JP2012015454A - 半導体装置の製造方法及び半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】結晶粒成長の大きさ、方向性を均一化し、特性のばらつきを抑えることが可能な半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体装置の製造方法において、絶縁表面を有する基板上に、非晶質のSi膜を形成し、Si膜の第1の領域及び第2の領域に、第1導電型の第1の不純物を注入し、第1のレーザー光を、第1の方向に走査してSi膜上に照射することにより、Si膜を溶融固化させて結晶化するとともに、第1の不純物を活性化し、第2の領域をマスクし、第1の領域に、第1の不純物より軽元素である第2導電型の第2の不純物を、第1の不純物より高濃度となるように注入し、第2の不純物を活性化する。
【選択図】図1
【解決手段】半導体装置の製造方法において、絶縁表面を有する基板上に、非晶質のSi膜を形成し、Si膜の第1の領域及び第2の領域に、第1導電型の第1の不純物を注入し、第1のレーザー光を、第1の方向に走査してSi膜上に照射することにより、Si膜を溶融固化させて結晶化するとともに、第1の不純物を活性化し、第2の領域をマスクし、第1の領域に、第1の不純物より軽元素である第2導電型の第2の不純物を、第1の不純物より高濃度となるように注入し、第2の不純物を活性化する。
【選択図】図1
Description
本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法及び半導体装置に関する。
近年、液晶表示装置、密着型イメージセンサなどの高速・高解像度化や、三次元ICの実現のために、ガラスなどの絶縁性基板や、素子や配線上に絶縁膜が形成された基板への高性能半導体素子の形成技術の開発が進められている。
このような半導体素子には、これまで、低温形成が可能で、量産性に優れた非晶質Si(以下a−Siと記す)半導体が用いられていた。しかしながら、誘電性が低く、良好な高速特性を得ることが困難であるため、多結晶Si(以下poly−Siと記す)半導体を用いることが種々検討されている。
poly−Si半導体は、例えば、a−Si半導体膜にエキシマレーザ光などの高輝度熱光線を照射し、溶融固化させて結晶化することにより得ることができる。このような手法により、小粒径であるが、粒内の結晶欠陥が少ない結晶粒が得られ、比較的高品質なpoly−Si半導体膜を形成することができる。しかしながら、不規則に存在する粒界が、キャリアに対して大きなトラップとして働き、良好な電気的特性を得ることができないという問題がある。
そこで、a−Si半導体膜をレーザビームパルスで走査して溶融固化させ、結晶成長方向を制御することにより、電気的特性の向上が期待される。
従来の場合には、結晶成長方向の制御は可能であるが、マスク形状やドーパント種などの違いにより、照射領域により固相成長する結晶粒の大きさや方向性に有意差を生じ、特性や加工精度のばらつきが生じるという問題がある。
本発明は、結晶粒成長の大きさ、方向性を均一化し、特性のばらつきを抑えることが可能な半導体装置の製造方法、及び半導体装置を提供することを目的とするものである。
上記の課題を解決するために、本発明の一実施形態によれば、絶縁表面を有する基板上に、非晶質のSi膜を形成し、Si膜の第1の領域及び第2の領域に、第1導電型の第1の不純物を注入し、第1のレーザー光を、第1の方向に走査してSi膜上に照射することにより、Si膜を溶融固化させて結晶化するとともに、前記第1の不純物を活性化し、第2の領域をマスクし、第1の領域に、第1の不純物より軽元素である第2導電型の第2の不純物を、第1の不純物より高濃度となるように注入し、第2の不純物を活性化する、ことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の一実施形態によれば、絶縁表面を有する基板と、基板上に形成され、第1導電型の第1の不純物、及び第1の不純物より軽元素である第2導電型の第2の不純物が注入され、所定方向に配向した結晶性のSi膜からなる第2導電型の活性領域を備える第1の素子と、基板上に形成され、第1の不純物が注入され、所定方向に配向した結晶性のSi膜からなる第1導電型の活性領域を備える第2の素子と、を備えることを特徴とする半導体装置が提供される。
