JPH0864826A - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 単結晶シリコン基板１上に設ける絶縁膜２
と、その絶縁膜２上に設けるシリコン窒化膜７と、シリ
コン窒化膜７上に設ける活性層領域３と、活性層領域３
表面上に設けるゲート絶縁膜１１と、素子分離領域に設
けるフィールド酸化膜１６と、ゲート絶縁膜１１の上部
に設けるゲート電極４と、ゲート電極４に整合する領域
の活性層領域３に設けるソース領域５とドレイン領域６
とを備える半導体装置およびその製造方法。 【効果】 シリコン窒化膜と活性層領域とが安定な界面
を形成でき、欠陥の少ない緻密な膜を形成することがで
き、また、活性層領域の段差分を緩和し、素子と素子と
のあいだを接続する配線の断線を防止でき、安定した接
続性を保持することができる。その結果、サブスレッシ
ョルド特性の向上、移動度の増加、リーク電流の低減に
優れたデバイス特性の電界効果型薄膜トランジスタを実
現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁膜上に形成する電
界効果型薄膜トランジスタの構造とその製造方法とに関
し、とくに活性層領域と絶縁膜との界面を安定化させる
ことが可能な半導体装置およびその製造方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、絶縁膜上に形成する電界効果型
薄膜トランジスタは、液晶のアクティブマトリックスの
スイッチング素子や、センサや、三次元回路素子などへ
利用されている。

【０００３】ここで従来例として、活性層領域が多結晶
シリコン膜である電界効果型薄膜トランジスタの構造
を、図１４の断面図を用いて説明する。

【０００４】図１４に示すように、単結晶シリコン基板
１上に形成する絶縁膜２の上に多結晶シリコン膜からな
る活性層領域３を設けている。

【０００５】さらに活性層領域３の表面には、ゲート絶
縁膜１１として薄い膜厚のシリコン酸化膜を設ける。さ
らにこのゲート絶縁膜１１の上には、低抵抗の多結晶シ
リコン膜で形成するゲート電極４を設けている。

【０００６】さらにまた、シリコン酸化膜からなるマス
ク酸化膜１２をゲート電極４の表面に設ける。さらに、
イオン注入技術を用いてゲート電極４に整合する領域の
活性層領域３に、自己整合的に、ソース領域５とドレイ
ン領域６とを設ける。

【０００７】さらに、通常の半導体素子の製造方法を用
いて、層間絶縁膜１３を化学的気相成長法によって形成
する。そしてこの層間絶縁膜１３にコンタクトホールを
形成後、アルミニウム電極からなる配線１４を設ける。

【０００８】図１４に示すように、従来技術においては
活性層領域３となる多結晶シリコン膜は、シリコン酸化
膜である絶縁膜２上に非晶質シリコン膜の状態で形成す
る。そして、その後の窒素雰囲気中での熱処理によっ
て、非晶質シリコン膜を結晶化して、多結晶シリコン膜
としている。

【０００９】この場合、非晶質シリコン膜は、温度５７
０℃以下で形成し、その後の窒素雰囲気中での熱処理
は、６００℃以下の温度で１０時間以上行って、非晶質
シリコン膜から多結晶シリコン膜へ変換して、活性層領
域３を得ている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】非晶質シリコン膜の形
成には、一般的に化学的気相成長法が用いられる。ここ
で、表面反応が起こる化学的気相成長法では、下地にな
る被膜の種類によって、界面の状態が変化する。しか
も、界面での初期反応は、後工程の窒素雰囲気中の熱処
理での非晶質シリコン膜の結晶化に大きく影響を与え
る。

【００１１】図１４に示すように、絶縁膜２として化学
的に安定なシリコン酸化膜を設け、そしてこのシリコン
酸化膜上に非晶質シリコン膜を形成する場合、シリコン
酸化膜の表面の酸素との結合を切ってシリコン同士の結
合を作るのは、化学的気相成長時、もしくは窒素雰囲気
中での熱処理時の熱エネルギーでは容易に起こり得な
い。

【００１２】その結果、シリコン酸化膜と非晶質シリコ
ン膜との間では、安定な界面は得られない。さらにま
た、結晶化した非晶質シリコン膜も粒径が小さく、結晶
粒界を多数含んだ膜になる。

【００１３】その非晶質シリコン膜を活性層領域とする
デバイスの特性は、結局、電界効果型薄膜トランジスタ
のサブスレッショルド特性の増加や、移動度の低下や、
リーク電流の増加などのデバイス特性の劣化の原因にな
るという問題点がある。

【００１４】この問題点は、活性層領域３が単結晶シリ
コン膜の場合でも同じように発生する。以下に、単結晶
シリコン基板１表面の情報である結晶性、および配向性
を非晶質シリコン膜に伝達して、結晶化を行う固相成長
法について、図１５の平面図を用いて説明する。

【００１５】図１５に示すように、面方位（１００）を
有する単結晶シリコン基板１に、シリコン酸化膜（図示
せず）を形成し、そのシリコン酸化膜を〈１００〉方向
にパターニングし、単結晶シリコン基板１が露出する領
域であるシード領域１４を形成する。

【００１６】そのシード領域１４を形成した単結晶シリ
コン基板１の上部全面に、非晶質シリコン膜を形成し、
その後、窒素雰囲気中で熱処理を行うことによって、非
晶質シリコン膜の結晶化を行い、単結晶シリコン膜を形
成する。

