JPH06188421A - 絶縁ゲート型電界効果半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目 的】 ゲート絶縁膜を薄くして、低電圧駆動が可
能であると共に、高い周波数の応答性の良い絶縁ゲート
型電界効果半導体装置を提供する。 【構 成】 絶縁基板(1) 上には、微結晶性を有すると
共に真性または実質的に真性の導電型を有するセミアモ
ルファス半導体(20)が形成されている。そして、当該セ
ミアモルファス半導体(20)上には、チャネル形成領域(1
9)を挟んで一対の不純物領域(29)、(30)が設けられると
共に、前記チャネル形成領域(19)上および該絶縁物(33)
上にゲート電極(35)が設けられている。また、絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置は、Ｐチャネル型絶縁ゲート型
電界効果半導体装置とＮチャネル型絶縁ゲート型電界効
果半導体装置とが同一絶縁基板(1) 上に設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲート型電界効果
半導体装置に関するもので、特に、基板上に設けられた
５Åないし２００Åの大きさの微結晶性を有するセミア
モルファス半導体をゲート下のチャネル形成領域に用い
ることにより薄膜型構造においても単結晶半導体と同様
の特性を得んとしたものである。本発明は、基板、特に
その上面の半導体と反応を起こさない基板、たとえばガ
ラスまたはセラミック基板まはた導電性基板においては
オーム接触をする基板上にプラズマＣＶＤ法によりセミ
アモルファス半導体を形成し、これを積極的に絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置に用いんとしたものである。

【０００２】セミアモルファス半導体は、本出願人の以
下の文献に発表されている。たとえば、特願昭５５−１
２０３２２号（昭和５５年８月３０日出願）、特願昭５
６−６５８２６号（昭和５６年４月３０日出願）があ
る。すなわち、半導体、たとえば珪素半導体における単
結晶を有さない、特にアモルファス構造のガラス基板、
多結晶構造のステンレス基板であっても、その電気−光
伝導度がＡＭ１（１００ｍｗ／ｃｍ²）の光エネルギー
を与えた場合、１×１０^-3（Ωｃｍ）^-1ないし８×１０
^-2（Ωｃｍ）^-1を有し、これらの値は、単結晶珪素半導
体の１／２ないし１／１０ときわめてすぐれた特性を有
していることが実験的に見出された。

【０００３】本発明は、かかるセミアモルファス半導体
の特性を絶縁ゲート型電界効果半導体装置に用いんとし
たものである。さらに、本出願人は、かかるセミアモル
ファス半導体が従来より知られた薄膜型の絶縁ゲート型
電界効果半導体装置、すなわち図１に示した断面構造に
適用した場合、本来のセミアモルファス半導体としての
特性を有さず、満足した特性が得られないという事実に
基づいている。

【０００４】

【従来の技術】図１は従来の絶縁ゲート型電界効果半導
体装置の縦断面図である。従来、アモルファス半導体を
用いた絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、図１に示す
ごとき縦断面を有する構造が知られている。図１におい
て、絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、絶縁基板(1)
と、当該絶縁基板(1) 上に形成されたゲート電極(3) 、
(13)と、当該ゲート電極(3) および(13)上に形成された
ゲート絶縁膜(11)と、当該ゲート絶縁膜(11)を介してゲ
ート電極(3) および(13)に対向するように配置されたチ
ャネル形成領域(5) および(10)と、当該チャネル形成領
域(5) および(10)を挟むように形成されたソース領域
(6) 、(9) およびドレイン領域(7) 、(8) とから構成さ
れている。なお、絶縁基板(1) 上に形成されたゲート電
極(3) 、(13)は、耐熱性材料、たとえばモリブデンによ
り作られている。