以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1に、本実施形態の半導体装置の活性領域が形成されるpoly−Si膜を有する基板の斜視図を示す。図1に示すように、例えばガラスなどの絶縁性基板や、素子や配線上に絶縁膜が形成された基板などの、絶縁表面を有する基板11上に、例えば〈100〉軸方向に配向したpoly−Si膜12が形成されている。
図1に、本実施形態の半導体装置の活性領域が形成されるpoly−Si膜を有する基板の斜視図を示す。図1に示すように、例えばガラスなどの絶縁性基板や、素子や配線上に絶縁膜が形成された基板などの、絶縁表面を有する基板11上に、例えば〈100〉軸方向に配向したpoly−Si膜12が形成されている。
p型MOSFETが形成される領域であるp−MOSFET形成領域13のpoly−Si膜12には、n型不純物となるV族原子であるリン(P)と、リン(P)より軽元素で、p型不純物となるIII族原子であるホウ素(B)が、リン(P)より高濃度となるようにイオン注入されている。そして、n型MOSFETが形成される領域であるn−MOSFET形成領域14のpoly−Si膜12には、リン(P)がイオン注入されている。
このようなp−MOSFET形成領域13及びn−MOSFET形成領域14は、それぞれ形成される素子のチャネル方向が、例えば〈100〉軸方向となるようにパターンが画定されている。なお、p−MOSFET形成領域13とn−MOSFET形成領域14のSi結晶粒におけるSi結晶粒のサイズは、ほぼ揃ったものとなっている。
本実施形態の半導体装置は、図2に示すフローチャート及び図3(a)−(f)に示すような工程により形成される。
先ず、図3(a)に示すように、基板11上にa−Si膜32aを形成する(Step1−1)。
次いで、図3(b)に示すように、a−Si膜32aのp−MOSFET形成領域13及びn−MOSFET形成領域14に、公知のイオン注入法により、リン(P)をイオン注入する(Step1−2)。このとき、イオン注入条件は、例えば、加速エネルギーを25keV、ドーズ量を1×1013cm−2とする。
そして、図3(c)に示すように、例えば100nsecの短パルス発振が可能なNd:YAGレーザーを用いて、リン(P)がイオン注入されたa−Si膜32bのp−MOSFET形成領域13及びn−MOSFET形成領域14上に、レーザー光を一方向に(平行に)走査して照射することにより、レーザーアニールを行う(Step1−3)。このレーザーアニールにより、a−Si膜32bを溶融固化させて結晶化することにより、p−MOSFET形成領域13及びn−MOSFET形成領域14において均一な結晶粒を有するpoly−Si膜32cを形成するとともに、イオン注入されたリン(P)を電気的に活性化する。
a−Si膜32bは、レーザー光の照射により局部的に溶融、固化し、走査方向に結晶成長する。従って、一方向に結晶粒群が並び、かつその隣接結晶粒間が一定の面方位となり、全面に均一化された、膜方向に長い結晶粒を形成することができる。形成される結晶粒は、走査方向に〈100〉軸が揃いやすくなるため、〈100〉軸方向に配向したpoly−Si膜32cを得ることができる。
これは、以下の理由によると考えられる。Si結晶成長において、結晶成長面の未結合手の先端には、Si原子が入ることができる空孔子が存在し、結晶成長は、空孔子近傍のSi原子がa−SiのSiボンドを切って、空孔子位置に入ることを繰り返すことにより進行する。すなわち、未結合手が多いほど、先端の空孔子位置にSi原子が入りやすく、結晶化の安定度が増すことになる。
ここで、{100}面成長の場合には、原子層によらず結晶成長面に未結合手が2本存在するのに対し、{111}、{110}面成長の場合には、未結合手が1本の場合と3本の場合が、原子層一層毎に交互に結晶成長面に現れる。未結合手が3本の場合には、結晶化の安定度が増すが、逆に1本の場合には、空孔子位置のSi原子が再びボンドを切って、非晶質化するという逆過程が支配的となるため、結晶化が不安定となる。
