JPS6076170A - 絶縁ゲイト型半導体装置作製方法 - 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】 本発明は基板上の非単結晶半導体を用いた縦チャネル型
の積層型の絶縁ゲイト型半導体装置（以下ＩＧＦという
）の作製方法に関する。

本発明はこのＩＣＩ’に対し、ケイ１−電極を少なくと
も３層に積層させたｆＩ　屠体の側周辺に設けられたチ
ャネル形成領域を構成する非単結晶半導体」二に設け、
さらにこのディト電極の上＋７（：）部をＩｌｌ　Ｎｉ
された半導体上方に延在することなく設け、より高い周
波数動作をさせることを目的とする。

この発明は３層に積層された積層体の２つの側周辺にさ
らにチャネルを形成する非単結晶半導体を設け、この半
導体を用いて２つの１Ｇｌｉを作製することにより、イ
ンバータ等の回路素子を１つの積１ｉ体で設け、ＩＦ１
１簗積化を成就することを目的としている。

本発明はかかるＩＧＦを用いて複合半導体装置をマトリ
ックス構造に基板上に設け、液晶表示型のディスプレイ
装置を設けることを特徴としている。

平面型の固体表示装置を設ける場合、平行な透光性基板
例えばガラス、プラスチック板肉に一対の電極を設けて
、この電極間に液晶を注入した液晶表示装置が知られて
いる。この表示部を複数の絵素とし、それをマトリック
ス構成させ、任意の絵素をその周辺部に設けられたデコ
ーダ、ｔ゛ライバ論理回路により制御してオンまたはオ
フ状態にするには、その絵素に対応したＩＧＦおよびイ
ンバータ、抵抗等を同一プロセス、同一構造で作ること
を必要としていた。そしてこのＩＧＦに制御信号を与え
て、それに対応した絵素をオンまたはオフさせたもので
ある。

この液晶表示またはエレクトロクロミック表示素子はそ
の等何回路としてキャパシタ（以下Ｃという）にて示す
ことができる。このためＩＧＦとＣとを例えば２×２の
マトリックス構成（４０）せしめたものを第１図（Ａ）
に示す。

第１図（Ａ）において、マトリックス（４０）の１個の
番地は１個（７］ＧＦ　（１０）と１個（７）Ｃ（３１
）により１個の絵素を構成さ・Ｕている。これを行に（
５１）、（５２）としてビット線に連結し、他方、ゲイ
トを連結して列（４１＞、＜　４２　）　（ワード）を
設けたものである。

すると、例えば（５１＞、＜　４１　）を「１」とし、
（５２）。

（４２）を「０」とすると、ＩＧＦ　（１０）はオンと
なり、ＩＧＦ　（１０’＞等の他のＪＧＦはオフとなる
。そして（２，１）番地ののを選択してオンとし、電気
的にＣ（３］）として等ｈｌｉ的に示される表示部を選
択的にオン状態にすることができる。

本発明は、第４の半導体であるチャネル形成領域を構成
する半導体は水素または弗素が添加された珪素を主成分
とする非単結晶半導体を用いている。さらにキャリア移
動度が小さいという欠点を有するため、第２の絶縁体ま
たは半絶縁体のＩＱ厚を１μまたはそれ以下として短チ
ャネル長とした。

その結果、１（１ＭＩｌｚ以上のカットオフ周波数を有
−口しめることができた。

第２図は本発明の積層型ＩＧＦの縦断面図およびその製
造工程を示したものである。この図面は一つのＩＧＦを
作製する製造例を示すが、同一基板に複数ケ作る場合も
まったく同様である。

第２図（Ａ）において、絶縁基板例えば石英ガラス、透
光性プラスチックまたはホウ珪酸ガラス基板上に第１の
導電膜（２）（以下Ｅ１という）を下側電極、リードと
して設りた。この実施例では酸化スズを主成分とする透
光性導電膜を０．２μの厚さに形成している。これに選
択エッチ■を施した。

