JPS5996736A - 半導体装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、少なくとも一つの回路素子を有し、且つプラ
ズマ化学気相堆′積法で形成される窒化ンリコン膜を具
備した半導体装置に係り、特に、耐湿性・耐熱性に対す
る信頼性及びポットキャリア効果に関する信頼性を向上
し低コストの製品とすることのできる半導体装置に関す
る。

〔従来技術〕

今日、半導体装置の多くはセラミック容器もしくハフラ
スチック容器に封入されている。セラミック容器は外界
に存在するＮａ　−ＣＩに代表される不純物及び水分を
ほぼ完全に遮断するために、セラミック容器に封止され
た半導体装置の耐湿・耐熱信頼性は極めて高い。これに
対して、プラスチック容器は水分の吸水率・透過率が大
きく、またＮａ−、ＣＩに代表される不純物を多量に含
有しているために、プラスチック封止された半導体装置
の耐・湿・耐熱信頼性は、セラミック封止品と比較して
一般に低い。しかしながら、半導体基板表面保護膜とし
てプラズマ化学気相堆積法（以下プラズマ−ＣＶＤ法と
称す）による窒化ノリコン膜を形成すると、プラスチッ
ク容器に封止した半導体装置の耐湿・耐熱信頼性が大き
く向上することが知〜られている（Ｍｕｋａｉ、他”　
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆＰ
ｌａｓｍａ−ＣＶＤ　５ｉｌｉｃｏｎ　Ｎ１ｔｒｉｄｅ
　Ｆｉｌｍ”　ＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ
　　５ｏｃｉｅｔｙ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　、　　Ｅｘｔｅ
ｎｄｅｄＡｂｓｔｒａｃｔｓ誌、第７９−１巻、　２６
８〜２６９頁。

１９７９年発行）。これは、プラズマＣＶＤ法による窒
化シリコン膜（以下プラズマ窒化シリコン膜と称す）が
Ｎａ　−Ｃ７１等の不純物及び水分の阻止能に優れてい
るだめであり、またプラスチック容器に封止する際の収
縮応力に耐え得る機械的強度を一□□か 同腹か備えていて膜中に割れ等の欠陥が存在しないため
である。

上記のように、半導体基板の表面保護膜としてプラズマ
窒化シリコン膜を形成することによりプラスチック封止
半導体装置の耐湿・耐熱信頼性は太きく向上する。とこ
ろが、該半導体装置に含まれる素子の特性が動作中に変
動するという現象が近年発見された（　Ｆａｉｒ　、他
”　Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　−ＶｏｌｔａｇｅＩｎｓｔａ
ｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ＭＯ８ＦＥＴ’ｓ　Ｄｕｅ　ｔｏ
　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｈｏｔ　−−Ｈｏｌｅ　Ｅｍｉｓｓ
ｉｏｎ　”　　ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ
　ｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ誌、第２８巻
、’８３〜９４頁。

１９８１年発行）。この現象は、ＭＯ８型素子を動作さ
せていると、時間とともにそのしきい値電圧■、がシフ
トするとともに相互コンダクタンスｇｍが劣化（減少）
するというものである。そのメカニズムとしては、プラ
ズマ窒化シリコン膜中に存在する水素原子がゲート酸化
膜中に拡散し、このゲート酸化膜中に注入されだホット
キャリア（電子または正孔）と結合してトラップ準位を
作るこ　ことが考えられる。なお、従来技術（Ｓｉｎｈ
ａ、他　　。

”　　Ｒｅａｃｔｉｖｅ　　Ｐｌａｓｍａ　　Ｄｅｐｏ
ｓｉｔｅｄ　　Ｓｉ　−Ｎ　Ｆｉｌｍｓ　　ｆｏｒＭＯ
８−ＬＳＩ　　Ｐａ５ｓｉｖａｔｉｏｎ”　　Ｊｏｕｒ
ｎａｌ　　ｏｆ　　Ｅｌｅｃｔｒｏ　−ｃｈｅｍｉｃａ
ｌ　５ｏｃｉｅｔｙ誌、第１２５巻、　６０１〜６０８
頁。

１９７８年発行）で形成したプラズマ窒化ノリコン膜中
には、水素原子が１．６Ｘ１０　〜２．　Ｉ　Ｘ　１０
２２ｃｍ　　存在していることが知られている（　Ｌａ
ｎｆｏｒｄ’。

