JPH04111362A - 薄膜トランジスタとその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は水素によって半導体層の特性が改良された薄膜
トランジスタ、およびその改良方法に関する。

特に水素を含んだ絶縁膜から半導体への水素の拡散を有
効に行わせるための水素拡散防止用の絶縁膜を有する薄
膜トランジスタ、およびその製造方法に関する。

〔従来技術の説明〕

薄膜トランジスタの半導体層として、多結晶シリコン、
微結晶シリコン、アモルファスシリコンを用いたもので
は、その粒界もしくはシリコン中に存在するダングリン
グボンドによって、キャリアの移動度が悪くなるという
問題があった。そこで従来、多結晶シリコンやアモルフ
ァスシリコン中に存在するシリコンのダングリングボン
ドを水素と結合させることによって電気的に不活性にし
、ダングリングボンドの数を減少させることによって、
キャリアの移動度を大きくする水素パッシベーション法
が用いられてきた。

第３図は薄膜トランジスタに対して従来の行われていた
水素パッシベーションを行う工程を示した図である。

まず第３図（ａ）に示す様に絶縁基板１上に半導体層を
形成した後、ホトリソ技術を用いて半導体層を島状にし
て半導体層２を得、熱酸化などの方法によってゲート絶
縁膜３を形成する。

次に第３図（ｂ）に示す様に、通常行われている方法で
、ゲート電極４を形成する０次に半導体不純物であるＰ
をイオン打込みし、アニールしてソース５とドレイン６
を形成する。その後、プラズマＣＶＤにて水素を含む窒
化シリコンの中間絶縁膜７（以下、窒化シリコンＨ膜と
称する。）を堆積してアニールし、コンタクト穴９を開
口して、最後に電極１０を形成している。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記のような従来例では中間絶縁膜７を
アニールし、中間絶縁膜７中に含まれる水素を半導体層
２に拡散させることによって、水素パッシベーションを
おこなうときに、シリコンのダングリングボンドと結合
する水素が不足する場合があり、そのために従来例では
キャリアの移動度の向上が不十分になるという解決すべ
き課題があった。

［発明の目的］ 本発明は、水素を含有する窒化膜上に緻密な窒化膜を低
温形成することにとよって薄膜トランジスタ（ＴＰＴ）
に対して行われる水素パッシベイションを効率よく行わ
しめるものである。

本発明の他の目的は、水素を含む中間絶縁層から水素が
拡散しにくいよつな低温下で、連続的に緻密な窒化膜を
形成するものである。

［発明を解決するための手段］ 本発明は、従来技術の持つ課題を解決すべ（鋭意研究を
重ねた結果完成に至ったものであり本発明による薄膜ト
ランジスタは、半導体層と、ゲート絶縁膜を介して設け
られたゲート電極を有する半導体装置において、前記ゲ
ート電極上に水素を含む第１の絶縁膜と、水素を透過し
にくい第２の絶縁膜の２層を有し、前記第１の絶縁膜が
ゲート電極側に形成されている事を特徴としており、ま
たは、半導体層と、絶縁膜を介して設けられたゲート電
極とを有する薄膜トランジスタの製造方法において、前
記ゲート電極側に形成される水素を含む第１の絶縁膜と
水素を透過しにくい第２の絶縁膜を有し、少なくとも前
記第２の絶縁膜を、プラズマ励起されても単独では堆積
しない第１のガスを、前記絶縁膜の形成を行う基体が配
された反応容器内に導入する工程と、前記反応器内に導
入された前記第１のガスをプラズマ励起する工程と、第
２の原料ガスを反応容器内に導入し前記励起された第１
のガスと反応させ、生成した反応生成物を基体上に付着
せしめ、前記反応生成物が付着する基体に光を照射する
工程とにより、形成することを特徴とするものである。

