JPS62216272A - 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】 〔本発明の関連分野及び目的〕 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の作製方法に関する。

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）のゲイト絶縁物上のチャネル領
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は
水素気体または塩素のようなハロゲン元素を０．１モル
パーセント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等による再結合中心を中和か
つ消滅せしめることを目的としている。

その結果、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１０′
′〜１０”ｃｍ−’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）ガスまたは
塩素のようなハロゲン元素を１０””ｍｍＨｇ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。

〔従来技術及び問題点〕

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。

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°Ｃでの不純物の熱拡散、４
００〜５５０℃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、水素気体、塩素のようなハロゲン元素を化学的
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（ｉ
ｎｄｕｔｉｏｎ　ｃｕｒｉｎｇ）ともいう。特に水素（
重水素を含む）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−　”ｍｍＨｇ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。

〔実施例〕

以下にその実施例に従って本発明を説明する。

第１図は旧Ｓ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〜
２μｍの厚さの酸化珪素または窒化珪素の薄膜を形成し
、これに半導体基板表面より１５０〜３００ＫｅＶのイ
オン注入法により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
その上面に減圧気相法によりシリコン膜を形成した。こ
れはシラン（ＳｉＨ２）、ジクロールシラン（Ｓｉ）Ｉ
ｚＣｌｇ）、その他の珪化物を反応性気体として０．１
〜１０ｔｏｒｒ（ｍｍＨｇ）の圧力状態にした上、５０
０〜９００℃の温度で行ういわゆる減圧気相法によった
。発熱は１〜ＩＯＭ）ＩｚＯ高周波を用いる誘導加熱法
を用いた。しかし抵抗加熱でもよい。

この減圧気相法による半導体膜の形成は特公昭５１−１
３８９に基づいた。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０．１〜２μｍ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Ｓ
ｉＯ□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１０ＩＢ〜１０”ｃｍ−３で
ある場合には非単結晶を一部に含むエピタキシアル構造
であった。

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。

フィールド絶縁物（３）を１〜２μｍ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
絶縁膜（１２）を１００〜１０００人の厚さに作り、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、減圧ＣＶＤ法により半導体膜を作った。加え
てＳｉＯ□膜のオーバーコート（１０）を０．５〜２μ
ｍの厚さに形成した。この時この上面を平坦面とするた
めＳｉ０ｇ膜のかわりにＰＩ口等を用いてもよい。アル
ミニュームの電極の穴あけ（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（５）、ドレイン（６）はチャネル形成領域（４
）がＰ型であっては１０１１”１０”ｃｍ−’のＮ９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１０１１０ｌ９’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
”ｃｍ−３以上、特に１０”ｃｍ−’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
みられなかった。他方、チャネル領域は不純物濃度が１
０′４〜１０”ｃｍ−’の低濃度であり、極めて敏感で
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、ここに水素を０．１モルパーセン
ト特に５〜２０モルパーセント添加した。その結果、第
１図（八）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ダイオードによってもＱｓｓ　”ｑ　１０”　Ｃ
ｍ−２のオーダのほぼ理論通りのＣ−■特性を示してい
た。水素ガス、塩素のようなハロゲン元素の化学的励起
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にした鋼管をスパイラ
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３０〜１００ＫＨ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１０ｃｍ
）を５〜５０枚ボートに林立させる形で装填した。更に
これを１０−　’ｎ＋ｍＨｇ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−’ｍｍＨｇにまで真空にし、その
後１０−１〜１０ｎ＋ｎ＋Ｉ（ｇとした。反応系はたえ
ず一方より水素ガスを導入し、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は自由にこの固体中に侵入
型原子（インターステイシアル　アトム）のため動きま
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、加熱十励起を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（６００〜１０００℃）であってもよい。しかし
ひとつの大切なことは、水素は３００〜５００℃の温度
で半導体中の原子との結合をはずれＨ７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だめの電
気エネルギを加え続ける必要がある。

更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−’ｍｍｆ１
ｇでもその効果が観察されたが、添加量を０．１モルパ
ーセント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とした。

