JPH04250669A - ポリシリコン薄膜半導体装置 - Google Patents
ポリシリコン薄膜半導体装置Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
ル層とするポリシリコン薄膜半導体装置に関する。
4に断面図で示すように構成されている。
リコン薄膜半導体装置は、合成石英基板11の一主面に
被着されたポリシリコン膜12上に、ゲート熱酸化膜1
3を介してポリシリコン膜でなるゲート電極14Gを備
える。また、前記ポリシリコン膜12に接続するアルミ
ニウム部材でソース電極15Sとドレイン電極15Dが
構成されている。なお、前記各電極間は酸化シリコンの
層間絶縁膜16で被覆されている。
はアモルファスシリコン薄膜半導体装置に比べ、移動度
が1〜2桁大きいことを特徴としている。しかし、ポリ
シリコン薄膜はそれ自身の内部に多数のシリコン結晶粒
を有し、結晶粒界を有するため、その粒界でのシリコン
原子のダングリングボンド(Si原子の未結合手)が存
在し、これが移動中のキャリアをトラップすることによ
って移動度が減少するという欠点がある。また、しきい
値電圧も高くなり実用上問題があった。
シリコン薄膜半導体装置では、ポリシリコン膜内部に多
数の結晶粒界を有し、その粒界に存在するダングリング
ボンドのために移動度が減少する状態が生じていた。
り結晶粒界の減少を図り、また結晶粒界でのシリコンダ
ングリングボンド数の密度の減少を図ることによって、
特性の向上したポリシリコン薄膜半導体装置を提供する
ことを目的とするものである。
ン薄膜半導体装置は、ポリシリコン薄膜をチャネル層と
する半導体装置において、チャネル層に窒素を含有し、
かつその含有量の深さ方向分布はチャネル層と基板との
界面側に最大値を有することを特徴とする。また、前記
チャネル層の窒素含有量が基板との界面側ほど多くなっ
ていることを特徴とするものであり、さらに、チャネル
層のゲート絶縁膜との界面の領域における窒素含有量が
1017atom/cm3 以上でかつ基板との界面の
領域における窒素含有量が1018atom/cm3
以上であることを特徴とする。
ネル層に、窒素を含有させ、その含有量が基板との界面
側で最大となっているようなポリシリコン膜を用いるこ
とにより、ポリシリコン膜内部で、基板との界面の領域
で大量に含有される窒素によるシリコン結晶核発生を抑
制しシリコン結晶粒の大粒径化により結晶粒界を減少で
き、また窒素原子によるターミネートによりシリコンダ
ングリングボンド数の密度を減少できたために、特性の
向上したポリシリコン薄膜半導体装置を得ることができ
る。
説明する。
半導体装置は、合成石英基板11の一主面に被着された
ポリシリコン膜1上に、ゲート熱酸化膜13を介してポ
リシリコン膜でなるゲート電極14Gを備える。また、
前記ポリシリコン膜1に接続するアルミニウム部材でソ
ース電極15Sとドレイン電極15Dが構成されている
。なお、前記各電極間は酸化シリコンの層間絶縁膜16
で被覆されている。
の形成方法につき図3を参照して説明する。
VD法により、基板との界面の領域で窒素を大量に含む
アモルファスシリコン膜1aを約200nm堆積する。 上述の水銀増感光CVD法によるアモルファスシリコン
膜形成については、T.Kamimura,et.al
:Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.25,
No.12(1986).pp1778−1782に詳
細に記載されている。反応ガスにはSiH4 およびN
H3 を用い、基板温度200〜300℃、SiH4
流量10〜50sccm、低圧水銀ランプの照度は波長
254nmの光で7〜20mW/cm2 、水銀溜め温
度50〜100℃の適切な範囲で行う。SiH4 の流
量は膜堆積中一定にし、NH3 の流量を対SiH4
流量比で例えば10−4〜10−8の間で堆積時間の経
過とともに減少させる(図3(a))。
ル(アモルファスシリコン膜結晶化、および窒素活性化
)(図3(b))。
、および熱酸化膜13形成(図3(c))。
よび不純物イオン注入により自己整合的にソース、ドレ
イン領域形成(図3(d))。
ール形成、ソース、ドレイン電極15S,15D形成に
より、ポリシリコン薄膜半導体装置を完成する(図2)
。
るように窒素が含有されており、かつ、窒素含有量の分
布は合成石英基板11との界面側に最大値を有する。ポ
リシリコン膜内の窒素の深さ方向に関する濃度分布はS
IMS(SecondaryIon Mass S
pectrometry)により評価した(図1)。そ
して、この窒素含有量の前記最大値は図1の曲線Aに示
されるように、一例の1018atom/cm3 以上
で、かつ1019atom/cm3 未満の範囲内にあ
る。また、曲線Bは前記曲線Aで示された実施例の場合
よりも、窒素含有量は全般に多いが最大値の存在する位
置、最大値の範囲は変わらない。
ン膜の膜厚が200μmの場合を例示しているが、膜厚
が100μmの場合でも曲線Cに示す測定値を得ている
。
向に増減させた膜に対する評価結果を示し、さらに窒素
導入量を増減させた例を図1の曲線Eに示している。
面側付近で窒素の含有量が多くなっているのは、測定に
おけるノイズと考えられる。ポリシリコン膜の深さ方向
の窒素濃度分布は上記に限られるものでなく、基板との
界面側で窒素濃度分布が最大になっていれば分布の形状
に限られず本発明の効果が得られる。
施例(1)において、NH3 を導入せず、その後の工
程を全く同一条件で行なったチャネル層にNを1017
atom/cm3 以下程度しか含有しないポリシリコ
ン薄膜半導体装置(従来例)と、本実施例の方法で作製
したポリシリコン薄膜半導体装置の特性を比較する。従
来例では粒径94nm、スピン密度(ダングリングボン
ド数の密度を反映)1×1018spins/cm3
、電界効果移動度nチャンネルTFTがチャネルTFT
とも10cm2 /Vs以下、しきい値電圧nチャンネ
ルTFTで6.45V、pチャンネルTFTで−6.4
Vであった。それに対し、本実施例では粒径200nm
、スピン密度7×1017spins/cm3 、電界
効果移動度nチャンネルTFTで70cm2 /Vs、
pチャンネルTFTで34.5cm2 /Vs、しきい
値電圧nチャンネルで5.6V、pチャンネルで−5.