さらにこの上面にＰまたはＮ型の導電型を有する第１の
非単結晶半導体（２）〈以下単に積層体であるため、ス
タック即ちｓｌという）を１ｏｏｏ〜３０００人、第２
の絶縁体または半絶縁体（４）（以下単にＳ２というＸ
ｏ、３〜３μ）、第１の半導体と同一導電型を有する第
３の半導体（５）（以下単にＳ３というＸｏ、１〜０．
５μ）を積層して積層体（スタック即ちＳという）を設
けた。この積層によりＮＩＮ、１ｌＩＰ構造（Ｉは絶縁
体または半絶縁体）を有せしめた。

図面においては上面にＩＴＯ（Ｍ化インジューム・スズ
）、　Ｍｏ５ｉＬ＋　Ｔｉ５ｉＬ＋　ＷＳｉＬ＋　Ｈ，
Ｔｉ、　Ｍｏ等の耐熱性金属導体（６）をココテはＴｉ
　Ｓｉをｐｃｖｏ法により０．２μの厚さに積層した。

Ｍ１層体をさらに厚く作るため、予めＬｌ’　ＣＶＩＩ
法（減圧気相法人ＩＴ　ＣＶ　１１法または光ＣＶＤ法
により０．３〜１μのＪｙさに酸化゛珪詣膜＜”ｔ）を
形成しておいてもよい。ｐｃｖｏ法の場合はＮ、０と５
ｉｌｌ＋との反応を２５０℃で行わしめて作製した。

このＮ、１）をＮ’ＮまたはＰ＋ＰとしてＮ’ＮＩＮＮ
’　、　Ｐ’　Ｐ１円け　（１は絶縁体または半絶縁体
）としてＩ）またはＮと電極との接触抵抗を下げること
は有効であった。

さらに第２図（Ｂ）において、マスク■を用い°ζ選択
エツチンダグ法より絶縁膜（７）を除去し、さらに５ｉ
ＯＪ９　（７）をマスクとしてそのドの導体（６）、　
Ｓ３．５２およびＳｌを除去し、残った積層体を互いに
概略同一形状に形成した。すべて同一マスクでプラズマ
気相エッチ例えば肝気体またはＣＦ十〇の混合気体を用
い、０．１〜０．５ｔｏｒｒ　３０−としてエッチ速度
５００人／分とした。

かくのごとくして概略同一形状の積層体を設けると、そ
の側面にもプラズマ処理での１ｎ＠を一部で得る。さら
にもしＳ２が半導体である場合、Ｓｌと３３との不純物
がリークしやす＜　、ＳＬ、３２間、Ｓ２．５３間での
良好な接合特性を得ることが困難になる。

このためこの３２を絶縁物とし、耐熱性を有せしめかつ
Ｓｌ、Ｓ３の不純物の異常拡散を防止した。さらにこの
プラズマエッチで多少の損傷を受けても、ＰまたはＮの
Ｓｌ、Ｓ３は導電性を十分有するため、このＳｔ、Ｓ３
に隣接して新しい第４の半導体を接合を有して積層させ
ている。かくすることによりこのＳ４は何等の不純物を
混合せず、またプラズマ処理もまったくない膜質の々ｆ
ましい被膜とすることができた。この第４の半導体をこ
れら積層体５１（１３）、Ｓ２　（１４）、Ｓ３　（１
５）、導体（２３）、絶縁体（２４）を覆って積層させ
た。この第４の半導体（Ｓ４という）は、シランのグロ
ー放電法（ＰＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ＬＴ　ＣＶＩＪ法
（ＩＩＯＭＯＣＶＤ法ともいう））を利用して室温〜５
００℃の温度例えばｐｃｖｏ法における２５０℃、０．
１ｔｏｒｒ、３０Ｗ、１３．５６Ｍｌ１ｚの条件下にて
設けたもので、非晶質（アモルファス）または半非晶質
（セミ５アモルファス）または多結晶構造の非単結晶珪
素半導体を用いている。本発明においてはアモルファス
またはセミアモルファス半導体（以下ＳＡＳという）を
中心とし−で示す。