【００１７】この場合、シード領域１４から結晶化が始
まり、縦方向から横方向に結晶化が移行すると、｛１１
０｝面の成長からその成長過程で成長速度の遅い｛１１
１｝面が現れ、横方向の成長速度を律則する

【００１８】またさらに、シリコン酸化膜上で固相成長
が進むと、酸素原子と結合しているシリコン結合は、成
長方向に対して歪を受ける。

【００１９】さらに、非晶質であるシリコン酸化膜中で
は、格子の規則性がないので、固相成長した活性層領域
となる単結晶シリコン膜は局所的に応力を受け、不規則
に配列した転移を含むことになる。

【００２０】つまり、固相成長層である活性層領域であ
る単結晶シリコン膜とシリコン酸化膜との界面が、シリ
コン酸化膜上に固相成長する距離や、単結晶シリコン膜
の膜質の安定化を阻害する要因となる。

【００２１】また、素子間の分離を島状にすると活性層
領域とゲート電極の厚さ分の段差をもつことになり、素
子と素子とのあいだを接続する配線が断線してしまう。

【００２２】本発明の目的は、上記課題を解決して、電
界効果型薄膜トランジスタのデバイス特性に優れた半導
体装置およびその製造方法を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の半導体装置は下記記載の構成および製造方
法を採用する。

【００２４】本発明の第１の半導体装置は、単結晶シリ
コン基板上に設ける絶縁膜と、その絶縁膜上に設けるシ
リコン窒化膜と、シリコン窒化膜上に設ける多結晶シリ
コン膜からなる活性層領域と、素子分離領域に設けるフ
ィールド酸化膜と、活性層領域表面に設けるゲート絶縁
膜と、ゲート絶縁膜の上部に設けるゲート電極と、ゲー
ト電極に整合する領域の活性層領域に設けるソース領域
とドレイン領域とを備えることを特徴とする。

【００２５】本発明の第１の半導体装置の製造方法は、
単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成し、絶縁膜上にシ
リコン窒化膜を形成する工程と、全面に非晶質シリコン
膜を形成する工程と、窒素雰囲気中で熱処理し非晶質シ
リコン膜を多結晶シリコン膜に変換する工程と、多結晶
シリコン膜上に熱酸化膜を形成する工程と、熱酸化膜上
にシリコン窒化膜を形成する工程と、素子分離領域のシ
リコン窒化膜と、熱酸化膜を除去する工程と、全面を熱
酸化して素子分離領域にフィールド酸化膜を形成する工
程と、活性層領域上のシリコン窒化膜と熱酸化膜を除去
する工程と、ゲート絶縁膜を形成する工程と、ゲート電
極とソース領域およびドレイン領域を形成する工程とを
含むことを特徴とする。

【００２６】本発明の第２の半導体装置は、単結晶シリ
コン基板上に設ける絶縁膜と、その絶縁膜上に設けるシ
リコン窒化膜と、シリコン窒化膜上に設ける単結晶シリ
コン膜からなる活性層領域と、素子分離領域に設けるフ
ィールド酸化膜と、活性層領域表面に設けるゲート絶縁
膜と、ゲート絶縁膜の上部に設けるゲート電極と、ゲー
ト電極に整合する領域の活性層領域に設けるソース領域
とドレイン領域とを備えることを特徴とする。

【００２７】本発明の第２の半導体装置の製造方法は、
単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成し、絶縁膜上にシ
リコン窒化膜を形成する工程と、シード領域のシリコン
窒化膜とシード領域の絶縁膜を除去する工程と、単結晶
シリコン基板表面が露出したシード領域を清浄化し、全
面に非晶質シリコン膜を形成する工程と、窒素雰囲気中
で熱処理し非晶質シリコン膜を単結晶シリコン膜に変換
する工程と、単結晶シリコン膜上に熱酸化膜を形成する
工程と、熱酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程
と、素子分離領域のシリコン窒化膜と、熱酸化膜を除去
する工程と、全面を熱酸化して素子分離領域にフィール
ド酸化膜を形成する工程と、活性層領域上シリコン窒化
膜と熱酸化膜を除去する工程と、ゲート絶縁膜を形成す
る工程と、ゲート電極とソース領域およびドレイン領域
を形成する工程とを含むことを特徴とする。

【００２８】

【作用】本発明の半導体装置の構造とその製造方法とに
よれば、絶縁膜上にシリコン窒化膜を設け、そのシリコ
ン窒化膜の上部に多結晶シリコン膜あるいは単結晶シリ
コン膜からなる活性層領域を形成する。

【００２９】すなわち、化学量論的にシリコン酸化膜に
比べて、シリコンを過剰に含有するシリコン窒化膜上に
活性層領域を形成する。

【００３０】このため、シリコン窒化膜と活性層領域と
の界面が安定化して、連続膜となって、活性層領域の欠
陥が減少し、さらに活性層領域の膜質を向上させること
ができる。

【００３１】さらにまた、素子分離領域にフィールド酸
化膜を形成することによって段差を緩和し、配線の断線
を防止することができる。

【００３２】この結果、サブスレッショルド特性の向上
と、移動度の増加と、リーク電流の低減などに優れたデ
バイス特性を有する電界効果型薄膜トランジスタを実現
することができる。

【００３３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。以下に、本発明の第１の実施例における半導体装置
およびその製造方法で、活性層領域が多結晶シリコン膜
である場合についての実施例を、図１から図６を用いて
具体的に説明する。まずはじめに、図５の断面図を用い
て本発明の半導体装置の構造を説明する。

