(57)【要約】【課題】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）が得られる絶縁膜、それを用いた半導体素子、信頼性の高い電子デバイスおよび電子機器を提供すること。【解決手段】主として半導体材料で構成された半導体基板２に接触して設けられ、シリコン、酸素原子、および、これらの原子以外の少なくとも１種の原子Ｘを含有する絶縁性無機材料を主材料として構成され、水素原子を含むゲート絶縁膜３であって、その厚さ方向の少なくとも一部において、前記原子Ｘの総濃度をＡとし、前記水素原子の濃度をＢとしたとき、Ｂ／Ａが１０以下なる関係を満足する領域を有している。これにより、薄膜化した場合でもＳＢＤやＳＩＬＣが生じ難く、高い絶縁破壊耐性を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主として半導体材料で構成された基材に接触して設けられ、シリコン、酸素原子、および、これらの原子以外の少なくとも１種の原子Ｘを含有する絶縁性無機材料を主材料として構成され、水素原子を含む絶縁膜であって、
その厚さ方向の少なくとも一部において、前記原子Ｘの総濃度をＡとし、前記水素原子の濃度をＢとしたとき、Ｂ／Ａが１０以下なる関係を満足する領域を有することを特徴とする絶縁膜。
【請求項２】
前記領域は、前記基材との界面付近に偏在する請求項１に記載の絶縁膜。
【請求項３】
前記領域は、絶縁膜の平均厚さをＹとしたとき、前記基材との界面からＹ／３以内の厚さに存在する請求項２に記載の絶縁膜。
【請求項４】
前記原子Ｘは、窒素原子、炭素原子、アルミニウム、ハフニウム、ジルコニウムおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種である請求項１ないし３のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項５】
前記水素原子の濃度および前記原子Ｘの濃度は、それぞれ、二次イオン質量分析法により測定される請求項１ないし４のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項６】
前記水素原子の少なくとも一部が重水素原子により置換されている請求項１ないし５のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項７】
平均厚さが１０ｎｍ以下である請求項１ないし６のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項８】
１０ＭＶ／ｃｍ以下の電界強度で使用される請求項１ないし７のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項９】
３ＭＶ／ｃｍ以下の電界強度で測定されるリーク電流値の最大値が、２×１０−８Ａ／ｃｍ２以下である請求項１ないし８のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項１０】
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、４０Ｃ／ｃｍ２以上である請求項１ないし９のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項１１】
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１０のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれかに記載の絶縁膜を備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項１３】
前記絶縁膜は、ゲート絶縁膜である請求項１２に記載の半導体素子。
【請求項１４】
請求項１２または１３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１５】
請求項１４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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁膜、半導体素子、電子デバイスおよび電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体集積回路装置においては、高集積化を図るために、素子のサイズは益々微細化する方向にある。
例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）では、ゲート絶縁膜の厚さがさらに薄くなる傾向を示し、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。
絶縁膜の絶縁破壊としては、タイムゼロ絶縁破壊（ＴＺＤＢ）と経時絶縁破壊（ＴＤＤＢ）とがある。
【０００３】
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絶縁膜に絶縁破壊が生じる現象である。
また、ＴＤＤＢは、ハードブレークダウン（ＨＢＤ）とソフトブレークダウン（ＳＢＤ）とに分けられる。
【０００４】
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は、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。
【０００５】
したがって、ＳＢＤが生じたＭＯＳＦＥＴは、特性は不安定になるが半導体素子として機能し得る場合もある。また、ＳＢＤは、時間の経過によってＨＢＤに移行する（移行しないこともある。）。
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。
【０００６】
ＳＩＬＣは、リーク電流を増加させるという影響以外に、ＴＤＤＢのプリカーサとしても注目されている。
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。
【０００７】
これらの絶縁膜劣化モードのうち、ゲート絶縁膜の薄膜化を図る上で、特に問題となるのはＳＢＤやＳＩＬＣである。これらの欠陥は、ゲート酸化膜の厚さを１０ｎｍ以下とした場合に、１０ＭＶ／ｃｍ以下の低電界強度領域において頻発し、ゲート絶縁膜の薄膜化を阻む大きな要因となっている。
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。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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２９９６１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、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）が得られる絶縁膜、それを用いた半導体素子、信頼性の高い電子デバイスおよび電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の絶縁膜は、主として半導体材料で構成された基材に接触して設けられ、シリコン、酸素原子、および、これらの原子以外の少なくとも１種の原子Ｘを含有する絶縁性無機材料を主材料として構成され、水素原子を含む絶縁膜であって、
その厚さ方向の少なくとも一部において、前記原子Ｘの総濃度をＡとし、前記水素原子の濃度をＢとしたとき、Ｂ／Ａが１０以下なる関係を満足する領域を有することを特徴とする。
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。
【００１１】
本発明の絶縁膜では、前記領域は、前記基材との界面付近に偏在することが好ましい。
これにより、原子Ｘを含有することによる絶縁膜の特性変化を防止しつつ、絶縁破壊耐性を向上させることができる。
