JPH06125088A

JPH06125088A - 絶縁ゲート型電界効果半導体装置

Info

Publication number: JPH06125088A
Application number: JP4333725A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1992-11-20
Publication date: 1994-05-06
Anticipated expiration: 2012-09-03
Also published as: JP2648784B2

Abstract

(57)【要約】【目的】オフ電流が少なく、かつオン、オフを高速
応答で行うことができる絶縁ゲート型電界効果半導体装
置を提供する。【構成】絶縁ゲート型電界効果トランジスタのチャ
ネル形成領域は、水素またはハロゲン元素が添加された
非単結晶半導体よりなり、該非単結晶半導体に隣接する
ソ−スおよびドレインを構成する一対の不純物領域は、
前記チャネル形成領域の半導体に比べて結晶化が助長さ
れ、かつ当該結晶化が助長されて設けられた領域は、前
記ゲート電極下のチャネル形成領域の内部にわたって設
けられたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積回路、液晶
表示パネル等に用いられる絶縁ゲート型電界効果半導体
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶珪素を用いた絶縁ゲート型電界効
果半導体装置は、広く半導体分野に用いられている。そ
の代表例には、本出願人の発明にかかる特公昭50─1986
号公報に示されている「半導体装置およびその作製方
法」がある。しかし、チャネル形成領域を単結晶半導体
を用いるのではなく、水素またはハロゲン元素が１原子
％以上の濃度に添加された非単結晶半導体により設けら
れた絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、本出願人のそ
の後の出願にかかる特願昭53−124021号公報に示されて
いる「半導体装置およびその作製方法」( 昭和53年10月
７日出願）がその代表例である。かかる水素またはハロ
ゲン元素が添加された非単結晶半導体、特に珪素半導体
がチャネル形成領域に用いられた絶縁ゲート型電界効果
半導体装置は、オフ電流が従来より公知の単結晶半導体
を用いた場合に比べて10³〜10⁵分の１も小さい。その
ため、絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、液晶表示パ
ネル制御用として用いることが有効であるとされてい
る。

【０００３】この絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、
前記特願昭53−124021号公報に示されているごとく、ゲ
ート電極がチャネル形成領域の半導体に対し、その上側
に設けられた横チャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体
装置、また、本出願人の出願にかかる特願昭56─001767
号公報「絶縁ゲイト型半導体装置およびその作製方法」
( 昭和56年１月９日）に示された縦チャネル型絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置、およびゲート電極がチャネル
形成領域を構成する半導体の下側に設けられたいわゆる
一般的に公知の薄膜絶縁ゲート型電界効果半導体装置が
知られている。

【０００４】しかし、そのうち後二者に比べ前者の前記
した構造は、従来より公知の単結晶珪素を用いた絶縁ゲ
ート型電界効果半導体装置と構造が同じであるため、す
でに出来上がった技術を応用できるというきわめて優れ
た特長を有するものであった。また、従来例として、特
開昭５８−２０７３号公報に示された電界効果型トラン
ジスタは、多結晶領域からなるソースおよびドレイン
と、非晶質領域からなるチャネル形成領域と、当該チャ
ネル形成領域上に絶縁的に形成されたゲート電極とから
構成され、活性層の非晶質半導体を変質させることなく
低温プロセスで製造される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、他方、かかる
絶縁ゲート型電界効果半導体装置においては、ソ−ス領
域およびドレイン領域の作製をCVD 法( プラズマCVD 法
を含む）により薄膜のディポジッションを行うのではな
くイオン注入等により添加し、かつその添加物を400 ℃
以下の水素またはハロゲン元素が脱気しない温度範囲で
のアニ−ルにより活性のドナ−またはアクセプタとしな
ければならない。加えて、ソース領域およびドレイン領
域、特にドレイン領域とチャネル形成領域との間での逆
耐圧の向上が求められている。以上のような問題を解決
するために、本発明は、オフ電流が少なく、かつオン、
オフを高速応答で行うことができる絶縁ゲート型電界効
果半導体装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上のような問題を解決
するために、本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置
におけるチャネル形成領域は、水素またはハロゲン元素
が添加された非単結晶半導体よりなり、当該非単結晶半
導体に隣接するソ−スおよびドレインを構成する一対の
不純物領域は、前記チャネル形成領域の半導体に比べて
結晶化が助長されて設けられたことを特徴とする。ま
た、本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体装置は、水素
またはハロゲン元素が１原子％以上の濃度に添加された
チャネル形成領域と、当該チャネル形成領域以外の全て
の領域に結晶化を助長させた非単結晶半導体層からなる
ソース領域およびドレイン領域と、前記チャネル形成領
域上に絶縁膜を介して形成されたゲート電極とから構成
される。

