JPH04111361A - 薄膜半導体装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、気相成長法（ＣＶＤ法）やイオン注入法など
を用いて基板上にＭＩＳ構造の薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ又はＴｈ１ｎ　Ｆｉｌｍ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を
形成してなり、液晶デバイスなどに利用されている薄膜
半導体装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第２図（ａ）〜（ｄ）は、多結晶シリコンを用いた従来
のＴＰＴを形成する工程を示した断面図である。まず、
代表的な非晶質基板であるガラスよりなるサブストレー
ト４０の上に減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）などによっ
て多結晶シリコン層４２を堆積させる。この多結晶シリ
コン層はこのままではグレインの粒径が小さいので、グ
レインどうしの境界面における格子欠陥の密度が高く電
子の移動度が低い、そこで、グレインの粒径を拡大する
ために５００℃で５０時間以上アニールする０次に第２
図（ａ）に示すようにホトリソグラフィー技術によって
ソース、ドレイン及びチャネル、すなわち活性領域とな
る多結晶シリコン層４２を残し、それ以外の部分をエツ
チングによって除去する。

この多結晶シリコン層４２の上に、常圧ＣＶＤ法（ＡＰ
ＣＶＤ法）などによって第２図（ｂ）に示すように５ｉ
Ｏｔの絶縁膜４４を形成し、更にこの上に多結晶シリコ
ン層４２を形成したのと同様の方法でゲート電極となる
シリコン層４６を形成する。

この状態で、第２図（ｃ）に矢印で示すようにイオン打
ち込みを行う、このとき図に示すようにｎチャネル型と
する場合にはリンイオンなどを打ち込む。一方、ｐチャ
ネル型とする場合にはホウ素イオンなどを打ち込む、同
図に示すように打ち込まれるイオンはゲート電極４６の
部分において遮られ、その両側の多結晶シリコン部分に
のみ打ち込まれ、これによってソース及びドレインが形
成される。すなわちセルフアラインメント法による素子
形成が行われる６次に第２ｒｇＪ（ｄ）に示すように、
このゲート電極４６の上に更にＳ　ｉ　Ｏｚの層間絶縁
膜４８を形成する。そして、ソースとドレインの上部に
コンタクトホールを開孔し、ここにアルミニウム電極を
形成する（第２図（ｄ））。

最後に、水素化という工程を行う、この目的は多結晶シ
リコンの各グレインの内部にあるシリコン原子のダング
リングボンドに水素原子を結合させることにより、等価
的に格子欠陥を低減させて電子の移動度を高めることに
ある。この工程は、まず水素プラズマ、あるいは水素を
多く含んだシリコン窒化膜を用いて水素アニールを行う
ことにより、シリコン内に水素を導入する。この水素化
を行うことにより、移動度をｌ　ｃｍ”　／Ｖ−ｓｅｃ
程度から５９　ｃｍ”　／Ｖ−ｓｅｃ程度まで向上させ
ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の方法で水素化を行った場合、その後に多
結晶シリコン層４２の内部から水素の一部が離脱する。

この理由は、多結晶シリコン層の上に形成されたＳｉ○
、が水素を拡散しやすいという性質を持っているからで
ある。このように素子形成を行った後に多結晶シリコン
層４２から水素が離脱すると、多結晶シリコン層４２の
電子の移動度が低下し、素子の動作速度が低下するとい
う問題がある。

本発明は上記事情に基づいてなされたものであり、素子
を形成した後も多結晶シリコン層の中の水素原子の高い
含有量を保持することができ、これによって高い電子の
移動度を有する薄膜半導体装置を提供することを目的と
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するための本発明は、基板上にシリコ
ン半導体層、ゲート絶縁膜、及びゲート電極を形成して
なる薄膜半導体装！において、前記基板及びシリコン半
導体層との間にシリコン窒化膜を設けるとともに、前記
シリコン半導体層の上部にゲート絶縁膜として、又はゲ
ート絶縁膜の一部としてシリコン窒化膜を設けたことを
特徴とするものである。

〔作用〕

本発明は前記の構成により、シリコン窒化膜は非常に多
くの水素を含有しているとともに、水素の拡散を抑える
性質があるので、このシリコン窒化膜を多結晶シリコン
層の下層に設けることにより、グレインを拡大するため
の熱処理などを行っている期間中に多結晶シリコン層よ
り水素が離脱しても、多量の水素を含有するシリコン窒
化膜からこの離脱した分以上の水素を補給することがで
きる。