さらにその上面にこの非単結晶半導体の側とＬで同一反
応炉にて第４の半導体表面を大気に触れさせることなく
窒化珪素膜（１６）を光ＣＶｔ＋法にてシラン（ジシラ
ンでも可）とアンモニアとを水銀励起法の気相反応によ
り作製して、Ｊ７さは３００〜２０００人とした。

この絶縁映は１３．５６Ｍｌ１ｚ〜２．４５ＧＩＩｚの
周波数の電磁エネルギにより活性化して窒素またはアン
モニア雰囲気に１００〜４００℃浸して固相−気相反応
の窒化珪素を形成してもよい。

また、１１　ＣＶ　Ｄ法により窒化珪素を形成させても
よい。

するとＳ２　（１４）の側周辺では、チャネル形成領域
（９）、＜９’）とその上のディト絶縁物（１６）とし
ての絶縁物（１６）を形成させた。第４の半導体はＳｌ
、　Ｓ３とはその側面においてダイオード接合を構成さ
せている。

第２図（Ｂ）において、さらに第３のマスク■により電
極穴開けを行い、この後この積層体上の窒化珪素膜（１
６）を覆って第２の導電膜（図１７）を０．３〜１μの
厚さに形成した。

この導電膜（１７）はＩＴＯ（酸化インジューム・スズ
）のごとき透光性導電膜＊　ＴｔＳｔｚ　ＪｏＳｔｚ　
＋ＭＳＩｚ　。

Ｗ、Ｔｉ、Ｎｏ等の耐熱性導電膜としてもよい。ここで
はＰまたはＮ型の不純物の多量にドープされた珪素半導
体をｐｃｖｏ法で作った。即ち、０．５μの厚さにリン
が１％添加され、かつ微結晶性（粒径５０〜３００人）
の非単結晶半導体をＰＣＶＤ法で作製した。

この後この上面にレジスト（１８）を形成した。

さらに第２図（Ｃ）に示されるごとく、第４のフォトリ
ソグラフィ技術により垂直方向よりの異方性エッチを行
った。即ち例えばＣＦ　ＣＩ　、ＣＦ　＋０　。

肝等の反応性気体をプラズマ化し、さらにこのプラズマ
を基板の上方より垂直に矢印（２８）のごとくに加えた
。すると導体（１７）は、平面上−は厚さく０．５μ）
をエッチすると、この被膜は除去されるが、側面では積
層体の厚さおよび被膜のｊＩさの合計の２〜３μを垂直
方向に有する。このため図面に示すごとき垂直方向より
の異方性エッチを行うと、破線（３Ｂ）、＜３８’）の
ごとくにこれら導体をマスク（１８）のある領域以外に
も残すことができた。

その結果、積層体の側周辺のみに選択的にゲイト電極を
設けることができた。さらにこのディト電極は第３の半
導体の上方には存在せず、結果として第３の半導体とゲ
イＩ−電極との寄生容量を実質的にないに等しくするこ
とができた。

かくして第２図（Ｃ）を得た。

第２図（Ｃ）の平面図を第２図ＣＤ）として示しである
が、この積層体の外周辺部のすべてに形成されたゲイト
電極（２０＞、＜２０’）のうら不要部分を■のフォト
エツチング法により除去している。第２図＜Ｄ）の番号
はそれぞれ対応させている。