【０００７】本発明の課題を解決するための手段を具体
的に例示すると次のようになる。チャネル形成領域を構
成する非単結晶半導体は、酸素、炭素、および窒素のい
ずれかが５×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であり、不純物の添加の
ない、またはきわめて少ないＩ型非単結晶半導体（以下
水素またはハロゲン元素が添加された非単結晶半導体を
単に半導体または非単結晶半導体と略記する）上にゲー
ト絶縁膜およびその上にゲート電極が選択的に設けられ
た。さらに、このゲート電極をマスクとしてイオン注入
法等によりソ−ス、ドレイン用の不純物を添加した、た
とえばＮチャネル型絶縁ゲート型電界効果半導体装置で
は、リンまたは砒素、Ｐチャネル型絶縁ゲート型電界効
果半導体装置では、ホウ素を非単結晶半導体のソース、
ドレイン領域の内部にそれぞれ添加した。

【０００８】この後、この不活性の不純物が添加された
領域を含み、基板上面の全ての領域に対し、400 ℃以下
の温度で強光照射をし、強紫外光アニ−ル（以下単に光
アニ−ルという）を行う。かくして、ゲート電極により
遮光されたチャネル形成領域を除き、全ての非単結晶半
導体層に対し、光照射を行なう。その結果、ソース領域
およびドレイン領域用の不純物領域を構成する非単結晶
半導体層は、全て光照射され、それらの領域は、水素ま
たはハロゲン元素が添加残存し、かつ結晶化度がチャネ
ル形成領域よりも助長された半導体、特に著しくは多結
晶または単結晶構造の半導体に変成せしめた。加えて、
この結晶化をチャネル形成領域にまで延在させることに
よりＰＩ接合またはＮＩ接合を結晶化度の高い領域とし
たものである。かくすることにより、チャネル形成領域
は、オフ電流を少なくするための水素またはハロゲン元
素が添加された非単結晶半導体と接合部での耐圧の向上
（アバランシェブレイクダウン電圧の向上）用に多結晶
または単結晶領域をＰＩ接合またはＮＩ接合界面近傍に
設けたものである。

【０００９】

【作用】その結果、本発明の絶縁ゲート型電界効果
半導体装置の構造は、ソース領域およびドレイン領域、
特にドレイン領域の接合耐圧を単結晶半導体と同様に高
くすることができ、従来のアモルファス半導体を含む薄
膜トランジスタに比べ２０Ｖ近くも向上させることがで
きた。加えて、ゲート電極が基板上のチャネル形成領域
を構成する非単結晶半導体の上方に設けられた。また、
本発明の不純物領域は、この非単結晶半導体の光学的エ
ネルギー( 珪素半導体の場合1.7 〜1.8eV)に対し1.6 〜
1.8eV と殆ど同じ光学的エネルギーを有し、かつ活性領
域となった。かくのごとく光学的エネルギーがチャネル
形成領域と同じまたは概略同じであるため、絶縁ゲート
型電界効果半導体装置の「ON」、「OFF 」に対しオン電
流が立ち上がり時に流れにくかったり、また他方、電流
が立ち下がり時にダラダラ流れてしまったりすることが
ない。すなわち、本発明の絶縁ゲート型電界効果半導体
装置は、オフ電流が少なく、かつオン、オフを高速応答
で行うことができた。以下に実施例により本発明を説明
する。