【００３４】図５に示すように、単結晶シリコン基板１
上に設けるシリコン酸化膜からなる絶縁膜２と、そのシ
リコン酸化膜からなる絶縁膜２上にシリコン窒化膜７と
を設ける。

【００３５】さらに、シリコン窒化膜７上に設ける多結
晶シリコン膜からなる活性層領域３と、素子分離領域に
フィールド酸化膜１６を設ける。

【００３６】そして、素子形成領域である活性層領域３
表面に設けるゲート絶縁膜１１と、ゲート絶縁膜１１の
上部に設けるゲート電極４とを設ける。

【００３７】さらに、ゲート電極４に整合する領域の活
性層領域３に設けるソース領域５とドレイン領域６とを
有する。さらに、ゲート電極４と活性層領域３との表面
にシリコン酸化膜からなるマスク酸化膜１２を有する。

【００３８】さらに、層間絶縁膜１３と、この層間絶縁
膜１３に形成するコンタクトホールを介して、ソース領
域５とドレイン領域６と接続するアルミニウム合金から
なる配線１４を備える。

【００３９】図１４に示す従来例では、絶縁膜２である
シリコン酸化膜上に活性層領域３を形成しており、素子
形成領域である活性層領域３を島状の形状にして素子間
の分離を行う構造を採用している。

【００４０】これに対して、本発明の実施例における電
界効果型薄膜トランジスタは、絶縁膜２上に形成するシ
リコン窒化膜７上に活性層領域３を設ける。そしてさら
に、素子分離領域にフィールド酸化膜１６を形成し、こ
のフィールド酸化膜１６によって、素子を形成する活性
層領域３間の分離を行う構造を採用している。

【００４１】結晶化した活性層領域３の被膜中に欠陥が
生じる要因の１つは、非晶質シリコン膜から多結晶シリ
コン膜に変換するときの体積変化である。

【００４２】もう１つの結晶化した活性層領域３の被膜
中に欠陥が生じる要因は、活性層領域３である多結晶シ
リコン膜とシリコン酸化膜界面近傍での不完全な結合が
原因である。

【００４３】多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜との界
面で酸素と結合しているシリコン結合は、安定なシリコ
ン酸化膜の結合に置換して起こる。このため、非晶質シ
リコン膜から多結晶シリコン膜に変換する際に歪を生じ
てしまう。

【００４４】さらに、シリコン酸化膜は単結晶シリコン
基板１に対して圧縮応力をもち、歪を生じさせる原因に
なっている。

【００４５】一方、本発明のように、絶縁膜２と活性層
領域３との間にシリコン窒化膜７を介在させることによ
って、活性層領域３である多結晶シリコン膜とシリコン
酸化膜界面では、中間層が形成されることになる。

【００４６】この中間層であるシリコン窒化膜７は、化
学量論的にシリコン酸化膜に比べてシリコンを過剰に含
むものである。

【００４７】このために、活性層領域３である多結晶シ
リコン膜との界面は、シリコン窒化膜から組成が連続的
に変化し、安定な界面を形成する。さらに、単結晶シリ
コン基板１との応力も緩和することができる。

【００４８】シリコン酸化膜は、単結晶シリコン基板１
に対して圧縮応力があることは前述したが、シリコン酸
化膜上にシリコン窒化膜７を形成すると、シリコン窒化
膜７は、単結晶シリコン基板１に対して引張り応力をも
つ。したがって、全体では応力が緩和されることにな
る。

【００４９】つまり、絶縁膜２であるシリコン酸化膜と
活性層領域３である多結晶シリコン膜との界面での欠
陥、および多結晶シリコン中の欠陥は、表面反応時の応
力とそれぞれの被膜のもつ応力に起因する。

【００５０】このために、本発明の実施例における構造
では、応力を緩和して、欠陥の少ない活性層領域３を形
成することができる。

【００５１】また、従来技術を示す図１４のように島状
に素子間を分離すると、活性層領域３とゲート電極４の
段差のために、素子と素子とのあいだを接続する配線１
４が断線してしまう。

【００５２】しかし、本発明のように素子分離領域にフ
ィールド酸化膜１６を形成することによって活性層領域
３の段差分が緩和され、配線１４は断線せず安定した接
続性を保持することができる。

【００５３】つぎに、図５に示す電界効果型薄膜トラン
ジスタの構造を形成するための製造方法について、図１
から図５の断面図を用いて説明する。

【００５４】まずはじめに、図１に示すように、単結晶
シリコン基板１を用意し、１１００℃の温度で、酸素と
窒素の混合気体雰囲気中での酸化処理によって、絶縁膜
２として膜厚５００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。

【００５５】つぎに、絶縁膜２として形成したシリコン
酸化膜の上部に、シリコン窒化膜７を膜厚１５ｎｍで形
成する。

【００５６】このシリコン窒化膜７の形成は、温度７０
０℃、反応ガスとしてジクロルシラン（Ｓｉ₂ Ｈ₂ Ｃｌ
₂ ）とアンモニア（ＮＨ₃ ）との混合気体雰囲気中で、
化学的気相成長法を用いて行う。

【００５７】つづいて、図２に示すように、減圧下の条
件での化学的気相成長法を用いて、温度５７０℃、圧力
０．３Ｔｏｒｒで、反応ガスとしてシラン系気体を用い
て活性層領域３となる非晶質シリコン膜を膜厚３００ｎ
ｍの厚さで形成する。

