JPH04345069A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体装置を構成し
ている成分中の互いに接している構成成分各々の内部応
力差を緩和する構造を具えた半導体装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置は、種々の構成成分が積層さ
れて構成されている。例えば、半導体装置の一種である
薄膜トランジスタ（以下、「ＴＦＴ」という。）のうち
のいわゆる逆スタガー型のＴＦＴは、図１（Ａ）に断面
図を以って示すように、基板１１上にゲート電極１３が
積層され、このゲート電極１３形成済み基板上にゲート
絶縁膜１５が形成され、このゲート絶縁膜１５上に半導
体層１７が積層され、該半導体層１７上にソース電極１
９及びドレイン電極２１が互いは電気的に分離されて積
層され、さらにこの試料全体を覆うようにパッシベーシ
ョン膜２３が積層されて構成されている。また、いわゆ
るスタガー型のＴＦＴは、図１（Ｂ）に断面図を以って
示すように、基板１１上にソース電極１９及びドレイン
電極２１が互いは電気的に分離されて積層され、さらに
これら電極形成済みの基板上に半導体層１７が積層され
、この半導体層１７上にゲート絶縁膜１５が積層され、
該ゲート絶縁膜１５上にゲート電極１３が積層され、さ
らにこの試料全体を覆うようにパッシベーション膜２３
が積層されて構成されている。

【０００３】スタガー型、逆スタガー型いずれの場合も
、半導体層１７とソース電極１９、ドレイン電極２１と
の間のオーミック接触性を確保するために、半導体層１
７とこれら電極１９，２１との間に不純物ドープにより
抵抗を下げた半導体薄膜いわゆるコンタクト層（図示せ
ず）が設けられる場合もある。

【０００４】これらＴＦＴにおいては、半導体層１７は
、アモルファスシリコン（以下、「ａ−Ｓｉ」と称する
。）で構成されることが多い。ａ−Ｓｉが大面積な基板
上への成膜が容易であり大型液晶ディスプレイパネルな
どの実現を可能とするからである。また、ゲート絶縁膜
１３、パッシベーション膜２３各々は、シリコン窒化膜
で構成されることが多い。

【０００５】ところで、半導体装置中の各構成成分（Ｔ
ＦＴの例であればａ−Ｓｉ膜、シリコン窒化膜など）で
は、大かれ少なかれ内部応力が必ず存在する。内部応力
は、引張応力と圧縮応力とに分類できる。引張応力、圧
縮応力の説明は例えば（文献Ｉ：「薄膜ハンドブック」
，オーム社発行（昭和５８年），ｐ．３３３）に記載さ
れている。図２（Ａ）の状態が生じる場合、薄膜３１の
内部応力は引張応力であるといい、図２（Ｂ）の状態が
生じる場合、薄膜３１の内部応力は圧縮応力であるとい
う。

【０００６】内部応力は、構成成分を構成する物質の種
類、構成成分の形成条件によって変わる。条件によって
は引張応力から圧縮応力にわたって変化する場合もある
（例えば文献Ｉのｐ．３４３「スパッタリング薄膜の内
部応力のアルゴンガス圧依存性」）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、各種の
構成成分が積層されて構成される半導体装置では、半導
体装置中のある構成成分の内部応力とこの構成成分と接
する他の構成成分の内部応力との違いが大きいと両者の
間に残留応力が生じこれが原因で半導体装置の特性劣化
を来たす場合がある。

【０００８】例えば上述のスタガー型のＴＦＴでは、ａ
−Ｓｉから成る活性層１３の内部応力とこの活性層１３
上に形成されるシリコン窒化膜から成るゲート絶縁膜１
９の内部応力との違いより生じる残留応力が、ＴＦＴの
特性を悪化させる一因となると考えられる。また、逆ス
タガー型のＴＦＴでは、ａ−Ｓｉ層及びゲート絶縁膜で
生じる残留応力のみならず、活性層１３の内部応力とこ
の上側に形成されるパッシベーション膜２３の内部応力
との違いにより生じる残留応力によっても、このＴＦＴ
の特性が悪化すると考えられる。

