JP4458527B2 - ゲート絶縁膜、半導体素子、電子デバイスおよび電子機器 - Google Patents
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Description
例えばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)では、ゲート絶縁膜の厚さが10nmを下回るようになっており、これにともなって絶縁膜の絶縁破壊耐性を確保するのが難しくなっている。
TZDBは初期不良であり、電圧ストレスや電流ストレスといった電気的ストレスを印加した瞬間に多量のリーク電流が生じる絶縁破壊である。
一方、TDDBは電気的ストレスを印加した時点ではなく、ストレス印加後あるいは時間経過してからゲート絶縁膜に絶縁破壊が生じる現象である。
HBDは、従来の絶縁破壊であり、破壊後には多量のリーク電流が流れる。
一方、SBDは、初期の絶縁状態よりは、多くリーク電流が流れるが、HBD後よりは、流れない中途半端な状態のことである。
HBDが、比較的高い電気的ストレスで発生する絶縁破壊であり、一旦リーク電流が発生すると、その後、電圧ストレスを与えずに放置しても、絶縁特性が回復したりしない。これに対し、SBDは、低い電気的ストレスで頻発する絶縁破壊であり、リーク電流発生後、電気的ストレスを与えずに放置すると、絶縁特性が回復することがある。
この他、電圧印加後に生じる劣化として、ストレス誘起リーク電流(SILC)と称される低電界リーク電流がある。
なお、SILCやSBDについては、さまざまな研究がなされているにもかかわらず、いまだに不明な点が多く、SBDは、B−mode SILCとも呼ばれ、両者の区別は、明確ではない。
例えば、特許文献1には、SILCの発生を防止すべく、水素原子の濃度を所定の値以下に低減させた絶縁膜が開示されている。ところが、この特許文献1では、SILCの発生を防止することに主眼が置かれており、その帰結としてのSBDの発生については検討がなされていない。
なお、絶縁膜中において水素原子は、水素分子の状態や、絶縁膜の構成元素と結合した状態で存在するが、特許文献1では、これらの水素原子の総量を規定しているだけであり、本発明者の検討によれば、単に、絶縁膜中における水素原子の総量を減少させるだけでは、SBDの発生を防止することが困難であることが判っている。
本発明のゲート絶縁膜は、半導体素子に用いられるゲート絶縁膜であって、
当該ゲート絶縁膜は、圧力を大気圧下とし、ジクロロシランおよび酸素ガスの混合ガスを供給しつつ、650℃×60分で行われるCVD法により形成され、かつ、その後に、相対湿度95%RHの水蒸気雰囲気中、900℃×5分の熱処理が施された結果として、
シリコン、酸素原子および水素原子で構成され、その平均厚さが10nm以下であり、
電界を印加したことがない状態の前記ゲート絶縁膜を、室温において多重反射ATR法で測定したとき、前記ゲート絶縁膜中に存在するSi−O(H)−SiのOH構造に由来する波数3200〜3500cm−1の範囲の赤外線の吸光度が0.02以下であることにより、
ソフトブレークダウンが生じるまでに流れる総電荷量が、75C/cm2以上となるよう構成したことを特徴とする。
これにより、薄膜化した場合でもSBDやSILCが生じ難く、高い絶縁破壊耐性(SILC、TZDB、TDDBの改善)を得ることができる。
また、前記絶縁性無機材料が、その構成元素としてシリコンおよび酸素原子を含有することにより、絶縁性の高いものとなる。
また、ゲート絶縁膜の平均厚さが10nm以下であることにより、このような範囲の膜厚のゲート絶縁膜において、絶縁破壊耐性が顕著に改善される。
また、フーリエ変換赤外吸収スペクトル法の1種である多重反射ATR法を用いることにより、赤外線の吸収をより高い感度で測定することができる。
また、ソフトブレークダウンが生じるまでに流れる総電荷量が、75C/cm2以上となるように構成したことにより、半導体素子の使用時におけるゲート絶縁膜の絶縁破壊がより生じ難くなる。
本発明によれば、このような電界強度で使用されるゲート絶縁膜において、絶縁破壊耐性が顕著に改善される。