第２図（Ｃ＞、＜　Ｄ　）にて明らかなどと＜、ＩＧＦ
（１０）はチャネルは（９）、（９’）と２つを有し、
ソースまたはドレイン（１３）、ドレインまたはソース
（１５）を有し、ゲイト（２０＞、＜２０’）を有する
。ｓ３の電４ｆｉ　（１９）はり−Ｆ’（２１）に延在
し、Ｓｌのリードは（２２）により設（）である。即ら
図面では２つのＩＧＦを文１として設けることができる
。これは２つのＩＧＦのチャネル間の８２の絶縁体が数
十Ｎ１Ωの抵抗を有し、実質的に独立構成をし謁るノこ
めであり、この構造は結晶半導体とはまったく異なった
構造を有−ｕしめることができた。

本発明の第４の半導体はアモルファス珪素を含む非単結
晶半導体を用い、その中の不対結合手の中和用に水素を
用いており、かつ基板と半導体、電極す〜（ζが異種材
料であり、それらの熱膨張によるストレスを少なくする
ため、すべての処理を６００℃以下好ましくば３００　
’Ｃ以下でするとよかった。

またゲイト電極（２０）、（２０’）をＳｌ　（１３）
、５２　（１４）、Ｓ３　（１５）と同様の半導体で電
気的にフローティングとして設け、さらにごの上面に絶
縁膜を介して第２のゲイトをコン１−ロール・ゲイトと
した不揮発性メモリとすることもできる。

かくしてソースまたは１ζレインをＳＬ　（１３＞、チ
ャネル形成領Ｊｊ３ｉ（９）、（９’）を有するＳ４　
（２５＞、ドレインまたはソースを５３　［１５）によ
り形成せしめ、チ・）−ネル形成領域側面にはゲイ日色
縁物（１６＞、その外側面にゲ・イＩ・７Ｉｉ４Ｕ　（
２０）、（２０’）をＩ＆　ＬＪり（１１屑型）ＩＧｌ
ｉ　（１０）を作ることができた。

この発明は、チャネル長はＳ２　（１４）の厚さで決め
られ、一般には０．Ｊ〜３μここでは０．５μとした。

それは非単結晶半導体の移動度が小結晶とは異なり、そ
の１１５〜１／ｌ００ｊ、がないため、チャネル長を短
くしてＩＧＩ’としての周波数特性を助長さ一口にこと
にある。

Ｓ４　（１Ｇ）にホウ素不純物を被膜形成の際わずが（
０，１〜ｌ０Ｉｌｆｌｌ　）添加して真性または■）ま
たはＮ半導体としてスレッシュポール１−電圧の制（１
１１を′行うごとは有シＪであった。

か＜シ゛ζ、ＮチャネルＩＧＦにてドレイン（１５入ソ
ース（１２）、−ゲイト（２０）または（２０’）とし
て−一５ｖ、ｖ！　＝　５Ｖ、動作周波数１５−５ＮＩ
ｉｚ　＋　４　ルコトカできた。

複合集積化の基礎要素である抵抗、インハークにつき本
発明のＩＧＦを以下に記す。

第１図のインバータ（６０）の縦断面図を第３図に示す
。

第３図（Ａ）および（Ｂ）においてＩＧｒ’は第２図と
その番号を対応させている。ドライバ（６１）ば左側の
ＪＧＦを、ロー］；は右側のＩＧＦを用いた。

図面（Ａ）ではロートノゲ・ｆｌ・電極（２０）と’１
ｂ（６５）とを連続させるエンハンスメン１〜型、また
図面（Ｂ）は出力（６２）とゲイ］・電極（２０）とを
連続させたディプレッション型のＩＧＦを示す。

さらにこのインバータ（６０）の出力は（６２）よりな
り、この基板上の２つのＩＧＦ　（６１）、＜６４）を
互いに離間することなく同一半導体積層体（１３）、＜
１４）。