５ 他”　Ｔｈｅ　Ｈｙ、ｄｒｏｇｅｎ　Ｃｏｎｔｅｎｔ　
ｏｆ　Ｐｌａｓｍａ　−ＤｅｐｏｓｉｔｅｄＳｉｌｉｃ
ｏｎ　Ｎ１ｔｒｉｄｅ　”　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ誌、第４９巻、　　２４
７３〜２４７７頁、　　１９７８年発行）。

上記現象（一般にホットキャリア効果と呼ばれている）
を防止するためには、膜中に水素を含まない表面保護膜
を形成すること、またはゲート酸化膜へのホットキャリ
アの注入を抑止することが必要となる。これらの具体策
として、リンガラス膜を表面保護膜として形成する技術
、及び１＼４０８型素子のソース・ドレイン領域を２重
拡散法で形成する技術がある（　Ｔａｋｅｄａ　、他”
　Ａｎ　Ａｓ　−Ｐ　（Ｎ＋−Ｎ　　）　Ｄｏｕｂｌｅ
　Ｄｉｆｆｕｓｅｄ　Ｄｒａｉｎ　ＭＯＳＦＥＴ　　ｆ
ｏｒＶＬＳＩ　”　１９８２　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏ
ｎ　ＶＬＳＩ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。

Ｄｉｇｅｓｔ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ
ｓ　、　　４Ｑ　〜４１頁。

１９８２年発行）。リンガラス膜は半導体基板の表面保
護膜として現在においても広く用いられているが、プラ
ズマ窒化シリコン膜と比較して耐湿性・機械的強度が劣
る。そのため、リンガラス膜を表面保護膜として形成し
、プラスチック封止した半導体装置の耐湿・耐熱信頼性
は低い。また、２重拡散法で形成したＩＶｉＯ８型素子
は、通常の方法で形成した素−子と比較するとその寸法
が大きいため、２重拡散法を用いることにより半導体装
置の集積度は低下する。上記以外にもホットキャリア効
果を抑止する技術は存在するが、いずれも信頼性または
集積度の点で問題がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、従来技術での上記した問題点を解決し
、耐湿性・耐熱性に対する信頼性及びホットキャリア効
果に関する信頼性を向上させることができる、集積度の
高い半導体装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、上記目的を達成するために、回路素子
を有し、且つ、プラズマＣＶＤで形成された窒化ンリコ
ン膜を具備する半導体装置において、窒化７リコン膜中
の水素含有量が１．５　ｘ　１０２２ｃｒｒ＋’以下、
サラニ好マシくは０．６　Ｘ　１０２２ｃｍ−６以下で
ある半導体装置とすることにある。

・〔発明の実施例〕 本発明の具体的な実施例を述べる前に、まず、プラズマ
窒化シリコン膜の形成方法と水素含有量、及び窒化シリ
コン膜中の水素含有量とｉｖ［Ｏ８素子の特性変動との
関係について述べる。

１、　プラズマ窒化シリコン膜の形成方法と水素含有量 水素を全く含まないプラズマ窒化シリコン膜を形成する
ことが可能になれば、前記ホットキャリア効果を根本的
に解決できると期待される。しが。

