特開 2024-77307 半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024077307

(43)【公開日】2024-06-07

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/786 20060101AFI20240531BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240531BHJP

【ＦＩ】

H01L29/78 616V

H01L29/78 618B

H01L29/78 619A

H01L29/78 617S

H01L29/78 626C

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022189329

(22)【出願日】2022-11-28

(71)【出願人】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110000408

【氏名又は名称】弁理士法人高橋・林アンドパートナーズ

(72)【発明者】

【氏名】渡壁 創

(72)【発明者】

【氏名】津吹 将志

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 俊成

(72)【発明者】

【氏名】田丸 尊也

(72)【発明者】

【氏名】望月 真里奈

(72)【発明者】

【氏名】小野寺 涼

【テーマコード（参考）】

5F110

【Ｆターム（参考）】

5F110AA30

5F110BB01

5F110BB03

5F110CC02

5F110DD01

5F110DD02

5F110DD03

5F110DD04

5F110DD12

5F110DD13

5F110DD14

5F110DD15

5F110DD17

5F110EE02

5F110EE03

5F110EE04

5F110EE06

5F110EE14

5F110EE30

5F110EE42

5F110EE44

5F110FF01

5F110FF02

5F110FF04

5F110FF07

5F110FF29

5F110FF36

5F110GG01

5F110GG13

5F110GG15

5F110GG25

5F110GG26

5F110GG43

5F110GG58

5F110HJ02

5F110HJ04

5F110HJ06

5F110HJ12

5F110HJ13

5F110HJ30

5F110HL02

5F110HL03

5F110HL04

5F110HL06

5F110HL11

5F110NN02

5F110NN22

5F110NN24

5F110NN27

5F110NN44

5F110NN46

5F110NN47

5F110NN49

5F110PP01

5F110PP10

5F110QQ09

5F110QQ11

(57)【要約】

【課題】保護絶縁層に含まれる窒化シリコンに依存することなく、低抵抗化されたソース領域およびドレイン電極を含む半導体装置を提供すること。
【解決手段】半導体装置は、酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層の上において、酸化物半導体層と接するゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上のゲート電極と、を含み、酸化物半導体層は、ゲート電極と重畳するチャネル領域と、ゲート電極と重畳しないソース領域およびドレイン領域と、を含み、ソース領域およびドレイン領域とゲート絶縁層との界面において、ソース領域およびドレイン領域の表面における不純物の濃度は、１×１０^１９ｃｍ^－３以上である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化物絶縁層と、
前記酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、
前記酸化物半導体層の上において、前記酸化物半導体層と接するゲート絶縁層と、
前記ゲート絶縁層の上のゲート電極と、を含み、
前記酸化物半導体層は、
前記ゲート電極と重畳するチャネル領域と、
前記ゲート電極と重畳しないソース領域およびドレイン領域と、を含み、
前記ソース領域およびドレイン領域と前記ゲート絶縁層との界面において、前記ソース領域およびドレイン領域の表面における不純物の濃度は、１×１０^１９ｃｍ^－３以上である、半導体装置。

【請求項2】

前記不純物は、ホウ素、リン、アルゴン、および窒素からなる群から選択される１つである、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記酸化物半導体層は、複数の金属元素を含み、
前記複数の金属元素のうちの１つは、インジウム元素であり、
前記複数の金属元素に対するインジウム元素の原子比率は、５０％以上である、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記酸化物半導体層は、多結晶構造を有する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項5】

前記ソース領域およびドレイン領域の結晶構造は、前記チャネル領域の結晶構造と同じである、請求項４に記載の半導体装置。

【請求項6】

前記ソース領域およびドレイン領域のシート抵抗は、１×１０^２ｋΩ／ｓｑ．以下である、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項7】

前記酸化物絶縁層は、酸化アルミニウムを含む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項8】

さらに、前記ソース領域およびドレイン領域のそれぞれと接続されるソース電極およびドレイン電極を含み、
前記ソース電極およびドレイン電極は、前記ゲート電極と接する前記ゲート絶縁層の表面と接する、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項9】

前記ゲート絶縁層は、水素をトラップする水素トラップ領域を含む、請求項１に記載の半導体装置。

【請求項10】

前記水素トラップ領域は、前記ゲート電極をマスクとして注入される前記不純物によって形成される、請求項９に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一実施形態は、酸化物半導体をチャネルとして用いる半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、アモルファスシリコン、低温ポリシリコン、および単結晶シリコンなどのシリコン半導体に替わり、酸化物半導体をチャネルとして用いる半導体装置の開発が進められている（例えば、特許文献１～特許文献６参照）。このような酸化物半導体を含む半導体装置は、アモルファスシリコンを含む半導体装置と同様に、単純な構造かつ低温プロセスで形成することができる。また、酸化物半導体を含む半導体装置は、アモルファスシリコンを含む半導体装置よりも高い電界効果移動度を有することが知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１４１３３８号公報

【特許文献2】特開２０１４－０９９６０１号公報

【特許文献3】特開２０２１－１５３１９６号公報

【特許文献4】特開２０１８－００６７３０号公報

【特許文献5】特開２０１６－１８４７７１号公報

【特許文献6】特開２０２１－１０８４０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

酸化物半導体では、酸素欠陥に水素がトラップされるとキャリアが生成される。このメカニズムを利用し、半導体装置においては、酸化物半導体層に酸素欠陥を形成し、形成された酸素欠陥に水素を供給することによって、酸化物半導体層に、ソース電極およびドレイン電極と電気的に接続されるチャネル領域よりもキャリア濃度の大きいソース領域およびドレイン領域を形成することができる。窒化シリコンは水素を多く含んでいる。そのため、半導体装置の保護絶縁層として窒化シリコンを成膜し、窒化シリコンに含まれる水素をソース領域およびドレイン領域に供給することにより、低抵抗なソース領域およびドレイン領域を形成することができる。換言すると、ソース領域およびドレイン領域を低抵抗化するためには、窒化シリコンを含む保護絶縁層が必要であった。