【０００５】さらに、ゲート絶縁膜(11)は、たとえばＣ
ＶＤ法により酸化珪素を０．３μｍないし０．５μｍの
厚さに設けられる。次に、ゲート絶縁膜(11)の上面に
は、アモルファス半導体が形成され、選択エッチングに
より、ゲート電極(3) および(13)上の対応する位置にチ
ャネル形成領域(5) 、(10)が形成される。さらに、Ｎチ
ャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体装置(12)は、Ｎ型
の半導体層(6) 、(7) を選択的にフォトエッチング法を
用いて形成される。また、Ｐチャネル型絶縁ゲート型電
界効果半導体装置(2) は、たとえばアルミニュームを真
空蒸着法で形成した後、選択エッチングを行い、ソース
領域(9) 、ドレイン領域(8) を形成し、図１に示す如
く、Ｃ／ＭＯＳ・ＦＥＴ（相補型Ｐチャネル型絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置とＮチャネル型絶縁ゲート型電
界効果半導体装置を互いに補完させて用いる）を完成さ
せている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１に示す絶縁ゲート
型電界効果半導体装置は、ゲート絶縁物（11) がＣＶＤ
法で形成されるため、高密度でなく、結果としてゲート
電極(3) とチャネル形成領域(5) とがショートし易い。
そのため、絶縁物(11)は、通常０．３μｍ以上と厚くし
なければならなかった。その結果として、絶縁ゲート型
電界効果半導体装置を駆動するゲート電圧は、２０Ｖな
いし６０Ｖと大きな電圧が必要となり、いわゆる１．５
Ｖないし５Ｖ程度の低い電圧とすることが不可能であっ
た。しかも、絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、ゲー
ト電極(15)の両端とチャネル形成領域(5) の両端と、ソ
ース領域(6) およびドレイン領域(7) の一端とを精密に
位置合わせすることが必要である。

【０００７】しかし、絶縁基板(1) 上に凸凹がある状態
で１μｍ以上の高精度での位置合わせが不可能であっ
た。その結果として、従来例における絶縁ゲート型電界
効果半導体装置の位置合わせには、２０μｍないし３０
μｍものトレランスを作っていた。そのため、絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置におけるドレイン電圧は、５０
Ｖないし７０Ｖと高くなるため、１．５Ｖないし１０Ｖ
程度の低圧駆動とすることが不可能であった。さらに、
構造敏感性を有するいわゆるチャネル形成領域(5) と接
する表面(17)には、Ｐ型またはＮ型の導電型の不純物を
０．５％ないし２％もの多量にドープされた半導体が密
着されている。したがって、この不純物を含む半導体
は、チャネル形成領域(5) の表面(17)において、完全に
エッチング除去されない限り、この部分でソース領域
(6) とドレイン領域(7) とがショートしてしまう。

【０００８】しかし、上記不純物を含む半導体は、その
下側のチャネル形成領域(5) と同一主成分であるため、
選択エッチングがきわめて困難であった。さらに、構造
敏感性に劣るアモルファス半導体からなるＴＦＴの場
合、薄型とする必要があるため、チャネル形成領域(5)
は、その上に絶縁膜を設けずに、空気中に露呈させてい
た。このため、構造敏感性を有するセミアモルファス半
導体からなるＴＦＴは、上記と同様な構造にすると、バ
ラ付いた特性となり、信頼性において実用不可能であっ
た。すなわち、このようなＴＦＴの構造は、アモルファ
ス半導体において問題がないにもかかわらず、セミアモ
ルファス半導体を用いると性能上全く不適当になるとい
う問題を有する。本発明は、以上のような課題を解決す
るためのもので、ゲート絶縁膜を薄くして、低電圧駆動
が可能であると共に、高い周波数の応答性の良い絶縁ゲ
ート型電界効果半導体装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、絶縁
基板(1) 上の微結晶性を有すると共に真性または実質的
に真性の導電型を有するセミアモルファス半導体(20)上
にチャネル形成領域(19)を挟んで一対の不純物領域(2
9)、(30)が設けられると共に、前記チャネル形成領域(1
9)上および該絶縁物(33)上にゲート電極(35)が設けられ
ている。

【００１０】本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置
は、Ｐチャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体装置とＮ
チャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体装置とが同一絶
縁基板(1) 上に設けられたことを特徴とする。

【００１１】

【作 用】本出願人は、ゲート絶縁膜の下にセミアモ
ルファス半導体からなるチャネル形成領域を設けた薄膜
型構造の絶縁ゲート型電界効果半導体装置においても、
単結晶半導体と同様な特性が得られることに気付いた。
すなわち、本発明は、微結晶性を有すると共に、真性ま
たは実質的に真性の導電型を有するセミアモルファス半
導体上にチャネル形成領域を挟んで、一対の不純物領域
が設けられている。そのため、不純物領域からなるソー
ス領域およびドレイン領域との間は、セミアモルファス
からなるチャネル形成領域によって、従来のものと比較
して高い電気導電度を有する。

