JPS58132973A - 絶縁ゲイト型電界効果半導体装置およびその作製方法 - 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】 本発明は絶縁ゲイト型電界効果半導体装置（以下単に工
ＧＦＥＴという）およびその複合化させた半導体装置お
よびその作製方法に関するものであって、プラズマ気相
法を用いることによって積層して形成される非単結晶半
導体を用い、かつそのチャネル長を０．１〜３μとマイ
クロチャネル化することを目的としている０従来工ＧＦ
ＫＴにおいては、チャネルは横方向に形成され、その基
本要素としてソース、ゲイト、ドレインがある。しかし
この場合、ソースとドレインが基板の表面に平行に横方
向に配置されており、そのソース、ドレイン間を流れる
横方向電流をその間に設けられたゲイトによ多制御する
ものである。

しかしプラズマ気相法（グローまたはアーク放電を利用
して室温〜５００°Ｃ代表的には１５０〜３００″Ｃの
低温で非単結晶の半導体を形成せしめる気相法を以下単
にＰＣＶＤという）を用いる場合の層の形成される方向
に基板より上方向に積層されることをその技術思想とし
ており、従来より知られた横チャネル型のソース、ドレ
インが横方向に配置された構造においては、チャネル長
を２０〜４０μ以下にすることは不可能であった。しか
しこのｐｃｖｐで作られた半導体は、そのキャリアであ
る電子またはホールの移動度が単結晶の１／１０〜１／
１０ときわめて小さいため、チャネル長を２μ以下好ま
しくは０．１〜１μにすることは周波数特性の向上のた
めに必要不可欠であった。

またｐｃｖｐ法で作られた非単結晶半導体代表的るセミ
アモルファス（半非晶質、以下ＳＡＳという）または５
〜２００Ａの大きさの結晶のマイクロポリクリスタル（
以下ＭＰＳという）を総称する水素またはフッ素の如き
ノーロゲン元素が０．０１〜２０モルチ添加された非単
結晶半導体（以下Ｎ５Ｏ８という）Ｋあっては、その形
成温度が２００〜３０００Ｃであることを考慮しても、
その密度が単結晶能であった。さらに基板側からの光照
射を利用するフォトセンサ機能を有する高速応答光応答
高出力高増巾ディバイスを作ることも不可能であった。

本発明はかかるＮ５Ｏ８の種々の特性を考慮してソース
、ドレインはたて方向いわゆる積層方向に設け、チャネ
ルは高い電圧にすると横方向にひろがる構造の工ＧＦＥ
Ｔを提案するにある。

かかる構造とすることによ、９、Ｎ５Ｏ８においてもチ
ャネル形成領域でのゲイト絶縁膜との界面が高い電流密
度とならないため、大電流用ノくワードランうメン；に
Ｉｃｒｂることができる。加えて第１の半導体層もドレ
インとし、Ｎｆ型とし、さらにその上面に第２の半導体
層をＮ型の半導体と工型半導体とを積層して設けること
によシ、また第２の半導体層を工層−Ｐ一層−工層と三
層構造とするこ１とによシ、逆方向リークを少なくし５
０Ｖ以上の高耐圧を成就することができた。

以下に図面に従って本発明の特徴、技術思想を示す。

第１図は本発明の積層型の工ＧＦＥＴの製造工程をその
完成図のたて断面（０）　（Ｄ）とともに示す。

図面において第１図（Ａ）は絶縁性基板例えばアルミナ
、ガラス、グレイズドセラミックス（１）上（ガラス）
とし、この導電層に透光性を必要とする時は、■Ｔｏ（
酸化インジューム、酸化スズ混合体）、酸化スズまたは
その多層膜とした。またいわゆるパワートランジスタと
するには、耐熱性のみを必要とする場合はクロム、ニッ
ケルモリブデンなどを印刷法またはスパッタ法によシ形
成させて、さらにステンレス、アルミニュームその他耐
熱金属を基板として用いた。

