを作る時、導波管の大き
さは必然的に決められてしまうため、電子レンジ
のようにマイクロ波をキユーリング用オーブン内
に輻射して実施すると好ましい。誘導キユーリン
グを行つている際、反応管の圧力を昇圧または降
圧してもよい。 高温状態では外気と半導体中の気相−固相での
平衡状態が大きく、半導体中に多量に添加材を添
加できる。このため高温にした状態で誘導キユー
リングを行いながら急冷すると高温状態より徐冷
して処理を終了することに比べて効果が大きかつ
た。例えば500℃より室温に急冷すると、徐冷に
比べて3〜10倍の濃度に添加できた。反応性気体
は水素のみまたはヘリウムを若干添加したもので
もよい。 しかし水素は不対結合手と結合するがヘリウム
は中途半端な不対結合手を叩いて互いの結合を促
進するため、実際には最初ヘリウムで励起し、そ
の後水素で行うのが好ましい。即ち、Heでのキ
ユーリング5〜15分、0.1〜100mmHg特に10mmHg
で行い、その後、5〜15分、0.01〜10mmHg特に
0.1mmHgで水素中でのキユーリングを行つた。ま
た、実用的には水素100%または水素中に5〜30
%ヘリウムまたはネオンを混入させて励起ガスと
した。 本発明を第1図のような半導体装置に実施した
が、かかる励起ガスの添加量の検定は半導体にか
かる気体を混入しその基板を真空中で加熱し、か
かる気体を放出させてその量を定量化するいわゆ
るガスクロマトグラフまたはオージエの分光法に
より定量化した。その場合、励起ガスは0.1モル
%特に1〜20モル%添加されていることが判明し
た。もちろん20モル%以上を加えることはさらに
好ましい。しかし一般には飽和傾向が見られた。 以下の本発明の実施例においてもこれまで記載
したと同様の方法によつて誘導キユーリングを行
つた。 第1図BはSOS(シリコン−オン−サフアイア)
の実施例である。アルミナ、サフアイア、スピネ
ル等の基板1上の半導体を0.02〜2μmの厚さにエ
ピタキシアル成長せしめ、さらにソース5、ドレ
イン6、埋置したフイールド絶縁物3、半導体ダ
イレクトコンタクト7、セルフアラインゲイト電
極31、ゲイト絶縁膜12、CVD SiO2膜10の
実施例である。この場合、基板のアルミナ成分と
半導体とが9の部分で接合し、非単結晶状態を呈
してしまう。このため、ソース、ドレインの形成
が異常拡散を起こしてしまつた。このため、この
半導体膜はその厚さを0.01〜0.3μmの厚さに作る
ことがたとえできても、実用上は役立たなかつ
た。しかし本発明のように0.01〜0.5μmの厚さで
あつても、これらの半導体デバイスを完成または
ほとんど完成させた後励起処理を行うならば、こ
の不完全層9はその再結合中心が1/100〜1/10000
とその密度が減少し、これまで知られている単結
晶と同様に取り扱うことができるようになつた。
この励起処理は半導体基板(チヤネル領域)とゲ
イト絶縁膜との間に存在する界面準位またはゲイ
ト絶縁膜中に存在する不対結合手を中和する効果
が著しくあり、MIS−FETの作製法の向上にき
わめて好ましい方法であつた。 第2図は本発明の実施例である。 この第2図は、一つのMIS−FETの上側また
は上方面に対して第2のMIS−FETを設け、こ
れまでより2〜4倍の高密度の集積回路(LSI、
VLSI)を製造しようとしたものである。 以下に図面に従つて説明する。 第2図Aは半導体基板1上に酸化珪素のような
絶縁膜2を0.1〜2μの厚さで形成した。この場合、
基板は半導体である必要は必ずしもない。その後
の熱処理実用上の熱伝導、加工等の条件を満たせ
ば絶縁物であつてもよい。ここでは多結晶シリコ
ンを用いた。絶縁膜2は基板1を酸化して形成し
た。 さらにこの上面に減圧CVD法を用いて半導体
シリコン膜を0.1〜2μの厚さで形成した。P型で
その不純物濃度は1018〜1016cm-3であつて、この
半導体膜を窒化珪素、酸化珪素の二重膜をマスク
とした選択酸化法によりフイールド絶縁物3を半
導体層に埋置して形成した。この際このフイール
ド絶縁物3と半導体層とは概略同一平面になるよ
うにフイールド膜をエツチしてもよく、また酸化
前に半導体層の一部を除去しておいてもよい。 さらにゲイト絶縁膜12を100〜1000Åの厚さ