【0005】

本発明の一実施形態は、保護絶縁層に含まれる窒化シリコンに依存することなく、低抵抗化されたソース領域およびドレイン領域を含む半導体装置を提供することを目的の一つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一実施形態に係る半導体装置は、酸化物絶縁層と、酸化物絶縁層の上の酸化物半導体層と、酸化物半導体層の上において、酸化物半導体層と接するゲート絶縁層と、ゲート絶縁層の上のゲート電極と、を含み、酸化物半導体層は、ゲート電極と重畳するチャネル領域と、ゲート電極と重畳しないソース領域およびドレイン領域と、を含み、ソース領域およびドレイン領域とゲート絶縁層との界面において、ソース領域およびドレイン領域の表面における不純物の濃度は、１×１０^１９ｃｍ^－３以上である。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な断面図である。

【図2】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な平面図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る半導体装置の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。

【図4】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

【図5】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図6】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図7】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図9】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図10】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図11】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図12】本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す模式的な断面図である。

【図13】実施例サンプルおよび比較例サンプルにおける、ソース領域およびドレイン領域の表面におけるホウ素の濃度とシート抵抗との相関関係を示すグラフである。

【図14】保護絶縁層から供給される水素をトラップする水素トラップ領域を説明する模式的な断面図である。

【図15】実施例サンプル１－１～実施例サンプル１－４の電気特性を示すグラフである。

【図16】実施例サンプル２－１～実施例サンプル２－４の電気特性を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下に、本発明の各実施形態について、図面を参照しつつ説明する。以下の開示はあくまで一例にすぎない。当業者が、発明の主旨を保ちつつ、実施形態の構成を適宜変更することによって容易に想到し得る構成は、当然に本発明の範囲に含有される。図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合がある。しかし、図示された形状はあくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

【0009】

本明細書において、基板から酸化物半導体層に向かう方向を上または上方という。逆に、酸化物半導体層から基板に向かう方向を下または下方という。このように、説明の便宜上、上方または下方という語句を用いて説明するが、例えば、基板と酸化物半導体層との上下関係が図示と逆になるように配置されてもよい。以下の説明で、例えば基板上の酸化物半導体層という表現は、上記のように基板と酸化物半導体層との上下関係を説明しているに過ぎず、基板と酸化物半導体層との間に他の部材が配置されていてもよい。上方または下方は、複数の層が積層された構造における積層順を意味するものであり、半導体装置の上方の画素電極と表現する場合、平面視において、半導体装置と画素電極とが重ならない位置関係であってもよい。一方、半導体装置の鉛直上方の画素電極と表現する場合は、平面視において、半導体装置と画素電極とが重なる位置関係を意味する。

【0010】

本明細書において、「膜」という用語と、「層」という用語とは、場合により、互いに入れ替えることができる。

【0011】

「表示装置」とは、電気光学層を用いて映像を表示する構造体を指す。例えば、表示装置という用語は、電気光学層を含む表示パネルを指す場合もあり、または表示セルに対して他の光学部材（例えば、偏光部材、バックライト、タッチパネル等）を装着した構造体を指す場合もある。「電気光学層」には、技術的な矛盾が生じない限り、液晶層、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）層、エレクトロクロミック（ＥＣ）層、電気泳動層が含まれ得る。したがって、後述する実施形態について、表示装置として、液晶層を含む液晶表示装置、および有機ＥＬ層を含む有機ＥＬ表示装置を例示して説明するが、本実施形態における構造は、上述した他の電気光学層を含む表示装置へ適用することができる。

【0012】

本明細書において「αはＡ、ＢまたはＣを含む」、「αはＡ、ＢおよびＣのいずれかを含む」、「αはＡ、ＢおよびＣからなる群から選択される一つを含む」、といった表現は、特に明示が無い限り、αがＡ～Ｃの複数の組み合わせを含む場合を排除しない。さらに、これらの表現は、αが他の要素を含む場合も排除しない。

【0013】

図１～図１２を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０について説明する。半導体装置１０は、例えば、表示装置、マイクロプロセッサ（Ｍｉｃｒｏ－Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＭＰＵ）などの集積回路（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＩＣ）、またはメモリ回路などに用いることができる。

【0014】

［１．半導体装置１０の構成］
図１および図２を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な断面図である。図２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な平面図である。具体的には、図１は、図２のＡ－Ａ’線に沿って切断された断面図である。

【0015】

図１に示すように、半導体装置１０は、基板１００、遮光層１０５、窒化物絶縁層１１０、第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、酸化物半導体層１４０、ゲート絶縁層１５０、ゲート電極１６０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３を含む。遮光層１０５は、基板１００の上に設けられている。窒化物絶縁層１１０は、遮光層１０５の上面および端面を覆い、基板１００の上に設けられている。第１の酸化物絶縁層１２０は、窒化物絶縁層１１０の上に設けられている。第２の酸化物絶縁層１３０は、所定のパターンを有し、第１の酸化物絶縁層１２０の上に設けられている。酸化物半導体層１４０は、第２の酸化物絶縁層１３０と同様のパターンを有し、第２の酸化物絶縁層１３０の上に設けられている。ゲート絶縁層１５０は、第２の酸化物絶縁層１３０および酸化物半導体層１４０のそれぞれの上面および端面を覆い、第１の酸化物絶縁層１２０の上に設けられている。ゲート電極１６０は、酸化物半導体層１４０と重畳し、ゲート絶縁層１５０の上に設けられている。ゲート絶縁層１５０には、酸化物半導体層１４０の上面の一部が露出される開口１７１および１７３が設けられている。ソース電極２０１は、ゲート絶縁層１５０の上および開口１７１の内部に設けられ、酸化物半導体層１４０と接している。同様に、ドレイン電極２０３は、ゲート絶縁層１５０の上および開口１７３の内部に設けられ、酸化物半導体層１４０と接している。ソース電極２０１およびドレイン電極２０３は、ゲート電極１６０と接するゲート絶縁層１５０の表面と接している。なお、以下では、ソース電極２０１およびドレイン電極２０３を特に区別しない場合、これらを併せてソース・ドレイン電極２００という場合がある。