この後この上面にＮｏまたはＰ９型のＮ５ＣｓをＰＣＶ
Ｄ法によｐ　ｏ、　ｏ１〜１μの厚さに形成した。この
ＰＣＶＤ法は０．０１〜１ｔＯｒｒの圧力中の反応炉内
に基板を配置し、室温〜５００°Ｏ代表的には１５０〜
３５０”Ｃに加熱させ、加えてキャパシタンスまたはイ
ンダクテイプ方式によシ高周波エネルギを加え、反応炉
内にプラズマ状態のグローまたはアーク放電を発生せし
めたものである。かくすると、この反応炉内に導入され
そ半導体気体例えばフッ化珪素、シラン等の珪化物気体
は分解結合して、不対結合手である再結合中心をこれら
水素またはフッ素の如きハロゲン元素で中和したＮ５Ｏ
８の半導体層が形成される。この時同時に０．０１〜２
モルチのＮ型ではフオスヒン、Ｐ型ではジボランを珪化
物気体Ｙ加えて、被膜をＮｏ型またはＰ１型とする。す
なわち不純物を熱拡散またはイオン・注入等を用いずＰ
ＣＶＤまたはプラズマ酸化、窒化法を用いることが本発
明法の特徴でちる。

かくしてＮまたはＰのＮ５Ｏ８を０．０１〜１μの厚さ
に第１の非単結晶半導体層（３）として形成した。

さらにこの上面にＮまたはＰ型の不純物を除去して積層
するいわゆるパ・ツクグラウンドレベルの不純物しか添
加さ、れていない実質的に真性の導電型の半導体層（４
）を０．１〜３μの厚さに形成した。この半導体層は一
般にＮ−型であるため、それを中和相殺する場合はＰ−
型の不純物であるＢを１〜ＩＯＰＰＭその中に添加した
いわゆる真性の導電型の半導体として・もよい。さらに
この半導体を積極的に不純物を添加していないいわゆる
実質的に真性モ凄嘴ミの半導体層を０．１〜３μの厚さ
　　　　　　パ【設け、０．０１〜０．１μの厚さのＰ
型の半導体層を設けた。さらにこれをはさむ如りに０．
１〜１μの実質的に真性の半導体層を設けたいわゆる第
１の半導体層とは逆導電型の半導体層を第２の半導体の
中間層沢゛に含有する真性の半導体層としてもよい。ま
た高耐圧性を得るため、この半導体を珪素ではなく炭化
珪素とすると、さらに５〜３０Ｖと耐圧性が向上できた
。さらにこの半導体層に第１の半導体層に近い部分は、
実質的に真性の導電型またはＮ一層とし、その上面に真
性の導電型または実質的に真性の導電型の半導体層を電
気伝導度を厚さ方向Ｋ　ｔ　Ａさせて第１の半導体層（
３）をドレインとする場合の耐圧を向上せしめる方法を
用いてもよい。

かくしてチャネル形成領域を有する第２の非単結晶の半
導体層（４）を（３）の上に積層して設けた。

さらにこの上面に第３の非単結晶半導体（５）を第１の
半導体（３）と同様に形成して第１図（ロ）を得た０ この後第３の半導体を選択的に除去し、さらにゲイト絶
縁物（８）を第２、第３の半導体上に形成した。

第１図（Ｂ）はかかるたて断面図を示す。図面において
コーナ部α０は弱干第２の半、導体内にデープエツチを
して入っている。ゲイト絶縁物はＰＣＶＤ法によｐｈシ
ランアンモニアとの反応による窒化珪素を’１００〜１
００ＯＡ形成し、ゲイト絶縁物とした。・また塩素の如
きノ・ロゲン元素が添加されプラズマ酸化法を用いてこ
れらの表面を２００〜５００チに加熱し、酸素または窒
素、アンモニアを〜３ＧＨｚの周波数の電磁エネルギに
て励起してこれらの表面枦偏古ヒまた濯１嘗ヒしてもよ
い。

また酸化した後形成された酸化珪素の表面を１０〜５０
Ａの厚さに窒化珪素に変成してもよい。

かかる同相−気相プラズマ反応を行なうには１００〜５
００″Ｃの温度を必要とするため、かかる場合にはＮ５
Ｏ８の（３）（４）（５）は再結合中心中和用に水素を
用いるのではなく、フッ素を用い、Ｂ、：Ｎ’！Ｌかっ
た。かくしてゲイト絶縁物（８）を１００〜１５００Ａ
の厚さに形成した。