に形成した。このゲイト絶縁膜は半導体層の酸化
による熱酸化膜であつても、また酸化物とリンガ
ラス、アルミナ、窒化珪素との二重構造であつて
も、またこのゲイト絶縁物中にクラスタまたは膜
を半導体または金属で形成する不揮発性メモリと
してもよい。この後この上面に第2の半導体層を
0.1〜2μの厚さに形成し、選択的に除去した。こ
の図面では第2の半導体層におけるひとつはゲイ
ト電極11として用いた。他の応用は上方面上に
第2のMIS−FETのソース25、ドレイン24、
チヤネル領域29として設けた。ゲイト電極11
をマスクとして、第1のMIS−FETのソース5、
ドレイン6をイオン注入法により形成した。もち
ろん熱拡散法を用いてもよい。さらに図面より明
らかなようにゲイト電極11は明示されていない
フイールド絶縁物3上を経て第2のMIS−FET
のソース25に連結されている。 第2のMIS−FETは、第3の半導体層21を
形成して後、ゲイト電極21とその下のゲイト絶
縁物22とによりイオン注入法または熱拡散法を
利用してソース、ドレインを拡散し作製した。こ
の図面は第1のMIS−FETの上方面即ち斜め上
方に第2のMIS−FETを設けたものである。し
かしこのMIS−FETの配置、大きさおよびそれ
ぞれの配線は設計の自由考に従つてなされるもの
である。 さらに第2図Bに示すような抵抗、キヤパシタ
を同時に同一基板に作り、また保護ダイオード等
のダイオードを作つてもよい。 第2図Bは単結晶半導体基板1に対し選択酸化
によりフイールド絶縁物3を0.5〜2μの厚さに形
成している。加えて半導体等のゲイト電極11,
11′を設け、ソース4、ドレイン31及びソー
ス31、ドレイン5を1019〜1021cm-3の濃度にボ
ロンまたはリンを混入させてPチヤネルまたはN
チヤネルMIS−FETを形成させたものである。
不純物領域31は一方のMIS−FET(図面左側)
のドレインであり他方のMIS−FET(図面右側)
のソースとして作用させたインバータの実施例で
ある。 さらにこの上面にオーバーコート用絶縁膜10
を0.5〜2μの厚さに形成して、この上面が平坦面
であると、この上側に作る第3のMIS−FETに
対し微細加工が可能である。この後、この上面に
非単結晶半導体を0.2〜2μの厚さに形成した。こ
の不純物濃度は1014〜1016cm-3でP型とし、チヤ
ネル領域29が動作状態で十分チヤネルとして働
くことを条件とさせた。さらにフオトマスクによ
り非単結晶の抵抗37をこの第3のMIS−FET
のソースに連結し、リード38につなげた。ドレ
イン24はキヤパシタの下側電極34に連結し
た。この上面の絶縁膜はキヤパシタの誘電体33
でもあり、かつ第3のMIS−FETのゲイト絶縁
物22である。この上面にゲイト電極21および
キヤパシタの上側電極36を形成した。 第3のMIS−FETのチヤネル形成領域29の
基板電極は、基板バイヤスが印加されるように第
1のMIS−FETのゲイト電極11に連結されて
おり、ゲイト電極11は実質的にふたつのMIS−
FETのチヤネル状態を制御できるようにしてあ
る。 もちろん、このチヤネル領域29とゲイト電極
11との間にゲイト絶縁物が形成されるならば、
第3のMIS−FETは下側と上側にゲイト電極を
有するダブルゲイトMIS−FETとなる。もちろ
ん上側のゲイト電極を除去して下側のゲイト電極
11により下側の第1のMIS−FET及び上側の
第3のMIS−FETとを同時制御してもよい。即
ち、ひとつのゲイトでふたつのMIS−FETを制
御したり、またふたつのゲイトでひとつのMIS−
FETを制御したすることが本発明の特徴である。
加えて、同一基板にリードのみではなく、MIS−
FETのようなアクテイブエレメントまたは抵抗、
キヤパシタさらにダイオードを設けることもでき
る。加えてこれら複数のエレメントを集積化する
ならば、第1図に示した一層のみのエレメントの
形成に対し、その2〜10倍の密度とすることが可
能である。 本発明はもちろんこのA,Bにおいてすでに第
1図の説明の詳記したように“誘導キユア”をこ
れらのデバイスを完成させたり、または大部分完
成させた後行うことにより非単結晶半導体での再