【００５８】その後、毎分２０００ｃｃの流量の窒素雰
囲気中で、温度５７０℃の条件下で１２時間の熱処理を
行い、引き続き連続して温度１０００℃の熱処理を２時
間行う。すなわち、低温と高温の２段階の熱処理を、連
続して行う。

【００５９】まずはじめの温度５７０℃の熱処理によっ
て、形成した非晶質シリコン膜の粒径拡大を図り、それ
と同時に、非晶質シリコン膜の粒径を揃え、多結晶シリ
コン膜へ変換させる。そして、その後の温度１０００℃
の熱処理で、多結晶シリコン膜の欠陥を低減させてい
る。

【００６０】さらに、絶縁膜２として形成したシリコン
酸化膜は、単結晶シリコン基板１に対して圧縮応力をも
っている。これに対して、このシリコン酸化膜上部に形
成したシリコン窒化膜７はシリコン酸化膜とは逆に引張
り応力をもつ。

【００６１】そのため、高温である温度１０００℃の熱
処理を行った場合、絶縁膜２であるシリコン酸化膜上に
非晶質シリコン膜を形成するものに比べて、本発明のシ
リコン酸化膜上にシリコン窒化膜７を形成し、非晶質シ
リコン膜を形成する構造の方が単結晶シリコン基板１に
加わる応力は小さい。

【００６２】これらのことは、窒素雰囲気中での熱処理
後における、非晶質シリコン膜から変換した多結晶シリ
コン膜とシリコン酸化膜との界面、および非晶質シリコ
ン膜から変換した多結晶シリコン膜とシリコン窒化膜７
との界面状態を比較すると明らかになる。この界面状態
を、図１２と図１３を用いて説明する。

【００６３】従来構造の単結晶シリコン基板１に形成す
る絶縁膜２上に活性層領域３を形成した断面構造を図１
２に示す。なお、この図１２は断面ＳＥＭ写真からスケ
ッチして図示している。

【００６４】図１２に示すように、活性層領域３である
非晶質シリコン膜から変換した多結晶シリコン膜と、絶
縁膜２として形成したシリコン酸化膜との界面には空孔
１５が生じている。さらに、多結晶シリコン膜粒径間も
離れ、欠陥を含む被膜が形成されている。

【００６５】これに対して本発明の活性層領域３と絶縁
膜２との間に窒化シリコン膜７を形成した断面構造を図
１３に示す。なお、この図１３も断面ＳＥＭ写真からス
ケッチして図示している。

【００６６】図１３に示すように、非晶質シリコン膜か
ら変換した多結晶シリコン膜とシリコン窒化膜７との界
面には、図１２に示す空孔１５は認められない。しか
も、多結晶シリコン膜は粒径の揃った緻密な膜が形成さ
れていることが観察できる。

【００６７】この図１２と図１３とに示す界面状態の違
いは、表面反応が起こる化学的気相成長法では、活性層
領域３の下地になる膜の種類によって界面の状態が変化
し、しかも界面での初期反応は、後の窒素雰囲気中での
熱処理での多結晶化に大きく影響を与えることを示して
いる。

【００６８】結晶化した活性層領域３の膜中に欠陥が生
じる要因は、非晶質シリコン膜から多結晶シリコン膜に
変換するときの体積変化と、活性層領域３である多結晶
シリコン膜とシリコン酸化膜界面近傍での不完全な結合
である。

【００６９】多結晶シリコン膜とシリコン酸化膜界面で
の酸素と結合しているシリコン結合は、安定なシリコン
酸化膜の結合に置換して起こる。このため、非晶質シリ
コン膜から多結晶シリコン膜に変換する際に歪を生じて
しまう。

【００７０】さらに、前述したようにシリコン酸化膜
は、単結晶シリコン基板１に対して圧縮応力がある。こ
のために、高温の熱処理を行うと応力が増大し、シリコ
ン酸化膜の上部の多結晶シリコン膜は歪が発生し、しか
もかなり不安定な界面では、図１２に示すような空孔１
５を生じてしまうのである。

【００７１】以上説明したように、シリコン窒化膜７を
絶縁膜２であるシリコン酸化膜と活性層領域３となる非
晶質シリコン膜間に介在することによって、表面反応で
起こる応力と被膜全体の応力を緩和し、安定した界面と
欠陥の少ない緻密な多結晶シリコン膜を形成することが
できる。

【００７２】つぎに、温度１０００℃、酸素と窒素の混
合気体中で酸化処理を行うことによって、膜厚２０ｎｍ
の熱酸化膜を形成する。

【００７３】つぎに、化学的気相成長法を用いて、温度
７４０℃で、反応ガスとしてジクロルシラン（ＳｉＨ₂
Ｃｌ₂ ）とアンモニア（ＮＨ₃ ）の混合気体中で膜厚１
５０ｎｍのシリコン窒化膜を形成する。

【００７４】つぎに、写真製版技術を用いて素子を形成
する領域のみにホトレジストを残すようにパターニング
する。その後、このパターニングしたホトレジストをエ
ッチングマスクとして用いて、素子分離領域上のシリコ
ン窒化膜と熱酸化膜とを除去する。

【００７５】素子を形成する領域上のホトレジストを除
去した後、温度が１０００℃で、酸素と水素の混合気体
雰囲気中で酸化処理を行い、図３に示すように、膜厚６
００ｎｍのフィールド酸化膜１６を素子分離領域に形成
する。すなわち、シリコン窒化膜を耐酸化膜として使用
し、このシリコン窒化膜を形成していない領域にフィー
ルド酸化膜１６を形成する。

