CN100447952C - 离子掺杂装置、离子掺杂方法以及半导体装置 - Google Patents

Abstract

一种离子掺杂装置、离子掺杂方法以及半导体装置。离子掺杂装置包括：腔室(11)；排气部(13)，其排出腔室内的气体；离子源(12)，其设置在腔室内，具有对含有要掺杂的元素的气体进行导入的导入口(14)、放出热电子的灯丝(15)以及用于在与所述灯丝之间进行电弧放电的阳极电极(17)，通过电弧放电使气体分解，生成含有要掺杂的元素的离子；加速部(23)，其从离子源(12)引出在离子源(12)生成的离子并且朝向对象物加速，控制电弧放电，使在灯丝和电弧电极之间流动的电弧电流一定。

Description

离子掺杂装置、离子掺杂方法以及半导体装置

技术领域

本发明涉及向对象物注入或掺杂离子的离子掺杂装置。另外，还涉及使用离子掺杂装置而制造的半导体装置。

背景技术

近年来，为了实现大型的高清晰度液晶显示装置、高速的高清晰度的密合型图像传感器、三维IC等，正在尝试在玻璃等绝缘基板上形成高性能的半导体元件的方式。

在形成这样的半导体元件时，必须形成薄膜状的半导体层，目前公知有使用由非晶硅半导体(a-Si)构成的半导体薄膜或由多结晶硅及微结晶硅等结晶性硅半导体构成的半导体薄膜，在绝缘性基板上形成半导体元件。

非晶硅半导体薄膜由于能够使用气相法以比较低的温度形成，故批量生产性好，最为普遍使用。但是，非晶硅半导体薄膜在导电性等物理特性方面不好。因此，在要求半导体元件高性能的上述装置等中非晶硅半导体薄膜不适用。

另一方面，结晶性硅半导体薄膜导电性优良，为了使用于上述装置等中，而进行了各种研究和开发。作为得到薄膜状的结晶性硅半导体的方法，公知有如下方法。

(1)在成膜时直接形成具有结晶性的硅半导体膜。

(2)形成非晶硅半导体膜，照射强光，通过其能量而使非晶硅结晶化。

(3)形成非晶硅半导体膜，通过施加热能而使非晶硅结晶化。

在(1)的方法中，由于与成膜工序同时进行硅的结晶化，故如果没有充分增大形成的膜的厚度，就不能得到结晶粒径大的结晶性硅。因此，通过该方法，在具有大面积的基板的整个面上形成具有良好的半导体特性的结晶性硅半导体膜，在技术上是困难的。另外，由于必须以大于或等于600℃的温度成膜，故作为绝缘性基板不能使用软化点低的便宜的玻璃基板，在制造成本方向具有问题。

在(2)的方法中，由于利用溶融固化过程的结晶化现象，故良好地处理结晶粒径小的粒界，可得到高品质的结晶性硅半导体。但是，难以确保大面积照射强光的实用的方法。例如，在使用目前最常用的准分子激光器时，由于激光的稳定性不充分，故难以均匀地处理大面积基板的整个面而得到结晶性硅膜。因此，在同一基板上形成具有均一特性的多个半导体元件是困难的。另外，由于激光的照射面积小，生产效率差。

在(3)的方法中，与(1)、(2)方法相比，具有容易得到大面积的结晶性硅半导体膜的优点。但是，在结晶化时必须在大于或等于600℃的高温下进行数十小时的加热处理。因此，在使用便宜的玻璃基板而降低加热温度的情况下，必须进一步增长加热时间，生产量降低。另外，在这种方法中，由于利用固相结晶化现象，故结晶粒会在基板面上平行地扩展，其结晶粒径也有可能达到数μm。但是，由于生长的结晶粒相互撞合而形成粒界，故其粒界成为作为相对载流子的阱位(トラツプ準位)而工作并使电子移动度降低的原因。

在上述三个方法中，(3)方法作为有希望的方法而特别受到注目，应用(3)方法，通过在更低温度下进行短时间加热处理，形成高品质的、均一性高的结晶性硅膜的方法，例如公开在特开平6-333824号公报、特开平6-333825号公报以及特开平8-330602号公报。

在所述专利文献所公开的方法中公开有如下内容：向非晶硅膜表面导入微量的镍等金属元素，进行热处理，由此能够在小于或等于600℃的低温下以数小时左右的处理时间进行结晶化。