【０００９】これを解決するためには半導体装置のある
構成成分とこれに接する他の構成成分各々の内部応力を
一致させれば良いと考えられる。しかし、両構成成分の
内部応力を単に一致させるのみでは、半導体装置の特性
は必ずしも良好とはならない。半導体装置中の各構成成
分を内部応力を優先させて形成すると、各構成成分の例
えば組成比、スピン密度、光学的バンドギャップ、絶縁
破壊限界電界などの特性が逆に損なわれることが多くこ
れが原因で半導体装置の特性を悪化させることになるか
らである。

【００１０】この発明はこのような点に鑑みなされたも
のであり、従ってこの発明の目的は半導体装置中のある
構成成分の内部応力と、これに接する他の構成成分の内
部応力との違いに起因する半導体装置の特性劣化を防止
できかつこれら構成成分自体の特性を確保できる構造を
有した半導体装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明によれば、第一の材料から成る層と、該第
一の材料から成る層に接する薄膜とを具える半導体装置
において、薄膜の内部応力が、該薄膜の前述の第一の材
料から成る層との界面近傍部分で前述の第一の材料から
成る層の内部応力と実質的に同じとなっており、前述の
界面近傍部分から離間するに従い連続的に変化し最終的
に当該薄膜に要求される特性を満たす一定の内部応力と
なっていることを特徴とする。

【００１２】なお、この発明でいう第一の材料から成る
層とは半導体層、絶縁層などの層であることは勿論のこ
と半導体基板や絶縁性基板の概念も含む。また、第一の
材料から成る層に接する薄膜は、第一の材料とは異なる
他の材料で構成される薄膜の場合、第一の材料と同じ材
料で構成される薄膜の場合の両者を含む。また、薄膜の
第一の材料から成る層との界面近傍部分とは、この薄膜
の前記界面から所定の厚さまでの部分をいうものとする
。この所定の厚さは、第一の材料から成る層の内部応力
とこの層に接する薄膜の内部応力との差の大小、半導体
装置に要求される特性などを考慮し設定するのが良い。 また、この発明でいう連続的とは内部応力が段階的に変
化している場合も含む。さらに、当該薄膜に要求される
特性を満たす一定の内部応力とは、薄膜に要求される例
えば組成比、スピン密度、光学的バンドギャップ、この
薄膜が絶縁膜であれば絶縁破壊電界などが所望の値とな
るように薄膜を形成した際にその薄膜が持つ内部応力を
いう。

【００１３】また、この発明の実施に当たり、前述の薄
膜はこれ自体の内部応力を例えば成膜条件を変えること
によって変えることができるものである必要がある。こ
のような薄膜は種々のものを挙げることが出来る。例え
ば、スパッタ時にアルゴンガスの圧力を変えることによ
り内部応力が変わる薄膜（文献Ｉ，ｐ３４３）は対象と
出来る。また、シリコン窒化膜は、プラズマＣＶＤ法で
形成する際に原料ガスにＨ２　またはＮ２　を添加しそ
の添加量を変えることにより内部応力が変わることが知
られているので、これも対象とできる。

【００１４】

【作用】この発明の構成によれば、第一の材料から成る
層に接する薄膜の、前記層との界面近傍部分の内部応力
が第一の材料から成る層の内部応力と実質的に同じとな
っているので、第一の材料から成る層とこれに接する薄
膜との間に残留応力が従来より生じにくい。また、当該
薄膜の内部応力は前記界面近傍部分から遠ざかるに従い
連続的に変化している。このため、第一の材料から成る
層とこれに接する薄膜との間に別途に内部応力緩和のた
めのバッファ層を入れる場合に比べ第一の材料から成る
層とこれに接する層との整合性及び残留応力の緩和性の
向上が期待出来る。また、当該薄膜の内部応力は前記界
面から遠ざかるに従い連続的に変化し最終的に当該薄膜
に所望の特性を与える内部応力とされているので、当該
薄膜の本来の特性が確保される。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の半導体装置
の実施例について説明する。なお、以下の説明で用いる
各図はこの発明を理解出来る程度に各構成成分の寸法、
形状、配置関係を概略的に示してある。また、以下の実
施例はこの発明を図１（Ａ）に示した逆スタガー型のア
モルファスシリコン薄膜トランジスタに適用した例であ
る。