（１５）に複合化して設置、Ｊたことを特長としζいる
。

その製造工程は第２図と同様である。図面において■フ
ォ１−エッチがゲイ１−電極の分割のために必要である
ことはいうまでもない。

この第３図（Δ）のインハークは−１側電極は図面の前
後方向に配設し、その引出し電極形成用に■を用いてい
る。さらにその一部を■によってエツチング除去しζお
り、図示のＢＩＳ分では積層体と同一形状を構成−ｕし
めている。この時、下側電極（１２）　４よ第４の半導
体（２５）で覆われているため、ゲイト電極とショート
することがないという特長を（′ｊする。また、上側電
極を２つのｌ１ＥＴとして独立〜ｕしめ（１９）、（１
！１１’）とした。かくすると１つのＩＧＦ（［ｉ４＞
（Ｌｌ−Ｆ）を電極（１９）、ドレイン（１５）、チャ
ネル（９）、ソース（１３）、電極（１２）即ら出力（
６２）かつ他のＩＧＦ　（＋−ライハ）の電極（２）、
１−レイン（１３）、チャネル（９′）、ソース（１５
’）、電極（６６）止して設りることが可能となる。そ
の結果、２つのＩＧＩ＋を１つの５１〜ｓ３のブロック
と一体化してインバータとするこ止ができた。

また第３図（Ｂ）は下側電極を２つに分割して図面の前
１多方向に配設せしめている。またこの下側電極のパタ
ーニングに■を用い、さらに積層体の形成の際、この電
極を第４の半導体で覆い、電気的にり・イ１−電極（２
ｏ）、（２ｏ′）と絶縁さゼている。

その他の製造工程は第２図と同様である。

即ら１つのｌＧ１１　ｌ：Ｊ−ド（６４）　テＶｖｎ　
（（ｉ５）、下側電極（１２）、ドレイン（１３）、チ
ャネル（９入ソース（５入電極（６２）即ち出力（６２
入他のＩＧＦ　（ドライバ）＜６１）でのトレイン（１
５）、チャネル（９′）、ソース（１３）、電極（１２
’）、ｖ、（６６）よりなり、入力（６３）をゲイト電
極（２０’）に出力（６２’）を８３より引き出させた
。

第１図の抵抗（７０）は第３図（Ａ　）、（Ｂ　＞にお
いてロードを用いればよい。

かくのごとく本発明は縦チ中ネルであり、ゲイト電極を
３３の上方にわたって設けさせていないため、ＩＧＦの
ディト電極と５３との寄生容量を少なくすることができ
るという大きな特長を有する。さらにＳ２が絶縁性であ
るため、３０〜１００ｖの大電圧をＳｌ、３３間に加え
てもショートすることがない。またＳｌ、Ｓ３のいずれ
がドレインとして作用しても、その外部は絶縁であるた
め、最も理想的ＩＧＦといえる。さらにＳ４のチャネル
下もＳ２の絶縁性のため周波数特性の向上に寄与する２
つのＩＧＦを対をなして同時に作ることができる。製造
マスクも５回で十分であり、マスク精度を必要としない
等の多くのｌ＋長をチートネル長が０．２〜１μときわ
めて短くすることができるごとに加えてＹｉ−１！　Ｌ
めることができた。

そのため耐圧２０〜３０Ｖ、Ｖ　”−４〜４ｖの範囲で
例えば１±０．２ｖとして制御Ｊ１１作製できた。さら
に周波数特性がチャネル長が０．１〜１μのマイクロチ
ャネルのため、これまでの非単結晶半導体を用いた横チ
ャネル型の絶縁ゲイ１−型半導体装置の５０倍の１０１
１１１ｚ以上を（ｔｌることができた。またｓ２が絶縁
性の場合は１ｌｌｉＪ圧４〜５０Ｖ、カットオフ周波数
５０ＭＩＩｚ以上をｒｌすることができた。

また逆方向リークは、第１図に示ずような５１またはＳ
３を５ｉｘＣ１−×（０＜　ｘ　＜　１　例えばｘ　＝
０．２　）とすることにより、さらにｓ２を絶紅物化す
ることによりこのＳｌ、Ｓ３の不純物が３２に流入する
ことが少なくなり、このＮ−−１接合またはＰ−１接合
のリークは逆方向にＩＯＶを加えてもＩ　Ｏ＋＋Ａ　／
　ｃ＋Ｊ以下であった。これは単結晶の逆リークよりも
さらに２〜３桁も少なく、非単結晶半導体性ｎの物性を
積極的に利用したごとによる好ましいものであった。

