JP2001511953A - イオン注入処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 イオン注入処理方法は、イオン化された燐源から、Ｐ₂イオンを選択し且つ水素化燐イオン種を排除するようにイオンを質量分離する工程を具える。Ｐ₂イオンを半導体基板中に注入する。水素化燐イオン種の排除は容易である。その理由は、（有効質量の点で）Ｐ₂イオン種に近接する水素化燐イオン種は存在しない為である。Ｐ₂イオン種の使用は、浅い注入深さに対する注入処理をも改善する。

Description

【発明の詳細な説明】 イオン注入処理方法 本発明は、イオン注入処理方法に関するものであり、特に質量分離機能を有す るイオン注入装置を用いて燐を半導体基板内にイオン注入する方法に関するもの である。 イオン注入は、半導体装置を製造するのに用いられる重要な技術である。大面 積の半導体材料内に注入を行うためには、一般にイオンシャワーシステムが用い られている。或いはまた、半導体基板中に注入を行うのに望ましいイオンの質量 により選択を行う質量分析イオン注入を用いるイオン注入装置が知られている。 質量分析計は代表的に、電子磁石によって発生される静磁界を用いて質量分析を 行い、この場合、磁気コイル中の電流を制御することにより選択されたイオン種 が得られ、これらの選択されたイオン種が分析スリットを通過するようになって いる。質量分離は、大面積の半導体層を覆うように走査しうる細いイオン注入ビ ームを得るのに適している。 ｎ型にドーピングされた半導体を得るために半導体材料中に注入される一般的 なドナー原子の１つは燐であり、燐のドーピングのためにフォスフィン（ＰＨ₃ ）のイオン源を用いることが知られている。通常のイオンシャワー注入に対する 問題は、注入処理中に多数のイオン種が半導体基板中に注入されるということで ある。又、質量分離システムは個々のイオン種間を弁別する分解能をも有してい ない。例えば、（イオン化したフォスフィン中に存在する）水素化燐イオンは燐 イオンに極めて近い原子質量を有している為、燐イオン種を分離するためには、 正確な質量分析が必要となる。ある種類の水素化物の注入は、特にポリシリコン 又は単結晶シリコンの半導体基板の場合には問題とならない。しかし、非晶質の シリコン層のドーピングの場合には、水素化物不純物の影響が著しいものとなる 。水素イオンの注入は回避すべきことが認識されており、米国特許第4,533,831 号明細書に記載されたイオン注入システムは水素イオンの注入を回避することを 求めている。このことは一般に、重イオンを軽イオンから分離することにより達 成さ れる。しかし、この米国特許第4,533,831号明細書では、水素化燐イオンの注入 を排除していない。 本発明によれば、燐のイオン化源からのイオンの質量分離を行い、Ｐ₂イオン を選択するとともに水素化燐イオン種を排除して、Ｐ₂イオンを半導体材料中に 注入するイオン注入処理を提供する。 本発明の注入処理はＰ₂イオンを選択する。フォスフィン（ＰＨ₃）イオン源か ら取出されたイオン種に対しビーム電流分析を行うことから明らかなように、（ 質量の軸上で）Ｐ₂イオン種の付近にある水素化物は存在しない。従って、粗い 質量分離処理によってＰ₂イオンの有効な分離が可能となり、その結果半導体基 板中へのいかなる水素注入をも排除するようにイオン注入処理を制御することが できる。従って、本発明は、燐注入処理に既に通常用いられており容易に得られ るイオン源として、気体のフォスフィンを使用するのに特に適している。 本発明によれば、非晶質シリコン中への注入に対する特別な利点が得られる。 その理由は、非晶質シリコン中に水素化物も導入されることにより非晶質シリコ ン半導体装置の特性を著しく劣化させることを確かめた為である。 本発明は又、本発明のイオン注入処理を用いた薄膜トランジスタの製造方法を も提供する。特に、イオン注入処理を用いて、非晶質シリコン層中の薄膜トラン ジスタのドレイン及びソース領域を規定する。 次に、気体のフォスフィンイオン源中に生じるイオン種を示す図面につき本発 明の一例を説明する。 本発明は、燐を半導体基板中にドーピングして、ｎ型にドーピングした半導体 材料を得るイオン注入方法に関するものである。既知の燐イオン源はフォスフィ ン（ＰＨ₃）であり、フォスフィン源をイオン化することにより、図１に示すイ オン種が得られる。この図１は有効質量（原子質量／電荷）に対する特定のイオ ン種のビーム電流を示す。有効質量の軸に対しては非直線目盛を用いており、ビ ーム電流の値は与えておらず、図中のピークの高さは、比較の目的のみに対する ものである。