結合中心を除去することのみならず、多結晶また
はアモルフアス構造の半導体または半導体と絶縁
物体との界面に存在する界面準位密度を水素等に
より低下できることにより改めて可能となるもの
である。 以上の説明において、これら第1図、第2図の
半導体装置がキユアされた後窒化珪素をプラズマ
法で形成しオーバーコート40することが好まし
い。なぜなら窒化珪素は水素等の原子に対しても
マスク作用を有するため、一度半導体装置内に添
加された水素等を封じて外にださないようにする
効果があるからである。そのため外部よりのナト
リウム等の汚染防止に加えて信頼性向上の効果が
著しい。 本発明の実施例においては、半導体材料として
はシリコン半導体を中心として説明した。しかし
これはゲルマニユーム等であつても同様であり、
GaP、GaAs、GaAlAs、SiC、BP等の化合物半
導体であつても同様である。 加えて、半導体装置は単にMIS−FETに限定
されることなく、それらを集積化したIC、LSIで
あつても同様であり、すべての半導体装置に対し
て有効である。
[Table] The above processing results are obtained when the substrate is held in a hydrogen atmosphere, the temperature is lowered, and the substrate is taken out from the reaction tube. Chemical excitation of hydrogen gas followed the following method.
That is, the experiment was carried out by spirally winding a high-frequency induction furnace around a horizontal quartz tube with a diameter of 5 to 20 cm, particularly 15 cm (height 2 m), and a copper tube capable of water cooling in a ring shape. The frequency of the high frequency used is 1
~20MHz. Furthermore, a resistance heating furnace was placed outside of this, with a heating element arranged at right angles to the electromagnetic waves of this induction furnace. Into this reaction tube, 5 to 50 substrates, such as silicon substrates (diameter 10 cm) on which the semiconductor device shown in FIG. The pressure was further reduced to 10 -3 mmHg. Afterwards, hydrogen was introduced to bring the pressure back to near normal pressure. Furthermore, the vacuum was once again reduced to 10 -2 to 10 -3 mmHg, and then to 10 -1 to 10 mmHg. Hydrogen and helium were constantly introduced into the reaction system from one side, and the other side was continuously evacuated using a rotary pump or the like. Hydrogen is added to the substrate in a resistance heating furnace for 300 to 500 ml.