【0016】

酸化物半導体層１４０は、ゲート電極１６０を基準として、ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、およびチャネル領域ＣＨに区分される。すなわち、酸化物半導体層１４０は、ゲート電極１６０と重畳するチャネル領域ＣＨ、ならびにゲート電極１６０と重畳しないソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄを含む。酸化物半導体層１４０の膜厚方向において、チャネル領域ＣＨの端部は、ゲート電極１６０の端部と一致している。チャネル領域ＣＨは、半導体の性質を有する。ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの各々は、導体の性質を有する。そのため、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄのキャリア濃度は、チャネル領域ＣＨのキャリア濃度よりも大きい。ソース電極２０１およびドレイン電極２０３は、それぞれ、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄと接しており、酸化物半導体層１４０と電気的に接続されている。また、酸化物半導体層１４０は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。

【0017】

図２に示すように、遮光層１０５およびゲート電極１６０の各々は、Ｄ１方向に一定の幅を有し、Ｄ１方向に直交するＤ２方向に延在している。Ｄ１方向において、遮光層１０５の幅は、ゲート電極１６０の幅よりも大きい。チャネル領域ＣＨは、遮光層１０５と完全に重畳している。半導体装置１０において、Ｄ１方向は、酸化物半導体層１４０を介して、ソース電極２０１からドレイン電極２０３へ電流が流れる方向に対応する。そのため、チャネル領域ＣＨのＤ１方向の長さがチャネル長Ｌであり、チャネル領域ＣＨのＤ２方向の幅がチャネル幅Ｗである。

【0018】

基板１００は、半導体装置１０を構成する各層を支持することができる。基板１００として、例えば、ガラス基板、石英基板、またはサファイア基板などの透光性を有する剛性基板を用いることができる。また、基板として、シリコン基板などの透光性を有しない剛性基板を用いることもできる。また、基板として、ポリイミド樹脂基板、アクリル樹脂基板、シロキサン樹脂基板、またはフッ素樹脂基板などの透光性を有する可撓性基板を用いることができる。基板１００の耐熱性を向上させるために、上記の樹脂基板に不純物を導入してもよい。なお、上述した剛性基板または可撓性基板の上に酸化シリコン膜または窒化シリコン膜が成膜された基板を、基板１００として用いることもできる。

【0019】

遮光層１０５は、外光を反射または吸収することができる。上述したように、遮光層１０５は、酸化物半導体層１４０のチャネル領域ＣＨよりも大きい面積を有して設けられているため、チャネル領域ＣＨに入射する外光を遮光することができる。遮光層１０５として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、もしくはタングステン（Ｗ）、またはこれらの合金もしくは化合物などを用いることができる。また、遮光層１０５として、導電性が不要である場合には、必ずしも金属を含まなくてもよい。例えば、遮光層１０５として、黒色樹脂でなるブラックマトリクスを用いることもできる。また、遮光層１０５は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。例えば、遮光層１０５は、赤色カラーフィルタ、緑色カラーフィルタ、および青色カラーフィルタの積層構造であってもよい。

【0020】

窒化物絶縁層１１０は、酸化物半導体層１４０に、基板１００に含まれる不純物（例えば、ナトリウムなど）または外部から侵入する不純物（例えば、水など）が拡散することを防止することができる。窒化物絶縁層１１０として、例えば、シリコンまたはアルミニウムを含む窒化物を用いることができる。具体的には、窒化物絶縁層１１０として、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、窒化酸化シリコン（ＳｉＮ_ｘＯ_ｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘ）、または窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘＯ_ｙ）などを用いることができる。窒化物絶縁層１１０は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。

【0021】

第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０の各々は、チャネル領域ＣＨへの水素の拡散を抑制することができる。特に、第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０の少なくとも１つに、後述する水素トラップ領域が形成されていると、その効果が高い。第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０の各々として、例えば、シリコンまたはアルミニウムを含む酸化物を用いることができる。具体的には、第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０の各々として、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、酸化窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘ）、または酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ）などを用いることができる。第２の酸化物絶縁層１３０に含まれる酸化物は、第１の酸化物絶縁層１２０に含まれる酸化物と異なる。第２の酸化物絶縁層１３０は、エッチングにより所定のパターンが形成されるため、第１の酸化物絶縁層１２０と第２の酸化物絶縁層１３０とはエッチングレートが異なる酸化物であることが好ましい。第２の酸化物絶縁層１３０として、酸化アルミニウムを用いることが好ましい。第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０の各々は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。

【0022】

なお、本実施形態において、第２の酸化物絶縁層１３０を設けない構成を適用することも可能である。

【0023】

ここで、酸化窒化シリコン（ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ）および酸化窒化アルミニウム（ＡｌＯ_ｘＮ_ｙ）は、それぞれ、酸素（Ｏ）よりも少ない比率（ｘ＞ｙ）の窒素（Ｎ）を含有する酸化物である。また、窒化酸化シリコン（ＳｉＮ_ｘＯ_ｙ）および窒化酸化アルミニウム（ＡｌＮ_ｘＯ_ｙ）は、窒素よりも少ない比率（ｘ＞ｙ）の酸素を含有する窒化物である。

【0024】

ゲート電極１６０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３は、導電性を有する。ゲート電極１６０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３の各々として、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、もしくはビスマス（Ｂｉ）、またはこれらの合金もしくは化合物を用いることができる。ゲート電極１６０、ソース電極２０１、およびドレイン電極２０３の各々は、単層構造であってもよく、積層構造であってもよい。