これにより、半導体素子の使用時におけるゲート絶縁膜の絶縁破壊がより生じ難くなる。
これにより、半導体素子の使用時におけるゲート絶縁膜の絶縁破壊がより生じ難くなる。
これにより、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が防止され、半導体素子の特性を向上させることができる。
本発明の電子デバイスは、本発明の半導体素子を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子デバイスが得られる。
本発明の電子機器は、本発明の電子デバイスを備えることを特徴とする。
これにより、信頼性の高い電子機器が得られる。
なお、以下では、本発明のゲート絶縁膜を半導体素子のゲート絶縁膜として適用した場合を一例として説明する。
<半導体素子>
まず、本発明のゲート絶縁膜を適用した半導体素子の構成について説明する。
図1に示す半導体素子1は、素子分離構造24と、チャネル領域21とソース領域22とドレイン領域23とを備える半導体基板2と、半導体基板2を覆うように設けられたゲート絶縁膜(本発明のゲート絶縁膜)3、層間絶縁膜4と、ゲート絶縁膜3を介してチャネル領域21と対向するように設けられたゲート電極5と、ゲート電極5上方の層間絶縁膜4上に設けられた導電部61と、ソース領域22上方の層間絶縁膜4上に設けられ、ソース電極として機能する導電部62と、ドレイン領域23上方の層間絶縁膜4上に設けられ、ドレイン電極として機能する導電部63と、ゲート電極5と導電部61とを電気的に接続するコンタクトプラグ71と、ソース領域22と導電部62とを電気的に接続するコンタクトプラグ72と、ドレイン領域23と導電部63とを電気的に接続するコンタクトプラグ73とを有している。
前述したように、この半導体基板2は、素子分離構造24を有し、この素子分離構造24によって区画形成された領域に、チャネル領域21とソース領域22とドレイン領域23とを有している。
そして、チャネル領域21の一方の側部にソース領域22が形成され、チャネル領域21の他方の側部にドレイン領域23が形成された構成となっている。
素子分離構造24は、トレンチ内にSiO2等の絶縁材料が埋め込まれて構成されている。これにより、隣接する素子同士が電気的に分離され、素子間での干渉が防止される。
ソース領域22およびドレイン領域23は、例えば、P+等のn型不純物が導入(ドープ)された半導体材料で構成されている。
なお、チャネル領域21、ソース領域22およびドレイン領域23は、それぞれ、このような構成のものに限定されない。
このような半導体基板2は、絶縁膜(ゲート絶縁膜3、層間絶縁膜4)で覆われている。このような絶縁膜のうち、チャネル領域21とゲート電極5との間に介在している部分は、チャネル領域21とゲート電極5との間に生じる電界の経路として機能する。
層間絶縁膜4の構成材料としては、特に限定されないが、例えばSiO2、TEOS(ケイ酸エチル)、ポリシラザン等のシリコン系化合物を用いることができる。なお、層間絶縁膜4は、その他、例えば樹脂材料、セラミックス材料等で構成することもできる。
前述したように、導電部61は、チャネル領域21の上方に形成され、導電部62、63は、それぞれソース領域22、ドレイン領域23の上方に形成されている。
また、ゲート絶縁膜3および層間絶縁膜4において、チャネル領域21、ソース領域22およびドレイン領域23が形成された領域内には、それぞれ、ゲート電極5に連通する孔部(コンタクトホール)、ソース領域21に連通する孔部、ドレイン領域23に連通する孔部が形成されており、これらの孔部内に、それぞれコンタクトプラグ71、72、73が設けられている。
次に、ゲート絶縁膜3の構成について説明する。
本発明において、ゲート絶縁膜3は、シリコンと、シリコン以外の少なくとも1種の元素とを含有する絶縁性無機材料を主材料として構成され、水素原子を含むものである。
ここで、吸光度とは、入射光強度をI0、透過光強度をIとしたときに、log(I0/I)で表される値である。