その結果、未結合手が何れの原子面においても安定して存在し、結晶化が安定となる{100}面成長が最も早い成長速度となり、〈100〉軸方向に優先配向する。
このようなレーザーアニールの条件は、例えばビーム形状を0.2mm×2mmとし、短軸方向に走査し、a−Si膜32bの表面温度が1000℃となるように制御する。
このとき、a−Si膜32bの表面温度が800〜1400℃となるように制御することが好ましい。a−Si膜32b表面が800℃未満であると、固相成長を促進させることが困難となり、1400℃を超えると、Siの融点を超えるため、表面モフォロジーが劣化するためである。
さらに、このとき、基板11上面の温度が400℃以下となるように制御することが好ましい。基板11の温度が400℃を超えると、耐熱性の考慮を要するため、基板11の設計自由度が低下し、基板材料の選択肢を縮小させ、半導体装置の低コスト化が困難となるためである。そして、このようにレーザーアニール時の基板11の温度を抑えることにより、素子や配線上に絶縁膜が形成された基板において、Cu、Alなどの耐熱性の低い金属層を用いることも可能となる。
次いで、図3(d)に示すように、n−MOSFET形成領域14をレジスト35でマスクし、開口されたp−MOSFET形成領域13のpoly−Si膜32cに、公知のイオン注入法により、リン(P)より軽元素であるホウ素(B)をイオン注入(カウンタードープ)する(Step1−4)。このとき、イオン注入条件は、例えば、加速エネルギーを10keV、ドーズ量を2×1013cm−2とすることができる。
そして、レジスト35を除去した後、図3(e)に示すように、Step1−3と同様に、ホウ素(B)がイオン注入されたpoly−Si膜32dをレーザーアニールすることにより、p−MOSFET形成領域13にイオン注入されたホウ素(B)を電気的に活性化する(Step1−5)。
このとき、レーザーアニールは、例えばStep1−3と同一条件で行われる。なお、このような条件に限定されるものではない。このようなレーザーアニールにより、p−MOSFET形成領域13のホウ素(B)は、高濃度で活性化されるが、既に十分に結晶化されているため、先のレーザーアニールと同一条件では、さらなる粒成長はなく、結晶粒の大きさは変動しない。
このようにして、図1に示すように、基板11上に、半導体装置の活性領域が形成されるpoly−Si膜12が形成される。
ここで、比較例として、p−MOSFET形成領域、n−MOSFET形成領域にそれぞれp型、n型の不純物をイオン注入して、レーザーアニールにより結晶化、活性化を行う場合を示す。
先ず、図4(a)に示すように、a−Si膜42aの形成された基板41上に、p−MOSFET形成領域43をレジスト45aでマスクし、開口されたn−MOSFET形成領域44に、公知のイオン注入法により、リン(P)をイオン注入する。このとき、イオン注入条件は、例えば、加速エネルギーを25keV、ドーズ量を1×1013cm−2とする。
次いで、図4(b)に示すように、レジスト45aを除去した後、n−MOSFET形成領域44をレジスト45bでマスクし、開口されたp−MOSFET形成領域43に、公知のイオン注入法により、ホウ素(B)をイオン注入する。このとき、イオン注入条件は、例えば、加速エネルギーを10keV、ドーズ量を1×1013cm−2とする。
そして、図4(c)に示すように、レジスト45bを除去した後、第1の実施形態と同じ条件にてレーザーアニールを行う。レーザーアニールにより、a−Si膜42aを溶融固化させて、p−MOSFET形成領域43及びn−MOSFET形成領域44においてpoly−Si膜42bを形成(結晶化)するとともに、それぞれイオン注入されたホウ素(B)及びリン(P)を電気的に活性化する。
このようにして形成されたpoly−Si膜42bにおいて、第1の実施形態と同様に、レーザー光の走査方向に結晶粒が成長しているものの、p−MOSFET形成領域43とn−MOSFET形成領域44では、明らかに結晶粒の大きさが異なる。例えば、n−MOSFET形成領域44では、平均粒径が100nm程度であるのに対し、p−MOSFET形成領域43では、平均粒径が10nm程度となる。