【0025】

酸化物半導体層１４０として、インジウム（Ｉｎ）元素を含む２以上の金属元素を含む酸化物半導体が用いられる。インジウム元素以外の金属元素として、ガリウム（Ｇａ）元素、亜鉛（Ｚｎ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素、ハフニウム（Ｈｆ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ジルコニウム（Ｚｒ）元素、およびランタノイドが用いられる。酸化物半導体層１４０は、アモルファス構造を有していてもよく、多結晶構造を有していてもよい。但し、電気特性を向上させるためには、酸化物半導体層１４０は、多結晶構造を有することが好ましい。特に、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの結晶構造は、チャネル領域ＣＨの結晶構造と同じであることが好ましい。

【0026】

酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合、酸化物半導体層１４０として、全金属元素に対するインジウム元素の比率が原子比率で５０％以上である酸化物半導体が用いられることが好ましい。インジウム元素の比率が大きくなると、酸化物半導体層１４０が結晶化しやすくなる。また、インジウム元素以外の金属元素として、ガリウム元素を含むことが好ましい。ガリウム元素は、インジウム元素と同じ第１３族元素に属する。そのため、酸化物半導体層１４０の結晶性がガリウム元素によって阻害されることなく、酸化物半導体層１４０は多結晶構造を有する。

【0027】

酸化物半導体層１４０の詳細な製造方法は後述する半導体装置１０の製造方法において説明するが、酸化物半導体層１４０は、スパッタリング法を用いて形成することができる。スパッタリングによって形成される酸化物半導体層１４０の組成は、スパッタリングターゲットの組成に依存する。酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合、スパッタリングターゲットの組成と酸化物半導体層１４０の組成とは略一致する。この場合、酸化物半導体層１４０の金属元素の組成は、スパッタリングターゲットの金属元素の組成に基づき特定することができる。また、酸化物半導体層１４０が多結晶構造を有する場合、Ｘ線回折（Ｘ－ｒａｙ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ：ＸＲＤ）法を用いて、酸化物半導体膜の組成を特定してもよい。具体的には、ＸＲＤ法から取得された酸化物半導体膜の結晶構造および格子定数に基づき、酸化物半導体膜の金属元素の組成を特定することができる。さらに、酸化物半導体層１４０の金属元素の組成は、蛍光Ｘ線分析または電子プローブマイクロアナライザ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｚｅｒ：ＥＰＭＡ）分析などを用いて特定することもできる。なお、酸化物半導体層１４０に含まれる酸素元素は、スパッタリングのプロセス条件などにより変化するため、この限りではない。

【0028】

上述したように、酸化物半導体層１４０は、アモルファス構造を有していてもよく、多結晶構造を有していてもよい。多結晶構造を有する酸化物半導体は、Ｐｏｌｙ－ＯＳ（Ｐｏｌｙ－ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）技術を用いて作製することができる。以下では、アモルファス構造を有する酸化物半導体と区別するとき、多結晶構造を有する酸化物半導体をＰｏｌｙ－ＯＳとして説明する場合がある。

【0029】

［２．水素トラップ領域の構成］
図３は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の構成を示す模式的な部分拡大断面図である。具体的には、図３は、図１における領域Ｐを拡大した断面図である。なお、図３に示す領域Ｐは、ドレイン領域Ｄ近傍の領域であるが、ソース領域Ｓ近傍も領域Ｐと同様の構成を有する。

【0030】

詳細は後述するが、酸化物半導体層１４０のソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは、ゲート電極１６０をマスクとした不純物のイオン注入によって形成される。不純物として、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、または窒素（Ｎ）などが用いられる。イオン注入によって、酸化物半導体層１４０のソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄには酸素欠陥が形成される。そして、形成された酸素欠陥に水素がトラップされることにより、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは低抵抗化する。

【0031】

イオン注入は、ゲート絶縁層１５０を介して行われる。このとき、ゲート絶縁層１５０には、イオン注入によるダングリングボンド欠陥ＤＢ（図３中の×印）が形成される。また、イオン注入では、深さ方向に不純物の分布を有しており、ゲート絶縁層１５０だけでなく、第１の酸化物絶縁層１２０および第２の酸化物絶縁層１３０にも不純物が注入される。そのため、第１の酸化物絶縁層１２０および第２の酸化物絶縁層１３０にもダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。なお、上述したように、ゲート電極１６０をマスクとして不純物のイオン注入が行われるため、ゲート電極１６０と重畳している領域には不純物が注入されず、ダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されない。

【0032】

ある領域におけるダングリングボンド欠陥ＤＢの欠陥量が所定の値を超えると、その領域は、水素をトラップする水素トラップ領域として機能する。すなわち、ゲート絶縁層１５０中に所定の欠陥量を超えるダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されると、ゲート絶縁層１５０中に水素トラップ領域が形成される。水素トラップ領域は、イオン注入によって形成されるため、ゲート電極１６０とは重畳しない。詳細は後述するが、ゲート絶縁層１５０と酸化物半導体層１４０（具体的には、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄ）との界面において、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの表面における不純物の濃度が２×１０^１７ｃｍ^－３以上であるとき、ゲート絶縁層１５０中に水素トラップ領域が形成される。なお、半導体装置１０が、良好な電気特性を得るためには、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの表面における不純物の濃度が２×１０^１９ｃｍ^－３以上であることが好ましい。

【0033】

ここで、「表面における不純物の濃度」とは、表面近傍における不純物の濃度をいう。表面近傍とは、ゲート絶縁層１５０と酸化物半導体層１４０との界面（または酸化物半導体層１４０の上面）から酸化物半導体層１４０の膜厚方向に深さ４ｎｍまでに含まれる領域をいう。但し、表面近傍における深さは４ｎｍに限られない。例えば、表面近傍における深さは、酸化物半導体層１４０の膜厚を基準とし、酸化物半導体層１４０の膜厚の１／５であってもよい。また、不純物の濃度は、イオン注入のドーズ量が換算された値であってもよく、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＩＭＳ）などの分析によって測定された値であってもよい。