本発明の絶縁膜では、前記領域は、絶縁膜の平均厚さをＹとしたとき、前記基材との界面からＹ／３以内の厚さに存在することが好ましい。
これにより、原子Ｘを含有することによる絶縁膜の特性変化を防止しつつ、絶縁破壊耐性をより向上させることができる。
【００１２】
本発明の絶縁膜では、前記原子Ｘは、窒素原子、炭素原子、アルミニウム、ハフニウム、ジルコニウムおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種であることが好ましい。
これにより、絶縁膜の特性変化を防止しつつ、この絶縁膜中においてＳｉ−ＯＨ構造をより確実に減少させ、かつ、外部電場によるＳｉ−ＯＨ構造の増加をより好適に抑制することができる。その結果、絶縁膜の絶縁破壊（ＳＢＤ、ＳＩＬＣ）をより確実に防止することができる。
【００１３】
本発明の絶縁膜では、前記水素原子の濃度および前記原子Ｘの濃度は、それぞれ、二次イオン質量分析法により測定されることが好ましい。
二次イオン質量分析法によれば、高い精度で、任意の厚さにおける原子Ｘの濃度および水素原子の濃度を測定することができる。
本発明の絶縁膜では、前記水素原子の少なくとも一部が重水素原子により置換されていることが好ましい。
これにより、絶縁膜の絶縁破壊耐性をより向上させることができる。
【００１４】
本発明の絶縁膜では、平均厚さが１０ｎｍ以下であることが好ましい。
本発明によれば、このような範囲の膜厚の絶縁膜において、絶縁破壊耐性が顕著に改善される。
本発明の絶縁膜では、１０ＭＶ／ｃｍ以下の電界強度で使用されることが好ましい。
本発明によれば、このような電界強度で使用される絶縁膜において、絶縁破壊耐性が顕著に改善される。
【００１５】
本発明の絶縁膜では、３ＭＶ／ｃｍ以下の電界強度で測定されるリーク電流値の最大値が、２×１０−８Ａ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
かかる絶縁膜を、半導体素子のゲート絶縁膜に適用することにより、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。
本発明の絶縁膜では、ソフトブレークダウン（ＳＢＤ）が生じるまでに流れる総電荷量が、４０Ｃ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
かかる絶縁膜を、半導体素子の絶縁膜に適用することにより、半導体素子の使用時における絶縁膜の絶縁破壊がより生じ難くなる。
【００１６】
本発明の絶縁膜では、ハードブレークダウン（ＨＢＤ）が生じるまでに流れる総電荷量が、１００Ｃ／ｃｍ２以上であることが好ましい。
かかる絶縁膜を、半導体素子の絶縁膜に適用することにより、半導体素子の使用時における絶縁膜の絶縁破壊がより生じ難くなる。
本発明の半導体素子は、本発明の絶縁膜を備えることを特徴とする。
これにより、特性に優れる半導体素子が得られる。
【００１７】
本発明の半導体素子では、前記絶縁膜は、ゲート絶縁膜であることが好ましい。
これにより、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が防止され、半導体素子の特性がより向上する。
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。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の絶縁膜を適用した半導体素子の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】ＳｉＯ２で構成される絶縁膜の分子構造を示す模式図である。
【図３】本発明の絶縁膜の分子構造を示す模式図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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８】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。
【図９】本発明の電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。
【図１１】実施例１の絶縁膜を二次イオン質量分析法で分析した時の各構成材料を示すプロファイルである。
【図１２】比較例の絶縁膜を二次イオン質量分析法で分析した時の各構成材料を示すプロファイルである。
【図１３】実施例１および比較例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である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の絶縁膜、半導体素子、電子デバイスおよび電子機器の好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
なお、以下では、本発明の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は、本発明の絶縁膜を適用した半導体素子の実施形態を示す縦断面図、図２は、ＳｉＯ２で構成される絶縁膜の分子構造を示す模式図、図３は、本発明の絶縁膜の分子構造を示す模式図である。なお、以下では、説明の都合上、図１中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００２０】
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（基材）２に接触して設けられたゲート絶縁膜（本発明の絶縁膜）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。
【００２１】
半導体基板２は、例えば、多結晶シリコン、アモルファスシリコン等のシリコン、ゲルマニウム、ヒ素化ガリウム等の半導体材料を主材料として構成される。
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。
【００２２】
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。
チャネル領域２１は、例えば真正半導体材料で構成されている。
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。
【００２３】
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。
例えば、ソース領域２２およびドレイン領域２３は、それぞれ、ｐ型不純物が導入された半導体材料で構成されてもよい。また、チャネル領域２１は、例えばｐ型またはｎ型不純物が導入された半導体材料で構成されてもよい。
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。
【００２４】
本実施形態の半導体素子１では、このゲート絶縁膜３の構成に特徴を有している。この点（特徴）については後に詳述する。
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。
【００２５】
層間絶縁膜４上には、導電部６１、導電部６２および導電部６３が設けられている。
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。
【００２６】
導電部６１は、コンタクトプラグ７１を介してゲート電極５に接続され、導電部６２は、コンタクトプラグ７２を介してソース領域２２に接続され、導電部６３は、コンタクトプラグ７３を介してドレイン領域２３に接続されている。
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、酸素原子、および、これらの原子以外の少なくとも１種の原子Ｘを含有する絶縁性無機材料を主材料として構成される。
【００２７】