また、シリコン窒化膜は水素原子の拡散を抑制する働き
も持っているため、ゲート絶縁膜又はその一部として多
結晶シリコンの上層に設けたシリコン窒化膜により、多
結晶シリコン層へ水素を導入すると同時に多結晶シリコ
ン層からの水素の離脱を防ぐことができる。

更に、活性領域内の水素密度を高めたことによりシリコ
ン原子のダングリングボンドの密度を軽減して、多結晶
シリコン層の電子の移動度を大きくすることができる。

〔実施例〕

以下に図面を参照しつつ本発明の実施例について説明す
る。第１図（ａ）〜（ｄ）は本発明の一実施例の薄膜ト
ランジスタ（ＴＰＴ）の製造工程を示す断面図である。

まず第１図（ａ）においてガラスなどの非晶質よりなる
サブストレート１０の上に、プラズマＣＶＤ又はＬＰＧ
ＶＤによってシリコン窒化膜（ＳｉＮ）１２を形成する
。このとき用いるガス系としてはＳ　ｉ　Ｈａ　　Ｎ　
Ｈｘ系や５ｉＨａ−Ｎｚ系などが一般的である。このシ
リコン窒化膜は後述のようにパフシヘーシッン膜として
も適している。

このシリコン窒化膜１２の上にトランジスタの活性層、
すなわちチャネル、ソース、及びドレインとなる多結晶
シリコン層１４を形成する。この形成方法は従来の場合
と同様に減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）などによって多
結晶シリコン層１４を堆積させた後、ホトリソグラフィ
ー技術によって不要な部分をエツチングして所定の部分
のみを残す。

このようにして多結晶シリコン層１４を形成した上に、
第１図（ｂ）に示すようにプラズマＣＶＤ法などによっ
て再びシリコン窒化膜１６を形成し、シリコン窒化膜１
２と１６によって多結晶シリコン層１４を挟み込むサン
ドインチ構造を形成する。更にこのシリコン窒化膜１６
の上にＳｉＯ２の酸化膜１８を形成し、シリコン窒化膜
１６と酸化膜１日の両者によってゲート絶縁膜とする。

ただし、この酸化膜の形成を省略してシリコン窒化膜の
みのゲート絶縁膜とすることもできるし、またシリコン
窒化膜１６と酸化膜１８とは形成の順序を逆にしてもよ
い、更に、シリコン窒化膜１６は多層状になるように形
成してもよい、このシリコン窒化膜１６と酸化膜１８と
の合計の厚さは数百オングストローム程度とする。

第１図（Ｃ）に示すように酸化膜１８の上にはゲート電
極２０を形成する。この形成方法は活性層１４を形成し
た場合と同様に、ＬＰＣＶＤ法によってシリコン層を堆
積させた後ホトリソグラフィー技術によって所定の形状
の電極を残しそれ以外の部分をエツチングで除去する。

この場合ゲート電極２０は活性層１４よりも小さく形成
する。

次に、第１図（Ｃ）に矢印で示すようにイオン打ち込み
を行う、この場合ソース及びドレインをｎ型又はｎ°型
とするときはリンイオンなどを打ち込み、ｐ型又はｐ°
型とするときにはホウ素イオンなどを打ち込む、打ち込
まれたイオンのうちゲート電極２０に当たるものはゲー
ト電極２０によって遮られ、それ以外のイオンは酸化膜
１８及びシリコン窒化膜１６を通過して活性層１４の両
側の部分に注入される。これによってこれらの部分が所
定の伝導型となり、ソース及びドレインが形成される。

このようにソースとドレインはセルフアラインメント法
によって形成される。

ここで、多結晶シリコン層１４のグレインの粒径の拡大
と、注入されたイオン、すなわちドーパントの活性化と
を兼ねて、５００℃でアニールする。このとき多結晶シ
リコン層１４に含まれている水素原子が熱によって離脱
しようとするが、この上層及び下層に設けたシリコン窒
化膜１２．１６に水素原子の拡散を抑える働きがあるた
め、多結晶シリコン層１４から水素原子が離脱するのを
防止する。更に、このシリコン窒化膜１２．１６自体に
非常に多くの水素原子が含まれていることが知られてお
り、ここから多結晶シリコン層１４内へ水素原子が補給
されるので、多結晶シリコン層１４の水素原子密度は非
常に高くなる。