【0034】

上述したように、ダングリングボンド欠陥ＤＢは、ゲート絶縁層１５０だけでなく、第１の酸化物絶縁層１２０および第２の酸化物絶縁層１３０にも形成される。そのため、第１の酸化物絶縁層１２０および第２の酸化物絶縁層１３０にも、ゲート電極１６０と重畳しない水素トラップ領域が形成されていてもよい。第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層の各々の水素トラップ領域は、チャネル領域ＣＨへの水素の拡散を大幅に抑制することができる。

【0035】

第１の酸化物絶縁層１２０として酸化シリコンが用いられるとき、第１の酸化物絶縁層１２０には、シリコンのダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。第２の酸化物絶縁層１３０として酸化アルミニウムが用いられるとき、第２の酸化物絶縁層１３０には、アルミニウムのダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。このように、第１の酸化物絶縁層１２０および第２の酸化物絶縁層１３０において、種類の異なるダングリングボンド欠陥ＤＢを形成し、水素トラップ領域における水素のトラップ性能に差をつけることもできる。

【0036】

なお、水素トラップ領域には水素がトラップされるため、ゲート電極１６０と重畳しない水素トラップ領域は、ゲート電極１６０と重畳する領域よりも水素の濃度が大きい。

【0037】

以上、半導体装置１０の構成について説明したが、上述した半導体装置１０は、いわゆるトップゲート型トランジスタである。半導体装置１０は様々な変形が可能である。例えば、遮光層１０５が導電性を有する場合、半導体装置１０は、遮光層１０５がゲート電極として機能し、窒化物絶縁層１１０、第１の酸化物絶縁層１２０、および第２の酸化物絶縁層１３０がゲート絶縁層として機能する構成であってもよい。この場合、半導体装置１０は、いわゆるデュアルゲート型トランジスタである。また、遮光層１０５が導電性を有する場合、遮光層１０５はフローティング電極であってもよく、ソース電極２０１と接続されていてもよい。さらに、半導体装置１０は、遮光層１０５を主なゲート電極として機能させる、いわゆるボトムゲート型トランジスタであってもよい。

【0038】

［３．半導体装置１０の製造方法］
図４～図１２を参照して、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法について説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法を示すフローチャートである。図５～図１２は、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０の製造方法を示す模式的な断面図である。

【0039】

図４に示すように、半導体装置１０の製造方法は、ステップＳ１０１０～ステップＳ１１１０を含む。以下、ステップＳ１０１０～ステップＳ１１１０を順に説明するが、半導体装置１０の製造方法は、ステップの順序が入れ替わる場合がある。また、半導体装置１０の製造方法には、さらなるステップが含まれていてもよい。

【0040】

ステップＳ１０１０では、基板１００の上に所定のパターンを有する遮光層１０５が形成される（図５参照）。遮光層１０５のパターニングは、フォトリソグラフィー法を用いて行われる。

【0041】

ステップＳ１０２０では、遮光層１０５の上に、窒化物絶縁層１１０および第１の酸化物絶縁層１２０が順に形成される（図６参照）。窒化物絶縁層１１０および第１の酸化物絶縁層１２０は、ＣＶＤ法を用いて成膜される。例えば、窒化物絶縁層１１０および第１の酸化物絶縁層１２０として、それぞれ、窒化シリコン膜および酸化シリコン膜が成膜される。窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とは、同一チャンバー内で反応性ガスを変えることによって連続して成膜することもできる。

【0042】

後述するステップにおいて、第１の酸化物絶縁層１２０の所定の領域に水素トラップ機能を有するダングリングボンド欠陥が形成される。そのため、第１の酸化物絶縁層１２０は、水素トラップとなる過剰酸素を含む膜でなくてもよく、３５０℃以上で成膜される欠陥の少ない緻密な膜であることが好ましい。第１の酸化物絶縁層１２０が過剰酸素を含む膜である場合、半導体装置１０の信頼性が低下するが、第１の酸化物絶縁層１２０を緻密な膜とすることにより、半導体装置１０の信頼性を向上させることができる。

【0043】

窒化物絶縁層１１０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。また、第１の酸化物絶縁層１２０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、好ましくは１５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。

【0044】

ステップＳ１０３０では、第１の酸化物絶縁層１２０の上に第２の酸化物絶縁膜１３５および酸化物半導体膜１４５が成膜される（図７参照）。第２の酸化物絶縁膜１３５および酸化物半導体膜１４５は、スパッタリング法によって成膜される。第２の酸化物絶縁膜１３５として、酸化アルミニウム膜が成膜される。第２の酸化物絶縁膜１３５の厚さは、例えば、１ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、好ましくは１ｎｍ以上２０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である。酸化物半導体膜１４５の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは１５ｎｍ以上７０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。

【0045】

ステップＳ１０３０における酸化物半導体膜１４５はアモルファスである。Ｐｏｌｙ－ＯＳ技術において、酸化物半導体層１４０が基板面内で均一な多結晶構造を有するためには、成膜後かつ熱処理前の酸化物半導体膜１４５がアモルファスであることが好ましい。そのため、酸化物半導体膜１４５の成膜条件は、成膜直後の酸化物半導体層１４０ができるだけ結晶化しない条件であることが好ましい。スパッタリング法によって酸化物半導体膜１４５が成膜される場合、被成膜対象物（基板１００および基板１００上に形成された層）の温度を１００℃以下、好ましくは８０℃以下、さらに好ましくは５０℃以下に制御しながら酸化物半導体膜１４５が成膜される。また、酸素分圧の低い条件の下で酸化物半導体膜１４５が成膜される。酸素分圧は、２％以上２０％以下であり、好ましくは３％以上１５％以下であり、さらに好ましくは３％以上１０％以下である。