根据该方法，首先在热处理时的早期阶段产生以导入的金属元素作为核的结晶核，然后，金属元素成为催化剂而促进硅的结晶生长，急剧进行结晶核。因此，将导入的金属元素称为催化剂元素。虽然通过通常的固相生长法而结晶化了的硅膜具有双晶结构，但由该方法得到的结晶性硅膜由多根柱状结晶构成，各自的柱状结晶内部成为接近单结晶的状态。

在该方法中，若催化剂元素残留在硅膜中，则不能得到正常的半导体元件特性。因此，如特开平6-333824号公报或特开平8-236471号公报所公开的，使用磷离子来捕捉催化剂元素。具体地，导入催化剂元素，对热处理中得到的结晶性硅膜进行构图后，在其表面上设置栅极绝缘膜，再设置栅电极。以栅电极为掩模向构图后的结晶性硅膜中掺杂磷离子。由此，在栅电极正下方的区域以外的区域(源极、漏极区域)掺杂磷。利用热能或激光使其有源化，从而栅电极正下方的区域的催化剂元素被捕捉(收气：gettering)到源极漏极区域，形成以栅极正下方的区域作为沟道区域的薄膜晶体管。

上述的磷离子的掺杂必须相对大面积的结晶性硅膜形成。因此，使用能够照射大面积的离子束的离子束装置。在这样的离子束装置中，为了产生大量的离子，形成大面积的离子束，而以乙硼烷和磷化氢为原料，在离子源将所述原料分解而生成离子束，该离子束不通过质量分离器而照射结晶性硅膜。此时，在现有的离子束装置中，使离子束的射束电流密度一定而控制离子束装置，将离子掺杂到结晶性硅膜中。

但是，在进行这种控制时，所掺杂的离子每单位面积的全部电荷一定，生成的离子的离子种能够改变。所掺杂的半导体的特性由于离子种的不同而不同，所以使用目前的离子束装置向结晶性硅膜掺杂离子，制作半导体元件时，产生半导体元件的特性波动大的问题。另外，由于特性的波动大，故产生满足规定规格的半导体装置的成品率降低的问题。

发明内容

本发明的目的在于，解决上述现有问题，提供生成的离子种比率的变动少的离子掺杂装置和离子掺杂方法。另外，本发明也涉及使用离子掺杂装置制造的半导体装置及其制造方法。

本发明的离子掺杂装置包括：腔室；排气部，其排出所述腔室内的气体；离子源，其设置在所述腔室内，具有导入含要掺杂的元素的气体的导入口、放出热电子的灯丝以及用于在与所述灯丝之间进行电弧放电的阳极电极，通过所述电弧放电分解所述气体，生成含有所述要掺杂的元素的离子；加速部，其从离子源引出在所述离子源生成的离子并且朝向对象物加速，控制所述电弧放电，以使在所述灯丝和所述阳极电极之间流动的电弧电流一定。

在理想的实施方式中，离子掺杂装置还具有向所述灯丝施加电压的灯丝电源和向所述灯丝与所述阳极电极之间施加电压的电弧电源，控制所述灯丝电源及/或所述电弧电源，使在所述灯丝和所述阳极电极之间流过的电弧电流成为一定。

在理想的实施方式中，还具有用于测定所述电弧电流的电流计，控制所述电弧电源的输出电压，使由所述电流计测定的值成为一定。

在理想的实施方式中，通过所述电弧放电从所述气体生成多个离子种，所述离子种的生成比成为一定。

另外，本发明的半导体装置包括具有绝缘性表面的基板和设置在所述基板上的结晶性硅膜，并且具有多个半导体元件，其使用所述任一实施方式所述的离子掺杂装置，以所述要掺杂的元素作为杂质向所述结晶性硅膜导入，由此，在所述结晶性硅膜中形成源极区域、漏极区域以及沟道区域。

