JPH06163896A - 絶縁ゲイト型半導体装置とその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アルミニウムゲイトを有する薄膜絶縁ゲイト
型電解効果トランジスタにおいて、チャネルへの可動イ
オンの侵入を防止することと、層間の配線の接続を容易
にする方法を提供することを目的とする。 【構成】 ゲイト電極の表面が陽極酸化されたアルミニ
ウムゲイトを有する薄膜絶縁ゲート型電解効果トランジ
スタにおいて、ゲイト電極とゲイト絶縁膜の間に窒化珪
素膜が挟まれた構造を有せしめることによって、チャネ
ルへの可動イオンの侵入を防止し、さらに、陽極酸化の
際に、特定の部分をクロム等の金属材料で覆って陽極酸
化したのち、クロムのみを、その陽極酸化物とともに除
去することによって、下地の金属アルミニウムの露出し
た部分を形成し、その部分に上部の配線を接続させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、絶縁ゲイト型半導体装
置、特に薄膜状の絶縁ゲイト型電解効果トランジスタ
（ＴＦＴ）の構造およびその作製方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、薄膜状絶縁ゲイト型電界効果トラ
ンジスタ（ＴＦＴ）が盛んに研究されている。例えば、
本発明人等の発明である特願平３−２３７１００や同３
−２３８７１３には、ゲイト電極として、アルミニウム
を使用し、その周囲を陽極酸化法によって形成した酸化
アルミニウムで覆い、ソース／ドレイン領域をレーザー
アニールによって再結晶化せしめる作製方法およびＴＦ
Ｔが記述されている。

【０００３】このようなＴＦＴは、従来のシリコンゲイ
トＴＦＴやタンタルやクロムのような高融点金属をゲイ
ト電極としたＴＦＴに比較して優れた特性を示した。し
かしながら、その特性を再現性よく得ることは困難であ
った。

【０００４】原因の１つは、外部からのナトリウム等の
可動イオンの侵入によるものであった。特にアルミニウ
ムゲイト電極の形成（スパッタ法や電子ビーム蒸着法が
使用される）やその後の陽極酸化の際に、外部からナト
リウムが侵入する危険があった。特にスパッタ法では、
ナトリウムの汚染が大きかった。しかしながら、スパッ
タ法は電子ビーム蒸着法よりも量産性に優れた方法であ
るので、コスト削減のためにはぜひとも使用することが
望まれた方法であった。

【０００５】ナトリウムは、リンガラス等によってブロ
ッキングされ、また、ゲッタリングされることが知られ
ていた。したがって、ゲイト絶縁膜をリンガラスで形成
することが一般にはおこなわれていた。しかしながら、
リンガラスを上記の特許の目的とする低温で作製するこ
とは困難であった。また、リンガラスをこのような低温
で作製しようとすれば、酸化珪素のゲイト絶縁膜に、例
えばイオンドーピング法によって注入すると、ゲイト絶
縁膜中に多くの欠陥が生じ、かえって、ＴＦＴの特性を
劣化させてしまうことがあった。

【０００６】また、上記特許においては、ゲイト配線の
周囲に酸化アルミニウムが形成される。これは、その上
の配線層との絶縁性を高め、また、レーザーアニール処
理時においては、ゲイト電極を保護するという役目を持
つのであるが、これにコンタクトホールを形成すること
は極めて難しい。すなわち、酸化アルミニウムを量産性
のよいウェットエッチング法でエッチングする場合に
は、エッチャントは、層間絶縁物として使用される酸化
珪素をもエッチングし、しかも、酸化珪素の方がエッチ
ング速度が大きいからである。このため、反応性イオン
エチッング法のごとき、気相エッチング法を用いざるを
得なかった。