し、従来のプラズマＣＶＤにおいては、窒化シリコン膜
中の水素含有量を１．６Ｘ１０　　ｃｍ　　以下に低減
することは困難である（　Ｌａｎｆｏｒｄ　、他前記文
献参照）。これは、水素を構成元素とする分子、即ちモ
ノシラン（ＳＩＨ４）及びアンモニア　（Ｎ１（３）、
が反応ガス中に含１れているだめである。そこで、４７
ノ化ケイ素（５ＩＰａ　）と窒素（Ｎ２）から成る混合
ガス、及び４塩化ケイ素（Ｓｉ　ＣＡ４）及び窒素から
成る混合ガスをそれぞれ反応ガスとして従来型の□プラ
ズマＣＶＤ装置を用いて窒化シリコン膜の形成を試みた
が、膜を形成するまてに至らなかった。その原因につい
ては以下のように考えられる。即ち、４フツ化ケイ素及
び４塩化ケイ素の生成自由エネルキーΔＦ、はそれぞれ
−ろ乃、　３５５　ｋ　ｃａｌ　／ｍｏ！　　、　　−
１４７，５５３ｋ　ｃａｌ　／ｍｏｌであり、いずれも
モノシランのΔ身の値１ろ、１６４ｋ　ｃａｌ　／ｍｏ
ｌと比較して絶対値が極めて大きい（Ｓｔｕｌｌ　、他
網”　ＪＡＮＡＦ　Ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ　’
ｌ”ａｂｌｅｓ’ｌ　ｎｄ　Ｅｄｉｔｉｏｎ　”　）　
　ために、４７ノ化ケイ素及び４塩化ケイ素がプラズマ
中で十分に分解していないことが考えられる。分解効率
の向上を図るにはプラズマの電子温度を増大させろこと
が必要であり、これは反応ガス圧力を減少させることに
より実現すルコトができル（Ｅｓｅｒ　、他”　Ｐｌａ
ｓｍａＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｐ
ｕｔｔｅｒｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｕｓｉｎｇｔｈｅ
　Ｌａｎｇｍｕｉｒ　Ｐｒｏｂｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ
　”　Ｔｈ１ｎ　ＳｏｌｉｄＦｉ１ｍｓ誌、第６８巻、
３８１〜ろ９２頁、　　１９８０年発行）。しかしなが
ら、従来の平行平板型のプラズマＣＶＤ装置においては
１Ｏ−２Ｔｏｒｒ以下のイ氏圧力下で高密度のプラズマ
を発生させることカニできガい。゛これに対して、マイ
クロ波型のプラズマＣＶＤ装置においては５　Ｘ　１０
　”　１０　Ｔｏｒｒノ広範囲の反応ガス圧力において
高密度のプラズマを発生させることができるだめに膜形
成の効率カニ良い。

そこで、マイクロ波型のプラズマＣＶＤ装置を用いて膜
形成を試みた。第１図に、本実験に使用した装置の構成
概略図を示す。第１図において、反応ガスはリークバル
ブ１．２により流量を市制御され、反応槽６内に導入さ
れ、そして、マク゛ネトロン４（周波数２．４５　ＧＨ
ｚ　）か°ら発生して導波管５中を伝播してきたマイク
ロ波により、放電管、６内の反応ガスに放電プラズマか
発生する。放電管乙の材質は、５ＩＦ４ガスプラズマに
よる食亥１１イ乍用を防止するためにアルミナとした。

放電管乙の下方には試料台７が設置され、半導体基板８
を保持している。さらに、放電管６内及び反応槽６内に
ミラー磁場を発生させるだめに、放電管乙の周囲にソレ
ノイドコイル９及び試料台７の下方に永久磁石１０が設
置しである。ソレノイドコイル９の電流を調整すること
により、マイクロ波回路系と放電部とのインピーダンス
マツチングを行なうことができる（特願昭５７　＝　１
０８３３６号参照）。上記実験の結果の一例として、反
応ガス圧力と膜形成速度との関係を第２図に示す。第２
図において、反応ガスは５ＩＦ４とＮ２とを体積比で１
．２に混合したものであり、マイクロ波電力は２００Ｗ
であり、また、試料台７の位置は放電管乙の下方３　ｃ
ｍである。この試料台７は、基板加熱機構を具備してい
々いが、プラズマの照射によりその温度が約２５０℃に
なる。第２図から、マイクロ波放電型のプラズマＣＶＤ
装置を使用すれば、Ｓ　＋、　Ｉ！’４とＮ２から成る
混合ガスを反応ガスとして用いた場合にも、反応ガス圧
力を１Ｑ　　Ｔｏｒｒ以下にすれば窒化ンリコン膜の形
成が可能であることがわかる。形成された窒化シリコン
膜の赤外吸収スペクトルを調べたところ、膜中に水素が
存在する場合に観測さレル波数２１６０　ｃｍ　　、（
５ｉ−Ｈ結合に相当）及び３３５Ｑｃｍ　　（Ｎ−Ｈ結
合ｉｃ相当）ノヒ−’＞Ｉｄ、従来技術で形成したプラ
ズマ窒化ノリコン膜と比較して極めて小さかった。なお
、該窒化シリコン膜中・にはフッ素原子（Ｆ　）が存在
することがＥＳＣＡ分析により確認された。

上記方法によれば、水素含有量の極めて少ない窒化／リ
コン膜の形成が可能になるばかりでなく、窒化／リコン
膜中の水素の含有量をＯ〜３ｘ１０２２ｃｍ−６の範囲
で任意に制御することが可能となる。

これは、水素もしくは水素を含有する分子を反応ガス中
に混入させることにより達成できる。第１表に、該方法
で形成した窒化／リコン膜の形成条件及び膜中の水素含
有量を示す。なお、試料Ａにおいては反応ガス中に水素
を含まないのにもかかわらず膜中に水素が存在している
が、これは反応槽内の残留ガス・反応槽壁からの離脱ガ
スもしくは油拡散ポンプから逆拡散した油に起因すると
考えられる。