したがって、波数3200〜3500cm−1の範囲の赤外線の吸光度が0.02以下とは、室温における電界を印加したことがない状態のゲート絶縁膜3中において、前述した特定の構造が極めて少ないことを意味する。
そして、本発明者は、更に検討を重ね、ゲート絶縁膜3中において、特定の状態で存在する水素原子の量を規定すること、すなわち、前述した特定の構造の存在量を規定することにより、ゲート絶縁膜3に対して、SBDの発生を好適に防止または抑制して、高い絶縁破壊耐性を付与し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、図2に示すように、SiO2膜は、シリコンに酸素原子が4配位、酸素原子にシリコンが2配位することにより形成されたSi−O結合のほぼ完全な三次元ネットワークで構成され、結合の方向性が無秩序な非晶質状態となっている。
そして、図3に示すように、この水素原子は、SiO2膜の内部では、H2として存在するとともに、所々でSi−O結合、あるいは不完全な配位構造31と反応し、Si−OH構造32やSi−H構造33を形成して、ゲート絶縁膜3の電子構造に影響を与えている。
一方で、もう一つのSi−OH構造32やSi−H構造33は、安定に存在し、電流に寄与しないことを確認した。
そして、これらの結果として、HBDが生じやすくなることも判った。
ここで、SiOZ膜(SiO2膜)において、前述したような波数3200〜3500cm−1の範囲の赤外線の吸収は、Si−OH構造34に由来して生じるものであり、水素と結合した他の構造に由来する赤外線の吸収とは明らかに区別される。
さらに、本発明者は、前述したように、Si−OH構造34の量は、電気的ストレスの強度・時間に応じて増加することを見出した。したがって、電気的ストレスがかかる前のゲート絶縁膜3において、Si−OH構造34の量が少ないほど、絶縁破壊耐性に優れたゲート絶縁膜3となることが判った。
ここで、絶縁破壊特性の判定には、通常、数多くの試験を繰り返して統計的なデータを取らなければならず、時間もコストもかかる。また、当然ながら試験後の絶縁膜は、破壊しているため、製品として利用することはできない。
さらに、Si−OH構造34に対応する吸光度(本発明では、0.02以下)を指定するに際して、絶縁膜(SiO2膜)は、電気的ストレスがかかる前のものであり、測定時にもストレスがかからない条件下、かつ常温(室温)において測定したときの吸光度を指定するのが、実験結果(測定される絶縁膜の吸光度)との対応関係も明確であり、最も適切である。
また、一般にゲート絶縁膜3の絶縁破壊は、頻回の使用(電圧の印加)により発生しやすくなる傾向を示すが、赤外線の吸光度をかかる範囲内にすることにより、頻回の使用によっても、Si−OH構造34の量が適度な範囲内に抑制されて、このものの絶縁破壊を確実に防止することができる。
また、SBDの発生は、特に、ゲート絶縁膜3の膜厚を前記範囲のように薄くしたときに頻発する傾向にあり、したがって、このような薄い膜厚のゲート絶縁膜3に、本発明を適用することにより、その効果が顕著に発揮される。
なお、ゲート絶縁膜3に対して、前記上限値を越えた高い電界強度を印加すると、不可逆的な絶縁破壊(HBD)が発生してしまうおそれがある。
次に、図1に示す半導体素子の製造方法について説明する。
図4〜図6は、それぞれ、図1に示す半導体素子の製造方法を説明するための図(縦断面図)である。なお、以下では、説明の都合上、図4〜図6中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
これにより、半導体基板2の表面に、素子形成領域が区画形成される。
<2> 次に、半導体基板2にイオンドープを行い、ウェルを形成する。
例えば、pウェルを形成する場合には、B+イオン等のp型不純物をドープし、nウェルを形成する場合には、p+イオン等のn型不純物をドープする。
シリコン酸化膜
ゲート絶縁膜3として、シリコン酸化(SiO2)膜を形成するには、CVD法(化学蒸着法)を用いることができる。
シリコン酸化物前駆体としては、ジクロロシランが用いられる。
加熱の温度(加熱温度)は、650℃程度に設定される。
チャンバ内の圧力(真空度)は、大気圧(760Torr)程度に設定される。