【0046】

ステップＳ１０４０では、第２の酸化物絶縁膜１３５および酸化物半導体膜１４５のパターニングが行われる（図８参照）。第２の酸化物絶縁膜１３５および酸化物半導体膜１４５のパターニングは、フォトリソグラフィー法を用いて行われる。第２の酸化物絶縁膜１３５および酸化物半導体膜１４５のエッチングとして、ウェットエッチングが用いられてもよく、ドライエッチングが用いられてもよい。ウェットエッチングでは、酸性のエッチャントを用いてエッチングを行うことができる。エッチャントとして、例えば、シュウ酸、ＰＡＮ、硫酸、過酸化水素水、またはフッ酸を用いることができる。ステップＳ１０４０における酸化物半導体膜１４５はアモルファスであるため、ウェットエッチングにより酸化物半導体膜１４５を容易に所定の形状にパターニングすることができる。また、酸化物半導体膜１４５をマスクとして、第２の酸化物絶縁膜１３５も所定の形状にパターニングすることができる。これにより、第２の酸化物絶縁層１３０が形成される。

【0047】

ステップＳ１０５０では、酸化物半導体膜１４５に対して熱処理が行われる。以下、ステップＳ１０５０で行われる熱処理を「ＯＳアニール」という。ＯＳアニールでは、酸化物半導体膜１４５が、所定の到達温度で所定の時間保持される。所定の到達温度は、３００℃以上５００℃以下であり、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下である。また、到達温度での保持時間は、１５分以上１２０分以下であり、好ましくは３０分以上６０分以下である。ＯＳアニールにより、酸化物半導体膜１４５が結晶化され、多結晶構造を有する酸化物半導体層１４０（すなわち、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含む酸化物半導体層１４０）が形成される。

【0048】

ステップＳ１０６０では、第２の酸化物絶縁層１３０および酸化物半導体層１４０の上にゲート絶縁層１５０が成膜される（図９参照）。ゲート絶縁層１５０は、ＣＶＤ法を用いて成膜される。例えば、ゲート絶縁層１５０として、酸化シリコンが成膜される。ゲート絶縁層１５０の欠陥を低減するため、３５０℃以上の成膜温度でゲート絶縁層１５０を成膜してもよい。ゲート絶縁層１５０の厚さは、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは６０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、さらに好ましくは７０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。

【0049】

ステップＳ１０７０では、酸化物半導体層１４０に対して熱処理が行われる。以下、ステップＳ１０７０で行われる熱処理を「酸化アニール」という。酸化物半導体層１４０の上にゲート絶縁層１５０が形成されると、酸化物半導体層１４０の上面および側面には多くの酸素欠陥が形成される。酸化物半導体層１４０が第２の酸化物絶縁層１３０およびゲート絶縁層１５０によって囲まれた状態で酸化アニールが行われると、第２の酸化物絶縁層１３０およびゲート絶縁層１５０を介して酸化物半導体層１４０に酸素が供給され、酸化物半導体層１４０の酸素欠陥が修復される。

【0050】

ステップＳ１０８０では、ゲート絶縁層１５０の上に所定のパターンを有するゲート電極１６０が形成される（図１０参照）。ゲート電極１６０は、スパッタリング法または原子層体積法によって成膜され、ゲート電極１６０のパターニングは、フォトリソグラフィー法を用いて行われる。

【0051】

ステップＳ１０９０では、酸化物半導体層１４０中にソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが形成される（図１１参照）。ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは、イオン注入によって形成される。イオン注入は、イオンドーピング装置またはイオン注入装置を用いて行うことができる。具体的には、ゲート電極１６０をマスクとして、ゲート絶縁層１５０を介して酸化物半導体層１４０に不純物が注入される。注入される不純物として、例えば、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、または窒素（Ｎ）などが用いられる。ゲート電極１６０と重畳しないソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄでは、イオン注入によって酸素欠陥が形成され、形成された酸素欠陥に水素がトラップされる。これにより、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの抵抗が低下する。一方、ゲート電極１６０と重畳するチャネル領域ＣＨでは、不純物が注入されないため、酸素欠陥が形成されず、チャネル領域ＣＨの抵抗は低下しない。

【0052】

また、ステップＳ１０９０では、ゲート絶縁層１５０、第２の酸化物絶縁層１３０、および第１の酸化物絶縁層１２０にも不純物が注入される。ゲート絶縁層１５０、第２の酸化物絶縁層１３０、および第１の酸化物絶縁層１２０では、イオン注入によってダングリングボンド欠陥ＤＢが形成される。すなわち、ゲート絶縁層１５０、第２の酸化物絶縁層１３０、および第１の酸化物絶縁層１２０の各々に、ダングリングボンド欠陥ＤＢに起因する水素トラップ領域が形成される。イオン注入によって水素トラップ領域が形成されるため、水素トラップ領域には、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルゴン（Ａｒ）、または窒素（Ｎ）などの不純物が含まれる。

【0053】

ステップＳ１０９０におけるイオン注入では、ゲート絶縁層１５０と酸化物半導体層１４０（具体的には、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄ）との界面において、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの表面における不純物の濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上であるように、イオン注入のプロセスパラメータ（例えば、ドーズ量、加速電圧、プラズマ電力など）を制御する。例えば、ドーズ量は１×１０^１４ｃｍ^－２以上であり、および加速電圧は２０ｋｅＶ以上であるが、プロセスパラメータはこれらに限られない。