在理想的实施方式中，将所述多个半导体元件中的所述沟道区域的杂质浓度平均值设为Ave，将标准偏差设为σ，此时满足0.05≥3σ/Ave的关系。

在理想的实施方式中，将所述多个半导体元件中的所述源极区域和漏极区域的杂质浓度平均值设为Ave，将标准偏差设为σ，此时满足0.05≥3σ/Ave的关系。

在理想的实施方式中，所述结晶性硅膜通过促进非晶硅膜的结晶性生长的催化剂元素而结晶化。

在理想的实施方式中，所述非晶硅膜具有大于或等于25nm小于或等于80nm的厚度。

在理想的实施方式中，所述结晶性硅膜以小于或等于1×10¹⁶atoms/cm³的浓度含有所述催化剂元素。

在理想的实施方式中，所述催化剂元素是从镍、钴、钯、白金、铜、银、金、铟、锡、铝以及锑构成的组中选择的至少一种元素。

在理想的实施方式中，所述催化剂元素是镍。

在理想的实施方式中，所述结晶性硅膜在导入所述催化剂元素后，通过炉的热处理、灯泡的退火处理以及激光照射中的大于或等于一个的方法来进行。

本发明的离子掺杂方法包含通过电弧放电分解含有要掺杂的元素的气体的步骤、通过以规定电压加速由所述分解步骤产生的离子而使所述离子冲撞对象物的步骤，在所述分解步骤中，控制所述电弧放电，使所述电弧放电产生的电流成为一定。

在理想的实施方式中，要掺杂的元素是硼或磷。

本发明的半导体装置的制造方法包含：在具有绝缘性表面的基板上形成非晶硅膜的步骤(A)；向所述非晶硅膜添加催化剂元素的步骤(B)；通过对添加有所述催化剂元素的非晶硅膜进行热处理，进行结晶化，从所述非晶硅膜得到结晶性硅膜的步骤(C)；通过使电弧电流成为一定而进行电弧放电，分解含杂质元素的气体，加速由所述分解产生的离子，导入到所述结晶性硅膜中的步骤(D)；对所述结晶性硅膜进行热处理的步骤(E)。

在理想的实施方式中，所述半导体装置的制造方法在所述步骤(C)之后，还具有在所述结晶性硅膜上形成绝缘膜的工序，所述步骤(D)包含：通过使电弧电流一定而进行电弧放电，从而分解所述含杂质元素的气体，加速由所述分解产生的离子，经由所述绝缘膜导入到所述结晶性硅膜中的步骤(D1)；在所述结晶性硅膜上形成由具有导电性的材料构成的图案的工序(D2)；通过使电弧电流一定而进行电弧放电，从而分解所述含杂质元素的气体，加速由所述分解产生的离子，以所述图案为掩模而导入到所述结晶性硅膜中的步骤(D3)。

在理想的实施方式中，所述步骤(D1)的杂质元素是硼，所述步骤(D3)的杂质元素是磷。

在理想的实施方式中，所述催化剂元素是从镍、钴、钯、白金、铜、银、金、铟、锡、铝以及锑构成的组中选择的至少一种元素。

附图说明

图1是表示本发明的离子掺杂装置的一实施方式的模式图；

图2是表示电弧电流变化时的离子种比率的曲线图；

图3(a)～(e)是说明本发明的半导体装置的制造工序的模式剖面图；

图4是表示本发明的离子掺杂装置的其他方式的模式图。

具体实施方式

图1表示本发明的离子掺杂装置的一实施方式。图1所示的离子掺杂装置10具有腔室11、排气部13、离子源12以及加速部23。

排气部13由公知的泵等构成，能够对腔室11内的气体进行排气，将腔室内的压力维持在适当的值。虽然未作图示，在排气部13上连接有用于对离子掺杂装置所使用的各种气体进行无害处理的除害装置。

离子源12通过电弧放电来分解含有要掺杂的元素的气体，生成等离子体，并且生成含有要掺杂的元素的离子。离子源12设置在腔室11内，包含电弧腔室30、气体导入口14以及灯丝15。气体导入口14设置在电弧腔室30内，经由气体导入口14将含有要掺杂的元素的气体导入到离子源12的电弧腔室30中。灯丝15设置在电弧腔室30的顶部。在图1中，表示有三个灯丝15，但根据电弧腔室30的形状和所必须的离子束的形状以及大小，可选择适当的数量以及配置。阳极电极17设置在电弧腔室30的侧面。在电弧腔室30的周围设置有用于将生成的等离子体封入到电弧腔室30内的环状磁铁31。