9Vとなり、本発明の効果により、シリコン結晶粒の大
粒径化、シリコンダングリングボンド数の密度の減少、
およびそれらによる電界効果移動度の増加、しきい値電
圧の低減が達成された。一方、チャネル層のゲート絶縁
膜との界面の領域における窒素含有量が1019ato
m/cm3 を超えた場合、あるいは基板との界面の領
域における窒素含有量が1020atom/cm3 を
超えたポリシリコン薄膜半導体装置では、窒素によるシ
リコン結晶粒へのダメージの影響が大きく、良好な特性
は得られない。このようにチャネル層内の窒素含有量に
は適正値がある。本発明の実施例は前記の限りではない
。前記実施例の工程(1)において、合成石英基板上に
水銀増感光CVD法でNH3 を導入せず、窒素を特に
導入しないアモルファスシリコン膜を堆積する。次に窒
素イオン注入により、アモルファスシリコン膜の基板と
の界面に近い領域を中心に窒素イオンが膜内に分布する
ようにする。この際、シリコンイオンを同時に注入して
も良い。このような注入方法を用いれば、基板との界面
の領域で窒素の含有量が最大となるようなアモルファス
シリコン膜が得られる。 (2)以下のプロセスは、前記実施例と同様。
銀増感光CVD法により、石英基板上に基板との界面の
領域で窒素を大量に含むアモルファスシリコン膜を堆積
した後に、窒素イオンを注入する方法を用いて基板との
界面の領域で窒素の含有量が最大となるようなアモルフ
ァスシリコン膜を作製しても良い。(2)以下のプロセ
スは、前記実施例と同様。
成しているが、基板はシリコンウェハの表面に熱酸化膜
を成長させたものでもよい。
水銀増感光CVD法を用いているが、プラズマCVD法
、減圧CVD法、常圧CVD法、のうちどれを選んでも
よい。また、これらCVD法でアモルファスシリコンま
たはポリシリコン膜を成膜したのちに、シリコンイオン
注入を行い、アモルファスシリコン膜を形成してもよい
。特に窒素を導入しないアモルファスシリコン膜成膜に
関しては、これらCVD法の他に、スパッタ法、電子ビ
ーム蒸着法でもよく、シリコンイオン注入を行なっても
よい。
られず、レーザアニール、電子ビームアニール、ランプ
アニールのうちどれを選んでもよい。
さ方向の濃度勾配をもたせた場合、応力のバランスがと
れることにより、チャネル層の低欠陥化が実現され、特
性の良いポリシリコン薄膜半導体装置が得られることが
期待できる。
体装置のチャネル層に、窒素Nを含有し、その含有量が
基板との界面の近傍で最大になっているようなポリシリ
コン膜を用いることにより、ポリシリコン膜内部で、基
板との界面側で大量に含有される窒素によるシリコン結
晶核発生抑制によるシリコン結晶粒の大粒径化により結
晶粒界を減少でき、また窒素原子によるターミネートに
よりシリコンダングリングボンド数の密度を減少できた
ために、形成されるポリシリコン薄膜半導体装置の移動
度増加、しきい値電圧の低減が達成された。
を膜内の深さ方向の濃度分布をSIMSで評価した結果
を示す線図である。
置の断面図である。
コン薄膜半導体装置の製造工程を示すいずれも断面図で
ある。
である。
ン膜 1a:アモルファスシリコン膜 11:合成石英基板 13:ゲート熱酸化膜 14:ゲートポリシリコン膜 15S:ソース電極 15D:ドレイン電極 16:層間絶縁膜
Claims (3)
- 【請求項1】 ポリシリコン薄膜をチャネル層とする
半導体装置において、チャネル層に窒素を含有し、かつ
その含有量の深さ方向分布はチャネル層と基板との界面
側に最大値を有することを特徴とするポリシリコン薄膜
半導体装置。 - 【請求項2】 チャネル層の窒素含有量が基板との界
面側ほど多くなっていることを特徴とする請求項1に記
載のポリシリコン薄膜半導体装置。 - 【請求項3】 チャネル層のゲート絶縁膜との界面の
領域における窒素含有量が1017atom/cm3
以上で、かつ基板との界面の領域における窒素含有が1
018atom/cm3 以上であることを特徴とする
請求項1に記載のポリシリコン薄膜半導体装置。
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