水素化燐イオン（ＰＨ⁺、ＰＨ₂ ⁺、ＰＨ₃ ⁺）や、水素イオン（Ｈ⁺、 Ｈ₂ ⁺、Ｈ₃ ⁺）及び他の燐イオン種（Ｐ₃ ⁺、Ｐ₄ ⁺）も存在するが、図１で最も重要 なイオン種はＰ⁺及びＰ₂ ⁺である。 １つの提案されている質量分離によるイオン注入処理では、質量分離処理を用 いることによりＰ⁺イオンを選択し、その他の全てのイオン種を排除している。 しかし、この目的のためには、質量分離装置はＰＨ⁺イオン（原子質量３２）と Ｐ⁺イオン（原子質量３１）との間を識別しうるようにする必要がある。或いは また、イオンシャワーシステムにより、質量選択を行うことなく全てのイオン種 をドーピングしている。 米国特許第4,533,831号明細書で認識されているように、Ｈ⁺イオンの注入は回 避する必要がある。その理由は、特に、水素イオンの注入によりこの米国特許第 4,533,831号明細書に記載された太陽電池の特性に悪影響を及ぼす為である。特 に非晶質の半導体装置に対しては、水素化燐イオン種の注入や、水素イオンの注 入を回避する必要があることを確かめた。本発明は不純物源からＰ₂ ⁺イオンを質 量選択することにある。図１から明らかなように、Ｐ₂ ⁺イオンの質量選択は粗い 質量分離手段を用いて行うことができる。その理由は、Ｐ₂イオン種のすぐ近辺 には水素化物イオンが存在しない為である。 質量分離は通常の技術により行うことができ、質量分析計を用い、半導体材料 上を走査する細いイオン注入ビームを生じる通常の質量分析イオン注入装置は本 発明の注入処理を実行するように制御することができる。このような装置の詳細 は、シリコン処理の当業者は有効な種々の装置例を知っている為に、本明細書で は説明しない。 又、Ｐ₂イオンの区分は低エネルギー注入を所定のイオン注入装置により実行 しうるようにする。例えば、通常のイオン注入装置は２０ＫＶで動作でき、この 装置の効率は、動作電圧が著しく減少すると著しく降下する。単一電荷のＰ₂ ⁺燐 イオン対を用いることにより注入深さを少なくして、装置が、個々のＰ⁺燐イオ ンを選択する１０ＫＶの注入処理と同様に動作するようにすることができる。注 入深さを少なくすることは、薄膜半導体層の注入に望ましいことであり、半導体 層の下側の基板の汚染を防止することもできる。従って、注入装置は、減少させ た注入深さに対して最適な動作電圧で動作しうる。理想的な動作電圧で動作する ことによりビーム電圧が増大し、従って必要とする注入時間が減少する。更に、 所定数の荷電イオンに対し２倍の燐ドナー原子を用いると、注入時間が更に減少 する。 上述したように、水素注入の問題は非晶質のシリコン半導体装置に対し特に重 要である。更に、非晶質のシリコン半導体装置を製造するのに必要とするドーピ ング濃度はポリシリコン半導体装置に対して必要とするドーピング濃度よりも著 しく大きい。例えば、非晶質のシリコンＴＦＴに対する代表的なドーピング濃度 は１０¹⁶イオン／cm²であるのに対し、ポリシリコンの場合１０¹²〜１０¹³イオ ン／cm²である。従って、注入時間を可能な限り減少させることが重要となり、 不所望な不純物の注入を低減させる必要もある。 上述では、本発明を気体のフォスフィンイオン源につき説明したが、他のイオ ン源、例えば固体源も考慮することができる。何れの場合でも、Ｐ₂イオン種の 近辺における水素化物イオン形成に関する化学抵抗により、分離したＰ₂イオン を得るための簡単化した質量分離の利点が得られる。 上述したイオン注入の特定の一適用分野は薄膜トランジスタの製造であり、こ の場合、イオン注入処理は非晶質シリコン薄膜トランジスタのドレイン及びソー ス領域を規定するのに特に適している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．イオン化された燐源から、Ｐ₂イオンを選択し且つ水素化燐イオン種を排除 するようにイオンを質量分離する工程と、 Ｐ₂イオンを半導体材料中に注入する工程と を具えることを特徴とするイオン注入処理方法。 ２．請求の範囲１に記載のイオン注入処理方法において、イオン化された燐源を 気体のフォスフィンとすることを特徴とするイオン注入処理方法。 ３．請求の範囲１又は２に記載のイオン注入処理方法において、半導体材料が非 晶質のシリコン層を有するようにすることを特徴とするイオン注入処理方法。 ４．請求の範囲１〜３のいずれか一項に記載のイオン注入処理方法を用いること を特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 ５．請求の範囲４に記載の薄膜トランジスタの製造方法において、前記イオン注 入処理方法を用いて薄膜トランジスタのドレイン及びソース領域を非晶質のシ リコン層中に規定することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。