第　　　１　　　　表 第１表においては、モノ７ランを反応ガス中に混入させ
ることにより膜中に水素を導入した。また、第１表には
、従来の平行平板型のプラズマＣＶＤにより形成した窒
化ンリコン膜の代表として、Ｈｉｒａｉｗａ、他”　Ｔ
ｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　Ｇｌｏｗ　Ｄｉｓｃｈａｒ
ｇｅＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｎ　　ｔｈｅ
　　Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　　Ｐｌａｓｍａ　　
−ＣＶＤ　５ｉｌｉｃｏｎ　Ｎ１ｔｒｉｄｅ　Ｆｉｌｍ
ｓ　”　（Ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　−Ｃ１１ｅｍｉＣ
ａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　Ｍｅｅｔｉｎｇ　、　Ｅｘｔｅ
ｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ誌、第８１−１巻、２９
８〜２９９頁、　　１９８１年発１斤）記載の方法によ
り形成した窒化７リコン膜に関する結果も合わせて示し
である。第１表に示した水素含有量は第６図、第４図に
示す赤外吸収スペクトルから求めた（　Ｌａｎｆｏｒｄ
　、他著前記文献）。

々お、該赤外吸収スペクトルの測定に使用した試料は、
ノリコン基板上に抵抗加熱真空蒸着法によりアルミニウ
ム薄膜（厚さ０．２μｍ）を形成した後、窒化ンリコ／
膜（厚さ約１μｍ）を形成したものであり、測定は反射
法、即ち、窒化・７１ノコン膜側から赤外光を入射する
と一部は表面で反射されるが多くは膜内に入射し、同腹
を透過した後アルミニウム薄膜面で反射され再び同腹を
透過して膜外に放射されるがこの放射光の強度をＩｌｌ
定することで窒化ンリコノ膜の吸収スペクトルをｆｆ１
ｌ＋定する方法、により行なった。

２、膜中の水素含有量と１〜ｉ０Ｓ素子の特性変動との
関係 この検討に使用した試料は、ｎチャンネルへ！１０８型
トランジスタを作成したノリコン基板上に、表面保護膜
として第１表に示した条件でそれぞれ窒化シリコン膜（
厚さ１μｍ）を形成したもので、ゲート酸化膜の厚さは
３５ｎｍ、チャンネル長は２μｍ、チャンネル幅は１０
μｍである。々お、リンガラス膜（厚さ１μ１１］）を
表面保護膜として形成した試料も作成し比較検討した。

以下においては、窒化シリコン膜の形成条件を表わす記
号（第１表のＡ、Ｅ　）を用いて試料を識別し、リンガ
ラス膜を形成した試料の記号はＰとする。上記表面保護
膜が上記ＭＯ８）ランジスタの特性に及ぼす影響を調べ
るために、ＭＯＳトランジスタを直流動作させ、動作前
後のしきい値電圧■１を測定した。

ここで■、ば、ドレイン電圧■ゎが０．５　Ｖ、基板・
くイアスミ圧■３がＱＶの条件下でドレイン電流Ｉワが
１００μＡとなるゲート電圧Ｖ。である。上記測定条件
においては、測定による素子特性の変動を防ぐためにＶ
つの値餘通常の測定条件（ＶＤ−５■）と比較して小さ
く設定してあり、逆に、ＩＤの値は通常の測定条件（Ｉ
Ｄ−１０ｎＡ）よシ大きく設定しである。これは、相互
コンダクタンスｇｍの変化を測定結果に十分反映させる
ためである。

ＩＶｌＯＳトランジスタを動作させる時の動作条件は、
ＶＤ−８■、ＶＢ−ＯＶであシ、Ｖｏハ動作ニ伴５Ｖ、
の変動が最大になるように設定した。ｖｏＯ値は具体的
に、試料Ａ、−Ｂ及びＰに対しては４ｖ、試料Ｃ〜Ｅに
対しては２■であった。

各ＭＯ８）ラン／メタを上記動作条件で５分間動作させ
た時のしきい値電圧Ｖ、の変動量ΔｖＴ（単位はＶ）を
第２表に示す。また、プラズマ窒化シリコン膜中の水素
含有量とΔ■、との関係を第５図に示す。なお第５図は
第２表の結果を基にしている。