【００７６】この活性層領域３間に形成するフィールド
酸化膜１６によって、隣接する素子間を電気的に分離
し、さらに活性層領域３の膜厚分の段差を緩和する。

【００７７】つぎに、温度１０００℃で、酸素と窒素の
混合気体中で酸化処理を行い、膜厚１０ｎｍのゲート絶
縁膜１１となるシリコン酸化膜を、活性層領域３の表面
に形成する。

【００７８】つぎに、ゲート電極４の材料である多結晶
シリコン膜を膜厚３５０ｎｍの厚さで形成する。この多
結晶シリコン膜は、温度６１０℃、反応ガスとしてモノ
シランを用いる化学的気相成長法によって形成する。

【００７９】つぎに、写真製版技術を用いて多結晶シリ
コン膜をエッチングによりパターニングし、ゲート電極
４を形成する。

【００８０】つぎに、図４に示すように、酸素雰囲気中
での酸化処理を行うことによって、シリコン酸化膜であ
るマスク酸化膜１２を、ゲート電極４と活性層領域３と
の表面に膜厚１５ｎｍで形成する。

【００８１】その後、¹¹Ｂ⁺ イオンを、打ち込みエネル
ギーが２５ＫｅＶ、打ち込み量が３×１０¹⁵ａｔｏｍｓ
／ｃｍ² の条件でイオン注入を行い、ゲート電極４に整
合する領域の活性層領域３にソース領域５とドレイン領
域６とを形成する。

【００８２】ここで、マスク酸化膜１２は、ソース領域
５とドレイン領域６とにイオン注入する際のバッファ層
として使用する。

【００８３】さらにマスク酸化膜１２は、後工程で形成
する層間絶縁膜１３中に含まれる不純物が、ゲート電極
４下に拡散して、電界効果型薄膜トランジスタの閾値電
圧を変動させないためのストッパーとなる役割をもつ。

【００８４】その後は、図５に示すように、通常の半導
体素子製造方法と同じく層間絶縁膜１３を化学的気相成
長法により形成する。

【００８５】その後、写真製版技術を用いて、層間絶縁
膜にコンタクトホールを形成し、その後、アルミニウム
合金からなる配線１４を形成する。

【００８６】その後、閾値電圧を安定化させるために、
水素雰囲気中で、温度３８０℃、時間２５分の熱処理を
行い、つづいて、同じ温度の３８０℃で、雰囲気ガスを
変えて、窒素雰囲気中で時間１５分の熱処理を連続して
行う。

【００８７】上記の構造および製造方法で得られた導電
型がＰ型の電界効果型薄膜トランジスタにおける、ゲー
ト長に対するサブスレッショルド係数の関係を、図６の
グラフに示す。

【００８８】この図６のグラフにおいては、電界効果型
薄膜トランジスタの特性比較のために、本発明の実施例
の特性を白丸印で示し、従来例の特性を黒丸印で示す。

【００８９】従来例は図１４の断面図に示す構造のもの
であり、その製造方法における熱履歴は本発明の実施例
と同じである。

【００９０】ここで、ゲート長とは図５中のゲート電極
４のチャネル方向の長さとし、また以下サブスレッショ
ルド係数をＳ値と表記する。

【００９１】このＳ値はドレイン電圧をマイナス２Ｖと
し、ドレイン電流が１桁増加するのに必要なゲート電圧
をもってその直線部分の最大傾斜とした。

【００９２】本発明の実施例では、Ｓ値は１６０ｍＶ／
桁と、従来例の２５０ｍＶ／桁に比べて３５％程度の低
減が図れている。

【００９３】さらにまた、移動度についても従来例では
２５ｃｍ² ／ＶＳであったのが、本発明の実施例では６
０ｃｍ² ／ＶＳと２倍以上の値が得られている。

【００９４】この特性向上の要因は、前述したように、
活性層領域３の多結晶シリコン膜と下地となる被膜との
界面状態が、電界効果型薄膜トランジスタのデバイスの
特性に影響していることを示している。

【００９５】従来技術における多結晶シリコン膜の下層
がシリコン酸化膜の場合は、窒素雰囲気中での熱処理終
了後、膜応力とシリコン酸化膜との界面の不安定性から
欠陥を含む被膜となり、それが活性層領域３として形成
されている。

【００９６】一方、多結晶シリコン膜の下層がシリコン
窒化膜である本発明の実施例では、膜応力の低減および
膜の緻密化が起こってキャリアの表面散乱が減少するた
めデバイス特性が向上する。

【００９７】なお本発明の第１の実施例では、導電型が
Ｐ型の電界効果型薄膜トランジスタについて説明した
が、導電型がＮ型の電界効果型薄膜トランジスタについ
ても、本発明の構造と製造方法とを採用すれば、以上の
説明と同様にデバイス特性の向上を図ることが可能とな
る。

【００９８】つぎに、本発明の第２の実施例における半
導体装置およびその製造方法で、活性層領域３が単結晶
シリコン膜の場合について、図７から図１１の断面図を
用いて具体的に説明する。まずはじめに、半導体装置の
構造を、図１１の断面図を用いて説明する。