これは、a−Si膜に導入される不純物により、溶融固化により結晶化する際の固相成長速度が異なる、すなわち、ホウ素(B)が導入された領域よりリン(P)が導入された領域の方が、固相成長速度が速いためであると考えられる。
そして、このように結晶粒径が異なると、キャリア移動度が大きく異なるとともに、RIE(Reactive Ion Etching)などによるパターン加工時のエッチング速度が変動し、加工精度がばらついてしまう。
一方、第1の実施形態においては、a−Si膜32aにおいて、p−MOSFET形成領域13とn−MOSFET形成領域14の双方にリン(P)を導入して、レーザーアニールにより結晶化することにより、ホウ素(B)導入時より大きく、一方向に配向した均一な結晶粒を得ることが可能となる。
さらに、図3(f)に示すように、得られたpoly−Si膜12を、RIEなどによりパターニングし、それぞれp−MOSFET、n−MOSFETの活性領域13a、14aを形成する。このとき、それぞれ形成される半導体素子のチャネル方向と、poly−Si膜12の配向方向が、同方向(平行)となるように、パターンが画定されている。
さらに、電極などを形成することにより、基板11上に薄膜トランジスタなどの半導体素子が形成され、半導体装置が形成される。
本実施形態によれば、半導体装置における活性領域が形成されるpoly−Si膜の結晶粒の大きさ、方向性が均一化されることから、電気的特性や、RIE工程などでの加工ばらつきを低減することができ、得られる半導体装置の特性のばらつきを抑えることが可能となる。
(第2の実施形態)
図5に、本実施形態の半導体装置の活性領域が形成されるpoly−Si膜を有する基板の斜視図を示す。図5に示すように、例えばガラスなどの絶縁性基板や、素子や配線上に絶縁膜が形成された基板などの、絶縁表面を有する基板51上に、poly−Si膜52a、52bが形成されている。
図5に、本実施形態の半導体装置の活性領域が形成されるpoly−Si膜を有する基板の斜視図を示す。図5に示すように、例えばガラスなどの絶縁性基板や、素子や配線上に絶縁膜が形成された基板などの、絶縁表面を有する基板51上に、poly−Si膜52a、52bが形成されている。
p型MOSFETが形成される領域であるp−MOSFET形成領域53のpoly−Si膜52aは、例えば〈100〉軸方向に配向しており、n型不純物となるV族原子である例えばリン(P)と、リン(P)より軽元素で、p型不純物となるIII族原子である例えばホウ素(B)が、リン(P)より高濃度となるようにイオン注入されている。そして、n型MOSFETが形成される領域であるn−MOSFET形成領域54のpoly−Si膜52bは、例えば〈110〉軸方向に配向しており、リン(P)と、非導電型の不純物であるIV族原子である例えばゲルマニウム(Ge)がイオン注入されている。
このようなp−MOSFET形成領域53及びn−MOSFET形成領域54は、それぞれ形成される素子のチャネル方向が、例えば〈100〉軸方向、〈110〉軸方向となるようにパターンが画定されている。なお、p−MOSFET形成領域53とn−MOSFET形成領域54におけるSi結晶粒のサイズは、ほぼ揃ったものとなっている。
本実施形態の半導体装置は、図6のフローチャート及び図7(a)−(h)に示すような工程により形成される。
先ず、図7(a)に示すように、基板51上にa−Si膜72aを形成する(Step2−1)。
次いで、図7(b)に示すように、a−Si膜72aのp−MOSFET形成領域53及びn−MOSFET形成領域54に、公知のイオン注入法により、リン(P)をイオン注入する(Step2−2)。このとき、イオン注入条件は、第1の実施形態と同様に、例えば、加速エネルギーを25keV、ドーズ量を1×1013cm−2とする。
そして、図7(c)に示すように、第1の実施形態と同様に、例えばNd:YAGレーザーを用いて、リン(P)がイオン注入されたa−Si膜72b上に、レーザー光を一方向に(平行に)走査して照射することにより、レーザーアニールを行う(Step2−3)。
このレーザーアニールにより、a−Si膜72b膜を溶融固化させて結晶化することにより、p−MOSFET形成領域53及びn−MOSFET形成領域54において、〈100〉に優先配向した均一な結晶粒を有するpoly−Si膜72cを形成するとともに、イオン注入されたリン(P)を電気的に活性化する。
