JPS61116874A - 絶縁ゲート型電界効果トランジスタの製造方法 - 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、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作製方法に関する。

本発明は、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ（以下、
ＭＩＳ−ＰＥＴという）のゲイト絶縁物下のチャネル領
域の少な（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２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−ＰＥＴが基
板に設けられたその上方または上方面に第２の旧５−Ｆ
ＥＴ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　ＸＩＯ”ｃｍ−”以下、特に例えば１０１
４〜１０″ｃ＋ｗ−”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−　ｔｍ＋ｓＨｇ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旧５−Ｆ
ＥＴ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−’Ｉ　　　　Ｙ”
Ｊ＠’Ａ　Ｍｉｄよ。イ３．７−イ３−−や。

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旧５−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。

特に旧５−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を可能とし、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、４０
０〜５５０℃におけるアルミニュームのコンタクトのア
ロイ、３５０〜９００℃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（ｉｎｄｕｃｔｉｏｎｃ
ｕｒｉｎｇ　）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−”ｍｎ
＋ＦＩｇ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
することを特徴としている。

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２００人〜
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９００〜１
１００℃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（Ｓ　ｉ　Ｈ４）、ジ
クロールシラン（ＳｉＨｚＣｌｚ）、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。この膜面ば絶縁層（２）が純粋のＳｉ
Ｏ□または５ｉ２Ｎ、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１０１１１〜ＩＱＺＩｃｍ−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ｖＡａ物（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
５Ｏ−３７５００）に基づき実施した。この後、ゲイト
！！縁１１！（１２）ｔ（００〜ＩＱＯＯ＆（７）厚す
ニ作す、マタ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ＣＶＯ法により半導体膜を作９た。

加えて５ＬＯ１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、ＳｉＯ□膜のかわりにＰＩＩＩ等を用いてもよ飄
　　　　　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１０′ｓ〜ｉｏ”ｃｎ＋−”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１Ｑ１９ｃＩ１１−３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
１０”ｃｏ＋−”以上、特に１　ｏｚ　Ｉｃ　ｍ　−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１０１４〜１０Ｉ７０１１−３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χ特
に５〜２０モルχ添加した。その結果、第１図（＾）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１０３〜１０’倍になった。Ｃ−■ダイオ
ード特性で評価してもＱｓｓ＃１ＯＩ０ｃＩ１１−２の
オーダのほぼ目標トオリノＣ−■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
した鋼管をスパイラル状に巻（ことにより実施した０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〜ＬＯＯ
ＫＨ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１
０ｃｍ）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１０−３ｍ＋ｌｌＨｇ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１０−１〜１０−２ｍ＋ｎＨｇ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３
００℃以上であると水素原子、ヘリウム原子は侵入型原
子（インターステイシアル　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、５０
０℃が上限であったがそれ以外の場合はそれ以上の温度
（６００〜１０００℃）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１０４〜１０””ｍｍＨｇで
もその効果が観察されたが、添加量を０．１モルχまた
はそれ以上とするため０．０１ｍｍＨｇ以上特に０．１
〜１００＋＋ｎＨｇとした。もちろん室温での高周波誘
導を行ってもよい。０．００１ｎｕｇＨｇ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とした。

５　　　　　　　　この周波数はマイクロ波であっても
よい。特に周波数が５０〜１００１００Ｏ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プ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、０．１〜１００ｍ＋＊Ｈｇ
特に１０ｍｍ１１ｇで行い、その後５〜１５分０．０１
〜１０ｍｄｇ特に０．１ｍｎ＋Ｈｇ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１００χまたは
水素中に５〜３０χ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マトグラフ
またはオージェ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χ特に１〜２０モルχ添加されて
いることが判明した。もちろん２０モル％以以上３御〜
２００加えることはさらに好ましい。しかし一般には飽
和１頃向が見られた。