【００９９】図１１に示すように、単結晶シリコン基板
１上に絶縁膜２を設け、その絶縁膜２上にシリコン窒化
膜７を設ける。

【０１００】そして、この窒化シリコン膜７上に単結晶
シリコン膜からなる活性層領域３を設ける。さらに、素
子分離領域に形成するフィールド酸化膜１６を設ける。

【０１０１】さらにこの活性層領域３の表面にゲート絶
縁膜１１を設ける。さらに、そのゲート絶縁膜１１上部
に設けるゲート電極４の整合する領域の活性層領域３
に、ソース領域５とドレイン領域６とを備える。

【０１０２】活性層領域３が単結晶シリコン膜の場合
も、格子の規則性がないシリコン酸化膜上に直接形成す
ると、両者の界面では応力を受け、単結晶シリコン膜は
不規則に配列した転移を含むことになる。

【０１０３】本発明の第２の実施例でも、活性層領域３
と絶縁膜であるシリコン酸化膜との間に、化学量論的に
シリコン酸化膜に比べてシリコンを過剰に含有するシリ
コン窒化膜７を介在させる。

【０１０４】このことにより、活性層領域３である単結
晶シリコン膜との界面は、シリコン窒化膜から組成が連
続的に変化し、安定な界面を形成することができる。

【０１０５】さらに、絶縁膜２と活性層領域３との間に
シリコン窒化膜７を介在させることによって、単結晶シ
リコン基板１が受ける応力も緩和され、欠陥の少ない活
性層領域３を形成することができる。

【０１０６】さらにまた、素子分離領域にフィールド酸
化膜１６を形成し、活性層領域３の膜厚分の段差を緩和
している。このことによって、素子と素子とのあいだを
接続する配線の断線１４を防止し、安定した接続性を保
持することができる。

【０１０７】つぎに、図１１に示す電界効果型薄膜トラ
ンジスタ構造を形成するための製造方法について、図７
から図１１の断面図を用いて説明する。

【０１０８】まずはじめに、図７に示すように、単結晶
シリコン基板１を用意し、１１００℃の温度で、酸素と
窒素の混合気体雰囲気中での酸化処理により、絶縁膜２
として膜厚５００ｎｍのシリコン酸化膜を形成する。

【０１０９】つぎに、絶縁膜２として形成したシリコン
酸化膜の上部に、膜厚１５ｎｍのシリコン窒化膜７を形
成する。

【０１１０】このシリコン窒化膜７は、化学的気相成長
装置を用い、温度が７００℃、ジクロルシラン（Ｓｉ₂
Ｈ₂ Ｃｌ₂ ）とアンモニア（ＮＨ₃ ）との反応ガスから
なる混合気体雰囲気中で形成する。

【０１１１】つぎに、図８に示すように写真製版技術を
用いて、シリコン窒化膜７と絶縁膜２とをパターニング
し、単結晶シリコン基板１が露出したシード領域８を形
成する。

【０１１２】このシリコン窒化膜７のエッチングは、ホ
トレジストをエッチングマスクとして使用して、ハロゲ
ンガスである四フッ化炭素（ＣＦ₄ ）とＣＢｒＦ₃ とヘ
リウム（Ｈｅ）と酸素（Ｏ₂ ）とからなるエッチングガ
スの混合気体雰囲気中で、圧力１００ｍＴｏｒｒで、電
力５０Ｗで行い、シード領域８のシリコン窒化膜７を除
去する。

【０１１３】その後、シード領域８の絶縁膜２であるシ
リコン酸化膜を、ホトレジストをエッチングマスクに用
いてフッ酸系水溶液でエッチング除去する。その結果、
シード領域８の単結晶シリコン基板１表面が露出する。

【０１１４】続いて、減圧の化学的気相成長装置にて、
圧力１×１０^-5Ｔｏｒｒ程度、真空引きした後に、塩素
（Ｃｌ₂ ）と水素（Ｈ₂ ）の混合気体を装置内に導入し
て、圧力０．３ｍＴｏｒｒ、温度５７０℃の条件下で、
今まで処理した単結晶シリコン基板１をこの装置内で１
０分間保持して、シード領域８表面の清浄化処理を行
う。

【０１１５】この清浄化処理により、シード領域８の単
結晶シリコン基板１の表面は、エッチングされ、清浄な
単結晶シリコン基板１の表面が露出する。

【０１１６】清浄化処理後、図９に示すように、大気中
に取り出すことなく連続して同一の化学的気相成長装置
を用いて、５７０℃の温度で、圧力０．３Ｔｏｒｒで、
反応ガスとしてモノシランガス（ＳｉＨ₄ ）を用いて、
活性層領域３となる非晶質シリコン膜を膜厚３００ｎｍ
の厚さで形成する。

【０１１７】その後、毎分２０００ｃｃの流量の窒素雰
囲気中で、温度５７０℃の条件下で１０時間の熱処理を
行い、その後引き続き連続して１０００℃の熱処理を２
時間行う。すなわち、５７０℃と１０００℃との２段階
の温度の熱処理を行う。

【０１１８】この熱処理を行うことによって、図１０に
示すように、シリコンの原子と原子との間の結合距離や
結合角が揺らいだ状態である非晶質シリコン膜は、結晶
としての原子間配置を有する単結晶シリコン基板１を種
結晶として、両者の界面において粒子の移動や再配置に
より結晶連続膜へと成長し、単結晶シリコン膜に変換す
る。

【０１１９】従来例のように、絶縁膜２であるシリコン
酸化膜上に活性層領域３を形成する場合に比べて、本発
明のようにシリコン窒化膜７上に活性層領域３を形成し
たものは、シード領域８の端部から単結晶シリコン基板
１に水平な方向に、単結晶シリコン膜の成長する距離が
延長することが確認できた。