℃ and then the induction furnace was voltage excited. When current is excited, only the metal wall or metallic portion of the substrate is locally heated, which is not preferable. Therefore, the reactor gas was activated by voltage excitation. Furthermore, when the temperature is above 300°C, hydrogen atoms can freely move around in this solid because they are interstitial atoms. Therefore, these atoms could be added into the semiconductor to a sufficient equilibrium concentration. After this time the temperature was lowered to room temperature. During this time, the reactor gas continued to be excited. That is, heating + excitation was continued for 5 to 60 minutes, especially 30 minutes, and then excitation at room temperature was continued for 5 to 60 minutes, especially 15 minutes. The upper limit of the heating temperature was 500°C when there was a material that alloyed or melted at a relatively low temperature, such as aluminum. Therefore, in order to add hydrogen after the semiconductor device was completed, the temperature had to be below 500°C. In other cases, it may be treated at higher temperatures (600 to 1000℃), but one important thing is that hydrogen bonds with atoms in the semiconductor at temperatures higher than the 300 to 500℃ temperature range. As a result, hydrogen is no longer added to the film. Therefore, when induction curing is performed at a high temperature, it is necessary to continue applying electrical energy for induction curing even if the processing temperature is lowered to room temperature. Furthermore, it is preferable that the pressure in the reaction vessel is as high as possible in a range that allows glow discharge or other high-frequency induced excitation or induced curing. In other words, in a hydrogen atmosphere, the higher the substrate processing temperature, the easier hydrogen moves in the film, and as a result, the easier it is for hydrogen to be added and the easier it is to desorb to the outside of the film. It is difficult to move through the membrane, and as a result, hydrogen is difficult to be added and is difficult to desorb to the outside of the membrane. Therefore, in the hydrogenation treatment, it is preferable to add hydrogen at a high temperature that does not dissolve the materials used, and to quickly lower the substrate temperature in a hydrogen atmosphere and take out the substrate from the reaction tube. This frequency may be microwave. In particular, when the frequency was 50 to 1000 MHz, the effect was remarkable even if the pressure inside the reaction tube was normal pressure, which was preferable. In that case, the reaction tube is preferably a waveguide. When creating a TEM mode, the size of the waveguide is inevitably determined, so it is preferable to radiate microwaves into a Quring oven, such as in a microwave oven. During induction curing, the pressure in the reaction tube may be increased or decreased. At high temperatures, there is a large equilibrium between the outside air and the gas-solid phase in the semiconductor, and a large amount of additives can be added to the semiconductor. For this reason, rapid cooling while performing induction curing at a high temperature was more effective than completing the process by gradually cooling from a high temperature state. For example, by rapidly cooling from 500°C to room temperature, it was possible to add 3 to 10 times the concentration compared to slow cooling. The reactive gas may be hydrogen alone or may contain some helium. However, while hydrogen bonds with dangling bonds, helium hits half-finished dangling bonds to promote mutual bonding, so it is actually preferable to first excite with helium and then with hydrogen. i.e. Quring 5-15 minutes with He, 0.1-100mmHg especially 10mmHg
and then 0.01 to 10 mmHg for 5 to 15 minutes, especially
Curing was performed in hydrogen at 0.1 mmHg. In addition, in practical terms, 100% hydrogen or 5 to 30%
% helium or neon was mixed as an excitation gas. The present invention was implemented in a semiconductor device as shown in FIG. 1, and the amount of excitation gas added was tested by mixing the gas into the semiconductor, heating the substrate in vacuum, and releasing the gas. Quantification was carried out by so-called gas chromatography or Augier spectroscopy. In that case, it was found that the excitation gas was added in an amount of 0.1 mol %, in particular from 1 to 20 mol %. Of course, it is more preferable to add 20 mol% or more. However, in general, a tendency towards saturation was observed. In the following examples of the present invention, induced cuering was carried out in the same manner as described above. Figure 1B is SOS (Silicon-on-Sapphire)
This is an example. A semiconductor such as alumina, sapphire, spinel, etc. on the substrate 1 is epitaxially grown to a thickness of 0.02 to 2 μm, and a source 5, a drain 6, a buried field insulator 3, a semiconductor direct contact 7, and a self-aligned gate electrode 31 are formed. , a gate insulating film 12, and a CVD SiO 2 film 10. In this case, the alumina component of the substrate and the semiconductor are bonded at the portion 9, resulting in a non-single crystal state. For this reason, the formation of the source and drain caused abnormal diffusion. For this reason, even if this semiconductor film could be made to have a thickness of 0.01 to 0.3 μm, it was of no practical use. However, even if the thickness is 0.01 to 0.5 μm as in the present invention, if the excitation treatment is performed after these semiconductor devices are completed or almost completed, this incomplete layer 9 will have a recombination center of 1/2. 100~1/10000
and its density decreased, making it possible to handle it in the same way as previously known single crystals.