【０００７】さらに、陽極酸化は１００〜３００Ｖもの
高電圧を必要とし、ゲイト絶縁膜の破壊が懸念される。
すなわち、上記特許に示された技術範囲では、半導体被
膜の上にゲイト絶縁膜が形成され、その上にゲイト電極
が存在するのであるが、陽極酸化時には、正に帯電した
ゲイト電極と浮遊状態の半導体被膜の間に電圧が生じ、
ゲイト電極上の陽極酸化膜が厚くなって、ゲイト電極と
電解溶液間の抵抗が大きくなるにつれ、ゲイト電極から
ゲイト絶縁膜、半導体被膜を介して電解溶液に流れる電
流が増加する。そして、この電流のためにゲイト電極が
破壊されてしまうことがある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
現状を鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は
外部からの可動イオンの侵入を防ぎ、また、陽極酸化膜
で覆われたアルミニウム配線へのコンタクトの形成を容
易にするＴＦＴの構造、作製方法を提供するものであ
る。さらに、ゲイト絶縁膜の破壊を防止して、信頼性を
向上させることを課題とする。

【０００９】

【問題を解決するための手段】本発明の１つは、アルミ
ニウムゲイト電極とゲイト絶縁膜の間に窒化珪素膜を介
在させるものである。窒化珪素の組成はシリコンを１と
したとき、窒素の比率は１から４／３、より好ましくは
１．２から４／３の間が望ましい。もちろん、窒素とシ
リコン以外に水素や酸素が添加されていてもよい。

【００１０】この窒化珪素被膜は、ナトリウム等の可動
イオンをブロッキングする効果があるので、ゲイト電極
その他からチャネル領域に可動イオンが侵入することを
防止する効果を有するだけでなく、通常のゲイト絶縁膜
である酸化珪素に比べて、導電性がよいのでゲイト電極
と、その下の半導体領域（チャネル領域）との間に過剰
な電圧がかからず、ゲイト絶縁膜の破壊が防げるという
特徴をも有する。

【００１１】したがって、半導体領域とゲイト絶縁膜を
形成し、その後に、前記窒化珪素膜を形成し、しかる後
にゲイト電極を形成するためのアルミニウム電極を形成
する。アルミニウム電極を陽極酸化している間には、こ
の窒化珪素膜は、基板全面にわたって、一体として存在
していると、基板全面にわたって、陽極電位がほぼ一定
に保たれるので望ましい。

【００１２】本発明の他の１つは、アルミニウムによっ
て、のちにその表面が陽極酸化されるゲイト電極とそれ
から延在する配線において、コンタクトを形成する必要
がある部分に、アルミニウムとは異なる材料で出来た、
陽極酸化に対してマスク作用を有する材料によって覆っ
ておくことである。前記材料としては、クロム、金、チ
タン、シリコン、酸化インジウム、酸化チタン、酸化イ
ンジウム−チタン、酸化亜鉛等が適している。

【００１３】このような材料で覆われた部分において
は、陽極酸化の際には、表面にはこれらの材料の酸化物
が形成されるか、あるいは新たな酸化物は形成されない
かのいずれかである。例えば、クロムやチタンの場合に
は前者であり、金、酸化チタン、酸化インジウム等は後
者である。

【００１４】陽極酸化の後に、これらの材料だけを選択
的にエッチングしてやれば、ゲイト配線の金属アルミニ
ウムの表面が露出する。したがって、コンタクトホール
を形成することが容易におこなえる。また、本発明は陽
極酸化を行う上でも都合のよいものである。すなわち、
陽極酸化においては、全てのゲイト電極・配線が接続さ
れて、正の電位に保たれる必要があった。しかしなが
ら、実際に回路として使用される際には、全てのゲイト
電極・配線が、一体化していては機能しないので、必要
に応じて配線を切断し、再度、配線を接続する必要があ
った。この技術は典型的には、本発明人等の発明である
特願平３−３４８１３０に記述される。

【００１５】そのためには、（１）ゲイト配線の形成、
（２）陽極酸化後のゲイト配線のパターニング、（３）
ゲイト配線の再接続、という３つのフォトリソグラフィ
ーの工程が必要であった。しかも（３）の工程は、上述
の通り、酸化アルミニウムのエッチングが困難であるこ
とから、コンタクトホールを形成することは容易ではな
かった。