ここで、仮に、シリコン酸化物（ＳｉＯＺ、０＜Ｚ≦２）を主材料とする絶縁膜、すなわち、前記原子Ｘを含まないＳｉＯ２膜では、図２に示すように、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。
ところが、このＳｉＯ２膜の内部には、このＳｉＯ２膜を、後述するような熱酸化法やＣＶＤ法（化学的気相成長法）等により形成（成膜）する際に、その雰囲気中に存在する水素分子や、水素原子を含むガス等に由来して不可避的に水素原子が混入する。
そして、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結合と反応し、ＳｉＯ２膜の内部に入り込んで、ゲート絶縁膜３の電子構造に影響を与えている。
【００２８】
本発明者は、さらに検討を重ね、第一原理電子構造シミュレーションにより、ＳｉＯ２膜の内部に、図３に示すようなＯが３配位するＳｉ−ＯＨ構造３１が安定に存在することを見出し、余った電子が電流に寄与することを見出した。
すなわち、単に、ＳｉＯ２膜中の水素原子の総量を規定するだけでは、リーク電流が流れるのを抑制できず、このＳｉ−ＯＨ構造３１の総量が少ないもの程、リーク電流が流れにくい（ＴＺＤＢの発生が抑制される）ことを見出した。
【００２９】
さらに、Ｏが３配位するＳｉ−ＯＨ構造３１は、外部電場の影響を受けやすく、外部電場によって、ＳｉＯ２膜の内部に存在する水素原子を取り込んで安定化して増加する。その結果、電気的ストレスによるリーク電流（すなわちＳＩＬＣ）が増加すること等からＳＢＤの発生機構を説明できることを見出した。
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（ＴＤＤＢを起こしやすい）。
【００３０】
そして、本発明者は、更に検討を重ね、絶縁性無機材料にシリコンおよび酸素原子の他に少なくとも１種の原子Ｘを含有させることにより、膜中に存在するＳｉ−ＯＨ構造３１の絶対量を減少し得るとともに、外部電場によるＳｉ−ＯＨ構造３１の増加を抑制または防止し得るであろうと考えた。
すなわち、ゲート絶縁膜３を、シリコンおよび酸素原子の他に少なくとも１種の原子Ｘを含有する絶縁性無機材料で構成することにより、このゲート絶縁膜３中では、水素原子が原子Ｘとの結合を形成するために消費される。
【００３１】
例えば、この原子Ｘが窒素原子である場合には、図３に示すように、窒素原子がＳｉ−Ｏ結合と反応し、ＳｉＯ２膜の内部に入り込んだ状態で、水素原子と結合して、Ｎ−Ｈ構造３２を形成する。また、窒素原子以外の原子Ｘである場合には、例えば、ＳｉＯ２膜の内部において、ＸＨ分子３３を形成する。
その結果、ゲート絶縁膜３中に存在するＳｉ−ＯＨ構造３１が相対的に減少し、さらには、外部電場によるＳｉ−ＯＨ構造３１の増加が抑制または防止される。これにより、ゲート絶縁膜３の絶縁破壊耐性を向上できると考えた。
【００３２】
そして、かかる考えに基づいて、鋭意検討を重ねた結果、ゲート絶縁膜３中において、原子Ｘの総濃度をＡとし、水素原子の濃度をＢとしたとき、Ｂ／Ａが１０以下となるようにすることで、ゲート絶縁膜３の絶縁破壊特性を向上できることを見出した。
さらに、本発明者の検討の過程において、ＳＩＬＣおよびＳＢＤは、ゲート絶縁膜３の中でも、特に、半導体基板（基材）２との界面付近から生じ、ゲート絶縁膜３の全体に進行することも分かってきた。
【００３３】
したがって、原子Ｘと水素元素との前述した関係は、半導体基板２との界面付近において満足（偏在）するような構成とするのが好ましい。これにより、ＳＩＬＣおよびＳＢＤの発生を確実に防止できる。
なお、原子Ｘと水素元素との前述した関係は、ゲート絶縁膜３の全体で満足するような構成としてもよいが、半導体基板２との界面付近において偏在するような構成とすることにより、ゲート絶縁膜３中における原子Ｘの絶対量を少なくできる。これにより、ゲート絶縁膜３の原子Ｘの含有量の変化に伴う、絶縁膜特性の変化を好適に抑えることができる。
【００３４】
このようなことから、ゲート絶縁膜３の半導体基板２との界面付近において、原子Ｘと水素元素との関係、すなわち、Ｂ／Ａが１０以下となるような関係を満足する領域が偏在することにより、ゲート絶縁膜３の絶縁破壊（ＳＢＤ、ＳＩＬＣ）の発生、および、ゲート絶縁膜３の特性変化の双方を好適に防止することができる。
かかる観点からは、原子Ｘと水素元素との前述した関係は、ゲート絶縁膜３の半導体基板２にできるだけ近い領域において満足するのが好ましく、具体的には、ゲート絶縁膜３の平均厚さをＹ［ｎｍ］としたとき、半導体基板２との界面からＹ／３［ｎｍ］以内の領域において満足するのが好ましく、Ｙ／５［ｎｍ］以内の領域において満足するのがより好ましく、Ｙ／１０［ｎｍ］以内の領域において満足するのがさらに好ましい。これにより、前記効果がより顕著に発揮される。
【００３５】
また、前述したような領域において、Ｂ／Ａが１０以下なる関係を満足すればよいが、特に、５以下なる関係を満足するのが好ましく、２以下なる関係を満足するのがより好ましい。これにより、ゲート絶縁膜３のＳＩＬＣおよびＳＢＤをより確実に防止することができる。
ここで、ゲート絶縁膜３の任意の厚さにおいて、このゲート絶縁膜３（ＳｉＯＺ膜）が含有する原子Ｘおよび水素原子の濃度は、例えば、二次イオン質量分析法、Ｘ線光電子分光分析法、水素前方散乱法、ラザフォード後方散乱法、昇温脱離ガス分析法のうち１種または２種以上を組み合わせて測定することができる。特に、これらのうち二次イオン質量分析法を用いるのが好ましい。二次イオン質量分析法によれば、高い精度で、任意の厚さにおける前記原子Ｘの濃度および水素原子の濃度を測定することができる。
【００３６】
また、原子Ｘとしては、ＳｉＯ２の絶縁体としての特性変化を防止しつつ、水素原子と効率よく結合するものであれば、いかなるものであってもよく、特に限定されないが、窒素原子、炭素原子、アルミニウム、ハフニウム、ジルコニウムおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種であるのが好ましい。無機絶縁材料がこれらのものを含有することにより、ゲート絶縁膜３の特性変化を防止しつつ、ゲート絶縁膜３中に存在するＳｉ−ＯＨ構造３１をより確実に減少させ、さらには、外部電場によるＳｉ−ＯＨ構造３１の増加をより好適に抑制または防止することができる。その結果、ＳｉＯ２膜の絶縁破壊（ＳＢＤ、ＳＩＬＣ）をより確実に防止することができる。
【００３７】
なお、原子Ｘとして窒素原子を含有することにより、例えば、ゲート絶縁膜３の稠密度を高めることができ、また、窒素原子、ハフニウム、ジルコニウムおよびアルミニウムを含有することにより、例えば、ゲート絶縁膜３の安定性や誘電率を高めることができる。
以上のようなゲート絶縁膜３の形成方法については、後述する半導体素子１の製造方法において説明する。
【００３８】
このようなＳｉＯ２膜を、ゲート絶縁膜３に適用した半導体素子１は、安定な特性および耐久性を得ることができる。
また、ゲート絶縁膜３中の水素原子の少なくとも一部は、重水素原子（Ｄ）で置換されたものであってもよい。これにより、外部電場に対して影響を受けやすい構造、すなわち、Ｓｉ−ＯＨ構造３１をより減少させることができ、その結果、ゲート絶縁膜３の絶縁破壊耐性をより向上させることができる。
【００３９】
ゲート絶縁膜３の平均厚さ（平均膜厚）は、１０ｎｍ以下であるのが好ましく、１〜７ｎｍ程度であるのがより好ましく、１〜２ｎｍ程度であるのがさらに好ましい。ゲート絶縁膜３の厚さを前記範囲とすることにより、半導体素子１を十分に小型化することができる。
また、ＳＩＬＣや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。
【００４０】
また、ゲート絶縁膜３は、ゲート電圧を印加した際の電界強度の絶対値が、１０ＭＶ／ｃｍ以下で使用されるものであるのが好ましく、５ＭＶ／ｃｍ以下で使用されるものであるのがより好ましく、３ＭＶ／ｃｍ以下で使用されるものであるのがさらに好ましい。ＳＩＬＣやＳＢＤは、前記範囲のゲート電圧で発生し易い欠陥であり、このゲート電圧で使用するゲート絶縁膜３の場合に、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。