第２表 第５図から以下のと、とがわかる。

（１）プラズマ窒化シリコン膜中の水素含有量がｔ３ｘ
１０　　Ｃ１η　以下の場合、従来法で形成したプラズ
マ窒化シリコン膜の場合と比較してΔＶＴが小さい。

（２）水素含有量が０．６ＸＩＱ　　ｃｍ　　以下の場
合には、Δ■、の値はリンガラス膜を形成した場合（試
料Ｐ）とほぼ等しい。

プラズマ窒化シリコン膜中に含有された０、６×１Ｑ　
　ｃｍ　　以下の水素がＭＯＳトランジスタの特性に及
ぼす影響をさらに詳細に調べるだめに、ＭＯＳ）ランジ
スタ動作時の■。とΔ■、との関係を第６図に、動作時
間ｔとΔｖＴとの関係を第７図に示す。なお、第７図に
おける■。は、試料Ｂ、Ｐに対してば４Ｖ、試料り一対
しては２■である。

両図には試料Ｂ、Ｄ、Ｐに関する結果を比較して示す。

第６図から次のことがわかる。試料ＤＫ−おいては■。

が２Ｖの時にΔ■、が最大になるのに対し、試料Ｂ及び
ＰにおいてはΔ■、が最大になるのはいずれも■。が３
〜４■の時である。第７図からは次のことがわかる。全
ての動作時間ｔに対して試料りにおけるΔＶ、の値は試
料Ｂ、Ｐと比較して大きく、ｔが５分以下の場合にはΔ
■、の増加速度も試料りの方が太きい。試料ＢとＰにお
けるΔＶ、の値及び増加速度は、多くのｔに対してほぼ
等しい。以上に述べたように、試料ＢとＰにおいてはＶ
。及びｔが変化するとともにΔ■ｏは同じように変化す
るばかりでなく、その値もほぼ等しい。従って以下のこ
とがわかる。

（６）プラズマ窒化シリコン膜中の水素の含有量が０．
６Ｘ１０　　Ｃｍ　　以下の場合には、該水素はＭＯＳ
　）ランジスタの特性にほとんど影響を与えない。

（４）プラズマ窒化シリコン膜中に存在するフッ素原子
ば１ＶＯ８トランジスタの特性にほとんど影響しない。

なお、第６図及び第７図かられかるように、試料Ｂ及び
ＰにおいてもΔｖＴはＭＯＳトランジスタの動作時間ｔ
に伴って増加する。これは、主にゲート酸化膜中に存在
する水に関連したトラップによるものと考えられる（　
Ｆｅ１ｇ１　、他”　Ｔｈｅ　Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆ　Ｗ
ａｔｅｒ　ｏｎ　、０ｘｉｄｅ　ａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆ
ａｃｅ　Ｔｒａｐｐｅｄ　ＣｈａｒｇｅＧｅｎｅｒａｔ
ｉｏｎ　ｉｎ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｓｉｎ２Ｆｉ１ｍｓ　
”　Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ誌、第５２巻、　５６６．５〜５６Ｂ２゜頁、　　
１９８１年発行）。

以下、具体的な実施例によりさらに詳細に説明する。

実施例　１ これは、６４にビットのｎチャンネルＭＯ８型ダイナミ
ック動作ランダム・アクセス・メモリ（以下Ｉ）ＲＡＭ
と称す）を作成したシリコン基板上に表面保護膜として
プラズマ窒化シリコン膜を形成し、該シリコン基板をプ
ラスチック容器中に封止した半導体装置である。該窒化
シリコン膜は厚さが１．５μｒｎであり、第１表の試料
Ｂにおける窒化ンリコン膜と同一方法・同一条件で形成
した。該半導体装置におけるホットキャリア効果を調べ
るために、電源電圧Ｖ。ｏ−８ｖの条件下で５００時間
動作させたところ、Ｖｃｃ　ｍｉｎ　（半導体装置を正
常に動作させるのに必要なＶ。０の最小値）が０．０１
２■増加した。比較のために、従来方法でプラズマ窒化
シリコン膜を形成した半導体装置及びプラズマ窒化シリ
コン膜のかわりにリンガラス膜を形成した半導体装置を
上記動作条件下で同一時間動作させたところ、Ｖｃｃ　
ｍｉｎの変動量Δ■ｃｃ　ｍｉｎはそれぞれ２．１■、
０．００８Ｖであった。一方、耐湿・耐熱信頼性試験を
行なったところ、本実施例の半導体装置の信頼性は、従
来方法で形成したプラズマ窒化シリコン膜を具備した半
導体装置と同等であつ・た。