a−Si膜72bにおいて、第1の実施形態と同様に、走査方向に結晶成長し、一方向に結晶粒群が並び、かつその隣接結晶粒間が一定の面方位となり、全面に均一化された、膜方向に長い結晶粒を形成することができる。形成される結晶粒は、走査方向に〈100〉軸が揃いやすくなるため、〈100〉軸方向に配向したpoly−Si膜72cを得ることができる。
このようなレーザーアニールの条件は、第1の実施形態と同様の理由により、同様の条件とすることができる。
次いで、図7(d)に示すように、p−MOSFET形成領域53をレジスト75aでマスクし、開口されたn−MOSFET形成領域54に、公知のイオン注入法により、ゲルマニウム(Ge)をイオン注入することにより、開口されたn−MOSFET形成領域54のpoly−Si膜72cを非晶質化して、a−Si膜72dを形成する(Step2−4)。このとき、イオン注入条件は、例えば、加速エネルギーを10keV、ドーズ量を5×1014cm−2とすることができる。
そして、レジスト75aを除去した後、図7(e)に示すように、p−MOSFET形成領域53及びn−MOSFET形成領域54上に、例えばStep2−3と同じ条件で、レーザー光を今度は〈110〉軸方向に(平行に)走査して照射することにより、レーザーアニールを行う(Step2−5)。
このとき、p−MOSFET形成領域53においては、既に〈100〉軸方向に配向したpoly−Si膜72cが形成されている。既に固相成長を促すリン(P)が導入されて十分に結晶粒が成長しているため、同一条件ではさらなる粒成長はなく、結晶粒の大きさは変動しない。
一方、再びa−Si膜72dが形成されたn−MOSFET形成領域54においては、p−MOSFET形成領域53の{100}面をシードとして、レーザー走査方向である〈110〉軸方向に、新たに結晶成長が促進される。このとき、既に固相成長を促すリン(P)が導入されているため、p−MOSFET形成領域53と同様に、十分に結晶粒を成長させることができる。
このようにして、2度目のレーザーアニールにより、n−MOSFET形成領域54において、a−Si膜72dを溶融固化させて、p−MOSFET形成領域53と同様に均一な結晶粒を有するとともに、〈110〉軸方向に配向したpoly−Si膜72eを形成することができる。
次いで、第1の実施形態と同様に、図7(f)に示すように、n−MOSFET形成領域54をレジスト75bでマスクし、開口されたp−MOSFET形成領域53に、公知のイオン注入法により、リン(P)より軽元素であるホウ素(B)をイオン注入(カウンタードープ)する(Step2−6)。このとき、イオン注入条件は、第1の実施形態と同様に、例えば、加速エネルギーを10keV、ドーズ量を2×1013cm−2とすることができる。
そして、図7(g)に示すように、レジスト75bを除去した後、例えばStep2−3と同じ条件で、ホウ素(B)がイオン注入されたpoly−Si膜72fに3度目のレーザーアニールを行うことにより、p−MOSFET形成領域53にイオン注入されたホウ素(B)を電気的に活性化する(Step2−7)。
このとき、レーザーアニールにより、p−MOSFET形成領域53のホウ素(B)は、高濃度で活性化されるが、poly−Si膜72cは、既に十分に結晶化されているため、1度目、2度目のレーザーアニールと同一条件では、さらなる粒成長はなく、結晶粒の大きさは変動しない。
このようにして、図5に示すように、基板51上に、半導体装置の活性領域が形成されるpoly−Si膜52a、52bが形成される。
さらに、第1の実施形態と同様に、図7(h)に示すように、得られたpoly−Si膜52a、52bを、RIEなどによりパターニングし、それぞれp−MOSFET、n−MOSFETの活性領域53a、54aを形成する。
このとき、p−MOSFET、n−MOSFETのチャネル方向と、poly−Si膜52a、52bの配向方向が同方向(平行)となるように、パターンが画定されている。すなわち、p−MOSFETのチャネル方向を、正孔が流れやすい〈100〉軸方向とし、n−MOSFETのチャネル方向を、電子が流れやすい〈110〉軸方向とする。