［作用］ 本発明は、水素を含有する絶縁膜の上に水素を透過しに
くい緻密な絶縁膜を、水素の拡散を行わせる温度よりも
低い温度で形成することにより、水素を含有する絶縁膜
から水素拡散を必要としない部分への水素拡散を防止す
るものである。このことにより、水素拡散の必要な半導
体中へ拡散すろ水素濃度を増加させることができ、ダン
グリングボンドを効率よく減少させることによって、キ
ャリアの移動度をより向上させることができる。

即ち、従来の水素パッシベーション法では、水素を含む
中間絶縁層をアニールして水素を半導体に拡散させた場
合、第４図に示す様に水素を含む中間絶縁膜７から、水
素の拡散を必要としない外部にも水素が拡散してしまう
。このため、結果的に水素の拡散を必要とする半導体層
２側に拡散する水素量が減少し、半導体層２中のシリコ
ンのダングリングボンドと結合する水素に不足が生じて
いのである。

なお、水素の拡散を抑える緻密な中間絶縁膜の形成を行
う際に、高温で膜形成を行うと膜形成中に水素の拡散が
起こり、やはり半導体中の水素濃度が低下してしまうた
め、本発明で行った様な低温での膜形成を行わねばなら
ない。

〔実施例〕

本発明ではゲート電極上に形成された水素を含む絶縁層
上により緻密な絶縁膜を設け、半導体１へ水素拡散を行
うためのアニール時に、水素が不必要な部分に拡散する
ことを防止し、半導体層へ十分な水素の拡散を行わせる
ことを可能にしたものである。このことにより半導体の
特性が更に改善されたトランジスタを得ることができた
。また、本発明では、励起しても単独では堆積しない第
１のガスをプラズマ励起し、第２のガスと反応させて、
光を基体に照射しながら絶縁膜を形成する。この成膜法
により、水素の拡散が起こりにくい低温下で緻密な膜を
形成することができた。

以下、本発明の薄膜形成方法を行うために好適に用いる
ことができる成膜装置の一例を第２図を用いて説明する
。

第２図において、１１は電極であり、１２はもう一方の
電極を兼ねている反応容器である第１図に示されるよう
に反応容器２は接地されている。

１３は絶縁膜を形成する基体である。

１４ａ、１４ｂはガス導入口であり、ガス導入口１４ａ
は、反応容器１２の上部に位置しており、電極１１の近
傍に設けである。ガス導入口１４ａからは第１のガス１
７ａを導入する。第１のガスとしてはＮ２やＮＨ，とい
った窒素原子を含むガス、および０２やＮ２０といった
酸素原子を含むガス等があげられる。ガス導入口１４ｂ
は電極１と対向した側にありこの導入口１４ｂから第２
のガス１７ｂが導入される。ガス１０ｂとしては、第２
のガスとしてはＳｉを含むＳｉＨ４，Ｓｉａ　Ｈａ等の
ガスまたはＴＥ０１（（Ｃ２Ｈａ　Ｏ）　４Ｓ　ｉ　）
等の有機オキシシランのガス等が挙げられる。１５は、
反応容器１２と電極１１との間に電圧を印加し、プラズ
マを発生させるための電源である。尚プラズマは、高周
波、マイクロ波、マグネットあるいはこれらの併用によ
って発生させることができる。

また成膜中の反応容器の内部の圧力（操作圧）は１０〜
５００ｍＴｏｒｒとすることが好ましい。

上述した薄膜形成方法において、更にプラズマダメージ
を防ぎ、基体の大面積化を図る為には、プラズマ源の電
極面積を、反応容器の内壁面積の１／１０以下にする事
が望ましい。好ましくは、０．０２〜０．０６であり、
より好ましくは０．０４〜０．０５である。このように
電極の面積を反応容器の内壁面積よりも小さ（し、電極
と反応容器との間に電圧を印加すれば、プラズマの強度
は電極近傍で強く、基体近傍でそれより弱くなり、その
結果、基体または膜へのダメージを軽減することができ
る。