さらに高温での動作において、電極の金属が非単結晶の
３１、Ｓ３内に混入して不良になりやずいため、この電
極に密接した側を５ｉｘＣ１−ｙ　（０＜　ｘ　＜　１
例えばｘ＝０．２）とした。その結果１５０℃でｉｏｏ
。

時間動作さ（たが何等の動作不良が１０００素子を評価
しても見られなかった。これはこの電極に密接してアモ
ルファス珪素のみで３１またはＳ３を形成した場合、１
５０℃で１０時間も耐えないことを考えると、きわめて
高い信頼性の向上となった。

さらにかかる積層型のＩＧＦのため、従来のように高精
度のフメトリソグラフィ技術を用いることなく、基板特
に絶縁基板上に複数個のＩＧＦ、抵抗、キャパシタを作
ることが可能になった。そして液晶表示ディスプレイに
まで発展させることが可能になった。

以上の説明において明らかなごとく、この発明はチャネ
ル形成領域を構成する非単結晶半導体を積層体の側面に
設け、さらに大気に触れさせることなくゲイト絶ｉ！膜
およびゲイト電極を形成せしめている。このためＩＧＦ
の界面（絶縁膜−第４の半導体、絶ｉ！膜−ゲイト電極
）が不純物にｌｂ染されることがない。また異方性エッ
チを行うため、その際のプラズマの方向が界面に平行に
加わり、絶縁物界面にｉＪｊ　（Ｊｊ；により新たな再
結合中心を発生させないとい・）特長を有する。このた
め本発明の積層体を第４の半導体で覆い、ソース、Ｉ−
レインの３電極とゲイ１−電極とがショートシにくい。

ｓ２を絶縁性とするため、ソース、ドレインよりの耐用
を向上できに点いう多くの特長を有する。

本発明におりる非単結晶半導体は珪素、ゲルマニュー、
／Ａまたは炭化珪素（ＳｉｘＣ１−ＸＱ　＜　ｘ　＜　
ｌ　＞。

絶ｊ３、体は炭化珪素または窒化珪素を用いた。しかし
、半導体としてＩｎｌ’、　ＢＩ’＋　ＧａＡｓ等のｍ
　−ｖ化合物半導体を用いてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による絶縁ゲイト型半導体装置、インパ
ーク、抵抗、キャパシタまたは絶縁ゲイト型半導体装置
とキャパシタとを絵素とした７トリノクス構造の等何回
路を示す。 第２図は本発明の積屓型絶縁ゲイト型半導体装置の］二
稈を示す［Ｉｌｉ面図である。 第３図は本発明の積層型絶縁ゲイト半導体装置のインバ
ータｔｔ、ｌ造を示Ｊ−０ 特許出願人 （／、２）　（２，２ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上または基板上の第１の導電体上に第１の非単
   結晶半導体、第２の絶縁体または半絶縁体および前記第
   １の半導体と同一導電型の第３の非単結晶半導体とを積
   層し、概略同一形状とした積層体を形成せしめる工程と
   、前記積層体の側部に隣接し′ζチャネル形成領域を構
   成する第４の非単結晶半導体と該半導体表面上に絶縁物
   を形成せしめる工程と、前記絶縁物に隣接してゲイト電
   極を形成する導体または半導体を該ゲイト電極の上端部
   が前記第３の半導体上に残存することなく形成する工程
   とを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置作
   製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、ゲイトを構成する
   導体または半導体を上刃よりの垂直異方性エッチを行う
   ことにより該ゲイ１−電極の上端部を第３の半導体上方
   に残存することなく、ゲイト絶縁物に隣接して形成−ｕ
   しめることを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置作製方
   法。