JP2000150910A

JP2000150910A - 半導体装置の作製方法

Info

Publication number: JP2000150910A
Application number: JP37179299A
Authority: JP
Inventors: Shunpei Yamazaki; 舜平山崎
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1999-01-01
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置の作製方法において、半導体膜の結
晶性を向上させることを課題とする。【解決手段】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜にＹ
ＡＧレーザーの第２、第３又は第４高調波を照射して前
記半導体膜を結晶化させることを特徴とする半導体装置
の作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＭＩＳトランジス
タの作製方法に関する。特に本発明は、高速イオンを照
射することによって、半導体領域中に不純物を導入した
後、レーザーアニールもしくはランプアニールのごと
き、レーザーあるいはそれと同等な強光を半導体に照射
することによって結晶性を向上せしめる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体（Ｓ）上に薄い絶縁被膜（Ｉ）と
制御用の（金属）電極（Ｍ）を設けた構造をＭＩＳ構造
といい、このような構造によって半導体を流れる電流を
制御するトランジスタをＭＩＳトランジスタという。絶
縁被膜として、酸化珪素膜が用いられる場合にはＭＯＳ
トランジスタと称される。

【０００３】このようなＭＩＳトランジスタは従来は、
不純物導入後の活性化工程（すなわち、不純物導入の際
に生じた結晶欠陥を回復させる工程）を熱アニールによ
っておこなっていたが、そのためには１０００℃以上も
の高温を必要とした。近年、プロセスの低温化の要請に
よって、このような高温での熱アニールに代わる方法が
検討されている。その中で有力な方法はレーザー等の強
光を照射することによって活性化をおこなう方法で、使
用する光源によってレーザーアニール、あるいはランプ
アニールと称される。

【０００４】従来のレーザーアニールを用いたＭＩＳト
ランジスタの作製例を図３を用いて説明する。基板３０
１上に下地絶縁膜３０２を堆積し、さらに実質的に真性
の結晶性の半導体被膜を堆積し、これをパターニングし
て島状半導体領域３０３を形成する。そして、ゲイト絶
縁膜として機能する絶縁被膜３０４を堆積し、さらに、
ゲイト電極３０５を形成する。（図３（Ａ））

【０００５】必要ならば、ゲイト電極を陽極酸化して、
ゲイト電極・配線の上面および側面に陽極酸化物３０６
を形成する。このような陽極酸化物を形成する方法およ
びそのメリットについては、特願平４−３０２２０、同
４−３４１９４、同４−３８６３７等に詳述されてい
る。もちろん、必要がなければ、このような陽極酸化工
程を用いなくとも構わないことは言うまでもない。（図
３（Ｂ））その後、イオン注入法、もしくはイオン（プラズマ）ド
ーピング法によって不純物のドーピングがおこなわれ
る。すなわち、高速イオン流に基板を置き、このゲイト
電極部、すなわちゲイト電極とその周囲の陽極酸化物を
マスクとして、島状半導体領域３０３に自己整合的に不
純物を注入し、不純物領域（ソース、ドレインとなる）
３０７を形成する。（図３（Ｃ））

【０００６】さらに、レーザー光等の強光を照射して、
先の不純物注入工程によって結晶性が劣化した半導体領
域の結晶性を回復させる。（図３（Ｄ））その後、層間絶縁物３０８を堆積し、これにコンタクト
ホールを設けて、ソースおよびドレイン電極３０９を形
成して、完成させる。（図３（Ｅ））

【０００７】

【発明が解決しようする課題】上記の方法では、トラン
ジスタのゲイト絶縁膜の耐圧を向上せしめんとすれば、
ゲイト絶縁膜の厚さは厚いほうが好ましかった。しかし
ながら、そのことは、同時に不純物イオンの加速電圧を
高くし、ドーピング処理時間を長くすることを要求する
ものであった。特に浅い不純物領域を形成する場合に
は、極めてエネルギーのそろった単色性のイオンビーム
が必要とされたが、そのために単位時間当たりのドーズ
量は著しく低下した。