【0054】

酸化物半導体層１４０の表面における不純物の濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上であると、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに十分な酸素欠陥が形成される。また、第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０において、ダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されるとともに、水素が発生する。この場合、窒化シリコンを含む保護絶縁層をゲート絶縁層１５０上に設けなくても、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに形成された酸素欠陥に、第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０で発生した水素が供給される。したがって、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは、十分に低抵抗化される。

【0055】

ステップＳ１１００では、ゲート絶縁層１５０に開口１７１および１７３が形成される（図１２参照）。開口１７１および１７３の形成により、酸化物半導体層１４０のソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが露出される。

【0056】

ステップＳ１１１０では、ソース電極２０１が、ゲート絶縁層１５０の上および開口１７１の内部に形成され、ドレイン電極２０３が、ゲート絶縁層１５０の上および開口１７３の内部に形成される。ソース電極２０１およびドレイン電極２０３は、同一層として形成される。具体的には、ソース電極２０１およびドレイン電極２０３は、成膜された１つの導電膜をパターニングして形成される。以上のステップにより、図１に示す半導体装置１０が製造される。

【0057】

半導体装置１０の製造方法は、上述したステップに限られない。例えば、ステップＳ１１１０の後に、保護絶縁層を形成するステップが含まれていてもよい。本実施形態では、ステップＳ１０９０においてソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄが十分に低抵抗されているため、保護絶縁層に窒化シリコンを含まない構成も可能である。例えば、保護絶縁層として、ポリイミド樹脂などの平坦化膜を用いることができる。

【0058】

以上説明したように、本発明の一実施形態に係る半導体装置１０では、ゲート絶縁層１５０に水素トラップ領域が形成されるとともに、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに酸素欠陥が形成される。また、イオン注入により、第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０において、水素が発生する。ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄの表面における不純物の濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上であると、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに十分な酸素欠陥が形成される。この場合、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄに形成された酸素欠陥に、第１の酸化物絶縁層１２０、第２の酸化物絶縁層１３０、およびゲート絶縁層１５０で発生した水素が供給される。したがって、半導体装置１０は、窒化シリコンを含む保護絶縁層の形成の有無に依らず、低抵抗化されたソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄを含み、ディプリートが抑制された電気特性を有する。

【実施例0059】

作製したサンプルに基づき、半導体装置１０について、さらに詳細に説明する。

【0060】

［１．実施例サンプルの作製］
実施例１として、上述した製造方法を用いて、加速電圧およびドーズ量を制御し、ソース領域およびドレイン領域の表面における不純物（ホウ素）の濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上である４個の半導体装置（実施例サンプル１－１～実施例サンプル１－４）を作製した。また、実施例２として、窒化シリコンを含む保護絶縁層が設けられ、ソース領域およびドレイン領域の表面における不純物（ホウ素）の濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３以上である４個の半導体装置（実施例サンプル２－１～実施例サンプル２－４）を作製した。具体的には、実施例２では、ステップＳ１０９０の後で、窒化シリコンを含む保護絶縁層を形成した。その後、ステップＳ１１００およびステップＳ１１１０と同様に、保護絶縁層およびゲート絶縁層を開口し、開口を介してソース領域およびドレイン領域のそれぞれと電気的に接続されるように、ソース電極およびドレイン電極を形成した。

【0061】

［２．比較例サンプルの作製］
比較例１として、実施例１と同様の製造方法を用いて、加速電圧およびドーズ量を制御し、ソース領域およびドレイン領域の表面における不純物（ホウ素）の濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３未満である９個の半導体装置（比較例サンプル１－１～比較例サンプル１－９）を作製した。また、比較例２として、実施例２と同様の製造方法を用いて、窒化シリコンを含む保護絶縁層が設けられ、ソース領域およびドレイン領域の表面における不純物（ホウ素）の濃度が１×１０^１９ｃｍ^－３未満である９個の半導体装置（比較例サンプル２－１～比較例サンプル２－９）を作製した。

【0062】

なお、実施例サンプルおよび比較例サンプルのいずれも、酸化物半導体層は、インジウム元素を含み、全金属元素に対するインジウム元素の原子比率は５０％以上であった。また、酸化物半導体層は、ＯＳアニール前はアモルファス構造を有したが、ＯＳアニール後は結晶化され、多結晶構造を有した。すなわち、実施例サンプルおよび比較例サンプルのいずれの酸化物半導体層も、Ｐｏｌｙ－ＯＳを含んでいた。

【0063】

実施例サンプルにおける、ソース領域およびドレイン領域の表面のホウ素の濃度は、表１のとおりである。また、比較例サンプルにおける、ソース領域およびドレイン領域の表面のホウ素の濃度は、表２のとおりである。ホウ素の濃度は、イオン注入におけるドーズ量から換算した。

【0064】

【表1】

【0065】

【表2】

【0066】

［３．シート抵抗の測定］
図１３は、実施例サンプルおよび比較例サンプルにおける、ソース領域およびドレイン領域の表面におけるホウ素の濃度とシート抵抗との相関関係を示すグラフである。なお、図１３のグラフでは、説明の便宜上、比較例サンプル１－１および比較例サンプル２－１については、ホウ素の濃度が２×１０^１５ｃｍ^－３であるとしてプロットしている。

【0067】

図１３に示すグラフは、ソース領域およびドレイン領域の表面におけるホウ素の濃度に基づき、３つの範囲に区分される。第１の範囲は２×１０^１７ｃｍ^－３未満の範囲であり、第２の範囲は２×１０^１７ｃｍ^－３以上１×１０^１９ｃｍ^－３未満の範囲であり、および第３の範囲は１×１０^１９ｃｍ^－３以上の範囲である。比較例サンプル１－１～比較例サンプル１－６および比較例サンプル２－１～比較例サンプル２－６は、第１の範囲に属する。比較例サンプル１－７～比較例サンプル１－９および比較例サンプル２－７～比較例サンプル２－９は、第２の範囲に属する。実施例サンプル１－１～実施例サンプル１－４および実施例サンプル２－１～実施例サンプル２－４は、第３の範囲に属する。