This excitation treatment has a remarkable effect of neutralizing the interface states existing between the semiconductor substrate (channel region) and the gate insulating film or the dangling bonds existing in the gate insulating film, and is effective in neutralizing the dangling bonds present in the gate insulating film. This was an extremely favorable method for improving FIG. 2 shows an embodiment of the invention. This figure 2 shows that a second MIS-FET is provided above or above one MIS-FET, and a high-density integrated circuit (LSI,
It was an attempt to manufacture VLSI). This will be explained below with reference to the drawings. In FIG. 2A, an insulating film 2 such as silicon oxide is formed on a semiconductor substrate 1 to a thickness of 0.1 to 2 μm. in this case,
The substrate does not necessarily have to be a semiconductor. Subsequent heat treatment An insulating material may be used as long as it satisfies practical conditions such as heat conduction and processing. Polycrystalline silicon was used here. The insulating film 2 was formed by oxidizing the substrate 1. Furthermore, a semiconductor silicon film was formed on this upper surface using a low pressure CVD method to a thickness of 0.1 to 2 μm. The field insulator 3 is buried in the semiconductor layer by a selective oxidation method using a double film of silicon nitride and silicon oxide as a mask. It was formed by At this time, the field film may be etched so that the field insulator 3 and the semiconductor layer are approximately on the same plane, or a portion of the semiconductor layer may be removed before oxidation. Further, a gate insulating film 12 was formed to a thickness of 100 to 1000 Å. This gate insulating film may be a thermal oxide film formed by oxidizing a semiconductor layer, or may have a double structure of oxide and phosphorus glass, alumina, or silicon nitride, or may have a cluster or film in this gate insulating material. It may also be a nonvolatile memory formed of semiconductor or metal. After this, a second semiconductor layer is formed on this top surface.
It was formed to a thickness of 0.1 to 2μ and selectively removed. In this drawing, one of the second semiconductor layers is used as the gate electrode 11. Another application is to have the source 25, drain 24 of the second MIS-FET on the upper surface,
It was provided as a channel region 29. Gate electrode 11
As a mask, the source 5 of the first MIS-FET,
The drain 6 was formed by ion implantation. Of course, a thermal diffusion method may also be used. Furthermore, as is clear from the drawing, the gate electrode 11 is connected to the second MIS-FET via the field insulator 3, which is not clearly shown.
source 25. In the second MIS-FET, after forming the third semiconductor layer 21, the source and drain are diffused into the gate electrode 21 and the gate insulator 22 therebelow using ion implantation or thermal diffusion. Created. In this drawing, the second MIS-FET is provided on the upper surface of the first MIS-FET, that is, diagonally above the first MIS-FET. However, the arrangement, size, and wiring of these MIS-FETs are determined according to free design considerations. Furthermore, a resistor and a capacitor as shown in FIG. 2B may be made simultaneously on the same substrate, and diodes such as a protection diode may also be made. In FIG. 2B, a field insulator 3 is formed on a single crystal semiconductor substrate 1 by selective oxidation to a thickness of 0.5 to 2 μm. In addition, a gate electrode 11 such as a semiconductor,
11', and the source 4, drain 31 and source 31, drain 5 are mixed with boron or phosphorus at a concentration of 10 19 to 10 21 cm -3 to form a P channel or N channel.
This is a channel MIS-FET formed.
Impurity region 31 is one MIS-FET (left side of the drawing)
drain and the other MIS-FET (right side of the drawing)
This is an example of an inverter that acts as a source. Furthermore, an insulating film 10 for overcoat is formed on this upper surface.