【００１６】しかし、本発明を利用すれば、（１）ゲイ
ト配線の形成、（２）陽極酸化用の配線の形成、（３）
ゲイト配線の再接続、とやはり３つのフォトリソグラフ
ィー工程でまかなえる。ここで、陽極酸化用の配線と
は、各ＴＦＴのゲイト電極に陽極酸化のための電流を供
給する為だけの配線であり、これは、先の材料によって
形成され、そのエッチングは選択的におこなえるので、
フォトリソグラフィー工程は不要である。しかも、この
陽極酸化用の配線を除去した後には、ゲイト配線の表面
が露出しているので、その上にゲイト配線を接続する為
の配線を形成することも容易である。以下に実施例を示
し、より詳細に本発明を説明する。

【００１７】

【実施例】

〔実施例１〕図１には本実施例の作製工程断面図を示
す。なお、本実施例の詳細な条件は、本発明人らの出願
した特願平３−２３７１００とほとんど同じであるの
で、特別には詳述しない。まず、基板１０１として日本
電気硝子社製のＮ−０ガラスを使用した。このガラスは
歪温度が高いけれども、リチウムが多く含まれ、また、
ナトリウムもかなりの量が存在する。そこで、基板から
のこれら可動イオンの侵入を阻止する目的で、プラズマ
ＣＶＤ法もしくは減圧ＣＶＤ法で窒化珪素膜１０２を厚
さ１０〜５０ｎｍだけ形成する。さらに、下地の酸化珪
素皮膜１０３を厚さ１００〜８００ｎｍだけ、スパッタ
法によって形成した。その上にアモルファスシリコン被
膜をプラズマＣＶＤ法によって２０〜１００ｎｍだけ形
成し、６００℃で１２〜７２時間、窒素雰囲気中でアニ
ールし、結晶化させた。さらに、これをフォトリソグラ
フィー法と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によっ
てパターニングして、図１（Ａ）に示すように島状の半
導体領域１０４（ＮチャネルＴＦＴ用）と１０５（Ｐチ
ャネルＴＦＴ用）とを形成した。

【００１８】さらに、酸化珪素をターゲットとする酸素
雰囲気中でのスパッタ法によって、ゲイト酸化膜１０６
を厚さ５０〜２００ｎｍだけ堆積した。さらに、窒化珪
素膜１０７をプラズマＣＶＤ法もしくは減圧ＣＶＤ法に
よって、厚さ２〜２０ｎｍ、好ましくは８〜１１ｎｍだ
け堆積した。

【００１９】次に、スパッタリング法もしくは電子ビー
ム蒸着法によってアルミニウム被膜を形成して、これを
混酸（５％の硝酸を添加した燐酸溶液）によってパター
ニングし、ゲイト電極・配線１０８〜１１１を形成し
た。このようにして、ＴＦＴの外形を整えた。さらに、
その上に、クロム膜をスパッタ法によって厚さ１００〜
３００ｎｍだけ形成し、図１（Ａ）のようにパターニン
グして、クロムの領域１１２と１１３を形成した。

【００２０】さらに、電解溶液中でゲイト電極・配線１
０８〜１１１に電流を通じ、陽極酸化法によって、酸化
アルミニウム膜１１４〜１１７を形成した。このときに
は、クロムで覆われた部分の表面には酸化アルミニウム
は形成されなかった。陽極酸化の条件としては、本発明
人等の発明である特願平３−２３７１００に記述された
方法を採用した。ここまでの様子を図１（Ｂ）に示す。

【００２１】次に、クロム領域１１２と１１３をエッチ
ングし、さらに、反応性イオンエッチング法によってゲ
イト電極・配線部の下に存在するもの以外の窒化珪素１
０７を除去した。さらに、公知のイオン注入法によっ
て、半導体領域１０４にはＮ型の不純物を、半導体領域
１０５にはＰ型の不純物を注入し、Ｎ型不純物領域（ソ
ース、ドレイン）１１８とＰ型不純物領域１１９を形成
した。この工程は公知のＣＭＯＳ技術を使用した。