また、シリコン酸化物前駆体と酸素原子を含むガスとの混合比は、モル比で10:1〜1:100程度であるのが好ましく、1:2〜1:10程度であるのがより好ましい。
そして、このシリコン酸化膜を、相対湿度95%RHの水蒸気雰囲気中、900℃×5分の熱処理を施すことにより、シリコン基板の表面にゲート絶縁膜3が形成される。
この導電膜51は、ゲート絶縁膜3上に、例えばCVD法等により、多結晶シリコン等を堆積させて形成することができる。
<5> 次に、導電膜51上に、例えばフォトリソグラフィー法等により、ゲート電極5の形状に対応するレジストマスクを形成する。
そして、このレジストマスクを介して導電膜51の不要部分をエッチングにより除去する。これにより、図5(d)に示すようなゲート電極5が得られる。
このエッチングには、例えば、プラズマエッチング、リアクティブエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。
このとき、p型不純物によりウェルを形成した場合には、P+等のn型不純物をドープすることにより、ソース領域22およびドレイン領域23を形成する。
一方、n型不純物によりウェルを形成した場合には、B+等のp型不純物をドープすることによりソース領域22およびドレイン領域23を形成する。
<8> 次に、層間絶縁膜4上に、例えばフォトリソグラフィー法等により、コンタクトホールに対応する部分が開口したレジストマスクを形成する。
そして、このレジストマスクを介して、層間絶縁膜4の不要部分をエッチングにより除去する。これにより、図6(g)に示すように、チャネル領域21、ソース領域22、ドレイン領域23のそれぞれに対応してコンタクトホール41、42、43が形成される。
<10> 次に、導電膜上に、例えばフォトリソグラフィー法等により導電部の形状に対応するレジストマスクを形成する。
そして、このレジストマスクを介して、導電膜の不要部分をエッチングにより除去する。これにより、図6(h)に示すように、チャネル領域21、ソース領域22、ドレイン領域23のそれぞれに対応して導電部61、62、63およびコンタクトプラグ71、72、73が形成される。
以上のような工程を経て、半導体素子1が製造される。
前述したような半導体素子1は、各種電子デバイスに適用される。
以下では、本発明の電子デバイスを透過型液晶表示装置に適用した場合を代表に説明する。
図7は、本発明の電子デバイスを透過型液晶表示装置に適用した場合の実施形態を示す分解斜視図である。
図7に示す透過型液晶表示装置10(以下、単に「液晶表示装置10」と言う。)は、液晶パネル(表示パネル)20と、バックライト(光源)60とを有している。
この液晶表示装置10は、バックライト60からの光を液晶パネル20に透過させることにより画像(情報)を表示し得るものである。
そして、これらの第1の基板220、第2の基板230およびシール材により画成される空間には、電気光学物質である液晶が収納され、液晶層(中間層)24が形成されている。すなわち、第1の基板220と第2の基板230との間に、液晶層240が介挿されている。
第1の基板220および第2の基板230は、それぞれ、例えば、各種ガラス材料、各種樹脂材料等で構成されている。
各画素電極223は、透明性(光透過性)を有する透明導電膜により構成され、それぞれ、1つの半導体素子(本発明の半導体素子)1を介して、走査線224および信号線228に接続されている。
一方、第2の基板230は、その下面(液晶層240側の面)231に、複数の帯状をなす対向電極232が設けられている。これらの対向電極232は、互いに所定間隔をおいてほぼ平行に配置され、かつ、画素電極223に対向するように配列されている。
画素電極223と対向電極232とが重なる部分(この近傍の部分も含む)が1画素を構成し、これらの電極間で充放電を行うことにより、各画素毎に、液晶層240の液晶が駆動、すなわち、液晶の配向状態が変化する。
各対向電極232の下面には、それぞれ、赤(R)、緑(G)、青(B)の有色層(カラーフィルター)233が設けられ、これらの各有色層233がブラックマトリックス234によって仕切られている。