さらに、電極などを形成することにより、基板51上に薄膜トランジスタなどの半導体素子が形成され、半導体装置が形成される。
本実施形態によれば、結晶粒の大きさ、方向性が均一化されることから、電気的特性や、RIE工程などでの加工ばらつきを低減することができ、得られる半導体装置の特性のばらつきを抑えることが可能となる。さらに、得られた半導体装置において、電子移動度を高めることができ、さらなる高速化、低消費電力化を図ることが可能となる。
これら実施形態において、先に全面に不純物としてn型不純物となるリン(P)をイオン注入し、後からp−MOSFET形成領域にリン(P)より軽元素のp型不純物となるホウ素(B)をイオン注入(カウンタードープ)しているが、この組合せに限定されるものではない。例えば、リン(P)の代りに、ホウ素(B)より重元素のヒ素(As)を用いることもできる。また、先に全面にp型不純物となるインジウム(In)を、後からn−MOSFET形成領域にPをカウンタードープしてもよい。
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。その他要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
11、41、51…基板
12、32c、32d、42b、52a、52b、72c、72e、72f…poly−Si膜
13、43、53…p−MOSFET形成領域
13a、14a、53a、54a…活性領域
14、44、54…n−MOSFET形成領域
32a、32b、42a、72a、72b、72d…a−Si膜
35、45a、45b、75a、75b…レジスト
12、32c、32d、42b、52a、52b、72c、72e、72f…poly−Si膜
13、43、53…p−MOSFET形成領域
13a、14a、53a、54a…活性領域
14、44、54…n−MOSFET形成領域
32a、32b、42a、72a、72b、72d…a−Si膜
35、45a、45b、75a、75b…レジスト
Claims (5)
- 絶縁表面を有する基板上に、非晶質のSi膜を形成し、
前記Si膜の第1の領域及び第2の領域に、第1導電型の第1の不純物を注入し、
第1のレーザー光を、第1の方向に走査して前記Si膜上に照射することにより、前記Si膜を溶融固化させて結晶化するとともに、前記第1の不純物を活性化し、
前記第2の領域をマスクし、前記第1の領域に、前記第1の不純物より軽元素である第2導電型の第2の不純物を、前記第1の不純物より高濃度となるように注入し、
前記第2の不純物を活性化する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記第1の不純物を活性化した後、前記第2の不純物の注入前に、
前記第2の領域に非導電型の第3の不純物を注入することにより、前記第2の領域を非晶質化し、
第2のレーザー光を前記第1の方向と異なる第2の方向に走査して前記Si膜上に照射することにより、前記第2の領域の前記Si膜を溶融固化させて結晶化する、
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 第3のレーザー光を走査して照射することにより、前記第2の不純物を活性化することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
- 絶縁表面を有する基板と、
前記基板上に形成され、第1導電型の第1の不純物、及び前記第1の不純物より軽元素である第2導電型の第2の不純物が注入され、所定方向に配向した結晶性のSi膜からなる第2導電型の活性領域を備える第1の素子と、
前記基板上に形成され、前記第1の不純物が注入され、所定方向に配向した結晶性のSi膜からなる第1導電型の活性領域を備える第2の素子と、
を備えることを特徴とする半導体装置。 - 前記第1導電型の活性領域には、非導電型の第3の不純物が注入されていることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置。
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