【００１２】また、前記チャネル形成領域上には、ゲー
ト絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。そし
て、チャネル形成領域とゲート電極との絶縁は、ソース
領域およびドレイン領域間とチャネル形成領域との電気
導電度が良いため、電流がゲート電極からチャネル形成
領域へ流れ難い。その結果、絶縁ゲート型電界効果半導
体装置のゲート絶縁膜は、従来のものより一桁薄くして
も、チャネル形成領域とゲート電極との間で電気的に短
絡しない。

【００１３】また、本発明は、ゲート絶縁膜を従来のも
のと比較して一桁薄くすることができたので、従来より
低い電圧によって絶縁ゲート型電界効果半導体装置を駆
動することができる。また、本発明は、基板特にその上
面の半導体と反応を起こさない基板たとえばガラスまた
はセラミック基板また導電性基板において、オーム接触
をする基板上にプラズマＣＶＤ法によりセミアモルファ
ス半導体を形成し、このセミアモルファス半導体の特性
を積極的に絶縁ゲート型電界効果半導体装置に用いんと
したものである。

【００１４】本発明は、チャネル形成領域にセミアモル
ファス半導体を用い、その下側、上側、側部の全てを絶
縁物または高不純物濃度を有する半導体で覆っており、
この半導体としての構造敏感性を利用してゲート電極も
制御することを特徴としている。そのため、従来のアモ
ルファス半導体を用いたＴＦＴの４０Ｖないし８０Ｖと
いう高い電圧での駆動というのではなく、ゲート電圧、
ドレイン電圧とも５Ｖないし１０Ｖの低い電圧の駆動が
可能となり、さらに１．５Ｖ駆動もその構造において本
質的に可能であるという特徴を有する。さらに、図１に
おいては４回のフォトマスクを用いて作るが、ゲート電
極(3)とソース領域(6) およびドレイン領域(7) とは、
異種材料であり、絶縁基板(1)上にリード配線を抵抗の
小さい金属で作ろうとすると、さらに、この上面に２回
のフォトマスクを必要とし、合計６回になるにもかかわ
らず単層配線しかできないという欠点を有する。本発明
は、以上説明した欠点を取り去るのみならず、半導体装
置としての集積化し易いこと、他の重要な要素である抵
抗、キャパシタも同時に一本化して作り易いことがチャ
ネル形成領域をセミアモルファス半導体で作るに加えて
デバイスとして有する大きな特徴である。

【００１５】

【実 施 例】以下、第２図を参照しつつ本発明の一実
施例を説明する。第２図は本発明の絶縁ゲート型電界効
果半導体装置の製造工程を示す縦断面図である。第２図
（Ａ）において、基板(1) は、絶縁性であり、かつ透光
性基板であるガラス上にセミアモルファス半導体(20)が
０．１μｍないし１μｍの厚さにプラズマ気相法で形成
された。このセミアモルファス半導体(20)は、シラン
（モノシランまたはポリシラン）またはフッ化珪素をヘ
リュームまたは水素で希釈し、０．０１ｔｏｒｒないし
１０ｔｏｒｒ、たとえば０．３ｔｏｒｒの反応炉内に導
き、１００℃ないし４００℃、たとえば３００℃に加熱
された基板(1) 上に前記反応性気体に直流、高周波（５
００ＫＨZ ないし５０ＭＨZ 、たとえば１３．５６ＭＨ
Z ）またはマイクロ波（１ＧＨZ ないし１０ＧＨZ 、た
とえば２．４５ＧＨZ）の磁場エネルギーを２０Ｗない
し２００Ｗの出力を加えて、グロー放電またはアーク放
電を行わしめ、これら反応性気体およびキャリアガスを
プラズマ化し、分解、反応せしめ、基板(1) 上に微結晶
性を有する真性または実質的に真性のセミアモルファス
半導体(20)を形成させるものである。

【００１６】このセミアモルファス半導体(20)は、Ｘ線
回析像を用いて調べ、そのピーク値の半値幅よりシェー
ラーの式を用いて調べると、５Åないし２００Åのショ
ートレンジオーダの大きさの結晶性を有することが判っ
た。さらに、この時、珪素の不対結合手を中和させる水
素、フッ素の如きハロゲン元素による再結合中心中和剤
に０．０１モル原子％ないし５モル原子％添加されてい
る。このセミアモルファス半導体(20)は、暗伝導度１×
１０^-5（Ωｃｍ）^-1ないし３×１０^-3（Ωｃｍ）^-1を有
し、アモルファス半導体の１０^-9（Ωｃｍ）^-1ないし１
０^-6（Ωｃｍ）^-1に比べても１０² ないし１０⁴ 倍も大
きい。光伝導度がＡＭ１の条件下にて１×１０^-3（Ωｃ
ｍ）^-1ないし８×１０^-2（Ωｃｍ）^-1を実験的に有し、
特にアモルファス半導体の１０^-6（Ωｃｍ）^-1ないし３
×１０^-4（Ωｃｍ）^-1に比べて１０ないし１０³ 倍も大
きい。