なお、上記実施例においては窒化７リコン膜の厚さを１
，５μｍとしたが、本発明における２般的に好ましい窒
化ンリコン膜の厚さの範囲は０，１〜６μｍである。こ
れは、膜厚が０．１μｍ以下になると窒化シリコン膜中
にピンホール等の欠陥が生じやすくなり、膜厚が６μｍ
以上になると窒化シリコン膜の応力により半導体基板の
ソリが大きくなって半導体装置の製造が困雛になるとい
う理由による。また本発明適用品をプラスチック容器に
封止する場合には０．７〜２．３μｍの範囲の窒化シリ
コン膜厚とすることが好ましい。これは、膜厚が０．７
μｍ以下もしくは２．６μｍ以上になると、プラスチッ
ク容器に封止する際のプラスチックの収縮応力によりチ
ップパッシベーションとして形成した窒化シリコン膜に
クラック等の欠陥カニ発生しやすくなるという理由によ
る。

実施例　２ 第２の実施例は、６４ＩぐビットのＤｉ（ＡＭをイ乍成
したシリコン基板上に表面保護膜としてプラズマ窒化シ
リコン膜を形成し、該シリコン基板をセラミック容器に
封止した半導体装置である。窒化７リコン膜は、厚さが
０．８μｍであや、第１の実施例の場合と同様に形成し
た。この半導体装置を第１の実施例の場合と同一の条件
・時間て一動イ／ヒさせたところ、Δ■ｃｃｍｉｎはｏ
、ｏｉｏＶであった。一方、今日広く用いられているリ
ンガラス膜を表面保護膜として形成した半導体装置にお
いては、表面保護膜中に水素が含有されていないにも力
・力・わらずΔ■ｃｃｍｉｎは０．５６２Ｖであり、本
実旅費１１の場合と比較して極めて大きいことがわかっ
た。これは、以下のように考えることができる。−７１
ノコン基板をセラミック容器に封止する作業は、還元性
をもたせるために水素を含む雰囲気中で１１なっている
。

そのだめ封止後の容器内には水素７５二封じ込められて
いる。リンガラス膜を具備した半導体装置においては、
該水素が従来方法で形成したプラズマ窒化シリコン膜中
の水素と同様にホットキャリア効果の原因となっている
と考えられる。し力・しなカニら、本実施例の半導体装
置においては、セラミック・容器内に水素が存在するに
もか力・わらず素子特性の変動は極めて小さい。これは
、本実旅程１１におけるプラズマ窒化シリコン膜が、水
素を放出しないばかりでなく、水素の拡散に対する障壁
ともなっていることを示している。

一本実施例の半導体装置は、従来方法で形成したプラズ
マ窒化シリコン膜を具備した半導体装置と比較して、ホ
ットキャリア効果以外の面でも、高信頼性を有している
。以下、これを説明する。従来方法によるプラズマ窒化
７１ノコン膜を有する半導体装置においては、該窒化ゾ
１）コン膜中にクラックに起因する欠陥が存在すること
力；ある。これは、セラミック容器に封止する際のカロ
熱（温度４２０〜４８０℃）により、水素が窒イヒン１
ノコン膜中から放出され、それに伴って膜構造に変イヒ
力く生じるためであると考えられろ。これに対して、本
実施例の半導体装置においては上記欠陥は全く観察され
なかった。これは、本実施例の窒化シリコン膜中に含ま
れているフッ素の結合エネルギーが水素に比較して大き
く、封止の際の加熱によってもフッ素の放出が起こらな
いだめである。