【００１６】はじめに、基板１１として例えばガラス基
板その他の透光性を有する絶縁性基板を用意する。この
基板１１全面上に例えばスパッタリング法を用いて例え
ばタンタル（Ｔａ）を膜厚が１００〜２００ｎｍ程度に
形成する。次に、このタンタルを公知のフォトリソグラ
フィ技術及びエッチング技術によってゲート電極形状に
パターニングしてゲート電極１３を形成する。

【００１７】次に、プラズマＣＶＤ法によりこの試料上
にシリコン窒化膜（ＳｉＮＸ　膜）から成るゲート絶縁
膜１５を２００〜３００ｎｍ程度の膜厚に以下に説明す
るような方法で形成する。なお、原料ガスとして、この
実施例ではシラン（ＳｉＨ４　）とアンモニア（ＮＨ３
　）とを用いる。

【００１８】ここで、シリコン窒化膜をプラズマＣＶＤ
法で形成する際、シリコン窒化膜の内部応力は、その成
膜条件によって、プラスマイナス１×１０１０ｄｙｎｅ
／ｃｍ２　程度の範囲で、すなわちこの範囲で引張応力
或は圧縮応力に、変化することが知られている。シリコ
ン窒化膜の内部応力を制御しながらシリコン窒化膜を形
成する方法の具体例として、シリコン窒化膜形成時に用
いる原料ガス中に水素（Ｈ２　）又は窒素（Ｎ２　）を
添加する方法が知られている。

【００１９】図３（Ａ）は、原料ガス中に添加する水素
ガス流量と、その条件で形成されるシリコン窒化膜での
内部応力との関係を示した図である。また、図３（Ｂ）
は、原料ガス中に添加する水素ガス流量と、その条件で
形成されるシリコン窒化膜での内部応力との関係を示し
た図である。両図のデータはいずれも基板温度を３００
℃、ＳｉＨ４　及びＮＨ３　の流量比ＳｉＨ４　／ＮＨ
３　を０．０５、高周波電力を４００Ｗとした条件で得
たものである。両図から明らかなように、水素または窒
素ガスの添加量が増加するに従いシリコン窒化膜の内部
応力は引張応力側から圧縮応力側へと変化する。

【００２０】一方、シリコン窒化膜１５上に形成される
ａ−Ｓｉ層１７は１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　程度の圧
縮応力を有する。

【００２１】したがって、シリコン窒化膜１５とａ−Ｓ
ｉ層１７との間の残留応力を低減させるためには、シリ
コン窒化膜１５の内部応力がａ−Ｓｉ層１７の内部応力
に実質的に同じになるように（１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ
２　程度の圧縮応力となるように）シリコン窒化膜の成
膜条件を制御すれば良いと考えられる。しかし、ゲート
絶縁膜１５の内部応力がａ−Ｓｉ層１７のそれと一致す
るようにシリコン窒化膜を形成したとしても、ＴＦＴの
特性は必ずしも向上するわけではない。既に説明したよ
うに、シリコン窒化膜の成膜に当たり内部応力のみ留意
して成膜条件を設定すると、シリコン窒化膜の組成比、
スピン密度、絶縁破壊電界、光学的バンドギャップなど
シリコン窒化膜の他の特性の劣化を伴うからである。

【００２２】そこで、この実施例では、シリコン窒化膜
１５を、そのａ−Ｓｉ層１７との界面近傍部分での内部
応力がａ−Ｓｉ層１７の内部応力と実質的に同じであり
、この界面近傍部分から離間するに従いその内部応力が
連続的に変化し最終的に組成比、スピン密度、絶縁破壊
電界、光学的バンドギャップなどの内部応力以外の特性
が最適化された薄膜で得られる内部応力とされている薄
膜で、構成する。そして、組成比、スピン密度、絶縁破
壊電界、光学的バンドギャップなどの内部応力以外の特
性を満足するシリコン窒化膜が所定の引張応力を示すも
のであると考えると、このシリコン窒化膜１５は、基板
１１側の部分で所定の引張り応力を示し、その後徐々に
圧縮応力となりａ−Ｓｉ層１７との界面近傍部分で１０
９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　程度の圧縮応力を示すものが良
いと考えられる。