If it is formed to have a thickness of 0.5 to 2 μm and its upper surface is flat, microfabrication of the third MIS-FET to be formed on the upper side is possible. Thereafter, a non-single crystal semiconductor was formed on the upper surface to a thickness of 0.2 to 2 μm. The impurity concentration was 10 14 to 10 16 cm -3 to make it P type, and the condition was that the channel region 29 sufficiently functions as a channel in the operating state. Furthermore, a non-single crystal resistor 37 is attached to this third MIS-FET using a photomask.
source and connected to lead 38. Drain 24 was connected to the lower electrode 34 of the capacitor. This upper insulating film is the dielectric material 33 of the capacitor.
It is also the gate insulator 22 of the third MIS-FET. The gate electrode 21 and the upper electrode 36 of the capacitor were formed on this upper surface. The substrate electrode of the channel forming region 29 of the third MIS-FET is connected to the gate electrode 11 of the first MIS-FET so that a substrate bias is applied, and the gate electrode 11 is substantially connected to the two MIS-FETs. −
The FET channel state can be controlled. Of course, if a gate insulator is formed between the channel region 29 and the gate electrode 11,
The third MIS-FET is a double-gate MIS-FET having gate electrodes on the lower and upper sides. Of course, the upper gate electrode may be removed and the lower gate electrode 11 may simultaneously control the lower first MIS-FET and the upper third MIS-FET. In other words, one gate can control two MIS-FETs, or two gates can control one MIS-FET.
A feature of the present invention is that the FET is controlled.
In addition, there are not only leads on the same board, but also MIS-
active elements or resistors like FETs,
In addition to the capacitor, a diode can also be provided. In addition, if a plurality of these elements are integrated, it is possible to achieve a density 2 to 10 times that of the single-layer element shown in FIG. Of course, the present invention can be applied to non-single-crystal semiconductors by performing "induction curing" after these devices are completed or mostly completed, as already detailed in the explanation of FIG. 1 in A and B. This becomes possible not only by removing recombination centers but also by lowering the density of interface states existing at the interface between a polycrystalline or amorphous semiconductor or a semiconductor and an insulating object using hydrogen or the like. In the above description, after the semiconductor devices shown in FIGS. 1 and 2 are cured, it is preferable to form an overcoat 40 of silicon nitride by a plasma method. This is because silicon nitride also has a masking effect on atoms such as hydrogen, and has the effect of sealing up hydrogen and the like once added into a semiconductor device and preventing them from escaping. Therefore, in addition to preventing contamination with sodium, etc. from the outside, the reliability is significantly improved. In the embodiments of the present invention, silicon semiconductor was mainly used as the semiconductor material. However, this is the same even for germanium etc.
The same applies to compound semiconductors such as GaP, GaAs, GaAlAs, SiC, and BP. In addition, the semiconductor device is not limited to simply MIS-FETs, but can also be integrated ICs or LSIs, and is effective for all semiconductor devices.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の実施例を示す縦断面図であ
る。第2図は本発明の他の実施例を示す縦断面図
である。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing another embodiment of the present invention.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 絶縁ゲイト型電界効果トランジスタのゲイト
絶縁物に隣接するチヤネル領域の少なくとも一部
が非単結晶半導体よりなる半導体装置において、
前記半導体装置を完成させた後または大部分完成
させた後に、水素が添加された雰囲気の中で500
℃以下の温度に保持した後急冷することにより、
前記チヤネル領域の半導体およびゲイト絶縁物の
不対結合手を中和するとともに、前記チヤネル領
域とゲイト絶縁物との界面に存在する界面準位密
度を低下させることを特徴とする半導体装置作製
方法。
1. In a semiconductor device in which at least a part of a channel region adjacent to a gate insulator of an insulated gate field effect transistor is made of a non-single crystal semiconductor,
After the semiconductor device is completed or largely completed, it is heated for 500 hours in a hydrogen-added atmosphere.
By holding the temperature below ℃ and then rapidly cooling it,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising neutralizing dangling bonds between a semiconductor and a gate insulator in the channel region, and reducing an interface state density existing at an interface between the channel region and the gate insulator.
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