【００２２】このようにして、図１（Ｃ）に示されるよ
うな構造が得られた。なお、当然のことながら、このよ
うなイオン注入によって不純物の注入された部分の結晶
性は著しく劣化し、実質的に非結晶状態（アモルファス
状態、あるいはそれに近い多結晶状態）になっている。
そこで、レーザーアニールによって結晶性を回復させ
た。この工程は、６００〜８５０℃の熱アニールによっ
てもよい。レーザーアニールの条件は、例えば、特願平
３−２３７１００に記述されたものを使用した。

【００２３】このようにして、素子の形状を整えた。そ
の後は、通常のように、酸化珪素のスパッタ成膜によっ
て層間絶縁物１２０を形成し、公知のフォトリソグラフ
ィー技術によって電極用孔を形成して、半導体領域ある
いはゲイト電極・配線の表面を露出させ、最後に、第２
の金属被膜（アルミニウムあるいはクロム）を選択的に
形成して、これを電極・配線１２１〜１２５とした。こ
こで、第１の金属配線１０８、１１１は、第２の金属配
線１２１、１２５とそれぞれ点Ｐ、Ｑでコンタクトす
る。

【００２４】〔実施例２〕本発明人らの発明であり、平
成４年２月２５日出願の『薄膜状絶縁ゲイト型半導体装
置およびその作製方法』（出願人、株式会社半導体エネ
ルギー研究所、整理番号Ｐ００２０４２−０１乃至Ｐ０
０２０４４−０３、以上３件）に記述される２層のチャ
ネルを有するＴＦＴに関して、本発明を適用した例を図
２に示す。

【００２５】すなわち、図２において、２０１はＮチャ
ネルＴＦＴ、２０２はＰチャネルＴＦＴであり、そのチ
ャネル領域の第１の層２０８、２１０はいずれも実質的
にアモルファスシリコンからなっている。その厚さは２
０〜２００ｎｍであった。

【００２６】また、２０７、２０９は実質的に多結晶も
しくはセミアモルファス状態のシリコンで、その厚さは
２０〜２００ｎｍである。さらに、２０４、２０６は酸
化珪素からできたゲイト絶縁膜であり、厚さは５０〜３
００ｎｍである。そして、２０３、２０５は実施例１と
同じように形成された厚さ２〜２０ｎｍの窒化珪素膜で
ある。これらの構造については、上記の特許出願あるい
は実施例１の記述に基づいて作製された。

【００２７】〔実施例３〕本発明を利用して、陽極酸化
とその後の配線をおこなう例を図３に示した。まず、基
板３０１上に、実施例１のように島状の半導体領域３０
２を複数形成し、ゲイト絶縁膜、および必要によっては
本発明の窒化珪素膜を形成した後、アルミニウムでゲイ
ト電極・配線３０３をパターニングした。（図３
（Ａ））

【００２８】次に、陽極酸化用の配線３０４をクロムに
よって形成し、ゲイト電極・配線間を接続した。クロム
膜の条件は実施例１と同じとした。（図３（Ｂ）） そして、実施例１と同じ条件で、クロム配線３０４を正
電位に保って陽極酸化をおこない、陽極酸化膜３０５を
ゲイト電極・配線の表面に形成した。（図３（Ｃ）） 次にクロム配線を実施例１と同じ条件で除去し、ゲイト
配線の表面３０６を露出せしめた。（図３（Ｄ））

【００２９】不純物ドープ、層間絶縁物の形成、コンタ
クトホールの形成を実施例１と同様におこなった後、第
２の金属配線３０７をアルミニウムによって形成した。
このときには、ゲイト配線と第２の金属配線３０７とは
図の３０８においてコンタクトする。（図３（Ｅ））