また、第2の基板230の上面には、前記偏光板225とは偏光軸が異なる偏光板235が設けられている。
なお、以上の説明では、本発明の電子デバイスとして、アクティブマトリックス駆動方式の透過型液晶表示装置に適用した場合を代表に説明したが、その他、本発明の電子デバイスは、反射型液晶表示装置や、有機または無機のEL表示装置、電気泳動表示装置に適用することもできる。
前述したような液晶表示装置10(本発明の電子デバイス)は、各種電子機器の表示部に用いることができる。
図8は、本発明の電子機器を適用したモバイル型(またはノート型)のパーソナルコンピュータの構成を示す斜視図である。
このパーソナルコンピュータ1100においては、表示ユニット1106が前述の液晶表示装置(電気光学装置)10を備えている。
この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206とともに、前述の液晶表示装置(電気光学装置)10を表示部に備えている。
ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、ディジタルスチルカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)などの撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
ケースの内部には、回路基板1308が設置されている。この回路基板1308は、撮像信号を格納(記憶)し得るメモリが設置されている。
撮影者が表示部に表示された被写体像を確認し、シャッタボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、回路基板1308のメモリに転送・格納される。
以上、本発明のゲート絶縁膜、半導体素子、電子デバイス、電子機器を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではなく、各構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、任意の構成のものを付加することもできる。
1.絶縁膜の作製および評価
1−1.絶縁膜の作製
以下に示す実施例および比較例において、それぞれ、9個の絶縁膜を形成した。
−1− まず、面方位(100)のp型シリコン結晶基板を用意し、熱酸化処理を施した後、CVD法によりシリコン酸窒化膜(下地層)を形成した。
熱酸化処理は、相対湿度33%RHの水蒸気(H2O)雰囲気中、750℃で行った。
また、CVD法は、チャンバ内の圧力を0.02Paとし、ジクロロシランアンモニアのガスを供給しつつ、650℃×40分で行った。
得られたシリコン酸窒化膜は、10nmであった。なお、このシリコン酸窒化膜は、電界強度5〜10MV/cmにおけるリーク電流値が極めて高く(1×10−5A/cm2以上)、絶縁膜として機能しないものである。
なお、CVD法は、チャンバ内の圧力を大気圧とし、ジクロロシラン(SiHCl2)および酸素ガス(O2)の混合ガスを供給しつつ、650℃×60分で行った。
得られたシリコン酸化膜の平均厚さは、3.7nmであった。
−3− 次に、このシリコン酸化膜に対して、相対湿度95%RHの水蒸気(H2O)雰囲気中、900℃×5分で熱処理を施した。
以上のようにして、絶縁膜を得た。
前記工程−3−を省略した以外は、前記実施例1と同様にして、絶縁膜(平均厚さ3.8nm)を得た。
1−2−1.赤外線吸収スペクトルの測定
実施例および比較例の絶縁膜について、多重反射ATR法(赤外吸収スペクトル法)により、赤外線吸収を測定した。
なお、多重反射ATR法による測定条件は、以下の通りである。
・光源 :SiC
・検出器 :MCT
・ビームスプリッタ:Ge/KBr
・分解能 :4cm−1
・付属装置 :多重反射ATR測定用アタッチメント(Wilkes社製)
・プリズム :Ge
・入射角 :60゜
・偏光 :P偏光
また、実施例1および比較例1の絶縁膜において得られた赤外線吸収スペクトルを、それぞれ、図11および図12に示す。
これに対し、比較例の絶縁膜は、ピークの吸光度が0.02を大きく上回るものであった。