このゲイト絶縁物中に半導１体のクラスタまたは薄膜を
選択的に含有させ、不揮発性メモリとしてもよい。

第１図（Ｃ）は第１図（Ｂ）のたて断面図に対し、第３
の半導体（５）とのコンタクト用の窓あけ０時を行ドレ
インと同一導電型の半導体層を作成し、ゲイト電極（９
）とした。かくすることによシゲイト電極（９）下には
ゲイト絶縁膜（８）が設けられ、その下にはチャネル形
成領域にチャネル（１０）がゲイトに電圧を＞ＬＳ：ｖ
＋−μり設けられる。かくして電流は例えば第３の半導
体（５）をソース、第１の半導体（３）をドレインとす
ると、矢印０］）の如く一度外方向にひろがシ、その後
垂直方向に電流が流れる。このためゲイト絶縁物と半導
体との界面には電流が集中することがなく、結果として
アモルファスまたはセミアモルファス構造を有するＮ５
Ｏ８であっても、界面が劣化することなく１つの１蚤で
０．１〜２ＯＡもの大電流を流すトランジスタを作るこ
とができた。

第３図はその一例を示している。

さらに第１図ＣＤ）は第１図（０）のＡ　−Ａでの横方
向よシみたたて断面図を示している。工ＧＦＥＴ（イ）
はソースコンタクトα→、リードα力、ゲイト電極（９
）、ゲイト絶縁物（８）を有し、ソース（５）ドレイン
（３）、ドレイ・、ン電極、リード（２）が基板（１）
上に設けられている。

第２図は本発明の他の実施例である。

図面において基板（１）はステンレス、ニッケルモリブ
デン等金属基板を用いた。さらにこの上面にオーム接触
をさせた第１図と同様のＮまたはＰ型の非単結晶の第１
の半導体層（３）を同様の方法で形成させた。

さらにその上面にチャネル形成領域を構成する第２の半
導体層（４）を０．１〜３μの厚さに形成した。

図面では例えば半導体（３）がＮ”ｉ、（ハ）がＮまた
はＮ″層、（ハ）がＮ−または１層とした２層構造とし
ている。さらにこの上面に第１の半導体と同一導電型の
第３の半導体（５）を積層してＰＣ！ＶＤ法で作製した
。この後この上面にモリブデン、タングステン、珪化タ
ングステン等の金属導電膜（６）を０、１．−４μの厚
さに形成し、さらにその上に寄生容量を少なくするため
の酸化珪素絶縁膜Ｑ′１）をＰｏｖＤ法ｖｃ　ヨり　０
．３〜２μの厚さに積層した。

この後第２図（Ｂ）　Ｋ示される如く、第３の半導体（
５）導電層（６）絶縁物（ツ）を概略同一形状にリソグ
ラフィー技術によシ除去した後、ゲイト絶縁膜（８）を
ＰＯＶＤ法で形成させた。

また第２図（０）はこの第２図（Ｂ）の工程の後電極用
の穴あけ０→を行なった後、Ａ１の如き金属またはＮ７
またはＰ゛の半導体よシなるゲイト電極（９）を形成さ
せた。するとその直下にはゲイト絶縁物（８）、その下
のチャネル形成領域にはチャネル（１０）が形成される
。電流はソース例えば（５）よシ下方向のドレイン（３
）にうつし、α力に示される如く斜横方向に流れる。

第２図（Ｄ）は第２図（０）のＡ−７での横側よりみた
たて断面図である。

図面よシ明らかな如く、導電性基板（１）上にオ小さく
するため導電層（６）を形成し、電極α→が電極穴０樽
により設けられ、リードα→がさらに近在している。ゲ
イト電極（９）とソースリード０が同一材料で同一工程
で作製されているが、異種材料をそれぞれゲイト電極（
９）と（１→との間にＰ工層等の眉間絶縁物を設けて多
層配線をさせてもよい。

ゲイト絶縁膜（８）等のその他の製造工程は第１図の実
施例に従った。

第３図は本発明の工ＧＦＥＴを用いたパワートランジス
タの構造の一例を示す。

図面において（Ｂ）は平面図であり、（Ａ）は第３図（
Ｂ）のＡ　−Ａでのたて断面図である。番号、相対位置
は対応させて示している。

第３図（Ａ）において導電性基板（１）上のＮまたはＰ
型の第１の非単結晶半導体層（３）をここではドレイン
として、チャネル形成領域に設けられたチャネル００）
が第２の非単結晶半導体（４）に、さらにその上面のゲ
イト絶縁膜が設けられている。