【０１２０】ここでは、図１５に示すように面方位（１
００）の単結晶シリコン基板１に、〈１１０〉ファセッ
トに対して４５°傾けた〈１００〉方向にシード領域８
をパターニングしている。

【０１２１】従来例で説明したように、絶縁膜２である
シリコン酸化膜と活性層領域３との界面では、化学的な
反応はほとんどない。

【０１２２】このため、絶縁膜２上の活性層領域３を単
結晶シリコン膜に変換させる際に、｛１１０｝面成長過
程で、成長速度の遅い｛１１１｝面が界面付近の応力と
結合の不整合から発生し、単結晶シリコン基板１と水平
の方向への成長を抑制する。

【０１２３】一方、本発明のように活性層領域３とシリ
コン窒化膜７との界面を安定化させることで、｛１１
１｝面の発生を遅らせることが可能となる。この結果、
単結晶シリコン基板１の水平方向に｛１１０｝面の成長
する距離を延長させることができる。

【０１２４】つぎに、写真製版技術を用いて素子を形成
する領域のみにホトレジストを残すようにパターン形成
し、このホトレジストをエッチングマスクに用いて素子
分離領域上のシリコン窒化膜と熱酸化膜を除去する。

【０１２５】素子を形成する領域上のホトレジストを除
去した後、温度１０００℃、酸素と水素の混合気体中
で、膜厚６００ｎｍのフィールド酸化膜１６を素子分離
領域に形成する。

【０１２６】この活性層領域３間に形成するフィールド
酸化膜１６により、隣接する素子を電気的に分離し、そ
して活性層領域３の膜厚分の段差を緩和することができ
る。

【０１２７】さらにまた、このフィールド酸化膜１６
は、ソース領域５と単結晶シリコン基板１とが分離する
ように酸化を行ってもよい。

【０１２８】つぎに、温度１０００℃、酸素と窒素の混
合気体中で、膜厚１０ｎｍのゲート絶縁膜１１となるシ
リコン酸化膜を、活性層領域３の表面に形成する。

【０１２９】つぎに、ゲート電極４の材料である多結晶
シリコン膜を、膜厚３５０ｎｍの厚さで形成する。この
多結晶シリコン膜は、温度６１０℃、反応ガスとしてモ
ノシラン雰囲気中での化学的気相成長法により形成す
る。

【０１３０】つぎに、写真製版技術を用いて、ゲート電
極４の材料である多結晶シリコン膜をパターニングし
て、ゲート電極４を形成する。

【０１３１】つぎに、シリコン酸化膜であるマスク酸化
膜１２を酸素雰囲気中での酸化処理によって、１５ｎｍ
の厚さでゲート電極４と活性層領域３との表面に形成す
る。

【０１３２】その後、¹¹Ｂ⁺ イオンを、打ち込みエネル
ギーが２５ＫｅＶ、打ち込み量が３×１０¹⁵ａｔｏｍｓ
／ｃｍ² の条件でイオン注入を行い、ゲート電極４に整
合する活性層領域３にソース領域５とドレイン領域６と
を形成する。

【０１３３】その後は、第１の実施例と同様な処理工程
を行って、層間絶縁膜１３を形成する。その後、さらに
層間絶縁膜１３にコンタクトホール形成し、アルミニウ
ム合金からなる配線１４を形成する。

【０１３４】その後、水素雰囲気中の温度３８０℃、時
間２５分の熱処理に行い、引き続いて、同じ温度の３８
０℃で、雰囲気ガスを変えて、窒素雰囲気中で時間１５
分の熱処理を行い、図１１に示すような構造の電界効果
型薄膜トランジスタを得ることができる。

【０１３５】以上のような処理工程によって、単結晶シ
リコン膜に作製した電界効果型薄膜トランジスタを、第
１の実施例と同様な評価を行った。その結果、活性層領
域３が多結晶シリコン膜の場合と同様に、サブスレッシ
ョルド特性の向上と、移動度の増加と、リーク電流の低
減との特性の向上を図ることができた。

【０１３６】第１の実施例と同様に、本発明の第２の実
施例でも導電型がＰ型の電界効果型薄膜トランジスタに
ついて説明したが、導電型がＮ型の電界効果型薄膜トラ
ンジスタについても、本発明の構造と製造方法とを適用
すれば、以上の説明と同様にデバイス特性の向上を図る
ことができる。

【０１３７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
半導体装置の構造とその製造方法とにおいては、活性層
領域の下層に、シリコン窒化膜を設けている。

【０１３８】このことによって、活性層領域とシリコン
窒化膜との両者間の界面反応を安定化させ、欠陥の少な
い活性層領域を得ることができる。また、素子分離領域
にフィールド酸化膜を形成し、活性層領域の膜厚分の段
差を緩和することによって、素子と素子とのあいだを接
続する配線の断線を防止し、安定した接続性を保持する
ことができる。

【０１３９】これらの結果、サブスレッショルド特性の
向上や、移動度の増加や、リーク電流の低減など優れた
デバイス特性を有する電界効果型薄膜トランジスタを実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における半導体装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。

【図２】本発明の第１の実施例における半導体装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。

【図３】本発明の第１の実施例における半導体装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。

【図４】本発明の第１の実施例における半導体装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。

【図５】本発明の第１の実施例における半導体装置の構
造および製造方法の製造工程を示す断面図である。

【図６】本発明の実施例方法で得た半導体装置および製
造方法を用いて作製した、導電型がＰ型の電界効果型薄
膜トランジスタと、従来例で作製した導電型がＰ型の電
界効果型薄膜トランジスタとのゲート長に対するサブス
レッショルド係数との特性を示すグラフである。