１６は光源であり、例えば、Ｈｇランプ、Ｘｅランプ、
Ｘｅ−Ｈｇランプ、Ｗランプ、ハロゲンランプ等のラン
プ、あるいは、Ｎ２レーザ、Ａｒレーザ、ＹＡＧＬ、−
ザ、Ｃｏ、　レーザ、エキシマレーザ等のレーザがあげ
られる。もちろんこれらのレーザ以外でもよく、特に反
応容器内に導入されるガスに吸収されにくく反応中間体
に吸収され易いものならばよい。

１８は、基体を所望の温度に設定するヒーターである。

なお、本発明の薄膜トランジスタおよびその製造方法に
おいて形成される、水素を含む絶縁膜としては、シリコ
ン窒化膜、または、シリコン酸化膜が望ましい。水素拡
散防止膜としては、緻密な膜であるシリコン窒化膜を用
いることが望ましい。さらに本発明で水素を含む中間絶
縁膜上に水素拡散防止膜を形成した後、水素拡散を行う
のに適したアニール温度の範囲は３００℃〜７５０’Ｃ
であり、より好ましくは４００℃〜６００℃である。

（実施例１） 先に示した成膜装置を用いて本発明の薄膜トランジスタ
ならびにその製造方法の１実施例を示すが、本発明はこ
れにより限定されるものではない。

第１図は本発明による半導体装置の製造工程を示す半導
体装置の断面図である。

第１図（ａ）に示す様に、絶縁基板１上に多結晶Ｓｉ、
アモルファスＳＬなどの膜を１０００人堆積した後、ホ
トリソ技術を用いて島状に形成し、半導体層２を形成し
た。エンハンスメント型、デイプレッション型などのＭ
ＯＳトラジスタを形成する場合には半導体層２にボロン
（Ｂ）または燐（Ｐ）等の半導体不純物を注入して閾値
を制御しても良い。その後ＣＶＤを用いて４５０℃でゲ
ート酸化膜３を３００人形成した。

次に第１図（ｂ）に示す様にゲート電極となる多結晶シ
リコン膜４を４０００人堆積後、半導体不純物であるＰ
やＢ等を６０ＫｅＶにて５ｘ１０　”　（個／　ｃ　ｒ
ｄ　）程度注入してパターニングし、ソース５とドレイ
ン６を形成した。

次に先に示したような成膜装置において、電極の面積を
２００ｃｒｒｆとし、反応容器の内壁面積を５０００ｃ
ｒｒｒとし、面積比を０．０４とした。そして第１図（
Ｃ）に示すように、水素を２５ａｔｏｍ％程度含む窒化
シリコンＨ膜７を約４０００人、水素を５ａｔｏｍ％以
下含む緻密な窒化シリコン中間絶縁膜（以下、窒化シリ
コンＸ膜と称する。）８を約２０００人連続的に堆積し
た。

この窒化シリコンＨ膜７と窒化シリコンＸ膜８の堆積に
あたっては、第１のガス１７ａとして窒素を用い、第２
のガス１７ｂとしてモノシランを用いた。

まず、窒化シリコンＨ膜７を堆積するにあたって、Ｓ　
ｉ　Ｈ４／Ｎｔ流量比を０．０３６に保った。このガス
流量比によって第５図に示されるように、膜中に含まれ
る水素濃度を決定することができる。このときの操作圧
は１００ｍＴｏｒｒに保った。

まず、第１のガス１７ａをガス導入口１４ａから反応容
器１２の内部に流し、プラズマ励起した。第２のガス１
７ｂをガス導入口１４ｂから反応容器１２の内部に導入
し励起した第１のガスと反応を行わせた。

プラズマ発生のためのＲＦパワーは、１００Ｗとした。

このときの電子密度は濃いプラズマ中でｌＸｌ０”／ｃ
ｔｆ、基体１３上で５Ｘ１０＠／Ｃ耐であった。

以上の条件下で８分間堆積することによって水素濃度が
２５ａｔｏｍ％である窒化シリコンＨ膜７を４０００人
堆積した。また堆積中は加熱ヒータ１８により絶縁基板
１の表面温度を３３０℃に保った。