この第３の半導体または導電層（６）が積層して同一形
状を有しておシ、このソースとチャネル形成領域をおお
ってゲイト電極（９）が形成されている０ 図面よシ明らかな如く、ゲイト電極は外部引出し電極α
つと連続し、ソース（５）は導電層（６）と連続して電
極穴（１◆にて外部引出し電極クリと連続している。ソ
ース、ドレイン間には０．１〜１０Ａの大電流が流れる
ため、（Ｂ）図（ハ）に示す如く２本のボンディングを
させている。２すｉ４柾４７シイ２４°÷〉ｉ−シト彦
丸゛ｑ′（Ｅ　＋１゜かかる構造にすることによシ、非
単結晶半導体の表面の２０〜４０％はソース領域を構成
し、６０〜４ｏ％はチャネル形成領域を構成し、さらに
約２０％は外部引出し電極および周辺とスクライブライ
ン領域を構成させることができるため、例えば５〜１０
ｍｍ’において最大１〜２ＯＡの大電流をもとり出すこ
とができる工ＧＦＥＴとすることが可能であった。

さらにドレイン耐圧は真性または実質的に真性の半導体
（４）の厚さとその導電率を制御して設けることによ？
）、１０〜２００ｖのドレイン耐圧を有する工ＧＦ’Ｅ
Ｔを得ることができた。

以上の説明より明らかな如く、本発明は従来であシ、ま
たその再結合中心中和材としてフッ素を用いることによ
シそのプロセス中に水素の場合の′￥０゜°Ｃ（上限〕
を５゜０°Ｃ上限Ｋまで耐熱性の向上をはかることがで
きた。

さらに基板側からの光信号検出用として用いる場合非単
結晶半導体のうち第ｔの半導体を２０〜２．５θ■を有
する炭化珪素とし、また第２の半導体を珪素または炭化
珪素としてそこでの入射光の波長依存性を制御して５ｉ
ｘＯ，、、（０＜ｘ＜１）特定波に対する高耐圧性を有
するフォトセンサとしてもよい。加えて第２の半導体を
ｆｌｘＧｅ、−、（Ｏ＜ｘイ１）とすると、赤外線セン
サとして用いることも可能である。

特に本発明において非単結晶に５〜１００Ａの微結晶性
を有するセミアモルファス半導体において、ＮまたはＰ
ｔ型の半導体の場合、その導電度を１〜’１００　（ａ
ｃｍｊ’　ｏ、　１〜１ｏ　（ａｃｍ）’とＡｓに比べ
て１０〜１０倍も高くできるため、シート抵抗を下げる
上できわめて好ましいものである。また真性および実質
的に真性の半導体に対しては、アモルファス化剤である
酸素濃度を１０　ｃ　ｍ’以下におしていわゆるセミア
モルファス半導体を作ることができる。かかる半導体は
その電気伝導度が喧伝導度１０〜１０　（ＡＯｍ）、Ａ
ＭＰ　（１ｏｏｍｗ／ａｍ）にて１×１０〜９ＸＩＯ（
ｒＬｃｍ）を作ることができ、そのキャリアの移動度も
単結晶珪素の１／２〜１／３０にまで向上させることが
でき、本発明の工ＧＦＢＴを用いることはきわめて効果
的であった。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の絶縁ゲイト型電界効果半
導体装置の製造方法を示すたて断面である。 板に設けたパワートランジスタのたて断面図お′１寸よ
び平面図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上または基板上の導電層上に設けられた一導電
   型を有する第１の非単結晶半導型のチャネル形成領域を
   有する第２の非単結晶半導体と、該半導体上に突出して
   設けられた前記第１の半導体と同一導電型を有する第３
   の非単結晶半導体と、該半導体および前記第２の半導体
   に設けられるチャネル形成領域をおおってゲイト絶縁膜
   と該ゲイト絶縁膜上にゲイト電極が設けられたことを特
   徴とする絶縁ゲイト型電界効果半導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において、第３の非単結晶半
   導体上には金属導電層が設けられ、該導電層をおおって
   絶縁物が設けられたことを特徴とする絶縁ゲイト型電界
   効果半導体装置。 ３、特許請求の範囲第１項において、非単結晶半導体は
   水素またはフッ素の如きハロゲルファス半導体が主成分
   として用いられたことを特徴とする絶縁ゲイト型電界効
   果半導体装置。 ４、基板上または基板上の導電層上にプラズマ気相法に
   より一導電型を有する第１の非第２の非単結晶半導体層
   を積層して形成する工程と、該第２の非単結晶半導体上
   に突出してプラズマ気相法によシ第１の半導体と同一導
   電型の第３の非単結晶半導体を積層して形成する工程と
   、該半導体および前記第２の半導体上にゲイト絶縁物を
   形成する工程と、該絶縁物上にゲイト電極を形成する工
   程とを有することを特徴とする絶縁ゲイト型電界効果半
   導体装置作製方法。