【００２３】このために、この実施例では、ゲート絶縁
膜用シリコン窒化膜を形成する際に、基板温度を３００
℃、ＳｉＨ４　及びＮＨ３　の流量比（ＳｉＨ４　／Ｎ
Ｈ３　）を０．０５、高周波電力を４００Ｗ、成膜室内
の圧力を８０Ｐａとし、成膜時間を１０分とした条件で
、成膜開始から５分経過するまでの間では原料ガス中に
水素又は窒素は添加せず、成膜開始から５分経過した後
から１０分経過するまでの間は、水素の添加料を４０Ｓ
ＣＣＭ／分の割合で２００ＳＣＣＭとなるまで増加させ
た。図４（Ａ）は、ゲート絶縁膜用シリコン窒化膜形成
時の水素添加量プロファイルを示した図である。縦軸に
水素添加量をとり、横軸に成膜開始からの経過時間をと
って示してある。

【００２４】図４（Ａ）の水素添加量プロファイルを図
３（Ａ）の内部応力の水素添加量依存性特性図に照らし
て考えれば、ここで形成されたシリコン窒化膜１５は、
その成膜開始から５分経過する間に形成された部分が−
１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　程度の引張応力を有し、そ
の後２分間で形成された部分では徐々に内部応力が減じ
ており、その後３分間で形成された部分が圧縮応力を有
し最終的に１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　程度の圧縮応力
を有するシリコン窒化膜１５となっていると考えること
が出来る。

【００２５】次に、このように形成したゲート絶縁膜と
してのシリコン窒化膜１５を有する基板１１全面上に、
ａ−Ｓｉ層を２０〜２００ｎｍの膜厚に公知の好適な方
法で形成する。このａ−Ｓｉ層の内部応力は既に説明し
たように１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　程度であるので、
シリコン窒化膜１５のａ−Ｓｉ層との界面近傍の内部応
力と、ａ−Ｓｉ層の内部応力とは実質的に一致する。

【００２６】次に、ＴＦＴアレイを構成するために、こ
のａ−Ｓｉ層を基板の各ＴＦＴ形成予定領域上のみにそ
れぞれ残存させる。具体的には、ａ−Ｓｉ層の該当領域
部分上のみにレジスト膜を残存させレジスト膜から露出
しているａ−Ｓｉ部分をエッチングにより除去する。こ
れにより半導体層１７を得る。

【００２７】次に、この試料上全面に例えばアルミニウ
ム（Ａｌ）膜を真空蒸着法、スパッタ法等を用い例えば
５００〜１０００ｎｍの膜厚に形成する。次に、このア
ルミニウム膜を公知のフォトリソグラフィ技術及びエッ
チング技術によりソース電極、ドレイン電極形状にパタ
ーニングして、ソース電極１９及びドレイン電極２１を
それぞれ得る。

【００２８】次に、この試料上に膜厚１００〜５００ｎ
ｍのシリコン窒化膜から成るパッシベーション膜２３を
形成する。このパッシベーション膜２３は、ゲート絶縁
膜１５を形成した場合の考えと同じ考えにたって、ａ−
Ｓｉ層との界面近傍で内部応力がａ−Ｓｉ層のそれと実
質的に同じ（同程度の圧縮応力）でこの界面近傍部分か
ら離間するに従い内部応力が連続的に変化し最終的に引
張応力となっているシリコン窒化膜で構成する。ただし
、この場合はａ−Ｓｉ層１５上にシリコン窒化膜が設け
られるのでゲート絶縁膜を形成した場合とは逆の考えで
成膜条件を設定する。具体的には、基板温度を２００℃
、ＳｉＨ４　及びＮＨ３　の流量比（ＳｉＨ４　／ＮＨ
３　）を０．０５、高周波電力を４００Ｗ、成膜室内の
圧力を８０Ｐａとし、成膜時間を１５分とした条件で、
成膜開始から８分経過するまでの間では原料ガス中に水
素を、成膜開始時には３００ＳＣＣＭの流量でその後３
００／８分の割合で水素流量が減じるように供給し、成
膜開始から８分経過した後から１５分経過するまでの間
は、水素を供給しない。図４（Ｂ）パッシベーション膜
２３用シリコン窒化膜形成時の水素添加量プロファイル
を示した図である。縦軸に水素添加量をとり、横軸に成
膜開始からの経過時間をとって示してある。