在灯丝15上分别连接有灯丝电源16。离子掺杂装置10具有微型处理器等控制装置27，控制灯丝电源16的输出电压和灯丝15中流动的电流。

另外，在灯丝15与电弧电极17之间连接有电弧电源20。最好在灯丝15与电弧电源20之间设有电流计19。由电流计19测定的值输入到控制装置27中。电弧电源20也由控制翟装置27来控制。

加速部23从离子源12引出由离子源12生成的离子，朝向对象物加速离子。由离子源12生成的离子不由质量分离器分离，而全部被加速部23加速。因此，加速部23包含引出电极18、引出用电源21和加速用电源22。引出电极18具有第一引出电极18a和第二引出电极18b，设置于电弧腔室30的开口。第一引出电极18a最接近电弧腔室30的开口而定位，在第一引出电极18a和电弧电极17之间连接有引出用电源21。另外，在第一引出电极18a和第二引出电极18b之间连接有加速用电源22。

在夹着引出电极18而与电弧腔室30的开口相对的位置上，通过基板支架28保持作为导入离子的对象物的基板25。在从离子源12得到的离子束33的形状，当不能够一次照射基板25的情况下，可以设置使离子束33在基板25上扫描而使基板25移动的机构。在基板25的下方设有用于测定离子束33的电流的射束电流测定器26。

然后，说明离子掺杂装置10的动作以及使用了离子掺杂装置10的离子掺杂方法。通过基板支架28将基板25固定在腔室11内的离子束33照射的位置上后，对腔室11内进行排气，直到达到规定的真空度。在基板25的表面上形成有例如要导入杂质离子的半导体膜。

从气体导入口14导入含有成为杂质离子的元素的气体。例如，相对硅半导体将成为N型掺杂剂的磷作为杂质离子向对象物导入时，使用磷化氢(PH₃)，在将成为P型掺杂剂的硼作为杂质离子向对象物导入时，使用乙硼烷(B₂H₆)。由此，能够以含有成为杂质离子的元素的低压气体充满电弧腔室30内。

使用灯丝电源16向灯丝15施加规定电源并且电流在灯丝15上流动，同时，通过电弧电源20在灯丝15与电弧电极17之间施加规定的电压时，由灯丝15加热的热电子从灯丝15向电弧腔室30内放出，到达电弧电极17。该电子放出成为电弧放电。放出的热电子与电弧腔室30内的磷化氢及乙硼烷冲撞，使得这些分子分解并且离子化，生成等离子体。

离子掺杂装置10的控制装置27控制电弧放电，使得在灯丝15和电极17之间流动的电弧电流成为一定。具体地说，根据电流计19测定的电流值来控制灯丝电源20和电弧电源21，使电弧电流成为一定。由此，调节在灯丝15中流动的电流量及/或灯丝15及电弧电极17之间的电弧电压，使从灯丝放出的每单位时间的热电子量保持一定。由于对以一定比例从气体导入口14导入的气体供给的热电子量也是一定的，故气体分解保持成一定的状态，生成的离子种的比率成为一定。

生成的等离子体中的阳离子通过利用引出用电源21施加在电弧电极17和第一引出电极18a之间的电压，从电弧腔室30的开口向外引出。引出的阳离子通过利用加速用电源22而施加在第一引出电极18a和第二引出电极18b之间的电压而被加速。加速了的阳离子成为离子束33并向基板25照射。由离子束33运送的电荷由射束电流测定器26测定，求出离子束33的电流或电流密度。

图2表示在使用离子掺杂10分解乙硼烷的情况下，在使电弧电流变化时生成的各离子种的比例。横轴表示每根灯丝的电弧电流，纵轴以百分比表示生成的离子种的比例。在图2中，“B1类”、“B2类”以及“H类”分别含有一个硼元素的化学种(BH⁺、BH₂ ⁺等)、含有两个硼元素的化学种(B₂H⁺、B₂H₂ ⁺等)以及仅含有氢元素的化学种(H⁺、H₂ ⁺等)。由图可知，电弧电流增大，则“B1类”和“H类”的化学种增加，“B2类”的化学种减少。即，通过改变电弧电流，所生成的这些离子种的比例变化。