【００４１】
なお、ゲート絶縁膜３に対して、前記上限値を越えた高いゲート電圧を印加すると、不可逆的な絶縁破壊（ＨＢＤ）が発生してしまうおそれがある。
また、ゲート絶縁膜３は、３ＭＶ／ｃｍ（絶対値）以下の電界強度で測定されるリーク電流値の最大値が、２×１０−８Ａ／ｃｍ２以下であるものが好ましく、１×１０−８Ａ／ｃｍ２以下であるものがより好ましく、９×１０−９Ａ／ｃｍ２以下であるものがさらに好ましい。ゲート絶縁膜３がこのような条件を満足することにより、半導体素子１の使用時におけるゲート絶縁膜３の絶縁破壊がより生じ難くなる。
【００４２】
ここで、ゲート絶縁膜３の電界強度と、その電界強度で測定されるリーク電流の最大値との関係を前述のように設定した理由は、次のとおりである。
まず第１に、ゲート絶縁膜３の平均厚さが前述したような範囲のもの、すなわちゲート絶縁膜３の厚さが比較的薄いものである場合、半導体素子１は、通常、ゲート絶縁膜３における電界強度（絶対値）を３ＭＶ／ｃｍ以下の所定値に設定して使用される頻度が高い。
【００４３】
第２に、通常、絶縁膜の電界強度が大きくなると、その電界強度で生じるリーク電流の値も大きくなる傾向を示すが、図１３に示すように、Ｂ／Ａが前述したような関係を満足する本発明の絶縁膜は、電界強度（絶対値）が２．２〜４．０ＭＶ／ｃｍの範囲において、その電界強度で生じるリーク電流の対数値がほぼ直線的に変化する傾向を示す。そのため、この範囲内で基準電界強度を設定した場合には、この基準電界強度に対するリーク電流の値が安定しており、再現性に優れる。
【００４４】
以上のことより、前記第１の理由と前記第２の理由とを総合的に判断すると、上記範囲のほぼ中間点である３ＭＶ／ｃｍ（絶対値）を基準電界強度として用いることが、妥当であると考えられる。すなわち、３ＭＶ／ｃｍ（絶対値）の値は、実用性、再現性の点で、基準電界強度として用いるのに優れている。
そして、本発明では、３ＭＶ／ｃｍ（絶対値）以下の電界強度で測定されるリーク電流値の最大値を前記の値以下に規定することにより、ゲート絶縁膜３の絶縁破壊が生じることを好適に防止することができる。その結果、半導体素子１の使用時におけるゲート絶縁膜３の絶縁破壊がより生じ難くなる。
【００４５】
そのため、本発明の絶縁膜をゲート絶縁膜３に適用して得られた半導体素子１は、製品として実使用する際において、高い信頼性を発揮するものとなる。
さらに、ゲート絶縁膜３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とした場合、ゲート絶縁膜３は、ＳＢＤが生じるまでに流れる総電荷量が、４０Ｃ／ｃｍ２以上であるものが好ましく、７５Ｃ／ｃｍ２以上であるものがより好ましい。ゲート絶縁膜３がこのような条件を満足することにより、半導体素子１の使用時におけるゲート絶縁膜３の絶縁破壊がより生じ難くなる。
【００４６】
また、急激な電圧変化が生じた時点をＨＢＤとした場合、ゲート絶縁膜３は、絶縁破壊が生じるまでに流れる総電荷量が、１００Ｃ／ｃｍ２以上であるものが好ましく、２００Ｃ／ｃｍ２以上であるものがより好ましい。ゲート絶縁膜３がこのような条件を満足することにより、半導体素子１の使用時におけるゲート絶縁膜３の絶縁破壊がより生じ難くなる。
以上、本発明の絶縁膜をゲート絶縁膜３として備える半導体素子１の構成について説明したが、本発明の絶縁膜は、前記構成の半導体素子１における層間絶縁膜４に適用することもできる。
【００４７】
＜半導体素子の製造方法＞
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。
【００４８】
＜１＞  まず、図４（ａ）に示すように、半導体基板２の表面に、例えば選択酸化法（ＬＯＣＯＳ法）等により、トレンチ素子分離構造２４を形成する。
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。
【００４９】
＜３＞  次に、図４（ｂ）に示すように、半導体基板２上に、ゲート絶縁膜３を形成する。
なお、ここでは、半導体基板２が主としてシリコンで構成される場合を代表に説明する。
Ｉ：ゲート絶縁膜３を、シリコンおよび酸素原子以外に、原子Ｘとして窒素および炭素の少なくとも一方を含有する無機絶縁材料で構成する場合
ゲート絶縁膜３は、例えば、シリコン酸化膜を形成した後、シリコン酸化膜中に原子Ｘを拡散させることにより形成することができる。
【００５０】
Ｉ−１：シリコン酸化膜の形成
まず、シリコン基板（半導体基板２）の表面に、例えば、熱酸化法、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜を形成する。
Ａ：熱酸化法
熱酸化法では、加熱したシリコン基板に、酸素原子を含むガスを供給する。これにより、シリコンを酸化させて、シリコン基板の表面に、シリコン酸化膜を形成する。
加熱の温度（加熱温度）は、３００〜１０００℃程度であるのが好ましく、５００〜８００℃程度であるのがより好ましい。
【００５１】
加熱の時間（加熱時間）は、目的とするシリコン酸化膜の厚さに応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、例えば、加熱温度を前記範囲とする場合には、１０〜９０分程度であるのが好ましく、１５〜６０分程度であるのがより好ましい。
また、酸素原子を含むガスとしては、例えば、酸素（純酸素）、オゾン、過酸化水素、水蒸気、一酸化窒素、二酸化窒素、酸化二窒素等が挙げられ、これらのうちの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。
【００５２】
Ｂ：ＣＶＤ法
ＣＶＤ法では、所定圧力のチャンバ内に、シリコン酸化物前駆体と酸素原子を含むガスとを導入し、シリコン基板（半導体基板２）を加熱する。これにより、シリコン基板の表面に、シリコン酸化膜を形成する。
シリコン酸化物前駆体としては、例えば、ジクロロシラン、ヘキサクロロジシラン、テトラキス（ヒドロカルビルアミノ）シラン、トリス（ヒドロカルビルアミノ）シラン等が挙げられ、これらのうちの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。
【００５３】
酸素原子を含むガスとしては、例えば、酸素（純酸素）、オゾン、過酸化水素、水蒸気、一酸化窒素、二酸化窒素、酸化二窒素等が挙げられ、これらのうちの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。
加熱の温度（加熱温度）は、３００〜１０００℃程度であるのが好ましく、５００〜８００℃程度であるのがより好ましい。
【００５４】
加熱の時間（加熱時間）は、目的とするシリコン酸化膜の厚さに応じて適宜設定すればよく、特に限定されないが、例えば、加熱温度を前記範囲とする場合には、１０〜９０分程度であるのが好ましく、２０〜６０分程度であるのがより好ましい。
チャンバ内の圧力（真空度）は、０．０５Ｔｏｒｒ〜大気圧（７６０Ｔｏｒｒ）程度であるのが好ましく、０．１〜５００Ｔｏｒｒ程度であるのがより好ましい。
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。
【００５５】
Ｉ−２：原子Ｘの拡散
次に、前記工程［Ｉ−１］の酸素原子を含むガスに代えて、窒素原子を含むガスおよび炭素原子を含むガスの少なくとも一方（原子Ｘを含むガス）を供給して、シリコン酸化膜が形成されたシリコン基板に熱処理を施す。これにより、窒素および炭素の少なくとも一方がシリコン酸化（ＳｉＯ２）膜中に拡散して、目的とするゲート絶縁膜３が得られる。
熱処理の温度（熱処理温度）は、３００〜１０００℃程度であるのが好ましく、６００〜９００℃程度であるのがより好ましい。
【００５６】