このように多結晶シリコン層１４の水素密度が高まると
、水素原子はシリコンのダングリングボンドと結合する
ので、等価的にシリコンの格子欠陥の密度を低減させる
ことができる。これによって電子の移動度は向上し、形
成される薄膜トランジスタの動作速度を高めることがで
きる。更に、水素原子が多結晶シリコン層１４から離脱
しにくいため、電子の高い移動度が長期間維持され、こ
のため薄膜トランジスタの寿命が延びるという利点があ
る。

その後、第１図（ｄ）に示すように数千オングストロー
ム程度の膜厚の層間絶縁膜２２を形成する。このとき必
要に応じて眉間絶縁膜２２の一部をシリコン窒化膜２２
ａとし、その他の部分をＳｉＯ２の酸化膜とすることが
できる。このようにすることにより、数百オングストロ
ームと非常に薄いシリコン窒化膜１６の働きを補うこと
ができるからである。更にこの眉間絶縁膜２２の上に各
電極との配線を行うためのコンタクトホール２４．２６
．２８を開孔し、この中にアルミニウム電極３０．３２
．３４を形成する。

この後、必要に応して従来の場合と同様に、他結晶シリ
コン層１４に水素を導入すべく水素化の工程を行っても
よい、しかし多結晶シリコン層１４の上層及び下層には
シリコン窒化膜１２及び１６が設けられ、これらが上述
のような働きをすることから、多結晶シリコン層１４内
の水素原子密度はもともとかなり高い、したがってこの
水素化の工程を行うとしても、それにかかる時間は従来
に比べてかなり短くて済み、製造時間の短縮につながる
という利点がある。

更に、シリコン窒化膜には次のような優れたパ７シベー
シッン作用があるため、サブストレート１０と多結晶シ
リコン層１４との間にシリコン窒化膜１２を設けたこと
により、以下のような副次的な作用が得られる。すなわ
ち、サブストレート１０として一般的に用いられるガラ
スには、多量のナトリウムイオンが含まれている。この
ナトリウムイオンは可動性イオンとして知られ、ガラス
の内部で自由に移動する。このため多結晶シリコン層１
４をサブストレート１０の上に直接形成すると、このナ
トリウムイオンが多結晶シリコン層１４の内部に入り込
み、薄膜トランジスタの特性の低下を招くという問題が
ある。しかし、シリコン窒化膜はナトリウムを遮る働き
があるので、サブストレート１０と多結晶シリコン層１
４との間にシリコン窒化膜１４を設けることにより多結
晶シリコン層１４へのナトリウムイオンの混入を防止す
ることができ、薄膜トランジスタの特性の低下を防ぐこ
とができる。更に、このシリコン窒化膜は水分の侵入や
放射線の照射に対しても強い耐性を持っている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、多結晶シリコン
層の水素原子密度を高めて、多結晶シリコン層のダング
リングボンドを低減することができ、これにより電子の
移動度を大きくして、動作速度の高速化を図ることがで
き、更に多結晶シリコン層の水素が離脱しにくいことか
ら高い水素密度が長期間維持され、長寿命化を図ること
ができる薄膜半導体装置を提供することができる。

また、本発明によればサブストレートと多結晶シリコン
層との間にシリコン窒化膜を設けたことにより、このシ
リコン窒化膜によってサブストレートから多結晶シリコ
ン層へのナトリウムイオンなどの混入を防止することが
でき、したがって特性の低下を防ぐことができる薄膜半
導体装置を提供することができる。

４、■を＆％１ 第１図＜ａ＞〜（ｄ）は本発明の一実施例の薄膜トラン
ジスタを形成する工程を順を追って示した断面図、第２
図（ａ）〜（ｄ）は従来の薄膜トランジスタを形成する
工程を順を追って示した断面図である。

１０・・・サブストレート、 １２．１６・・・シリコン窒化膜、 １４・・・多結晶シリコン層、１８・・・酸化膜、２０
・・・ゲート電極、２２・・・層間絶縁膜、２４．２６
．２８・・・コンタクトホール、３０．３２．３４・・
・アルミニウム電極。

第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板上にシリコン半導体層、ゲート絶縁膜、及びゲート
   電極を形成してなる薄膜半導体装置において、 前記基板及びシリコン半導体層との間にシリコン窒化膜
   を設けるとともに、前記シリコン半導体層の上部にゲー
   ト絶縁膜として、又はゲート絶縁膜の一部としてシリコ
   ン窒化膜を設けたことを特徴とする薄膜半導体装置。