【０００８】一方、ドーピングを効率的におこなうため
にゲイト絶縁膜を除去して、半導体表面を露出せしめる
と、レーザー光等の強光を照射して活性化するに表面が
粗くなり、コンタクト不良等の原因になった。本発明は
このような問題に鑑みてなされたものであって、ドーピ
ングおよびレーザー活性化を効率よくおこなうための方
法を提供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では、ゲイト絶縁
膜として形成された絶縁被膜をゲイト電極部をマスクと
して自己整合的にエッチングして適切なエネルギーのイ
オンが透過する程度にまで薄くし、これを通して不純物
を高速イオン照射によって半導体領域に導入する。しか
る後、レーザー照射、もしくはそれと同等な強光を照射
することによって、アニールを達成するものである。レ
ーザー照射に先立って、透明な絶縁被膜を半導体表面に
形成しておいてもよい。このような方法を採用するため
に、先に指摘したようなドーピングの効率の低下は生じ
ず、きわめて効率よくドーピングとそれに続く活性化が
達成できる。

【００１０】

【実施例】〔実施例１〕図１には本実施例を示す。コ
ーニング７０５９等の無アルカリガラス基板１０１上に
下地絶縁膜１０２として、厚さ１００ｎｍの酸化珪素膜
を堆積し、さらに実質的に真性のアモルファスのシリコ
ン半導体被膜（厚さ１５０ｎｍ）堆積し、６００℃で１
２時間アニールすることによってこれを結晶化させた。
これをパターニングして島状半導体領域１０３を形成し
た。そして、ゲイト絶縁膜として厚さ１２０ｎｍの酸化
珪素被膜１０４を堆積し、さらに、厚さ６００ｎｍのア
ルミニウムを用いてゲイト電極１０５を形成した。（図
１（Ａ））

【００１１】その後、ゲイト電極を陽極酸化して、ゲイ
ト電極・配線の上面および側面に陽極酸化物１０６を形
成した。このような陽極酸化物を形成する方法およびそ
のメリットについては、特開平４−３０２２０、同４−
３４１９４、同４−３８６３７等に詳述されている。も
ちろん、必要がなければ、このような陽極酸化工程を用
いなくとも構わないことは言うまでもない。（図１
（Ｂ））

【００１２】その後、ドライエッチング法によって、ゲ
イト絶縁膜をエッチングした。エッチングガスとしては
四フッ化炭素等を用いた。このときには、陽極酸化物
（アルミナ）はエッチングされず、結果的にゲイト絶縁
膜のうち、ゲイト電極部（ゲイト電極１０５と陽極酸化
物１０６）の下部に存在するもの以外がエッチングされ
た。ゲイト絶縁膜１０４が５０ｎｍになった時点でエッ
チングを中断し、薄い絶縁膜１０７を形成した。そし
て、１５〜５０ｋｅＶ、例えば３０ｋｅＶに加速したリ
ン／水素プラズマ流を照射することによって、島状半導
体領域１０３に自己整合的にリンを注入し、不純物領域
（ソース、ドレインとなる）１０８を形成した。（図１
（Ｃ））

【００１３】そして、ＫｒＦエキシマーレーザー光（波
長２４８ｎｍ）を照射して、先の不純物注入工程によっ
て結晶性が劣化した半導体領域１０８の結晶性を回復さ
せた。このときのエネルギー密度は、１５０〜３００ｍ
Ｊ／ｃｍ²、例えば、２００ｍＪ／ｃｍ²とした。（図
１（Ｄ））その後、層間絶縁物１０９を堆積し、これにコンタクト
ホールを設けて、ソースおよびドレイン電極１１０を形
成して完成させた。以上の工程によってＮチャネル型ト
ランジスタが形成された（図１（Ｅ））

【００１４】同様にしてＰチャネル型トランジスタも形
成でき、また、公知のＣＭＯＳ技術を使用すれば、同一
基板上にＮチャネル型トランジスタとＰチャネル型トラ
ンジスタを混載することも可能である。例えば、本実施
例に示した方法によって作製したＭＯＳトランジスタの
典型的な移動度は、Ｎチャネル型で１２０ｃｍ²／Ｖ
ｓ、Ｐチャネル型で８０ｃｍ²／Ｖｓであった。また、
同一基板上にＮチャネルトランジスタとＰチャネルトラ
ンジスタを形成して作製したＣＭＯＳシフトレジスタ
（５段）では、ドレイン電圧２０Ｖで１５ＭＨｚの同期
を確認した。