熱処理の時間（熱処理時間）は、特に限定されないが、例えば、加熱温度を前記範囲とする場合には、５〜８０分程度であるのが好ましく、１０〜５０分程度であるのがより好ましい。
窒素原子を含むガスとしては、例えば、アンモニア、ヒドラジン、アルキルヒドラジン化合物、アジ化水素、一酸化窒素、二酸化窒素、酸化二窒素等が挙げられ、これらのうちの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。
【００５７】
また、炭素原子を含むガスとしては、例えば、一酸化炭素、二酸化炭素等が挙げられ、これらのうちの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。
また、この［Ｉ］の方法では、前記工程［Ｉ−１］において、酸素原子を含むガスに代えて、酸素原子を含むガスと、窒素原子を含むガスおよび炭素原子を含むガスの少なくとも一方（原子Ｘを含むガス）とを供給するようにしてもよい。これにより、前記工程［Ｉ−２］を省略することができる。
【００５８】
II：ゲート絶縁膜３を、シリコンおよび酸素原子以外に、原子Ｘとしてアルミニウム、ハフニウム、ジルコニウムおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種を含有する材料で構成する場合
ゲート絶縁膜３は、例えば、スパッタリング法のようなＰＶＤ法（真空蒸着法等の物理蒸着法）やＣＶＤ法等を用いて形成することができる。
【００５９】
この場合、用いるターゲット等の構成材料（原材料）中の原子Ｘの濃度を設定することにより、形成されるゲート絶縁膜３中の原子Ｘの濃度を調整することができる。
ここで、前述したように、通常、ゲート絶縁膜３の内部には、その製造工程において、不可避的に水素原子が混入するが、この水素原子の濃度は、製造方法およびその条件に依存するものであり、同一の製造方法およびその条件では、ほぼ一定となる。
【００６０】
したがって、前記［Ｉ］では、例えば、シリコン酸化膜の製造方法およびその条件毎に、予め、シリコン酸化膜の内部に含まれる水素原子の濃度を実験的に測定しておき、この測定値に基づいて、前記工程［Ｉ−２］における熱処理温度、熱処理時間、用いるガス種、ガスの流量等を適宜設定することにより、ゲート絶縁膜３中における原子Ｘの濃度と水素原子の濃度とが所定の関係を満足するように調整することができる。
【００６１】
なお、この熱処理温度、熱処理時間、用いるガス種、ガスの流量等も、実験的に求めることができる。
また、前記［II］では、例えば、ゲート絶縁膜３の製造方法およびその条件毎に、予め、ゲート絶縁膜３の内部に含まれる水素原子の濃度を実験的に測定しておき、この測定値に基づいて、用いるターゲット（原材料）中の原子Ｘの濃度等を適宜設定することにより、ゲート絶縁膜３中における原子Ｘの濃度と水素原子の濃度とが所定の関係を満足するように調整することができる。
さらに、得られたゲート絶縁膜３には、例えば、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を含む雰囲気中で熱処理等を施すようにしてもよい。
この場合、加熱の温度（加熱温度）は、５００〜１２００℃程度であるのが好ましく、７００〜１０００℃程度であるのがより好ましい。
【００６２】
加熱の時間（加熱時間）は、加熱温度を前記範囲とする場合には、１０〜９０分程度であるのが好ましく、２０〜６０分程度であるのがより好ましい。
また、雰囲気の相対湿度は、５０〜１００％ＲＨ程度が好ましく、７５〜１００％ＲＨ程度であるのがより好ましい。
以上のような方法および条件でゲート絶縁膜３を形成することにより、上述したようなシリコン酸化物以外の原子を効果的にゲート絶縁膜３内に混入することができる。これにより、得られたゲート絶縁膜３は、その厚さ方向の少なくとも一部において、より確実に、前述したような関係を満足するようになり、当該領域において、Ｓｉ−ＯＨ構造３１の存在量を極めて少なくすることができる。その結果、Ｓｉ−ＯＨ構造３１が存在することによるリーク電流および絶縁破壊の発生をより確実に阻止（防止）することができる。
【００６３】
なお、ゲート絶縁膜３中の水素原子を重水素原子で置換する方法としては、例えば、Ａ：ゲート絶縁膜３を形成した後、重水素ガス（Ｄ２）を含む雰囲気中で、ゲート絶縁膜３に対して熱処理を施す方法、Ｂ：ゲート絶縁膜３を形成するに際して、半導体基板２を重水蒸気（Ｄ２Ｏ）を含む雰囲気中で熱酸化を行う方法、Ｃ：ゲート絶縁膜３を形成した後、重水素アンモニアガス（ＮＤ３）を含む雰囲気中で、ゲート絶縁膜３に対して熱処理を施す方法等が挙げられ、これらのうちの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。
【００６４】
＜４＞  次に、図４（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜３上に、導電膜５１を形成する。
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。
【００６５】
＜６＞  次に、図５（ｅ）に示すように、半導体基板２のゲート電極５の両側にイオンドープを行い、ソース領域２２およびドレイン領域２３を形成する。
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。
【００６６】
＜７＞  次に、図５（ｆ）に示すように、各部が形成された半導体基板２上に、例えばＣＶＤ法等により、ＳｉＯ２等を堆積させることで層間絶縁膜４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。
【００６７】
＜９＞  次に、コンタクトホール４１、４２、４３の内部を含めて層間絶縁膜４上に、例えばＣＶＤ法等により、導電性材料を堆積させ導電膜を形成する。
＜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。
【００６８】
＜電子デバイス＞
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。
【００６９】
なお、図７では、図が煩雑となるのを避けるため一部の部材を省略している。また、以下では、説明の都合上、図７中の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
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。
【００７０】
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。
液晶パネル２０は、互いに対向して配置された第１の基板２２０と第２の基板２３０とを有し、これらの第１の基板２２０と第２の基板２３０との間には、表示領域を囲むようにしてシール材（図示せず）が設けられている。
【００７１】
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。
なお、図示は省略したが、液晶層２４０の上面および下面には、それぞれ、例えばポリイミド等で構成される配向膜が設けられている。これらの配向膜により液晶層２４０を構成する液晶分子の配向性（配向方向）が規制されている。
【００７２】
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。
第１の基板２２０は、その上面（液晶層２４０側の面）２２１に、マトリックス状（行列状）に配置された複数の画素電極２２３と、Ｘ方向に延在する走査線２２４と、Ｙ方向に延在する信号線２２８とが設けられている。
【００７３】
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。
また、第１の基板２２０の下面には、偏光板２２５が設けられている。
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。
【００７４】