次に、実施例および比較例の絶縁膜について、電界強度(印加電圧)の値を変化させたときのリーク電流値の変化を測定した。
なお、測定面積は、0.02039cm2とした。
実施例および比較例の絶縁膜において、電界強度0〜−5MV/cmの範囲で測定されたリーク電流の最大値を、以下の表2に示す。なお、表2中の数値は、9個の絶縁膜の平均値である。
また、実施例1および比較例1の絶縁膜において測定された電界強度の値の変化とリーク電流値の変化との関係を示すグラフを、図13に示す。
これに対して、比較例の絶縁膜では、低い電界強度において、大きなリーク電流が流れた。
次に、実施例および比較例の絶縁膜について、それぞれ、Qbd値を測定した。
ここで、Qbd値とは、絶縁膜に電圧を印加したときに、絶縁破壊が生じるまでに流れた総電荷量であり、この値が大きい程、絶縁破壊が生じ難いことを意味する。
このQbd値の測定では、水銀電極を用いて絶縁膜に定電流を供給し、小規模な電圧変化が初めて生じた時点をSBDとし、急激な電圧変化が生じた時点をHBDとした。そして、SBDが生じるまでに流れた総電荷量(Qbd(SBD)値)と、HBDが生じるまでに流れた総電荷量(Qbd(HBD)値)とを測定した。
実施例および比較例の絶縁膜において、それぞれ測定されたQbd(SBD)値とQbd(HBD)値とを、以下の表3に示す。なお、表3中の数値は、9個の絶縁膜の平均値である。
これに対して、実施例の絶縁膜のQbd(HBD)値も同様に、比較例の絶縁膜のQbd(HBD)値よりも大きなものであった。
以上のような各評価結果から、波数3200〜3500cm−1の範囲の赤外線の吸光度が0.02以下である絶縁膜(本発明のゲート絶縁膜)は、絶縁破壊耐性に優れることが明らかとなった。
2−1.半導体素子の作製
図1に示す半導体素子を、前記実施形態で説明したような方法にしたがって作製した。なお、ゲート絶縁膜は、前記実施例および比較例と同様にして形成した。
2−2.半導体素子の評価
各半導体素子について、それぞれ、スイッチング特性を調べた。
その結果、実施例と同様にして形成したゲート絶縁膜を備える半導体素子は、長期間に亘り良好なスイッチング特性が得られた。
これに対して、比較例と同様にして形成したゲート絶縁膜を備える半導体素子は、リーク電流が認められ、スイッチング特性が不安定であり、早期にゲート絶縁膜に絶縁破壊が生じ、スイッチング素子としての機能が失われた。
Claims (7)
- 半導体素子に用いられるゲート絶縁膜であって、
当該ゲート絶縁膜は、圧力を大気圧下とし、ジクロロシランおよび酸素ガスの混合ガスを供給しつつ、650℃×60分で行われるCVD法により形成され、かつ、その後に、相対湿度95%RHの水蒸気雰囲気中、900℃×5分の熱処理が施された結果として、
シリコン、酸素原子および水素原子で構成され、その平均厚さが10nm以下であり、
電界を印加したことがない状態の前記ゲート絶縁膜を、室温において多重反射ATR法で測定したとき、前記ゲート絶縁膜中に存在するSi−O(H)−SiのOH構造に由来する波数3200〜3500cm−1の範囲の赤外線の吸光度が0.02以下であることにより、
ソフトブレークダウンが生じるまでに流れる総電荷量が、75C/cm2以上となるよう構成したことを特徴とするゲート絶縁膜。 - 10MV/cm以下の電界強度で使用される請求項1に記載のゲート絶縁膜。
- 5MV/cm以下の電界強度で測定されるリーク電流値が、9×10−9A/cm2以下である請求項1または2に記載のゲート絶縁膜。
- ハードブレークダウンが生じるまでに流れる総電荷量が、100C/cm2以上である請求項1ないし3のいずれかに記載のゲート絶縁膜。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載のゲート絶縁膜を備えることを特徴とする半導体素子。
- 請求項5に記載の半導体素子を備えることを特徴とする電子デバイス。
- 請求項6に記載の電子デバイスを備えることを特徴とする電子機器。
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