実施例　３ この第３の実施例は、６４にビットのＤＲＡＭを作成し
たシリコン基板上に、表面保護膜としてプラズマ窒化シ
リコン膜とポリイミド・インインドロ・キナゾリンジオ
ン樹脂（以下ＰＩＩ樹脂と称す）膜とを順に形成し、こ
のシリコン基板をセラミック容器に封止した半導体装置
である。窒化シリコン膜は厚さが０．８μｍであり、第
１の実施例の場合と同様に形成した。ＰＩＩ樹脂膜は厚
さが約４０〜７０μｍであシ、ボッティングにより形成
した（特公昭５６−４３６１４号公報参照）。本実施例
においては、セラミック容器自体に数ｐｐｍ程度含有さ
れているウラニウムやトリウム等の放射性元素から放出
されるα線によるソフトエラーと呼ばれる誤動作が装置
に生じるのを防止するために、ＰＩＩ樹脂膜か形成しで
ある。ソフトエラーについては前記公報（特公昭５６−
４３６１４号）を参照されたい。本実施例においては、
α線に起因する誤動作の発生は皆無であり、ポットキャ
リア効果に関しても実施例２と同等の高い信頼性が得ら
れた。なお、比較のために作成した、表面保護膜として
リンガラス膜とＰＩＩ樹脂とから成る２層膜を形成した
半導体装置においては、Ｖｃｃ　ｍｉｎが実施例２の説
明において述べたリンガラス膜の場合と同程度に変動し
た。上記実施例及び比較実験では、２層目の保護膜とし
てＰＩＩ樹脂膜を用いるとしたが、これは、ポリイミド
樹脂膜を用いても同様の結果が得られた。

実施例　４ 第４の実施例半導体装置の断面の一部を第８図に示す。

第８図において、１１はシリコン基板、１２は拡散層、
１６．１８は酸化２１Ｊコン膜、１４はポリシリコン配
線、１５はリンガラス膜、１６．１９はアルミニウム配
線、１７．２ｏはプラズマ窒化シリコン膜１，２１はタ
ブ、２２はプラスチック容器である。本実施例は、プラ
ズマ窒化シリコン膜１７及び酸化ンリコン膜１８から成
る２層膜を層間絶縁膜としてアルミニウム２層配線技術
により６４１〈ビットＤＩ（ＡＭを形成した７リコン基
板１１上に、保護膜としてプラズマ窒化シリコン膜２０
を形成し、これをプラスチック容器２２中に封止した半
導体装置である。窒化シリコン膜１７．２０は厚さがそ
れぞれ１．２μｌ〕、１．７μｍであり、いずれも実施
例１の場合と同様に形成した。酸化ンリコン膜１８は厚
さが約０．２μｍであり、テトラエトキシ７ランを主成
分とするアルコール溶液を塗布し、空気中で２００℃に
加熱し６０分間焼成したものである。この酸化シリコン
膜１８は、装置表面を平坦化しており、そのため、同膜
上に形成したアルミニウム配線１９における配線抵抗の
増大や断線は全く発生しなかった。本実施例の耐湿・耐
熱信頼性及びホットキャリア効果に関する信頼性は実施
例１とほぼ同等であった。これに対して、プラズマ窒化
シリコン膜１７のかわりにリンガラス膜を形成した半導
体装置においては、実施例１と同一の条件及び時間で動
作させろと■。ｃｍｉｎが２．４■変動した。これは、
テトラエトキシシラン及び溶媒であるアルコール中に存
在する水素が、焼成により酸化シリコン膜１８を形成す
る際に同膜中に取り込まれるためである。本実施例にお
いては窒化シリコン膜１７が水素の拡散に対して障壁と
なるためにホットキャリア効果による特性変動は極めて
小さい。

以上の実施例１〜４において、窒化シリコン膜は第１表
の試料Ｂと同一の方法及び条件で形成した場合について
述べたが、第１表の試料Ａと同一の方法及び条件で行な
った場合にも、上記実施例と同等の結果が得られた。ま
た、窒化／リコン膜の形成方法及び条件が第１表の試料
Ｃと同一の半導体装置においても高い耐湿・耐熱信頼性
が得られ、動作に伴５ｖ。ｃｍｉｎの変動も、窒化／リ
コン膜を従来方法で形成した場合と比較して小さかった
。

、　　さらに、以上の実施例１〜４では、フ：ラズマ窒
。

化シリコン膜を形成する際に４７ノ化ケイ素と窒素との
混合ガスを反応ガスとして用いるとしだが、これは４塩
化ケイ素と窒素との混合ガスを反応ガスとして用いても
実施例の場合と同様の結果を生じる。また、窒素のかわ
りに６フノ化窒素を用いても同様の結果が得られる。