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。
対向電極２３２も、前記画素電極２２３と同様に、透明性（光透過性）を有する透明導電膜（により構成されている。
【００７５】
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。
ブラックマトリックス２３４は、遮光機能を有し、例えば、クロム、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、亜鉛、チタンのような金属、カーボン等を分散した樹脂等で構成されている。
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。
【００７６】
このような構成の液晶パネル２０では、バックライト６０から発せられた光は、偏光板２２５で偏光された後、第１の基板２２０および各画素電極２２３を介して、液晶層２４０に入射する。液晶層２４０に入射した光は、各画素毎に配向状態が制御された液晶により強度変調される。強度変調された各光は、有色層２３３、対向電極２３２および第２の基板２３０を通過した後、偏光板２３５で偏光され、外部に出射する。これにより、液晶表示装置１０では、第２の基板２３０の液晶層２４０と反対側から、例えば、文字、数字、図形等のカラー画像（動画および静止画の双方を含む）を視認することができる。
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。
【００７７】
＜電子機器＞
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。
【００７８】
この図において、パーソナルコンピュータ１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。
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。
【００７９】
図９は、本発明の電子機器を適用した携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成を示す斜視図である。
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。
【００８０】
図１０は、本発明の電子機器を適用したディジタルスチルカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。
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。
【００８１】
ディジタルスチルカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、前述の液晶表示装置１０が表示部に設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、被写体を電子画像として表示するファインダとして機能する。
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。
また、ケース１３０２の正面側（図示の構成では裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤなどを含む受光ユニット１３０４が設けられている。
【００８２】
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。
また、このディジタルスチルカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、図示のように、ビデオ信号出力端子１３１２にはテレビモニタ１４３０が、デ−タ通信用の入出力端子１３１４にはパーソナルコンピュータ１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、回路基板１３０８のメモリに格納された撮像信号が、テレビモニタ１４３０や、パーソナルコンピュータ１４４０に出力される構成になっている。
【００８３】
なお、本発明の電子機器は、図８のパーソナルコンピュータ（モバイル型パーソナルコンピュータ）、図９の携帯電話機、図１０のディジタルスチルカメラの他にも、例えば、テレビや、ビデオカメラ、ビューファインダ型、モニタ直視型のビデオテープレコーダ、ラップトップ型パーソナルコンピュータ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニタ、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器（例えば金融機関のキャッシュディスペンサー、自動券売機）、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電表示装置、超音波診断装置、内視鏡用表示装置）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシュミレータ、その他各種モニタ類、プロジェクター等の投射型表示装置等に適用することができる。
以上、本発明の絶縁膜、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。
【実施例】
【００８４】
次に、本発明の具体的実施例について説明する。
１．絶縁膜の作製および評価
１−１．絶縁膜の作製
以下に示す各実施例および比較例において、それぞれ、５つの絶縁膜を形成した。
（実施例１）
−１Ａ−  面方位（１００）のｐ型シリコン結晶基板（基材）を用意し、熱酸化処理によりシリコン酸化膜を形成した。
熱酸化処理は、相対湿度３３％ＲＨの水蒸気（Ｈ２Ｏ）雰囲気中、７５０℃×１５ｍｉｎで行った。
得られたシリコン酸化膜の平均厚さＹは、５．５ｎｍであった。
−２Ａ−  次に、このシリコン酸化膜に対して、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気中、８５０℃×１０ｍｉｎで加熱処理を行った。
以上のようにして、絶縁膜を得た。
【００８５】
（実施例２）
前記工程−２Ａ−において、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気中の加熱処理の条件を、７５０℃×１０ｍｉｎに代えた以外は、前記実施例１と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．３ｎｍ）を得た。
（実施例３）
前記工程−２Ａ−において、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気中の加熱処理の条件を、９００℃×１５ｍｉｎに代えた以外は、前記実施例１と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．５ｎｍ）を得た。
【００８６】
（実施例４）
前記工程−２Ａ−において、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気中の加熱処理の条件を、４５０℃×５ｍｉｎに代えた以外は、前記実施例１と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．３ｎｍ）を得た。
（実施例５）
前記工程−２Ａ−において、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気に代えて二酸化炭素（ＣＯ２）雰囲気とした以外は、前記実施例１と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．２ｎｍ）を得た。
【００８７】
（実施例６）
前記工程−２Ａ−において、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気に代えて二酸化炭素（ＣＯ２）雰囲気とした以外は、前記実施例２と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．３ｎｍ）を得た。