【００１０】

【実施例】図 1は本発明の一実施例である絶縁ゲー
ト型電界効果半導体装置の製造工程を説明するための縦
断面図である。図 1において、基板(1) は、たとえば石
英ガラスからなり、図 1(A) に示すごとく、その厚さを
1.1 ｍｍとし、大きさを10ｃｍ×10ｃｍとした。この
基板(1) の上面には、シラン(SiH₄)のプラズマCVD(高周
波数13.56MHz、基板温度210 ℃) により、水素が１原子
％以上の濃度に添加されたアモルファス構造を含む非単
結晶半導体(2) が、たとえば0.2 μｍの厚さに形成され
た。さらに、この非単結晶半導体(2) の上面には、光CV
D 法により、たとえば窒化珪素膜からなるゲート絶縁膜
(3) が積層された。すなわち、ゲート絶縁膜(3) は、ジ
シラン（Si₂H₆）とアンモニア（ＮＨ₃）、またはヒド
ラジン（Ｎ₂Ｈ₄）との反応( 2537Åの波長を含む低圧
水銀灯、基板温度250 ℃) により、Si₃N₄を水銀増感法
を用いることなしに1000Åの厚さに作製された。

【００１１】この後、絶縁ゲート型電界効果半導体装置
を形成する領域(5) を除いた部分は、プラズマエッチン
グ法により除去された。プラズマエッチング反応は、CF
₄＋O₂(5%)の反応性気体を導入すると共に、図示されて
いない平行平板電極に周波数13.56MHzを印加して、室温
で行われた。ゲート絶縁膜(3) は、必要に応じて、前記
基板(1) の全面にわたって形成される。そして、ゲート
絶縁膜(3) 上には、N ⁺の導電型の微結晶または多結晶
半導体が0.3 μｍの厚さに積層された。このN ⁺の半導
体膜は、レジスト膜(6) を用いてフォトエッチング法で
非所望な部分が除去され、ゲート電極(4) となる。その
後、このレジスト膜(6) と、N⁺半導体のゲート電極(4)
と、ゲート絶縁膜(3) とからなるゲート部をマスクとし
て、ソ−ス、ドレインとなる領域には、イオン注入法に
より、１×10²⁰ｃｍ^-3の濃度に図 1(B) に示すごとく、
一導電型の不純物、たとえばリンが添加され、一対の不
純物領域(7) 、(8) となった。

【００１２】さらに、基板(1) は、その全体に対し、ゲ
ート電極(4) のレジスト膜(6) が除去された後、強紫外
光(10)の光アニ−ル処理が行われた。すなわち、超高圧
水銀灯（出力5KW 、波長250 〜600 ｎｍ、光径15ｍｍ、
長さ180 ｍｍ) に対し裏面側は、放物面の反射鏡を用い
前方に石英のシリンドリカルレンズ（焦点距離150 ｃ
ｍ、集光部幅2 ｍｍ、長さ180 ｍｍ) により、線状に照
射部を構成した。この照射部に対し基板(1) の照射面
は、線状の照射部に対して直交する方向に、5 〜50ｃｍ
/ 分の速度、たとえば１０ｃｍ／分の速さで走査(スキ
ャン) され、基板10ｃｍ×10ｃｍの全面に強紫外光(10)
が照射されるようにした。ゲート電極(4) は、ゲート電
極(4) 側にリンが多量に添加されているため、十分光を
吸収し多結晶化した。

【００１３】また、不純物領域(7) 、(8) は、一度溶融
し再結晶化することにより走査する方向、すなわち、Ｘ
方向に溶融、再結晶をシフト（移動）させた。その結
果、単に全面を均一に加熱または光照射するのみに比
べ、成長機構が加わるため結晶粒径を大きくすることが
できた。絶縁基板上に選択的に非単結晶半導体が形成さ
れ、この非単結晶半導体のゲート電極で覆われたチャネ
ル形成領域を除き、他部の非単結晶半導体は、ソース領
域またはドレイン領域の全ての非単結晶半導体の結晶化
を助長せしめることができる。