本発明方法は非単結晶のみではなく、単結晶の半導体に
対しても同様に適用できることはいうまでもない。しか
し特に非単結晶半導体に方がその効果は顕著であった。

以下の本発明の実施例においてもこれまで記載したと同
様の方法によって誘導キューリングを行った。

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
タキシプル成長せしめ、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ｔｓｍ
）、ゲイト絶縁膜＜１２）　、　ＣＶＤ５ｉＯｚｌ！！
　（１０）の実施例である。

この場合、基板のアルミナ成分と半導体とが（９）の部
分で接合し、非単結晶状態を呈してしまう。

このため、ソース、ドレインの形成が異常拡散をおこし
てしまった。このためこの半導体膜はその厚さを０．０
１−０．３μに作ることがたとえできても実用上は役に
たたなかった。しかし本発明のように、０．０１〜０．
５μの厚さであうでも、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Ｎ（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、Ｍｉｓ−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、一つの旧５−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１　　　　　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１０″〜１０”ｃ＋＋＋
−’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１００〜１０００人の厚
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−ＦＩＴのソース（２５）　、　　ドレイン
（２４）、　チャネル領域（２９）とした。ゲイト電極
（１１）をマスクとして、第１の旧５−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
。もちろん熱拡散法を用いてもよい、さらに図面より明
らかなようにゲイト電極（１１）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−ＰＥＴ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（３８）を拡散し作製した。この図面は第１の
ＭＩＳ−ＦＥＴの斜め上方に第２のＭＩＳ−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者に従ってなさ
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ＣＢ）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ｔｏ　Ｉ　９〜ｌ　Ｑ　２１　ｃ　ｆ
ｆ１−３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−ＰＥＴの
ドレインであり、他方の？１ＩＳ−Ｆｌ！Ｔのソースと
して作用させたインバータの実施例であ。さらに、この
上面にオーバーコート用絶縁膜（４０）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１０”〜１０
１１０ｌ６’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（３７）をこの
第３のＨｉｓ−ＦＥＴのソースに連結し、リード（３８
）につなげた、ドレイン（２７）はキャパシタの下側電
極（３４）に連結した。この上面のゲイト絶縁膜はキャ
パシタの誘電体であり、かつ第３のＭｉｓ−ＦＥＴのゲ
イト絶縁物である。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の旧５−ＦＥＴの基板電極は基板バイヤスが印加さ
れるように第１の旧５−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旧５−
ＦＥＴのチャネル状態を制御できるようにしである。も
ちろんこのチャネル領域（２９）とゲイト電極（１１）
との間にゲイト絶縁物が形成されるならば、第３の旧５
−ＰＵＴは下側と上側にゲイト電極を有するダブルゲイ
ト旧５−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−Ｆｌｌ！Ｔを制御したり、またふたつの
ゲイトでひとつのＭＩＳ−ＮＥＴ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−ＦＨＴのようなアクティブエレメン
トまたは抵抗、キャパシタさら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〜ＩＯ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ｊ　　　　　　すでに第１図の説明の詳記したように
“ｍＫ半キユ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ｗＡ縁動物体
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
えて信幀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、Ｇ
ａＡｌＡｓ、ＳｉＣ，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ｌ’１ｌｓ−ＦＥＴに限定さ
れることなく、バイポーラ型トランジスタまたはそれら
を集積化したＩ　ＩＬ、　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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水素またはハロゲン化物が添加されたアモルファス
   または多結晶構造を有する非単結晶半導体を室温〜５０
   ０℃の温度でのグロー放電法またはスパッタ法または５
   ００〜９００℃の温度での減圧気相法により形成し、前
   記非単結晶半導体にチャネル領域を構成せしめることを
   特徴とする半導体装置作製方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、非単結晶半導体に
   はイオン注入法により選択的にドナーまたはアクセプタ
   を添加して、ソース、ドレインを形成することを特徴と
   する半導体装置作製方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、基板上に設けられ
   たＰまたはＮ型の逆導電型を示す不純物を有する非単結
   晶半導体に対し前記半導体の形成と同時または形成後水
   素または塩素のようなハロゲン化物が高周波エネルギま
   たはマイクロ波エネルギにより活性化されて前記非単結
   晶半導体中に前記したガスを添加させることを特徴とし
   た半導体装置作製方法。