【００２９】図４（Ｂ）の水素添加量プロファイルを図
３（Ａ）の内部応力の水素添加量依存性特性図に照らし
て考えれば、ここで形成されたシリコン窒化膜２３は、
ａ−Ｓｉ層１７と接する部分でａ−Ｓｉ層と同程度の１
０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　程度の圧縮応力を有し、成膜
開始から７分経過するまで（図５でＨ２　流量が５０ｓ
ｃｃｍ程度になるところ）の間に形成された部分では圧
縮応力の値が徐々に減じており、その後形成された部分
では内部応力が引張り応力に転じ成膜Ｈ２　添加を止め
た時点（成膜開始から８分経過時）から後に形成された
部分で−１０９　ｄｙｎｅ／ｃｍ２　の引張応力を有す
るシリコン窒化膜となっていると考えることが出来る。

【００３０】この実施例のａ−ＳｉＴＦＴでは、ａ−Ｓ
ｉ層の内部応力と、このａ−Ｓｉ層上下の各シリコン窒
化膜の内部応力との間の残留応力の低減が図れ然もａ−
Ｓｉ層及びシリコン窒化膜各々の特性は確保できるので
、ａ−ＳｉＴＦＴの特性向上が期待出来る。

【００３１】上述においては、この発明の半導体装置の
実施例について説明したが、この発明は上述の実施例に
限られるものではない。

【００３２】例えば、上述の実施例では、逆スタガー型
ａ−ＳｉＴＦＴのゲート絶縁膜１５及びパッシベーショ
ン膜２３それぞれに対しこの発明を適用していたが、い
ずれか一方の膜のみにこの発明を適用しても良い。この
ような場合も従来に比べ半導体装置の特性向上が図れる
。

【００３３】また、この発明は図１（Ｂ）に示したスタ
ガー型のａ−ＳｉＴＦＴのゲート絶縁膜１５に対しても
適用できる。

【００３４】また、この発明はａ−Ｓｉ層とシリコン窒
化膜との関係においてのみ成立するというものではなく
他の材料の組合わせの場合も適用できる。さらに、同一
材料から成る２つの薄膜を積層する場合で両者の内部応
力を違えた構成の半導体装置にも適用することが出来る
。

【００３５】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明の半導体装置では、これに備わるある構成成分の
内部応力とこの構成成分と接する他の構成成分の内部応
力との差による残留応力の影響が従来より少なくなるこ
とが期待出来る。さらに、各構成成分本来の特性を確保
することが出来る。このため、例えば、従来より特性に
優れたａ−ＳｉＴＦＴを得ることが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）及び（Ｂ）は、薄膜トランジスタの説明
に供する図である。

【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、内部応力の説明に供する
図である。

【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、シリコン窒化膜の内部応
力の、成膜条件依存性を示す図である。

【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例での成膜条件の説
明に供する図である。

【符号の説明】

１１：基板 １３：ゲート電極 １５：ゲート絶縁膜（シリコン窒化膜）１７：半導体層
（ａ−Ｓｉ層） １９：ソース電極 ２１：ドレイン電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　第一の材料から成る層と、該第一の材
   料から成る層に接する薄膜とを具える半導体装置におい
   て、薄膜の内部応力が、該薄膜の前記第一の材料から成
   る層との界面近傍部分で前記第一の材料から成る層の内
   部応力と実質的に同じとなっており、前記界面近傍部分
   から離間するに従い連続的に変化し最終的に当該薄膜に
   要求される特性を満たす一定の内部応力となっているこ
   とを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】　　請求項１に記載の半導体装置において
   、該半導体装置を薄膜トランジスタとし、第一の材料か
   ら成る前記層をアモルファスシリコンから成る活性層と
   し、前記薄膜をシリコン窒化膜から成るゲート絶縁膜及
   びシリコン窒化膜から成るパッシベーション膜の双方又
   は一方としたことを特徴とする半導体装置。