次にヒーターとガス流量比以外の条件はそのままとし、
Ｓ　ｉ　Ｈ４／　Ｎ　！のガス流量比を０．１にして、
加熱ヒーター１８を切った。そして光［６の照射により
窒化シリコンＨ膜７が堆積した基体の表面温度を窒化シ
リコンＨ膜中の水素が拡散しにくい温度である３３０℃
に保ち、窒化シリコンＨ膜より緻密で水素濃度が低い（
５ａｔｏｍ％）窒化シリコンＸ膜８を２０００人形成し
た。その後、窒素中で６００℃、３０分間のアニールを
行い、窒化シリコンＸ膜７に含まれる水素を半導体層２
に拡散した。コンタクト穴９を形成後、電極１０を形成
した。

作成した半導体装置においては第６図に示されるように
、半導体層への十分な水素の拡散が行われており、６０
Ｖｓｅｃ／ｃｍ”の高いキャリア移動度を持つ良好な素
子特性が得られた。

〔実施例２１ 窒化シリコンＨ膜７と窒化シリコンＸ膜８を形成する以
外は実施例１と同様に行った。

第１図（ｂ）に示した窒化シリコンＨ膜７と窒化シリコ
ンＸ膜８を形成するにあたり、第２図に示した装置を用
いて、第１のガス１７ａとして窒素を用い、第２のガス
１７ｂとしてモノシランを用いた。

まず、ガス導入口１４ａから反応容器１２の内部に第１
のガスを流した。この第１のガスをプラズマ励起しく１
３．５６ＭＨｚ、１００Ｗ）、ガス導入口１４ｂから反
応容器１２の内部に、Ｓ　ｉ　Ｈ４／Ｎ！の流量比が０
．０３６となるようにガスを流し、１０分間の堆積を行
った。このとき光源６から絶縁基板ｌ上に０．６７Ｗ／
ｃｒｒｒのＨ膜７を４０００人堆積した。次に続けてガ
ス流量比を０．１に変更して６分間堆積を行い、水素を
５ｍｏ　１％以下含む緻密な窒化シリコンＸ膜８を２０
００人堆積した。

なお、窒化シリコンＨ膜７と窒化シリコンＸ膜８の堆積
膜形成法においては、光源６からの光の照射により、基
体の表面温度を３３０℃に保った。

作成した半導体装置においては実施例１と同様に、半導
体層への十分な水素の拡散が行われており、高いキャリ
ア移動度を持つ良好な素子特性が得られた。

［比較例１］ 実施例１と同様に水素を２５ａｔｏｍ％含む窒化シリコ
ンＨ膜７を形成した上に、続けて水素の含有量が１７ａ
ｔｏｍ％と少ない窒化シリコンＸ膜８を光照射を行なわ
ないプラズマＣＶＤ法により形成した。

その後、６００℃の窒素中で３０分間のアニルを行い、
窒化シリコンＨ膜７の中に含まれる水素を半導体層へ拡
散した。

作成した本比較例における半導体装置では、本発明の成
膜方法による緻密な窒化シリコン膜側有していないため
第４図に示される従来例とほぼ同様に、窒化シリコンＨ
膜７中の水素が水素を必要としない外部にまでに拡散し
ていた。このため、結果的に半導体中へ拡散したの水素
の濃度が低下していた。このためキャリアの移動度は４
０Ｖ・ｓ　ｅ　ｃ　／　ｃ　ｍ　”と本発明による実施
例１もしくは２に比べて低い値であった。

〔比較例２〕 実施例１と同様に水素を多く含有する（２５ａｔｏｍ％
）窒化シリコンＨ膜７を形成した上に、窒化シリコン膜
を従来用いられている熱ＣＶＤ法を用い次の条件で形成
した。

ガス　５ｉＨｚＣｊ２＊　　２５（ｃｃ／ｍ１ｎ）ＮＨ
ｓ　　　　　９０　（ｃｃ／ｍｉ　ｎ）堆積圧力　　　
０．４　（Ｔｏｒｒ） 堆積温度　　　８００（”Ｃ） 堆積速度　　　　４０（人／ｍ１ｎ） 絶縁膜を形成した後、６００℃の窒素雰囲気中で３０分
間アニールを行い、窒化シリコンＨ膜７中に含まれる水
素を半導体層へ拡散した。