因此，如同现有的离子掺杂装置，在使离子束电流密度成为一定而进行控制时，由于电弧电流变动，生成的离子种的比率变化。这意味着，即使一边进行控制使离子电流密度一定一边进行离子掺杂，生成的离子种的比例也变化，杂质离子的注入离改变。例如，离子束电流密度即使相同，每一根灯丝的电弧电流从1mA向2mA改变时，作为硼而注入的量减少到0.84倍((14×2+14)/(20×2+10))。另外，由于生成的离子种的比率在离子掺杂中改变，电弧腔内的离子种的分布改变，离子束中的离子种的分布不均匀。因此，离子掺杂电流密度一定而向对象物掺杂离子时，杂质离子的面内分布变得不均匀。

对此，使用本发明的离子掺杂装置使电弧电流成为一定而掺杂离子时，生成的离子种的比例保持为一定。因此，电弧腔室内的离子种的分布保持为一定，离子束中离子种的分布变得均匀。即，电弧电流成为一定而向对象物中掺杂离子时，杂质离子的面内分布变得均匀。

另外，在控制电弧放电以使电弧电流一定时，得到的离子束的射束电流密度改变。但是，根据实验，射束电流密度的变动减小，通过调整注入时间而能够与总剂量一致。由此，虽然在注入时间内多少会产生变动，但注入到对象物中的离子种的比例成为一定，另外，提高对象物中掺杂的离子种的面内均一性。

因此，例如使用本发明的离子掺杂装置，电弧电流一定而向液晶显示装置用的结晶性硅膜注入杂质离子时，形成在基板面内的多个薄膜晶体管的阈值电压及漏极、源极间的电阻等半导体特性的波动变得极小。

接下来使用本发明的离子掺杂装置来说明制造半导体装置的顺序。以下说明作为像素用开关元件在玻璃基板上形成多个N型TFT(薄膜晶体管)，制造液晶显示装置用有源矩阵基板的顺序。这样的TFT需要在基板上形成数十万至数百万个，特别是需要特性一致，但本发明的离子掺杂装置能够适合制造这样的液晶显示装置用有源矩阵。除了像素用开关元件之外，构成有源矩阵型的驱动电路及薄膜集成电路的元件等可适合使用本发明的离子掺杂装置而进行制作。

图3(a)～(e)是以工序顺序表示含有多个N型TFT的本发明的半导体装置的制作工序。实际上，制作了大于或等于数十万个TFT，但在以下的说明中示例一个TFT。

首先，如图3(a)所示，通过等离子体CVD法在玻璃基板等绝缘性基板101上形成厚度1～20nm的氧化硅的底膜102。然后，通过等离子体CVD法，形成厚度25～80nm，例如40nm的本征非晶硅膜103。

然后，通过溅射法，在本征非晶硅膜103上作为催化剂元素添加Ni，使表面浓度成为1×10¹³～1×10¹⁵atoms/cm²(例如，7×10¹³atoms/cm²)。然后，使用热处理炉、喷灯退火等，在不活泼环境下，以540℃～620℃的温度对基板101实施数小时的加热处理。通过该加热处理，进行本征非晶硅膜103的结晶化。在本实施方式中，使用热处理炉，在氮元素的气体环境下在580℃进行一小时的热处理。Ni的添加方法不限定于溅射法，也可以使用含有Ni化合物的涂敷液，在本征非晶硅膜103上形成涂敷膜，通过进行热处理而使Ni从涂敷膜向本征非晶硅膜103扩散，进而促使本征非晶硅的结晶化。另外，作为催化剂元素，除了Ni以外，也可以使用钴、钯、白金、铜、银、金、铟、锡、铝或锑，也可以从这些金属中选择多个金属。

然后，如图3(b)所示，通过照射激光而进行结晶化。作为激光，例如使用波长248nm、脉冲宽度20nsec的KrF准分子激光器。也可以使用其他波长的激光。激光的照射条件为，能量密度200～400mJ/cm²，例如250mJ/cm²，一处2～10发(shot)，例如2发。照射激光时，可以以200～450℃左右的温度加热基板。这样，通过在照射激光时进行基板的加热，能够更加有效地促进非晶硅的结晶化。