【００１４】この強光アニ−ルにより多結晶化した領域
は、不純物領域(7) 、(8) の下側の全領域にまで及ぼし
めた。この図面に示されるごとく、その底面は、基板
(1) 上にまで至り、線(11)、(11') で示したごとく、不
純物領域(7) 、(8) の接合界面(17)、(17') よりもチャ
ネル形成領域に0.3 μｍないし３μｍの深さにわたって
設けられ、ホモロジ的な界面は、ゲート電極下に設けら
れている。すなわち、その界面は、ゲート電極の端部(1
6)、(16') よりもチャネル形成領域内側にわたって設け
られている。かくのごとく、Ｎ型不純物領域 (7)、(8)
、Ｉ型非単結晶半導体領域(2) 、接合界面(17)、(17')
が結晶化領域内部に設けられているため、逆バイアス
に対し接合の破壊電圧が大きくなり、高耐圧絶縁ゲート
型電界効果半導体装置を作ることができた。このＩ型半
導体領域内の結晶化半導体の程度は、光アニ−ルの走査
スピ−ド、強度（照度）によって決められる。

【００１５】図 1（Ｂ）の工程の後、ポリイミド樹脂
は、全面に２μｍの厚さにコ−トされる。そして、ポリ
イミド樹脂には、電極穴(13)、(13') が形成された後、
アルミニュ−ムのオ−ムコンタクトおよびそのリ−ド(1
4)、(14') が形成される。このコンタクトの一方は、ソ
ース領域上面に、また他方は、ドレイン領域上面および
側面に形成されている。このコンタクトは、一部ガラス
基板上にまでわたって設けられており、電極穴(13)、(1
3') を大きく形成することができる。このため、ソース
領域およびドレイン領域の外側に不要の非晶質領域がな
いことが特徴である。また、液晶ディスプレイでの液晶
表示素子の制御用絶縁ゲート型電界効果半導体装置とし
ての実行面積を少なくし、結果として開口率の向上をは
かることができる。２層目のリード(14)、(14') は、形
成する際に、ゲート電極(4) と連結してもよい。この光
アニ−ルの結果は、不純物領域のシ−ト抵抗が光照射前
の４×10^-3( オームｃｍ) ^-1から１×10⁺²( オームｃ
ｍ) ^-1に比べ光アニールの後の電気伝導度特性の変化に
より明らかにすることができた。

【００１６】図２は本発明の実施例によるドレイン電流
─ドレイン電圧の特性を示す図である。チャネル形成領
域の長さが10μｍの場合、チャネル幅が１ｍｍの条件
下において、６０Ｖまで作ることができた。これはゲー
ト電圧Ｖ_GG＝１０Ｖとした時の条件である。これはこの
接合領域がアモルファス構造の従来例の絶縁ゲート型電
界効果半導体装置が３０Ｖないし５０Ｖと大きくばらつ
くことを考えると、大きな進歩であった。本実施例は、
下側から漸次被膜を形成し加工するという製造工程を採
用したため、大面積大規模集積化を行うことが可能にな
った。そのため、大面積たとえば、30ｃｍ×30ｃｍのパ
ネル内に５００個×５００個の絶縁ゲート型電界効果半
導体装置の作製すらも可能とすることができ、液晶表示
素子の制御用絶縁ゲート型電界効果半導体装置として応
用することができた。

【００１７】光アニ−ルプロセスにより多結晶化または
単結晶化した半導体をチャネル形成領域にまで延在させ
た。このためドレイン耐圧を従来より２０Ｖ以上向上さ
せることができるようになった。この光アニ−ルは、紫
外線で行うため、非単結晶半導体の表面より内部方向へ
の結晶化を助長させた。このため、十分に多結晶化また
は単結晶化された表面近傍の不純物領域は、チャネル形
成領域におけるゲート絶縁膜のごく近傍に流れる電流制
御を支障なく行うことが可能となった。