【図７】本発明の第２の実施例における半導体装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。

【図８】本発明の第２の実施例における半導体装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。

【図９】本発明の第２の実施例における半導体装置の製
造方法の製造工程を示す断面図である。

【図１０】本発明の第２の実施例における半導体装置の
製造方法の製造工程を示す断面図である。

【図１１】本発明の第２の実施例における半導体装置の
構造および製造方法の製造工程を示す断面図である。

【図１２】従来例における半導体装置の断面構造を模式
的に示す図面である。

【図１３】本発明の実施例における半導体装置の断面構
造を模式的に示す図面である。

【図１４】従来例における半導体装置を示す断面図であ
る。

【図１５】固相成長法を示す平面図である。

【符号の説明】

１ 単結晶シリコン基板 ２ 絶縁膜 ３ 活性層領域 ４ ゲート電極 ５ ソース領域 ６ ドレイン領域 ７ シリコン窒化膜 ８ シード領域

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶シリコン基板上に設ける絶縁膜
   と、その絶縁膜上に設けるシリコン窒化膜と、シリコン
   窒化膜上に設ける多結晶シリコン膜からなる活性層領域
   と、素子分離領域に設けるフィールド酸化膜と、活性層
   領域表面に設けるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上部
   に設けるゲート電極と、ゲート電極に整合する領域の活
   性層領域に設けるソース領域とドレイン領域とを備える
   ことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 単結晶シリコン基板上に設けるシリコン
   酸化膜からなる絶縁膜と、そのシリコン酸化膜からなる
   絶縁膜上に設けるシリコン窒化膜と、シリコン窒化膜上
   に設ける多結晶シリコン膜からなる活性層領域と、素子
   分離領域に設けるフィールド酸化膜と、活性層領域表面
   に設けるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上部に設ける
   ゲート電極と、ゲート電極に整合する領域の活性層領域
   に設けるソース領域とドレイン領域とを備えることを特
   徴とする半導体装置。
3. 【請求項３】 単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成
   し、絶縁膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、全面
   に非晶質シリコン膜を形成する工程と、窒素雰囲気中で
   熱処理し非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に変換す
   る工程と、多結晶シリコン膜上に熱酸化膜を形成する工
   程と、熱酸化膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、
   素子分離領域のシリコン窒化膜と、熱酸化膜を除去する
   工程と、全面を熱酸化して素子分離領域にフィールド酸
   化膜を形成する工程と、活性層領域上のシリコン窒化膜
   と熱酸化膜を除去する工程と、ゲート絶縁膜を形成する
   工程と、ゲート電極とソース領域およびドレイン領域を
   形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製
   造方法。
4. 【請求項４】 非晶質シリコン膜を多結晶シリコン膜に
   変換する熱処理は、低温と高温との２段階の熱処理であ
   ることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方
   法。
5. 【請求項５】 単結晶シリコン基板上に設ける絶縁膜
   と、その絶縁膜上に設けるシリコン窒化膜と、シリコン
   窒化膜上に設ける単結晶シリコン膜からなる活性層領域
   と、素子分離領域に設けるフィールド酸化膜と、活性層
   領域表面に設けるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上部
   に設けるゲート電極と、ゲート電極に整合する領域の活
   性層領域に設けるソース領域とドレイン領域とを備える
   ことを特徴とする半導体装置。
6. 【請求項６】 単結晶シリコン基板上に設けるシリコン
   酸化膜からなる絶縁膜と、そのシリコン酸化膜からなる
   絶縁膜上に設けるシリコン窒化膜と、シリコン窒化膜上
   に設ける単結晶シリコン膜からなる活性層領域と、素子
   分離領域に設けるフィールド酸化膜と、活性層領域表面
   に設けるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上部に設ける
   ゲート電極と、ゲート電極に整合する領域の活性層領域
   に設けるソース領域とドレイン領域とを備えることを特
   徴とする半導体装置。
7. 【請求項７】 単結晶シリコン基板上に絶縁膜を形成
   し、絶縁膜上にシリコン窒化膜を形成する工程と、シー
   ド領域のシリコン窒化膜とシード領域の絶縁膜を除去す
   る工程と、単結晶シリコン基板表面が露出したシード領
   域を清浄化し、全面に非晶質シリコン膜を形成する工程
   と、窒素雰囲気中で熱処理し非晶質シリコン膜を単結晶
   シリコン膜に変換する工程と、単結晶シリコン膜上に熱
   酸化膜を形成する工程と、熱酸化膜上にシリコン窒化膜
   を形成する工程と、素子分離領域のシリコン窒化膜と、
   熱酸化膜を除去する工程と、全面を熱酸化して素子分離
   領域にフィールド酸化膜を形成する工程と、活性層領域
   上のシリコン窒化膜と熱酸化膜を除去する工程と、ゲー
   ト絶縁膜を形成する工程と、ゲート電極とソース領域お
   よびドレイン領域を形成する工程とを含むことを特徴と
   する半導体装置の製造方法。
8. 【請求項８】 非晶質シリコン膜を単結晶シリコン膜に
   変換する熱処理は、低温と高温との２段階の熱処理であ
   ることを特徴とする請求項７記載の半導体装置の製造方
   法。