【００１７】そのため、このセミアモルファス半導体(2
0)を流れる電子の移動度もまたホールの移動度もアモル
ファス半導体の１０² ないし１０⁴ 倍も大きく、このセ
ミアモルファス半導体(20)を絶縁ゲート型電界効果半導
体装置のチャネル形成領域用の半導体として用いること
は、高速応答用の半導体装置を作る上にきわめて重要で
ある。さらに、第２図（Ａ）は、マスク(21)を１μｍな
いし５μｍの厚さに選択的に形成して、ここに第１のフ
ォトマスクを用いた。これは減圧プラズマ気相法によ
り酸化珪素または耐熱性有機樹脂であるポリイミド樹脂
膜（ＰＩＱ）であってもよい。

【００１８】第２図において、絶縁ゲート型電界効果半
導体装置の領域(22)は、ソース領域(26)と、ドレイン領
域(27)と、チャネル形成領域 (24) とから構成されてい
る。この後、この上面に再びアモルファス半導体または
セミアモルファス半導体の半導体層(25)を０．１μｍな
いし１μｍの厚さでセミアモルファス半導体(20)と同様
の方法にて形成した。この時、Ｎチャネルまたは、Ｐチ
ャネル絶縁ゲート型電界効果半導体装置を作るため、Ｎ
型またはＰ型の半導体層のそれぞれに対し、５価の不純
物であるリン、３価の不純物であるホウ素を０．２％な
いし２％添加した。かくして、第２図（Ａ）に示す被膜
構成を得た。

【００１９】第２図（Ｂ）は、第２図（Ａ）の構造にて
マスク(21)を超音波を軽く加えてエッチング液に浸し溶
去した。すると、ソース領域(26)とドレイン領域(27)に
一対を構成して一導電型の半導体層(29)、(30)がソース
領域、ドレイン領域として形成される。さらに、この上
面にフィールド絶縁膜(31)を酸化珪素またはポリイミド
樹脂膜により０．１μｍないし１μｍの厚さに形成して
第２図（Ｂ）を得た。次に、チャネル形成領域 (24) に
相当する部分および電極用コンタクト用開穴(32)のフィ
ールド絶縁膜(31)を選択的に第２のフォトマスクによ
り除去した。この後、ゲート絶縁膜(33)は、プラズマ酸
化法によって、３００Åないし２０００Åの厚さに形成
された。すなわち、酸素または酸化性気体を２．４５Ｇ
ＨZ（出力１００Ｗないし５００Ｗ）のマイクロ波によ
り分解、活性化し、この活性化した酸化性気体中に基板
を３００℃ないし５００℃の温度にて設置して、この表
面に酸化物特にセミアモルファス半導体(20)が珪素であ
った時は、酸化珪素膜を作製した。

【００２０】上記酸化性気体の代わりにアンモニア等の
窒化性気体であってもよい。もちろんプラズマ気相法に
より酸化珪素、窒化珪素等の絶縁膜を３００Åないし２
０００Åの厚さに形成してもよい。さらに、不揮発性メ
モリとするには、このゲート絶縁膜中に半導体または金
属の塊状のクラスタまたは薄膜を形成し、電荷捕獲中心
とすると有効である。また、ＭＮＯＳ構造にしてもよ
い。これらはこの絶縁ゲート型電界効果半導体装置を応
用することによってきめられる自由度を有する。かくの
如くにして、ゲート絶縁膜(33)を形成した第３のフォト
マスクによりソース領域(29)またはドレイン領域(30)
に開口(32)を設けた後、ゲート電極(35)、ドレイン電極
(34)、リード(36)を金属膜を選択的に第４のフォトマス
クを用いて作製した。

【００２１】これらの電極、リード線は、アルミニュー
ム等の真空蒸着法およびフォトエッチング法を用いるの
が有効である。信頼性上それらの金属がその下側の絶縁
膜または半導体層にしみこむことがないようにするに
は、リフトオフ法と無電界メッキ法を組み合わせた方法
が好ましかった。すなわち、第２図（Ｄ）において、ゲ
ート電極(35)、リード(36)が設けられていない部分に第
２図（Ａ）と同様にマスク用レジストを設け、この上面
および他の一面に金属膜を形成した後、マスクとその上
の金属膜のみを選択的に溶去、除去する方法である。