【００１８】基板として単結晶半導体を全く用いない。
このため、光照射アニ−ル工程に際し、チャネル形成領
域のソース領域およびドレイン領域より離れた内部は、
全く何ら影響を受けず、非単結晶半導体の状態を保持で
きるため、オフ電流を単結晶半導体の1/10³〜1/10⁵に
することができる。ソ−ス領域およびドレイン領域は、
ゲート電極を作った後、光アニ−ルで作製するため、ゲ
ート絶縁物界面に汚物が付着せずに、特性を安定させ
る。さらに、従来より公知の方法に比べ、基板材料とし
て石英ガラスのみならず任意の基板であるソ−ダガラ
ス、耐熱性有機フィルムをも用いることができる。異種
材料界面であるチャネル形成領域を構成する非単結晶半
導体─ゲート絶縁膜−ゲート電極の形成は、同一反応炉
内でのプロセスにより、大気に触れさせることなく作り
得るため、界面凖位の発生が少ないという特長を有す
る。

【００１９】なお、本実施例において、チャネル形成領
域の非単結晶半導体の酸素、炭素および窒素のいずれも
が５×10¹⁸ｃｍ^-3以下の不純物濃度であることが重要で
ある。すなわち、これらが従来公知の絶縁ゲート型電界
効果半導体装置においては、チャネル層に１〜3 ×10²⁰
ｃｍ^-3の濃度に混合している。この従来例における非単
結晶半導体を用いるＰチャネル型絶縁ゲート型電界効果
半導体装置は、本実施例における絶縁ゲート型電界効果
半導体装置の有する特性の１／３以下の電流しか流れな
い。そして、上記従来例における非単結晶半導体を用い
た絶縁ゲート型電界効果半導体装置のヒステリシス特性
は、Ｉ_DD─Ｖ_GG特性にドレイン電界を２×10⁶V/ ｃｍ以
上加える場合に観察されてしまった。また、本実施例の
ように、非単結晶半導体中の酸素を５×10¹⁸ｃｍ^-3以下
とすると、３×10⁶V/ ｃｍの電圧においてもヒステリシ
スの存在が観察されなかった

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、チャネル形成領域以外
の非単結晶半導体層を全て結晶化を助長させるため、電
流が流れ難い非晶質部分がなく、絶縁ゲート型電界効果
半導体装置のスイッチング特性は、高い周波数において
追従できる。また、本発明によれば、ソース領域および
ドレイン領域周辺に非晶質からなる電流が流れ難く、か
つ一旦電流を蓄えると流出し難い領域がないため、ゲー
ト電圧対ドレイン電流の特性にヒステリシスが出ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である絶縁ゲート型電界効果
半導体装置の製造工程を説明するための縦断面図であ
る。

【図２】ドレイン電流─ドレイン電圧の特性を示す図で
ある。

【符号の説明】

１・・・基板２・・・非単結晶半導体３・・・ゲート絶縁膜４・・・ゲート電極５・・・絶縁ゲート型電界効果半導体装置を形成する領
域６・・・レジスト膜７、８・・・不純物領域１０・・・強紫外光１１、１１′・・・線１３、１３′・・・電極穴１４、１４′・・・リード１５、１５′・・・ソース領域およびドレイン領域の端
部１６、１６′・・・ゲート電極の端部１７、１７′・・・接合界面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁ゲート型電界効果トランジスタのチ
ャネル形成領域は、水素またはハロゲン元素が添加され
た非単結晶半導体よりなり、該非単結晶半導体に隣接す
るソ−スおよびドレインを構成する一対の不純物領域
は、前記チャネル形成領域の半導体に比べて結晶化が助
長されて設けられ、かつ当該結晶化が助長されて設けら
れた領域は、前記ゲート電極下のチャネル形成領域の内
部にわたって設けられたことを特徴とする絶縁ゲート型
電界効果半導体装置。
【請求項２】水素またはハロゲン元素が１原子％以上
の濃度に添加されたチャネル形成領域と、当該チャネル形成領域以外の全ての領域に結晶化を助長
させた非単結晶半導体層からなるソース領域およびドレ
イン領域と、前記チャネル形成領域上に絶縁膜を介して形成されたゲ
ート電極と、からなることを特徴とする絶縁ゲート型電界効果半導体
装置。