（実施例７）
前記工程−２Ａ−において、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気に代えて二酸化炭素（ＣＯ２）雰囲気とした以外は、前記実施例３と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．４ｎｍ）を得た。
【００８８】
（実施例８）
前記工程−２Ａ−において、アンモニア（ＮＨ３）雰囲気に代えて二酸化炭素（ＣＯ２）雰囲気とした以外は、前記実施例４と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．２ｎｍ）を得た。
（実施例９）
前記工程−１Ａ−において、水蒸気雰囲気に代えて重水蒸気（Ｄ２Ｏ）雰囲気とした以外は、前記実施例１と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．５ｎｍ）を得た。
【００８９】
（実施例１０）
−１Ｂ−  まず、面方位（１００）のｐ型シリコン結晶基板を用意し、この基板上に、スパッタリング法によりアルミニウムを含有するシリコン酸化膜を形成した。
なお、スパッタリング法は、二酸化ケイ素とアルミニウムとを構成材料とするターゲットを用い、放電ガスとしてアルゴンを用い、チャンバ内の圧力を３×１０−３Ｔｏｒｒとして行った。
得られたシリコン酸化膜の平均厚さＹは、５．０ｎｍであった。
−２Ｂ−  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。
【００９０】
（実施例１１）
前記工程−１Ｂ−において、二酸化ケイ素とハフニウムとを構成材料とするターゲットを用いた以外は、前期実施例１０と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．３ｎｍ）を得た。
（実施例１２）
前記工程−１Ｂ−において、二酸化ケイ素とジルコニウムとを構成材料とするターゲットを用いた以外は、前期実施例１０と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：４．８ｎｍ）を得た。
【００９１】
（実施例１３）
前記工程−１Ｂ−において、二酸化ケイ素とゲルマニウムとを構成材料とするターゲットを用いた以外は、前期実施例１０と同様にして、絶縁膜（平均厚さＹ：５．１ｎｍ）を得た。
（比較例）
前記工程−２Ａ−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Ｙ：５．２ｎｍ）を得た。
【００９２】
１−２．絶縁膜の評価
１−２−１．二次イオン質量分析
各実施例および比較例の絶縁膜について、それぞれ、二次イオン質量分析法により、これら絶縁膜の基材と反対側の面を厚さ０［ｎｍ］とし、この面から厚さ方向に向かって、シリコンおよび酸素原子のイオン強度、および、水素（重水素）原子、窒素原子、炭素原子、アルミニウム、ハフニウム、ジルコニウムおよびゲルマニウムの濃度（密度）を分析した。
【００９３】
なお、二次イオン質量分析法による測定条件は、以下の通りである。
・二次イオン質量分析装置    ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ社製、「ＡＤＥＰＴ１０１０」
・一次イオン種            ：Ｃｓ＋
・一次イオン加速エネルギー：５００ｅｖ
・二次イオン極性          ：Ｐｏｓｉｔｉｖｅ
ここに、実施例１および比較例の測定結果を、一例として、図１１および図１２に示す。
【００９４】
次に、各実施例および比較例の絶縁膜における基材との界面から所定距離（Ｙ／３、Ｙ／５およびＹ／１０［ｎｍ］）における、それぞれのＢ／Ａ値を、以下の表１に示す。なお、表１中の数値は、測定結果に基づいて（補正等を施して）得られた数値であり、絶縁膜の異なる５つのサンプルにおける平均値である。
【００９５】
【表１】
2010098322.tif 000003
【００９６】
１−２−２．リーク電流値の測定
次に、各実施例および比較例の絶縁膜について、それぞれ、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。
【００９７】
各実施例および比較例の絶縁膜において、それぞれ、電界強度０〜−３ＭＶ／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、５つの絶縁膜の平均値である。
また、一例として、実施例１および比較例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。
【００９８】
【表２】
2010098322.tif 000004
【００９９】
表２および図１３に示すように、各実施例の絶縁膜は、いずれも、電界強度０〜−５ＭＶ／ｃｍの範囲（特に、０〜−３ＭＶ／ｃｍの範囲）において、リーク電流値が小さく抑えられていた。
また、これら各実施例の中でも、特に、Ｂ／Ａ値が小さかったものは、リーク電流値がより小さく抑えられる傾向を示した。
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。
【０１００】
１−２−３．Ｑｂｄ値の測定
次に、各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。
【０１０１】
なお、測定面積は０．０２０３９ｃｍ２、印加電流は０．０１２２６Ａ／ｃｍ２とした。
各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、５つの絶縁膜の平均値である。
【０１０２】
【表３】
2010098322.tif 000005
【０１０３】
表３に示すように、各実施例の絶縁膜のＱｂｄ（ＳＢＤ）値は、比較例の絶縁膜のＱｂｄ（ＳＢＤ）値よりも大きなものであった。
また、各実施例の絶縁膜の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。
また、各実施例の中でも、特に、Ｂ／Ａ値が小さかったものは、Ｑｂｄ（ＳＢＤ）値とＱｂｄ（ＨＢＤ）値とがともにより大きくなる傾向を示した。
以上のような各評価結果から、原子Ｘの総濃度Ａと水素原子の濃度Ｂとの比Ｂ／Ａが１０以下となる領域を有する絶縁膜は、絶縁破壊耐性に優れることが明らかとなった。
また、Ｂ／Ａ値が小さくなるにしたがって、絶縁膜は、その絶縁破壊耐性が向上する傾向を示した。
【０１０４】
２．半導体素子の作製および評価
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、前記各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
各実施例および比較例と同様にして形成したゲート絶縁膜を備える各半導体素子について、そのスイッチング特性を評価する目的にて、それぞれ、しきい電圧を測定した。
【０１０５】
その結果、各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、いずれも、長期間に亘り、しきい電圧値の絶対値が小さなものを示した。
さらに、これらの半導体素子のうち、基材との界面により近い領域においてＢ／Ａ値が小さく抑えられていたものほど、その絶対値がより小さくなる傾向を示した。このことは、原子Ｘを界面付近に効果的に含有しているものほど、絶縁膜の特性の低下が防止されていることを示唆するものである。
【０１０６】
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、しきい電圧（スイッチング特性）が大きく不安定であり、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。