在上述的两阶段的热处理中，催化剂元素通过硅化而促使非晶硅膜的结晶生长。特别是，作为镍的硅化合物的NiSi₂的结晶结构，在各种催化剂的硅化合物中，与单晶硅的结晶结构最为类似，其晶格常数也与结晶硅的晶格常数非常相近。因此，NiSi₂在非晶硅膜的结晶化中作为最佳的铸模而起作用，促进非晶硅膜的结晶化。此时，通过使非晶硅膜103的厚度大于或等于25nm，能够充分地进行结晶生长，通过使厚度小于或等于80nm，能够防止在厚度方向上生长两层或两层以上的结晶。由此，防止结晶性恶化及催化剂元素残留这样的问题，从非晶硅膜103得到具有高电子移动度的高品质的结晶性硅膜103′。用于结晶化的热处理也可以由一个阶段进行，但是最好使用热处理炉或喷灯退火的加热和激光照射的加热的组合。通过两个阶段的热处理，得到的TFT的晶体管特性质地提高。

然后，如图3(c)所示，去除结晶性硅膜103′的不需要的部分，进行元件间分离，薄膜晶体管的含有源极、漏极区域以及沟道区域的岛状的元件形成区域115。在基板101整体上矩阵状地配置多个元件形成区域115。

如图3(c)所示，通过等离子体CVD法作为栅极绝缘膜而形成厚度50nm～250nm(例如150nm)的氧化硅膜104后，使用图1所示的离子掺杂装置101，经由氧化硅膜104在元件形成区域115上掺杂硼离子。在本实施例中，离子掺杂装置101具有四根灯丝15，从一根灯丝中流出的电流维持在1.5～2.5mA之间的定值上，并且进行掺杂。例如，控制离子掺杂装置101，使每一根的电弧电流成为2.0mA，向元件形成区域115掺杂5×10¹¹～5×10¹³cm^-2的硼离子。作为硼源，使用乙硼烷。

如图3(d)所示，通过溅射法形成厚度10～100nm(例如60nm)的氮化钽(TaN)和厚度100～500nm(例如300nm)的钨(W)。对形成的这些膜进行构图，形成由TaN/W构成的栅极电极105。

然后，使用离子掺杂装置101，以栅极电极105为掩模在元件形成区域115上掺杂磷离子。作为掺杂气体，使用磷化氢(PH₃)，将加速电压设定为60～90kV(例如80kV)。剂量设为1×10¹⁵～8×10¹⁵cm^-2(例如2×10¹⁵cm^{- 2})。掺杂磷离子时控制掺杂装置101，使电弧电流在400～500mA(例如450mA)的范围内成为一定值。

掺杂磷离子后，在氮元素的气体环境中，以550℃的温度进行4小时热处理，使掺杂了的杂质有源化。此时，同时在位于元件形成区域115的栅极电极105下方的区域(之后成为沟道区域107)中的镍被元件形成区域115的掺杂有磷离子的区域(之后成为源极区域106和漏极区域108)中的磷捕捉。因此，位于栅极电极105下方的区域中的镍的浓度降低到1×10¹⁶atoms/cm³左右。

由此，如图3(d)所示，在栅极电极105下的元件形成区域115上形成P型的沟道区域107，夹着沟道区域107在元件形成区域115上形成N型的源极区域106和漏极区域108。即，完成含有栅极电极105、沟道区域107、源极区域106以及漏极区域108的N型TFT116的形成。如上所述，由于沟道区域107的镍浓度小于或等于1×10¹⁶atmos/cm³，故在TFT116中沟道区域107的漏电流减小、结晶性高，因此接通电流大。

在形成由N型TFT和P型TFT构成的补型电路的情况，向结晶性硅膜103′掺杂硼和磷，使用适当的掩模，选择地掺杂硼和磷，由此分开制作N型区域和P型区域，能够在相同的基板上形成N型TFT和P型TFT。

如图3(e)所示，将厚度600nm的氧化硅膜109作为层间绝缘膜而通过等离子体CVD法形成，在其上形成连通孔，通过金属材料、例如氮化钽和铝的多层膜形成薄膜晶体管的电极110。另外，形成由ITO构成的像素电极111。最后，在一个大气压的氢元素的气体环境以350℃进行30分的加热处理，制成具有多个TFT116的半导体装置。

以下所示的表1表示由上述方法制作的有源矩阵基板和在上述制作过程中以目前的使离子束电流一定的控制进行硼及/或磷的注入而制成的有源矩阵基板的TFT的特性波动。作为TFT的特性波动，测定阈值电压和源极、漏极间电阻的基板内的平均值(Ave)和标准偏差(σ)，计算3σ/Ave并用百分率来表示。另外，还表示所得到的有源矩阵基板中，TFT的特性的波动满足规定标准的比率。有源矩阵基板为60mm×80mm，含有100万个TFT。

