JPS6263475A

JPS6263475A - 半導体装置

Info

Publication number: JPS6263475A
Application number: JP22876586A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-27
Filing date: 1986-09-27
Publication date: 1987-03-20

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、
ＭｒＳ−ＦＥＴという）のゲイト絶縁物下のチャネル領
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、ヘリウム、ネオンのような不活性気体または塩素
のようなハロゲン元素を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。

従来、半導体装置は単結晶の半導体基板に対しＭＩＳ−
ＦＥＴ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。

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直に
対し、水素、ヘリウム１．ネオンのような不活性気体、
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（ｉｎｄｕｔ、ｉｏｎｃ
ｕｒｉｎｇ）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、その雰皿気特に１０””ｍｍＨ
ｇ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〜
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１５０〜３００　ＫｅＶ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９０
０〜１１００℃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（ＳｔＨｔ）、ジクロールシラン（ＳｉＨ
ｔＣｈ）、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、５００
〜９００℃の温度で行ういわゆる減圧気相法によった。

発熱は１〜１０ＭＨｚの高周波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５１−１３８９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ユバフタ法を
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５ｉｌＮ４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１０１１〜ｌ　Ｑ　ｔ　ｌ　
ｃ　ｌｌ−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。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）ヲ形
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階の厚さに形成した。この時この上面を平坦面とす
るため５ｔＯＪのかわりにＰＩＱ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）７はチャネル形成領域（
４）がＰ型であっては１０”〜１０”ｃｍ−３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１ｇ＋ｊＣ，−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。この不鈍物が１０
”ｃｍ−’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
０１４〜１０１７ｃＩＩ＋−３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却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（Ａ）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
５倍になった。Ｃ−ｖダイオードによってもＱｓｓ＝１
０”ｃｍ−”のオーダのほぼ理論通りのＣ−Ｖ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
水冷を可能にした銅管をスパイラル状に巻くにより実施
した。周波数は１〜２０ＭＨ２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３０〜１０
０ＫＨ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１０−３ｍｍ１（Ｈ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１０４〜１０−　”ｍｍＨｇにまで真空に
し、その後１０−　’〜１０ｍｍＨｇとした。反応系は
たえず一方より水素、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の以上
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、ヘリウム等は３００〜５
００℃の温度で半導体中の原子との結合をはずれＨ２ま
たはＨｅ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。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’−”　〜１０−　’ｎ
ｌＩ＋Ｈｇでもその効果が観察されたが、添加量を００
１モルバー・セントまたはそれ以上とするため０．０１
１１１１Ｈｇ以上特に０．１〜１００ｍｄｇとした。も
ちろん室温での高周波誘導を行ってもよい。０．００１
ｗｄｇ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、ＴＥ
Ｍ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。またネオンは
冷気状態での準安定状態がヘリウムの１００〜１０４倍
もありキューリング効果が大きかった。

即ち、ｔｌｅでのキューリングを５〜１５分、０．１〜
ｉｏ。

ｍｍＨｇ特に１１０ｍｆｆ１Ｈで行い、その後、５〜１
５分、ｏ、ｏｉ〜１０ｎｍＨｇ特に０．１ｌｍｍ１（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１図（Ｂ）はｓｏｓ　ｃ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　Ｓｉｎ。

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
′４ｆＡ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、ＭＩＳ−ＦＩＥＴ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ＭＩＳ−ＦＥＴの上側または上
方面に対して第２の旧５−ＦＩＥＴ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０．１〜２μｌ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０．１〜２μ慣の厚さで形成した。Ｐ型でその不純
物濃度は１０１１′〜１０１＆ｃｌ！１−３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−１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０９１〜２μｍ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
の旧５−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Ｍｉｓ−ＦＩＥＴ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
うにディト電極（１１）は図示されていないフィールド
絶縁物（３）上を経て第２のＭｉｓ−ＦＥＴのソース（
１５）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２０Ｍ１ｓ−ＦＥＴ
を設けたものである。しかし、この旧５−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０．５〜２μ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１ＱＩｑ〜１Ｑ２１ｃ１１−３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４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−ＦＥＴのドレインであり
、他方の旧５−ＰＥＴ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０．５〜２μ情の厚さに形成して、
この上面が平坦面であると、この上側に作る第３のＭＩ
Ｓ−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Ｏ，２〜２μ丘の厚さに形成し
た。この不純物濃度はｉｏ”〜１０１６ｃｍ””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−ＰＥ
Ｔ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ｉ　（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−ＰＥＴのゲイト電極に連結され
ており、ゲイト電極（１１）は１実質的にふたつのＭＩ
Ｓ−１４Ｔ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領域（２９）とゲイト電極（１
１）との間にゲイト絶縁物が形成されるならば、第３の
ＭＩＳ−ＦＥＴは下側と上側にゲイＩ・電極を有するダ
ブルゲイトＭＩＳ−ＰＥＴ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、ひとつのゲイトでふた
つの旧５−ＰＥＴを制御したり、またふたつのゲイトで
ひとつのＭＴＳ−ＦＥＴを制御したりすることが本発明
の特徴である。加えて、同一基板にリードのみでなく　
、ＭＩＳ−ＦＥＴ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、ヘリウ
ム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
えて伊頬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
エーム等であっても同様であり、ＧａＰ、ＧａＡｓ、Ｇ
ａＡｌＡｓ、５ｉＣＩＢＰ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−ＦＥＴに限定される
ことな（、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ＩＣ，ＬＳＩであっても同
様であり、すべての半導体装１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

【特許請求の範囲】１、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタのチャネル領域
の少なくとも一部が非単結晶半導体よりなり、該半導体
中には水素、ヘリウム、ネオンのような不活性ガスまた
は塩素のようなハロゲン元素が混入していることを特徴
とする半導体装置。２、基板の上部の絶縁物上には、非単結晶半導体が設け
られた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。