なお、上記窒化７リコン膜中におけるフッ素、塩素等の
ハロゲン元素の含有量の範囲は１０〜４０ａ１％とする
ことが好捷しい。これは、１Ｑａｔ％以下の場合には窒
化シリコン膜の応力が引張応力となり、半導体基板上に
存在する段差付近において熱処理時に膜にクラックが発
生するようになり、４Ｑａｔ＄以上の場合には窒化シリ
コン膜の不純物や水分に対する阻止能力が低下するよう
になるという理由による。しかしながら、膜中に存在す
るハロゲン元素は、膜中に存在する水素とは異なり膜質
や素子特性に対して悪影響を及ぼすということがないの
で、ハロゲン元素の含有量を厳密に゛上記範囲内に規制
する必要は万い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、プラスチック容
器に封止した半導体装置の耐湿及び耐熱における信頼性
及びホットキャリア効果に関する信頼性が同時に向上し
、高信頼性かつ低コストの半導体装置を提供することが
可能となり、また、セラミック容器に封止した半導体装
置に適用してもホットキャリア効果に関する信頼性を大
きく向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で用いるマイクロ波型プラズマＣＶＤ装
置の構成図、第２図は反応ガス圧力とプラズマ窒化シリ
コン膜の形成速度との関係図、第６図及び第４図はプラ
ズマ窒化シリコン膜の赤外吸収スペクトル図、第５図は
プラズマ窒化シリコン膜中の水素含有量とＭＯＳ）ラン
ジスタのΔ■。 との関係図、第６図はＭＯＳトランジスタの動作時のＶ
、とΔ■□との関係図、第７図はＭＯＳ　トランジスタ
の動作時間ｔとΔ■、との関係図、第８図は本発明の第
４の実施例を示す断面図である。 符号の説明 １．２・リークバルブ　６・・反応槽 ４・・マグネトロン　　　５　導波管 ６・・放電管　　　　　　７・・試料台８・・・半導体
基板　　　　９・・ソレノイドコイル１０・・永久磁石
　　　　　１１　・・ンリコン基板１２・拡散層 １６．１８・・酸化シリコン膜 １４・・ポリシリコン配線 １５・・・リンガラス膜 １６．１９・・アルミニウム配線 １７．２０・・・プラズマ窒化シリコン膜２什・・タブ
　　　　　　　２２・・プラスチック容器代理人弁理士
　中村純之助 矛　１　― 矛２図 及夾２力゛ス斤力（Ｔｉｄｙγ） 才３図 第４図 １Ｆ５図 水圭倉有量（ｘ１０２２ｃｍ−り 第６図 オフ図 動作時開ｔ　（今ン ＪＩＦ８図 第１頁の続き ０発　明　者　向喜一部 国分寺市東恋ケ窪−丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）少なくとも一つの回路素子を有し、且つプラズマ
   化学気相堆積法で形成される窒化シリコン膜を具備した
   半導体装置において、上記窒化シリコン膜中の水素の含
   有量が１．３　Ｘ　、１１０２２Ｃ’以下であることを
   特徴とする半導体装置。 （２）　　前記窒化ソリコン膜中の水素の含有量が０、
   ６　Ｘ　１Ｑ２２ｃｍ−３以下そあることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 （３）　　前記窒化ンリコン膜が０．１〜６μｍの範囲
   の膜厚を有する窒化ソリコン膜であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の半導体装置
   。 （４）　　前記半導体装置がプラスチック容器に封止さ
   れている半導体装置であシ、かつ、前記窒化シリコン膜
   が０．７〜２．６μｍの範囲の膜厚を有する窒化シリコ
   ン膜であることを特徴とする特許請求の範囲第１項もし
   くは第２項記載の半導体装置。 （５）　　前記半導体装置がセラミック容器に封止され
   ている半導体装置であることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項、第２項もしくは第６項記載の半導体装置。 ・（６）　　前記窒化ンリコン膜がフッ素を含んでいる
   窒化シリコン膜であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項乃至第５項のいずれかの項に記載の半導体装置。 （７）　　前記窒化ンリコン膜が塩素を含んでいる窒化
   シリコン膜であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項乃至第５項のいすねかの項に記載の半導体装置。 （８）　　前記窒化シリコン膜が前記半導体装置を構成
   する回路素子の表面保護膜として形成されている窒化シ
   リコン膜であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   乃至第７項のいずれかの項に記載の半導体装置。 （９）　　前記窒化シリコン膜がさらにその上層保護膜
   としてポリイミド・インインドロ・キナゾリジオン樹脂
   膜が塗布されている窒化シリコン膜であることを特徴と
   する特許請求の範囲第８項記載の半導体装置。 （１０）前記窒化シリコン膜がさらにその上層保護膜と
   してポリイミド樹脂が塗布されている窒化ンリコン膜で
   あることを特徴とする特許請求の範囲第８項記載の半導
   体装置。