表1

由表1的试料序号1的结果可知，在注入硼和磷时控制离子掺杂装置，使电弧电流都成为一定，在该情况下，阈值电压和源极、漏极间电阻的基板内的波动(3σ/Ave)减小到小于或等于5％，因此，基板的成品率也提高到98％。根据详细的实验可知，通过使用本发明的离子掺杂装置，相对小于或等于1000mm×1000mm的面积，可使杂质浓度的波动(测定杂质浓度的平均值(Ave)及标准偏差(σ)情况的3σ/Ave)小于或等于5％。

对此，注入硼或注入磷时，通过与以往相同的方法控制掺杂装置以使射束电流成为一定的情况下，阈值电压或源极、漏极间电阻的波动增大到大约7％，成品率也降低。特别是，通过以往的方法控制硼和磷的注入，使得射束电流成为一定的情况下，阈值电压和源极、漏极间电阻的任意波动也增大。结果，成品率降低到80％。

这样根据本实施方式，在使用离子掺杂装置向半导体膜导入杂质时，控制离子掺杂装置，以使用于在离子源产生等离子体的电弧放电的电弧电流成为一定。因此，在离子源生成的离子种的比率成为一定，能够准确地进行离子掺杂的控制。

特别是，在制作使用有通过催化剂元件使非晶硅膜结晶化而得到的结晶性硅膜的TFT时，导入到源极、漏极区域的磷离子的浓度对TFT特性有很大影响。具体地说，磷离子的浓度小于设定值时，载流子浓度降低，源极、漏极区域的电阻增加。另外，由于不能得到足够的捕捉用于促进非晶硅结晶化的催化剂元素的磷浓度，故催化剂元素多残留在沟道区域，电弧电流增大等TFT特性恶化，也有可能会引起TFT动作不良。另一方面，在磷离子的浓度大于设定值时，由于注入过剩，使得结晶化了的硅的结晶结构被破坏，结晶化硅被非晶硅化。因此，源极、漏极区域的电阻增加。

本发明的离子掺杂装置如上所述，由于离子掺杂时的离子种的生成比的稳定性优良，故能够在基板整体上均匀地分布所注入的离子种，另外，能够将离子掺杂中的离子种的生成比保持一定。因此，使用本发明的离子掺杂装置来掺杂磷离子，通过由射束电流测定器来测定注入量而能够准确地控制磷离子的注入量，能够制作使用有由催化剂源极使非晶硅膜结晶化而得到的结晶硅膜的TFT。

另外，由于将离子掺杂中的离子种的比例保持为一定，故离子束中的离子种的分布均匀，所注入的离子的面内均一性提高。因此，在本发明的半导体装置中，在半导体膜上掺杂的杂质离子的比例和剂量均一，多个半导体元件的特性波动变小。

另外，在本实施方式中，在使用有通过催化剂元素而使非晶硅膜结晶化得到的结晶性硅膜的TFT中，用于形成沟道的硼离子注入和用于形成源极、漏极区域的磷离子注入，使用本发明的离子掺杂装置。但是，在其他的半导体装置的杂质导入工序中也可以使用本发明的离子掺杂装置，例如，在有源矩阵基板的TFT具有LDD结构的情况下，也可以在用于形成LDD结构的杂质导入中使用本发明的离子掺杂装置。另外，在使用单结晶半导体基板制造的各种半导体装置中也可以使用本发明的离子掺杂装置。

另外，在图1所示的离子注入装置中，加速部23由两个电极构成，但电极也可以不为两个。例如，在图4的离子注入装置10′中，加速部23具有电极18、引出用电极21、加速用电源22以及减速用电源32。另外，电极18具有第一电极18a、第二电极18b、第三电极18c以及第四电极18d，其设置在电弧腔室30的开口处。第一电极18a最接近电弧腔室30的开口，在第一电极18a和电弧电极17之间连接有引出电源21。

在第一电极18a和第二电极18b之间以及第二电极18b和第三电极18c之间分别连接有电源22a和22b，在第三电极18c和第四电极18d之间连接有减速电源32。电源22a在第一电极18a与第二电极18b之间施加用于引出由离子源12生成的离子的电压，电源22b在第二电极18b与第三电极18c之间施加用于使引出的离子加速的电压。此时，由电源22a和电源22b施加的合计电压一般被称为加速度电压。另一方面，减速用电源32防止由向基板25冲撞或注入的离子生成的二次电子离子通过加速部23而向离子源12方向加速的情况。