【００２２】以上の如くにして、第２図（Ｄ）に示され
る縦断面図の構造を有する絶縁ゲート型電界効果半導体
装置を得た。この時一対の不純物領域は、ソース領域(2
9)、ドレイン領域(30)として機能し、チャネル形成領域
(19)は、そのチャネル長を０．３μｍないし２０μｍ、
特に２μｍないし３μｍとすることができ、従来のアモ
ルファス半導体を用いた第１図の構造に比べて１０³ な
いし１０⁶ 倍もの高い周波数応答を得ることができた。
さらに、駆動電圧は、１．５Ｖないし１０Ｖ、代表的に
は５Ｖないし１０Ｖで可能であり、従来の１／２ないし
１／５にまで下げることができた。第２図よりあきらか
な如く、チャネル形成領域(19)を構成するセミアモルフ
ァス半導体(20)は、その上側をゲート絶縁膜(33)で覆わ
れており、特に、チャネル形成領域(19)は、その全ての
面を絶縁膜、または半導体で覆われており、大気に触れ
ることによる劣化がない。

【００２３】また、本発明において、セミアモルファス
半導体は、アモルファス半導体にくらべてきわめて構造
敏感性を有し、このセミアモルファス半導体を基板上に
何らかの凸部、特に金属電極が設けられているのではな
く、平坦なガラス基板等セミアモルファス半導体と反応
をしない材料上に形成されている。また、このセミアモ
ルファス半導体からなるチャネル形成領域上に隣接した
ソース領域およびドレイン領域には、不純物が添加され
た半導体層(25)を積層し、この不純物がドープされてリ
ークが発生してしまう等の問題がない等の特徴を有す
る。本発明は、単にひとつの絶縁ゲート型電界効果半導
体装置を示したが、これは複数の絶縁ゲート型電界効果
半導体装置を同一基板上に集積化して設けることも容易
であり、さらにリード(36)上に層間絶縁物を設け第２の
リードを多層配列して設けることも容易である。

【００２４】また、基板(1) を透光性のガラスとした
時、下層より光を照射してその光の有無を検出するフォ
ト・トランジスタとして作用させることが可能である。
また、フォト・トランジスタは、集積化することによっ
て、撮像用半導体装置として用いることも可能である。
本発明は、珪素を中心に記載したが、ＳｉＣ₁₆（０＜Ｘ
＜１）、Ｓｉ₃ Ｎ_4-x（０＜Ｘ＜４）であっても、また
ゲルマニューム、３−５価化合物であってもよい。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁ゲート型電界効果
半導体装置におけるチャネル形成領域をセミアモルファ
ス半導体としたため、ソース領域、チャネル形成領域、
およびドレイン領域における電子・ホールの移動度が大
きく、ゲート絶縁膜を従来と一桁薄くしても、チャネル
形成領域とゲート絶縁膜とが短絡しない。したがって、
本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、ゲート絶
縁膜が従来と一桁薄いので、低電圧駆動を行なうことが
可能となった。また、電子・ホールの移動度が大きいた
め、絶縁ゲート型電界効果半導体装置の応答速度が大き
くなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の半導体装置の縦断面図である。

【図２】本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置の製
造工程を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１・・・基板 １９（２４）・・・チャネル形成領域 ２０・・・セミアモルファス半導体 ２１・・・マスク ２２・・・絶縁ゲート型電界効果半導体装置の領域 ２５・・・半導体層 ２６（２９）・・・ソース領域 ２７（３０）・・・ドレイン領域 ３１・・・フィールド絶縁膜 ３２・・・穴 ３３・・・ゲート絶縁膜 ３４・・・電極 ３５・・・ゲート電極 ３６・・・リード

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上の微結晶性を有すると共に真
   性または実質的に真性の導電型を有するセミアモルファ
   ス半導体上にチャネル形成領域を挟んで一対の不純物領
   域が設けられると共に、前記チャネル形成領域上および
   該絶縁物上にゲート電極が設けられていることを特徴と
   する絶縁ゲート型電界効果半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、絶縁ゲート型電界効
   果半導体装置は、Ｐチャネル型絶縁ゲート型電界効果半
   導体装置とＮチャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体装
   置とが同一絶縁基板上に設けられたことを特徴とする絶
   縁ゲート型電界効果半導体装置。