【００１５】〔実施例２〕図２には本実施例を示す。
無アルカリガラス基板２０１上に下地絶縁膜２０２とし
て、厚さ１００ｎｍの酸化珪素膜を堆積し、さらに実質
的に真性のアモルファスのシリコン半導体被膜（厚さ５
０ｎｍ）堆積し、公知のレーザーアニール法によってこ
れを結晶化させた。これをパターニングして島状半導体
領域２０３を形成した。そして、ゲイト絶縁膜として厚
さ１２０ｎｍの酸化珪素被膜２０４を堆積し、さらに、
厚さ６００ｎｍのアルミニウムを用いてゲイト電極２０
５を形成した。その後、ゲイト電極を陽極酸化して、ゲ
イト電極・配線の上面および側面に陽極酸化物２０６を
形成した。（図２（Ａ））

【００１６】その後、ドライエッチング法によって、ゲ
イト絶縁膜をエッチングした。エッチングガスとしては
四フッ化炭素等を用いた。このときには、陽極酸化物
（アルミナ）はエッチングされず、結果的にゲイト絶縁
膜のうち、ゲイト電極部（ゲイト電極２０５と陽極酸化
物２０６）の下部に存在するもの以外がエッチングされ
た。ゲイト絶縁膜２０４が５０ｎｍになった時点でエッ
チングを中断した。この結果、薄い絶縁膜２０７が形成
された。そして、１５〜５０ｋｅＶ、例えば３０ｋｅＶ
に加速したリン／水素プラズマ流を照射することによっ
て、島状半導体領域２０３に自己整合的にリンを注入
し、不純物領域（ソース、ドレインとなる）２０８を形
成した。（図２（Ｂ））

【００１７】そして、層間絶縁物２０９として、厚さ５
００ｎｍの酸化珪素膜を堆積し、ＫｒＦエキシマーレー
ザー光（波長２４８ｎｍ）を照射して、先の不純物注入
工程によって結晶性が劣化した半導体領域１０７の結晶
性を回復させた。このときのエネルギー密度は、１５０
〜３００ｍＪ／ｃｍ²、例えば、２００ｍＪ／ｃｍ²と
した。実施例１のように、レーザー照射時に薄い絶縁膜
のみが半導体表面を覆っている状態では、半導体の結晶
化の際の衝撃によって表面が荒れ、コンタクト形成時に
問題となるが、本実施例のように厚い絶縁被膜が形成さ
れている状態ではそのようなことがなかった。（図２Ｃ
Ｄ））

【００１８】その後、層間絶縁物２０９にコンタクトホ
ールを設けて、ソースおよびドレイン電極２１０を形成
して完成させた。以上の工程によってＮチャネル型トラ
ンジスタが形成された（図２（Ｄ））

【００１９】なお、本実施例では薄い絶縁膜２０７の上
に重ねて層間絶縁膜としても機能する厚い絶縁膜を堆積
しているが、薄い絶縁膜を完全に除去して後に、厚い絶
縁膜を堆積してもよい。不純物イオンが照射された際に
は、絶縁膜中にも多くの不純物が取り込まれ、レーザー
光を吸収する原因となる。そこで、このような不純物を
含有する絶縁膜を完全に除去することによって、後のレ
ーザーアニールの効率を向上させることができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によってイオン注入もしくはイオ
ンドーピングおよびレーザーアニールもしくはランプア
ニールを効率的におこなう方法が提供された。本発明
が、プロセスの低温化に寄与すること、およびそのこと
による工業的利益が大であることは明らかであろう。実
施例では、本発明を薄膜状の活性層を有するＭＩＳトラ
ンジスタ、いわゆる薄膜トランジスタに関して説明し
た。これは、特に基板の制約を受けやすい薄膜トランジ
スタにおいては、低温プロセスが必須とされているから
である。しかしながら、単結晶半導体基板上に形成され
たＭＩＳトランジスタに本発明を適用しても同様な効果
が得られることは明白であろう。

