JPH0644573B2 - 珪素半導体装置作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 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ャネル領域の少
なくとも一部が、アモルファ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また
は塩素のようなハロゲン化物を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
手と水素またはハロゲン化物とを結合せしめて再結合中
心を中和かつ消滅せしめることを特長とする。そして、
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。

本発明はかかるMIS−FET、さらにキャパシタ、抵抗また
はダイオードが半導体基板上、上面が絶縁物よりなる基
板上、さらにまたは第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として設けられ
ることを目的としている。

本発明は、ＰまたはＮ型の導電型を有し、かつその不純
物濃度が２×10¹⁹cm^-3以下、特に例えば10¹⁴〜10¹⁷cm^-3
における非単結晶半導体に対し、その半導体の形成と
「同時」または「形成後」、特に半導体装置を完成して
しまった後、水素（重水素を含む）または塩素のような
ハロゲン化物を10^-2mmHg以上の圧力にした雰囲気中に保
存し、かかる雰囲気ガスを高周波エネルギまたはマイク
ロ波エネルギにより活性化させて半導体装置中に添加さ
せた半導体装置に関する。

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
らをキャパシタ、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っていた。

このため、アクティブエレメントであるMIS−FETまたは
トランジスタ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、ゲイト以下のチャネル領域、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
はキャリアのライフタイムが微妙に影響を与えるため、
その領域はキャ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。さらに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がそれらの
悪化の主因であった。

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ァス）にお
いても十分小さくすることも可能とし、その結果初めて
完成したものである。

一般に半導体装置を形成するにあたっては、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℃
におけるアルミニュームのコンタクトのアロイ、350〜9
00℃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、ヘリ
ウム、ネオンのような不活性気体、塩素のようなハロゲ
ン化物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
キュリング（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
にまたは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している。

以下にその実施例に従って本発明を説明する。

第１図は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を形成して、これ
に半導体基板表面より150〜300KeVのイオン注入法で酸
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
ニールを行った。さらにその上面に室温〜500℃の温度
でグロー放電法により、または500〜900℃の温度での減
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
態にして成就した。

もちろん室温〜500℃の温度でグロー放電法またはスパ
ッ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。この膜面は絶縁層(2)が純粋のSiO₂また
はSi₃N₄にあっては多結晶であったが、この酸素または
窒素の量が10¹⁸〜10²¹cm^-3である場合には非単結晶を一
部に含むエピタキシャル構造であった。しかし本実施例
においては、実質的にエピタキシャル構造となってい
た。しかし再結合中心をより少なくし、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。

本発明はかかる再結合中心の密度の多い半導体膜の再結
合中心を誘導電気エネルギにより除去することを目的と
している。

フィールド絶縁膜(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、ゲイト絶縁膜(12)を100〜1
000Å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、その上にセルファライン方
式によりゲイト電極(11)をCVD法により半導体膜を作っ
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。この時この上面を平坦面とするため、SiO₂
膜のかわりにPIQ等を用いてもよい。アルミニュームの
電極の穴開け(8)，さらにアルミニュームの電極、リー
ド(8)を形成した。ソース、ドレイン(6)はチャネル形成
領域(4)がＰ型であっては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ってもよい。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。この不純物が10¹⁹cm^-3以上、特
に10²¹cm^-3と多量に混入している場合は、本発明の電気
エネルギによる中和の効果は見られなかった。他方、チ
ャ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ャ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合中心を中
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、ここに水素またはヘリウムを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
出来上がった後、水素の添加によりキャリアのライフタ
イムが10³〜10⁵倍になった。Ｃ−Ｖダイオード特性で評
価してもQss≒10¹⁰cm^-2のオーダのほぼ目標どおりのＣ
−Ｖ特性を示していた。水素、ヘリウムのような不活性
ガス、塩素のようなハロゲン化物の化学的励起は以下の
方法に従った。即ち横型の直径５〜20cm特に15cm（長さ
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。周波数は１〜20MHzとした。さらにこの外
側に抵抗加熱炉のヒータ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った。高周波炉は30
〜100KWのものを用いた。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10
cm）を５〜50枚ボートに林立させる形で装填した。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っ
た。

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、好ましくなかった。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、ヘリウム原子は侵入型原子（イ
ンターステイシァル アトム）のため自由にこの固体中
で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
った。加熱温度はアルミニュ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
であったがそれ以外の場合はそれ以上の温度（600〜100
0℃）であってもよい。しかし一つの大切なことは、水
素等は300〜500℃の温度で半導体中の原子との結合をは
ずれH₂として外に遊離されやすい。このため、高温にお
ける誘導キューリングを行う場合の温度を室温にまで下
げても誘導キュ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ューリングが可能
な範囲で高い方が好ましい。

そのため、本発明の効果は10^-6〜10^-5mmHgでもその効果
が観察されたが、添加量を0.1モル％またはそれ以上と
するため0.01mmHg以上特に0.1〜100mmHgとした。もちろ
ん室温での高周波誘導を行ってもよい。0.001mmHg以下
においては単結晶中に存在する低い密度の再結合中心を
中和する効果があった。しかしその場合、実験的には約
１時間以上のキューリングを必要した。