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
またはヘリウムを若干添加したものでもよい。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
結合手を叩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。

即ち、Ｉ（ｅでのキューリングを５〜１５分、０．１〜
１００　ｍｍＨｇ特に１０ｍｍＨｇで行い、その後、５
〜１５分、０．０１〜１０ｍｍＨｇ特に０．　ｌｍｍＨ
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１００χ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マトクまたは
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モルパーセント特に１〜２０モルパーセント添
加されていることが判明した。もちろん２０モルパーセ
ント以上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。

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の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。

第り図（Ｂ）はＳＯ３（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０．０２〜２μｍの厚さにエピ
タキシアル成長せしめ、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（
３１）、ゲイト絶縁膜（１２）、ＣＶＤ　Ｓｔｏ□膜（
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
拡散を起こしてしまった。このため、この半導体膜はそ
の厚さを０．０１〜０．３μｍの厚さに作ることがたと
えできても、実用上は役立たなかった。しかし本発明の
ように０．０１〜０．５μｍの厚さであっても、これら
の半導体デ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取り扱うことが
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膜
中に存在する不対結合手を中和する効果が著しくあり、
旧５−ＰＥＴ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、ひとつの）’ｌｌ５−Ｆｔ！Ｔの上側ま
たは上方面に対して第２のＭＩＳ−ＦＲＴを設け、これ
までより２〜４倍の高密度の集積回路（ＬＳＩ、ＶＬＳ
Ｉ）を製造しようとするものである。

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０．１〜２μｍの厚さに形成した。

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。

さらにこの上面に減圧ＣＶＤ法を用いて半導体シリコン
膜を０．１〜２μｍの厚さで形成した。Ｐ型でその不純
物濃度はＩＱＩＢ〜１０”Ｃｍ−’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絶縁膜
をエッチしてもよくまた珪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０．１〜２μｍ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）ＪＩＳ−ＦＥＴ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？ｌｌ５−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）は図示されていないフィー
ルド絶縁物（３）上を経て第２０Ｍ１ｓ−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
成して後、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または熱拡散法を利用し
てソース、ドレインを拡散し作製した。この図面は、第
１のＭＩＳ−ＦＥＴの斜め上方に第２の旧５−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。更に（Ｂ）に示すように抵抗、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０．５〜２μｍ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１０′９〜１０”ｃｍ−’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
ル旧５−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
の旧５−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（１０）を０．５〜２μｍ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−Ｆ
ＥＴ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０．２〜２μｍの厚さに形成した。こ
の不純物濃度は１０′４〜１０Ｉ６ＣＩ１１−３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（３７）をこの第３のＭＩＳ−ＦＥ
Ｔのソースに連結し、リード（３８）につなげた。ドレ
イン（３７）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１
’ｌｌ５−ＦＥＴのチャネル状態を制御できるようにし
である。もちろんこのキャネルｉｌＮＭ（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−ＦＥＴ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。加えて、同一基板にリー
ドのみでなく　、ＭＩＳ−ＰＥＴ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２〜１０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（Ａ）　、　（Ｂ）において既
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特性の
半導体または絶縁物体さらに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改めて可能となるも
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）　（４０）をするのが好ましい。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等を封じ
て外に出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。

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＋Ｃ，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−ＰＩ！Ｔ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ＩＩＬ、ＳＩＴ等のｒｃ、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)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁基板又は絶縁表面を有する基板の該絶縁表面
   上にソース、ドレイン及びチャネル領域を有した半導体
   装置において、ソース及びドレイン領域が不純物を１０
   ＾１＾８〜１０＾２＾１ｃｍ＾−＾３の濃度含み、チャ
   ネル領域の少なくとも一部が不純物を２×１０＾１＾９
   ｃｍ＾−＾３以下の濃度含む非単結晶半導体よりなり、
   且つ上記半導体装置中に水素、不活性ガスまたは塩素の
   ような元素が添加されたことを特徴とする半導体装置。