ここで、しきい電圧とは、ゲート電圧とＩｄ１／２（Ｉｄ：ドレイン電流の値）との関係を表す近似式（関係式）の値が０となるときのゲート電圧値であり、ドレイン電流が流れ始めるのに要するゲート電圧にほぼ等しい。
【０１０７】
なお、基材との界面により近い領域においてＢ／Ａ値がより小さい絶縁膜は、すなわち、この膜中の原子Ｘの絶対値がより少ない状態で、Ｓｉ−ＯＨ構造３１の生成を効果的に抑えている絶縁膜である。
以上のことから、このような絶縁膜は、絶縁破壊（ＳＢＤ，ＳＩＬＣ）の発生を効果的に抑制しつつ、優れた特性を有するものであることがわかる。
【符号の説明】
【０１０８】
１‥‥半導体素子  ２‥‥半導体基板  ２１‥‥チャネル領域  ２２‥‥ソース領域  ２３‥‥ドレイン領域  ２４‥‥素子分離構造  ３‥‥ゲート絶縁膜  ３１‥‥Ｓｉ−ＯＨ構造  ３２‥‥Ｎ−Ｈ構造  ３３‥‥ＸＨ分子  ４‥‥層間絶縁膜  ５‥‥ゲート電極  ４１、４２、４３‥‥コンタクトホール  ５１‥‥導電膜  ６１、６２、６３‥‥導電部  ７１、７２、７３‥‥コンタクトプラグ  １０‥‥液晶表示装置  ２０‥‥液晶パネル  ２２０‥‥第１の基板  ２２１‥‥上面  ２２３‥‥画素電極  ２２４‥‥走査線  ２２５‥‥偏光板  ２２８‥‥信号線  ２３０‥‥第２の基板  ２３１‥‥下面  ２３２‥‥対向電極  ２３３‥‥有色層  ２３４‥‥ブラックマトリックス  ２３５‥‥偏光板  ２４０‥‥液晶層  ６０‥‥バックライト  １１００‥‥パーソナルコンピュータ  １１０２‥‥キーボード  １１０４‥‥本体部  １１０６‥‥表示ユニット  １２００‥‥携帯電話機  １２０２‥‥操作ボタン  １２０４‥‥受話口  １２０６‥‥送話口  １３００‥‥ディジタルスチルカメラ  １３０２‥‥ケース（ボディー）  １３０４‥‥受光ユニット  １３０６‥‥シャッタボタン  １３０８‥‥回路基板  １３１２‥‥ビデオ信号出力端子  １３１４‥‥データ通信用の入出力端子  １４３０‥‥テレビモニタ  １４４０‥‥パーソナルコンピュータ
【図１】
2010098322.tif 000006
【図２】
2010098322.tif 000007
【図３】
2010098322.tif 000008
【図４】
2010098322.tif 000009
【図５】
2010098322.tif 000010
【図６】
2010098322.tif 000011
【図７】
2010098322.tif 000012
【図８】
2010098322.tif 000013
【図９】
2010098322.tif 000014
【図１０】
2010098322.tif 000015
【図１１】
2010098322.tif 000016
【図１２】
2010098322.tif 000017
【図１３】
2010098322.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月24日(2009.12.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素を含む基体の表面に配置される絶縁膜であって、
珪素よりなる第１の元素と、
酸素よりなる第２の元素と、
水素及び重水素の少なくとも一方よりなる第３の元素と、
前記第１の元素、前記第２の元素、及び前記第３の元素で表される元素以外の少なくとも１種の第４の元素と、
を含み、
前記絶縁膜の厚みをＹとしたとき、前記基体と前記絶縁膜との界面から前記厚みの方向にＹ／１０の距離の前記絶縁膜は、
前記第４の元素の濃度をＡとし、前記第３の元素の濃度をＢとしたとき、１．６≦Ｂ／Ａ≦９．３であることを特徴とする絶縁膜。
【請求項２】
前記第４の元素は、窒素、炭素、アルミニウム、ハフニウム、ジルコニウムおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種である請求項１に記載の絶縁膜。
【請求項３】
前記第３の元素の濃度及び前記第４の元素の濃度は、それぞれ、二次イオン質量分析法により測定される請求項１または２に記載の絶縁膜。
【請求項４】
前記第３の元素の原子は、水素原子の少なくとも一部が重水素原子により置換されている請求項１ないし３のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項５】
前記絶縁膜の厚みは、１０ｎｍ以下である請求項１ないし４のいずれかに記載の絶縁膜。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の絶縁膜を備えることを特徴とする半導体素子。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれかに記載の絶縁膜を、ゲート絶縁膜としたことを特徴とする半導体素子。
【請求項８】
請求項６または７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９】
請求項８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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の絶縁膜は、珪素を含む基体の表面に配置される絶縁膜であって、
珪素よりなる第１の元素と、
酸素よりなる第２の元素と、
水素及び重水素の少なくとも一方よりなる第３の元素と、
前記第１の元素、前記第２の元素、及び前記第３の元素で表される元素以外の少なくとも１種の第４の元素と、
を含み、
前記絶縁膜の厚みをＹとしたとき、前記基体と前記絶縁膜との界面から前記厚みの方向にＹ／１０の距離の前記絶縁膜は、
前記第４の元素の濃度をＡとし、前記第３の元素の濃度をＢとしたとき、１．６≦Ｂ／Ａ≦９．３であることを特徴とする。
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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明の絶縁膜では、前記第４の元素は、窒素、炭素、アルミニウム、ハフニウム、ジルコニウムおよびゲルマニウムのうちの少なくとも１種であることが好ましい。
これにより、絶縁膜の特性変化を防止しつつ、この絶縁膜中においてＳｉ−ＯＨ構造をより確実に減少させ、かつ、外部電場によるＳｉ−ＯＨ構造の増加をより好適に抑制することができる。その結果、絶縁膜の絶縁破壊（ＳＢＤ、ＳＩＬＣ）をより確実に防止することができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明の絶縁膜では、前記第３の元素の濃度及び前記第４の元素の濃度は、それぞれ、二次イオン質量分析法により測定されることが好ましい。
二次イオン質量分析法によれば、高い精度で、任意の厚さにおける原子Ｘの濃度および水素原子の濃度を測定することができる。
本発明の絶縁膜では、前記第３の元素の原子は、水素原子の少なくとも一部が重水素原子により置換されていることが好ましい。
これにより、絶縁膜の絶縁破壊耐性をより向上させることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の絶縁膜では、前記絶縁膜の厚みは、１０ｎｍ以下であることが好ましい。
本発明によれば、このような範囲の膜厚の絶縁膜において、絶縁破壊耐性が顕著に改善される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
本発明の半導体素子は、本発明の絶縁膜を備えることを特徴とする。
これにより、特性に優れる半導体素子が得られる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の半導体素子では、本発明の絶縁膜を、ゲート絶縁膜としたことを特徴とする。
これにより、ゲート絶縁膜の絶縁破壊が防止され、半導体素子の特性がより向上する。
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。