另外，如图4所示，在离子掺杂装置上设置用于使基板支架28移动的移动机构29，为了使离子束33在基板25上扫描，移动机构29也可以使基板25移动。

产业上的可利用性

根据本发明，能够得到所生成的离子种的比率的变动减少，控制性高的离子掺杂装置。该离子掺杂装置特别适用于显示装置等大面积的半导体装置的制造中。另外，根据本发明，可以得到基板内的元件特性的波动小的半导体装置。该半导体装置适于各种用途，特别适合显示装置等具有大面积的半导体装置。

Claims (9)

1.一种向对象物注入离子的离子掺杂装置，其中，包括：

腔室；

排气部，其排出所述腔室内的气体；

离子源，其设置在所述腔室内，具有对含有要掺杂的元素的气体进行导入的导入口、放出热电子的灯丝以及用于在与所述灯丝之间进行电弧放电的阳极电极，通过所述电弧放电来分解所述气体，生成含有所述要掺杂的元素的多个离子种；

加速部，其将所述离子源生成的多个离子种不通过质量分离器分离而从所述离子源引出，并且朝向对象物加速，

控制所述电弧放电，容许离子束电流密度的变化，并且使在所述灯丝和所述阳极电极之间流动的电弧电流成为一定，由此使在所述离子源生成的多个离子种的生成比为一定。

2.如权利要求1所述的离子掺杂装置，其中，还具有：

向所述灯丝施加电压的灯丝电源；

向所述灯丝与所述阳极电极之间施加电压的电弧电源，

控制所述灯丝电源及/或所述电弧电源，使在所述灯丝和所述阳极电极之间流动的电弧电流成为一定。

3.如权利要求1所述的离子掺杂装置，其中，还具有用于测定所述电弧电流的电流计，控制所述电弧电源的输出电压，使由所述电流计测定的值成为一定。

4.一种离子掺杂方法，其包含：

通过电弧放电分解含有要掺杂的元素的气体，生成多个离子种的步骤；

不通过质量分离器分离所述生成的多个离子种而以规定电压将其加速，由此向对象物注入所述多个离子种的步骤，其中，

在所述生成步骤中，容许离子束电流密度的变化，并且控制所述电弧放电，使所述电弧放电产生的电流成为一定，由此使生成的多个离子种的生成比为一定。

5.如权利要求4所述的离子掺杂方法，其中，要掺杂的元素是硼或磷。

6.一种半导体装置的制造方法，其中，包含：

在具有绝缘性表面的基板上形成非晶硅膜的步骤A；

向所述非晶硅膜添加催化剂元素的步骤B；

通过对添加有所述催化剂元素的非晶硅膜进行热处理，进行结晶化，从所述非晶硅膜得到结晶性硅膜的步骤C；

容许离子束电流密度的变化，并且通过使电弧电流成为一定而进行电弧放电，分解含杂质元素的气体，以使由所述分解产生的多个离子种的生成比保持为一定，并且所述多个离子种以不通过质量分离器分离的方式进行加速，导入到所述结晶性硅膜中的步骤D；

对所述结晶性硅膜进行热处理的步骤E。

7.如权利要求6所述的半导体装置的制造方法，其中，在所述步骤C之后，还具有在所述结晶性硅膜上形成绝缘膜的工序，

所述步骤D包含：

通过使电弧电流一定而进行电弧放电，从而分解所述含杂质元素的气体，加速由所述分解产生的多个离子种，经由所述绝缘膜导入到所述结晶性硅膜中的步骤D1；

在所述结晶性硅膜上形成由具有导电性的材料构成的图案的工序D2；

通过使电弧电流一定而进行电弧放电，从而分解所述含杂质元素的气体，加速由所述分解产生的多个离子种，以所述图案为掩模而导入到所述结晶性硅膜中的步骤D3。

8.如权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其中，所述步骤D1的杂质元素是硼，所述步骤D3的杂质元素是磷。

9.如权利要求7所述的半导体装置的制造方法，其中，所述催化剂元素是从镍、钴、钯、白金、铜、银、金、铟、锡、铝以及锑构成的组中选择的至少一种元素。

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