【００２１】本発明においては、半導体領域を構成する
半導体の種類はシリコン、ゲルマニウム、炭化珪素、シ
リコン−ゲルマニウム合金、砒化ガリウム等が使用でき
る。さらに、ゲイト電極を構成する材料としても、ドー
プドシリコン、モリブテン、タングステン、チタン、ア
ルミニウム、およびそれらの合金や珪化物、窒化物等が
使用される。本発明において、レーザーを用いる場合に
は、ＡｒＦレーザー（波長１９３ｎｍ）、ＫｒＦレーザ
ー（２４８ｎｍ）、ＸｅＣｌレーザー（３０８ｎｍ）、
ＸｅＦレーザー（３５０ｎｍ）等のエキシマーレーザ
ー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー（波長１０６４ｎｍ）、その
第２高調波（５３２ｎｍ）、第３高調波（３５５ｎ
ｍ）、第４高調波（２６６ｎｍ）等が適しているが、そ
の他のレーザー、光源を使用することも本発明の範疇に
含まれることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の作製プロセスを示す。

【図２】実施例の作製プロセスを示す。

【図３】従来の作製プロセスを示す。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１・・・基板１０２、２０２、３０２・・・下地絶縁膜１０３、２０３、３０３・・・島状半導体領域１０４、２０４、３０４・・・ゲイト絶縁膜１０５、２０５、３０５・・・ゲイト電極１０６、２０６、３０６・・・陽極酸化物１０７、２０７・・・薄い絶縁膜１０８、２０８、３０７・・・不純物領域１０９、２０９、３０８・・・層間絶縁物１１０、２１０、３０９・・・ソース、ドレイン電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が５３２ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が３５５ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項３】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が２６６ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項４】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が５３２ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜に選択的に
不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項５】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が３５５ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜に選択的に
不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項６】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が２６６ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜に選択的に
不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項７】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が５３２ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜上にゲート
絶縁膜を形成し、前記パターニングした半導体膜上方に
前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、前記ゲ
ート電極をマスクとして前記パターニングした半導体膜
に不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項８】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が３５５ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜上にゲート
絶縁膜を形成し、前記パターニングした半導体膜上方に
前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、前記ゲ
ート電極をマスクとして前記パターニングした半導体膜
に不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項９】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウムま
たはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を有
する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に波
長が２６６ｎｍのレーザー光を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜上にゲート
絶縁膜を形成し、前記パターニングした半導体膜上方に
前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、前記ゲ
ート電極をマスクとして前記パターニングした半導体膜
に不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項１０】請求項４乃至９のいずれか一において、
前記不純物はリンであることを特徴とする半導体装置の
作製方法。
【請求項１１】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第２高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１２】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第３高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１３】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第４高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１４】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第２高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜に選択的に
不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項１５】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第３高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜に選択的に
不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項１６】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第４高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜に選択的に
不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴とす
る半導体装置の作製方法。
【請求項１７】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第２高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜上にゲート
絶縁膜を形成し、前記パターニングした半導体膜上方に
前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、前記ゲ
ート電極をマスクとして前記パターニングした半導体膜
に不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項１８】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第３高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜上にゲート
絶縁膜を形成し、前記パターニングした半導体膜上方に
前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、前記ゲ
ート電極をマスクとして前記パターニングした半導体膜
に不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項１９】絶縁表面上に、シリコン、ゲルマニウム
またはシリコン−ゲルマニウム合金からなる半導体膜を
有する半導体装置の作製方法であって、前記半導体膜に
ＹＡＧレーザーの第４高調波を照射して前記半導体膜を
結晶化させ、前記レーザー光を照射した半導体膜をパタ
ーニングし、前記パターニングした半導体膜上にゲート
絶縁膜を形成し、前記パターニングした半導体膜上方に
前記ゲート絶縁膜を介してゲート電極を形成し、前記ゲ
ート電極をマスクとして前記パターニングした半導体膜
に不純物を添加して不純物領域を形成することを特徴と
する半導体装置の作製方法。
【請求項２０】請求項１４乃至１９のいずれか一におい
て、前記不純物はリンであることを特徴とする半導体装
置の作製方法。
【請求項２１】請求項１０乃至２０のいずれか一におい
て、前記ＹＡＧレーザーは、Ｎｄ：ＹＡＧレーザーであ
ることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２２】請求項１乃至２１のいずれか一におい
て、前記絶縁表面はガラス基板上の酸化珪素膜であるこ
とを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２３】請求項１乃至２２のいずれか一におい
て、前記レーザー光を照射する前の半導体膜はアモルフ
ァスであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項２４】請求項１乃至１３のいずれか一におい
て、前記半導体膜にレーザー光を照射する際、前記半導
体膜を３００℃〜５５０℃に加熱することを特徴とする
半導体装置の作製方法。