【0068】

第１の範囲において、比較例サンプル１－１～比較例サンプル１－６のソース領域およびドレイン領域のシート抵抗は、比較例サンプル２－１～比較例サンプル２－６のソース領域およびドレイン領域のシート抵抗よりも大きい。比較例サンプル２－１～比較例サンプル２－６では、窒化シリコンを含む保護絶縁層が設けられているため、保護絶縁層からソース領域およびドレイン領域に十分な水素が供給される。そのため、比較例サンプル２－１～比較例サンプル２－５のソース領域およびドレイン領域が低抵抗化される。一方、比較例サンプル１－１～比較例サンプル１－６では、窒化シリコンを含む保護絶縁層が設けられていない。そのため、比較例サンプル１－１～比較例サンプル１－６のソース領域およびドレイン領域には水素が供給されず、低抵抗化しない。

【0069】

このように、第１の範囲は、窒化シリコンを含む保護絶縁層からの水素の供給によってソース領域およびドレイン領域が低抵抗化される範囲である。しかしながら、第１の範囲では、ソース領域およびドレイン領域中に、十分な酸素欠陥が形成されていない。そのため、ソース領域およびドレイン領域に供給された水素は、ソース領域およびドレイン領域中でトラップされることなく、チャネル領域に拡散する。したがって、第１の範囲では、スイッチング性能を示す電気特性が得られにくい。

【0070】

第２の範囲では、比較例２－７～比較例２－９の傾向から理解されるように、ソース領域およびドレイン領域のシート抵抗が上昇する。同様に、比較例サンプル１－７～比較例サンプル１－９においても、全体としてソース領域およびドレイン領域のシート抵抗が低下する傾向にあるものの、ソース領域およびドレイン領域のシート抵抗が上昇している範囲を有する。ここで、図１４を参照して、ソース領域およびドレイン領域のシート抵抗が上昇する理由について説明する。

【0071】

図１４は、保護絶縁層１７０から供給される水素をトラップする水素トラップ領域を説明する模式的な断面図である。

【0072】

図１４に示すように、ゲート絶縁層１５０に十分なダングリングボンド欠陥ＤＢが形成されて水素トラップ領域が形成されると、窒化シリコンを含む保護絶縁層１７０からソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄへの水素の供給は、水素トラップ領域によって抑制される。そのため、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄは酸素欠陥を有するものの、酸素欠陥に水素が供給されないため、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄのシート抵抗が上昇する。

【0073】

このように、第２の範囲は、イオン注入によってゲート絶縁層中に水素トラップ領域が形成される範囲である。第２の範囲では、水素トラップ領域に優先的に水素がトラップされるため、ソース領域およびドレイン領域への水素の供給が抑制される。そのため、第２の範囲では、ソース領域およびドレイン領域のそれぞれとソース電極およびドレイン電極との間におけるコンタクト抵抗が大きくなり、チャネル領域を流れる電流が抑制される。その結果、オン電流が低下した電気特性が得られる。

【0074】

第３の範囲では、実施例サンプル１－１～実施例サンプル１－４のソース領域およびドレイン領域のシート抵抗は１×１０^２ｋΩ／ｓｑ．以下に低下し、実施例サンプル２－１～実施例サンプル２－４のソース領域およびドレイン領域のシート抵抗と同程度である。すなわち、実施例サンプル１－１～実施例サンプル１－４では、保護絶縁層からの水素の供給がなくても、ソース領域およびドレイン領域が十分に低抵抗化される。

【0075】

このように、第３の範囲では、イオン注入によってソース領域およびドレイン領域に十分な酸素欠陥が形成された結果、第１の酸化物絶縁層および第２の酸化物絶縁層からソース領域およびドレイン領域の酸素欠陥に水素が供給される。すなわち、ソース領域およびドレイン領域に供給される水素の量が酸素欠陥に応じて制御されるため、チャネル領域への水素の拡散が抑制される。したがって、スイッチング性能を示し、ディプリートが抑制される電気特性が得られる。

【0076】

［４．電気特性の測定］
図１５は、実施例サンプル１－１～実施例サンプル１－４の電気特性を示すグラフである。図１６は、実施例サンプル２－１～実施例サンプル２－４の電気特性を示すグラフである。図１５および図１６に示すグラフのそれぞれには、チャネル幅Ｗ／チャネル長Ｌ＝４．５μｍ／３．０μｍを有する２６個のサンプルの電気特性が示されている。電気特性を示すグラフの縦軸にはドレイン電流Ｉｄが示され、横軸にはゲート電圧Ｖｇが示されている。各サンプルの電気特性の測定条件は、表３のとおりである。

【0077】

【表3】

【0078】

図１５および図１６に示すように、窒化シリコンを含む保護絶縁層が設けられていない実施例サンプル１－１～実施例サンプル１－４および窒化シリコンを含む保護絶縁層が設けられている実施例サンプル２－１～実施例サンプル２－４のいずれにおいても、スイッチング性能を示し、ディプリートが抑制された電気特性が得られた。

【0079】

本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。また、各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除、もしくは設計変更を行ったもの、または工程の追加、省略、もしくは条件変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

【0080】

上述した各実施形態の態様によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、または当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと解される。

【符号の説明】

【0081】

１０：半導体装置、 １００：基板、 １０５：遮光層、 １１０：窒化物絶縁層、 １２０：第１の酸化物絶縁層、 １３０：第２の酸化物絶縁層、 １３５：第２の酸化物絶縁膜、 １４０：酸化物半導体層、 １４５：酸化物半導体膜、 １５０：ゲート絶縁層、 １６０：ゲート電極、 １７１：開口、 １７３：開口、 ２００：ソース・ドレイン電極、 ２０１：ソース電極、 ２０３：ドレイン電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】