【００３０】

【発明の効果】以上のように、ゲイト電極とゲイト絶縁
膜の間に窒化珪素膜を形成することによって、可動イオ
ンの侵入を防止し、また、ゲイト電極の陽極酸化時のゲ
イト絶縁膜の破壊を防止することができた。

【００３１】また、ゲイト電極・配線に密着して、陽極
酸化に対してマスクとなる導電性の被膜を選択的に設け
て、陽極酸化をおこない、陽極酸化終了後にそれを除去
することによって、陽極酸化後のゲイト配線へのコンタ
クトの形成を容易にすることができた。また、この技術
を陽極酸化にうまく適用することによって、その後の配
線接続工程を簡略化することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体装置の作製工程図（断面）
を示す。

【図２】従来例による半導体装置の構造例を示す。

【図３】本発明による半導体装置の作製工程図（平面）
を示す。

【符号の説明】

１０１ 絶縁基板 １０２ ブロッキング層（窒化珪素） １０３ ブロッキング層（酸化珪素） １０４ 半導体領域（ＮチャネルＴＦＴ
用） １０５ 半導体領域（ＰチャネルＴＦＴ
用） １０６ ゲイト絶縁膜 １０７ 窒化珪素膜 １０８〜１１１ ゲイト電極・配線（アルミニウ
ム） １１２、１１３ クロム配線 １１４〜１１７ 陽極酸化物層 １１８ Ｎ型不純物領域 １１９ Ｐ型不純物領域 １２１〜１２５ 第２層金属配線（アルミニウ
ム） Ｐ、Ｑ ゲイト電極・配線と第２層金属
配線のコンタクト

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成４年４月７日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２１】次に、クロム領域１１２と１１３を、例え
ば硝酸セリウムアンモニウム等のクロムのエッチャント
によってエッチングし、さらに、反応性イオンエッチン
グ法によってゲイト電極・配線部の下に存在するもの以
外の窒化珪素１０７を除去した。さらに、公知のイオン
注入法によって、半導体領域１０４にはＮ型の不純物
を、半導体領域１０５にはＰ型の不純物を注入し、Ｎ型
不純物領域（ソース、ドレイン）１１８とＰ型不純物領
域１１９を形成した。この工程は公知のＣＭＯＳ技術を
使用した。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上に少なくとも半導体層、絶縁
   膜層およびアルミニウムからなるゲイト電極を有する絶
   縁ゲイト型電界効果トランジスタにおいて、絶縁膜層
   は、酸化珪素層と窒化珪素層とからなることを特徴とす
   る絶縁ゲイト型半導体装置。
2. 【請求項２】 絶縁基板上にアルミニウムからなる第１
   の導体層を形成する工程と、第１の導体層に密着して、
   アルミニウムとは異なる材料からなる第２の導体層を選
   択的に形成する工程と、前記第１の導体層および第２の
   導体層に電解溶液中で電流を通じて、第１の導体層の表
   面に酸化アルミニウムを主体とする第１の酸化物層を形
   成する工程と、前記第２の導体層を除去する工程と、第
   ２の酸化物層を形成する工程と、前記第２の酸化物を選
   択的にエッチングして、第１の導体層に達するコンタク
   トホールを形成する工程と、第３の導体層を形成する工
   程とを有することを特徴とする絶縁ゲイト型半導体装置
   の作製方法。
3. 【請求項３】 絶縁基板上に半導体領域を形成する形成
   する工程と、前記半導体領域上に、酸化珪素を主体とす
   る第１の絶縁被膜を形成する工程と、前記第１の絶縁被
   膜上に窒化珪素主体とする第２の絶縁被膜を形成する工
   程と、前記第２の絶縁被膜上にアルミニウムを主体とす
   る金属被膜を形成する工程と、前記金属被膜に、電解溶
   液中で電流を通じて、その表面に酸化アルミニウムを主
   体とする酸化物層を形成する工程とを有することを特徴
   とする絶縁ゲイト型半導体装置の作製方法。