本比較例の半導体装置においては、窒化シリコンＨ膜７
上に窒化シリコン膜を形成した。しかしその形成温度が
かなり高温であるため、成膜時にすでに第６図の１点鎖
線で示されるように、水素が水素を多く含有する窒化シ
リコンＨ膜７中から水素の拡散を必要としない外部に拡
散していた。

このため、本願の成膜方法で形成した半導体装置に比べ
、明らかにキャリア移動度が低いものであった。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明では水素を含む中間絶縁膜
の表面により緻密で水素を透過しにくい中間絶縁膜を形
成することにより、アニールによって水素を含む中間絶
縁膜から水素を半導体層側に拡散するときに、水素を必
要としない外部への水素の拡散おさえることができる。

また、本発明の成膜方法においては水素を透過しにくい
緻密な膜を、低い温度で形成させることができ、膜形成
時に水素を含む膜の水素が拡散しにくいようにすること
ができるため、アニール後に半導体層に十分に水素を拡
散させることができた。これにより、半導体層のダング
リングボンドと水素が充分結合し、キャリアの移動度高
い半導体素子を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した半導体装置の概略断面図、第
２図は本発明の絶縁膜を形成する装置の該略断面図、第
３図は従来の半導体装置の概略断面図、第４図は、従来
の方法で製造した半導体装置における水素の濃度分布を
示す図、第５図は、中間絶縁膜中の水素濃度とＳ　ｉ　
Ｈ４／　Ｎ　ｚ流量比の関係を示す図、第６図は、本発
明による半導体装置の水素の濃度分布を示す図である。 １・・・絶縁基板、２・・・半導体層、３・・・ゲート
絶縁膜、４・・・ゲート電極５・・・ソース領域、６・
・・ドレイン領域７・・・水素濃度の高い中間絶縁膜 ８・・・水素拡散を防止するための中間絶縁膜９・・・
コンタクト穴 １０・・・電極 １１・・・電極、１２・・・反応容器 １３・・・基体、１４ａ、１４ｂ・・・ガス導入口５・
・・プラズマ発生手段 ６・・・光源、 ７ａ・・・第１のガス、１７ｂ・・・第２のガス８・・
・加熱ヒーター ？ ＩＨＪＮ２ 流量比。 第Ｌ＋７ 第

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体層と、ゲート絶縁膜を介して設けられたゲ
   ート電極を有する半導体装置において、前記ゲート電極
   上に水素を含む第１の絶縁膜と、 水素を透過しにくい第２の絶縁膜の２層を有し、 前記第１の絶縁膜がゲート電極側に形成されている事を
   特徴とする薄膜トランジスタ。
2. （２）半導体層と、絶縁膜を介して設けられたゲート電
   極とを有する薄膜トランジスタの製造方法において、 前記ゲート電極側に形成される水素を含む第１の絶縁膜
   と水素を透過しにくい第２の絶縁膜を有し、少なくとも
   前記第２の絶縁膜を、プラズマ励起されても単独では堆
   積しない第１のガスを、前記絶縁膜の形成を行う基体が
   配された反応容器内に導入する工程と、 前記反応器内に導入された前記第１のガス をプラズマ励起する工程と、 第２の原料ガスを反応容器内に導入し前記励起された第
   １のガスと反応させ、生成した反応生成物を基体上に付
   着せしめ、前記反応生成物が付着する基体に光を照射す
   る工程とを有することを特徴とする薄膜トランジスタの
   形成方法。
3. （３）前記第２の絶縁膜を形成するにあたり、前第１の
   絶縁膜中に含まれる水素が外部に拡散する温度より低い
   温度で形成することを特徴とする請求項１または２に記
   載の薄膜トランジスタ製造方法。
4. （４）前記第１のガスは窒素原子を含むガスである事を
   特徴とする請求項２に記載の薄膜トランジスタの製造方
   法。