この周波数はイクロ波であってもよい。特に周波数が50
〜1000MHzであった場合は反応管内の圧力が常圧であっ
てもその効果は著しくあり、好ましかった。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ューリング用オーブ
ン内に輻射して実施すると好ましい。誘導キューリング
を行っている際、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ューリングをしつつ急冷
することは徐冷に比べて効果が大きかった。例えば900
℃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
対結合手をたた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。またネオンは励起状態での準安定状態がヘリウムの
100〜10⁴倍あり、キューリング効果が大きかった。即
ち、Heでのキューリングを５〜15分、0.1〜100mmHg特に
10mmHgで行い、その後５〜15分0.01〜10mmHg特に0.1mmH
gで水素中でのキューリングを行った。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。

本発明方法を第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30〜200モル％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。

第１図(B)はSOS（シリコン−オン−サファイア）の実施
例である。アルミナ、サファイア、スピネル等の基板
(1)上の半導体を0.02〜２μの厚さにエピタキシァル成
長せしめ、さらにソース(5)，ドレイン(6)，埋置したフ
ィールド絶縁物(3)，半導体ダイレクトコンタクト(7)，
セルファラインゲイト電極(11)，ゲイト絶縁膜(12)，CV
DSiO₂膜(10)の実施例である。

これらの半導体ディ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とり扱うことがで
きるようになった。この励起処理は半導体基板とゲイト
絶縁膜との間に存在する界面準位またはゲイト絶縁物中
に存在する不対結合手を中和する効果が著しくあり、MI
S−FETの作製法の向上にきわめて好ましい方法であっ
た。

第２図は他の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。

以下に図面に従って説明する。

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ってもよ
い。ここでは多結晶シリコンを用いた。絶縁膜(7)は基
板(1)を酸化して形成した。

さらにこの上面に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であって、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ィールド
絶縁物(3)を半導体層(1)に埋置して形成した。この際こ
のフィールド絶縁物(3)と半導体層とは概略同一平面に
なるようにフィールド膜をエッチしてもよく、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
であっても、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っても、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。
この図面ではそのひとつはゲイト電極(11)、他は第２の
MIS−FETのソース(25)，ドレイン(24)，チャネル領域(2
9)とした。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。さらに図面より明らかなようにゲイト電極(1
1)は明示されていないフィールド絶縁物(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)を形成した後、
ゲイト電極(21)とその下のゲイト絶縁物(22)とによりイ
オン注入法を利用してソース(24)，ドレイン(25)を作製
した。この図面は第１のMIS−FETの斜め上方に第２のMI
S−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っ
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、キャ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ってもよい。

第２図(B)は単結晶半導体基板(1)に対し選択酸化により
フィールド絶縁物(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)，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チャネルま
たはＮチャネル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のドレインであり、他方の
MIS−FET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(1
0)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10¹⁴〜10
¹⁶cm^-3でＰ型とし、チャネル領域(29)が動作状態で十分
チャネルとして働くことを条件とさせた。さらにフォト
マスクにより非単結晶の抵抗兼ソース(37)をこの第３の
MIS−FETのソース側に連結し、リード(38)につなげた。
ドレイン(24)はキャパシタの下側電極(34)に連結した。
この上面の絶縁膜はキャパシタの誘電体(33)となり、か
つ第３のMIS−FETのゲイト絶縁物(22)につながる。この
上面にゲイト電極(21)およびキャパシタの上側電極(36)
を形成した。この実施例ではこれらはアルミニューム金
属を用いた。

第３のMIS−FET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のチャネル
状態を制御できるようにしてある。もちろんこのチャネ
ル領域(29)とその下側に位置しているゲイト電極(11)と
の間にゲイト絶縁物が形成されるならば、第３のMIS−F
ET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も
よい。即ち、ひとつのゲイト電極(11)でふたつのMIS−F
ETを制御したり、またふたつのゲイトでひとつのMIS−F
ET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
ティブエレメントまたは抵抗、キャパシタさにダイオー
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第２図(A)，(B)においてすでに第
１図の説明の詳記したように“誘導キュア”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ァス構造の半導体
または半導体と絶縁物体との界面に存在する界面準位を
不活性気体で相殺または水素等により中和できることに
より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
置がキュ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
は水素ヘリウム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、ヘリウム等
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
ューム等であっても同様であり、Gap，GaAs，GaAlAs，S
iC，BP等の化合物半導体であっても同様である。

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IIL，SIT等のIC，LSIであって
も同様であり、すべての半導体装置に対して有効であ
る。

【図面の簡単な説明】

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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 29/784

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アモルファスまたは多結晶構造を有する非
   単結晶珪素半導体をグロー放電法、スパッタ法または減
   圧気相法により形成し、前記非単結晶珪素半導体上にゲ
   イト絶縁物およびゲイト電極を形成するとともに、ソー
   ス、ドレインを形成し、前記ゲイト絶縁膜下の前記非単
   結晶珪素半導体をチャネル形成領域としてＭＩＳ型電界
   効果型トランジスタを形成すると共に、前記ゲイト絶縁
   膜を誘電体として有するキャパシタを形成した後に、不
   対結合手を水素により中和するために、化学的に活性な
   または原子状態の水素を含む雰囲気中で、３００〜５０
   ０℃の温度に保持した後、不対結合手を中和した水素が
   遊離するのを防止するために、室温にまで急冷すること
   により、前記チャネル形成領域の半導体およびゲイト絶
   縁膜の不対結合手を中和するとともに、前記チャネル形
   成領域とゲイト絶縁膜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珪素半導体装置作製方法。