JP2840802B2 - 半導体材料の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の製造方
法、製造装置に関する。本発明は、半導体材料の特性向
上を目的とし、本発明による半導体材料を利用すること
によって特性の改善された半導体素子を提供するための
製造装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造過程において、アモル
ファス状態の半導体材料が生成することが知られてい
た。例えば、低温でのスパッタリング法や化学的気相成
長法（ＣＶＤ法）による成膜や高エネルギーイオン照射
によって、アモルファス半導体被膜やアモルファス状態
の表面が得られた。なお、本明細書でアモルファスとい
う言葉は、純粋に原子レベルでの無秩序さだけを意味す
るのではなく、数ｎｍ程度の近距離秩序が存在している
ような物質をも含めて使用される。具体的には電子移動
度にして１０ｃｍ² ／Ｖ・ｓ以下の珪素材料もしくはそ
の物質のキャリヤ移動度が、その半導体物質の本質的な
キャリヤ移動度の１％以下の材料を意味している。

【０００３】さて、アモルファス半導体（アモルファス
シリコンやアモルファスゲルマニウム等）はそのキャリ
ヤ移動度（電子移動度やホール移動度）が著しく小さい
ため、これをそのまま、例えば薄膜トランジスタ（ＴＦ
Ｔ）のチャネル形成領域やソース、ドレイン等の不純物
領域として用いることは稀で、通常はこれらアモルファ
ス半導体材料を４００℃以上の温度で結晶化させて用い
られていた。しかしながら、このような熱的な結晶化
は、温度を下げようとすれば長時間の熱処理が要求さ
れ、また、短時間の処理に使用とすれば高温の処理が必
要とされた。基板の耐熱性や量産性等の制限を抱えるプ
ロセスにおいては、低温で短時間の処理が望まれるので
あるが、従来の熱的な方法では解決できない課題であっ
た。

【０００４】近年になって、アモルファス状態の被膜や
表面にレーザー光やキセノンランプ光等の強光を照射し
て、結晶性の半導体材料に変成せしめて、そのキャリヤ
移動度を向上させる方法が開発された。（以下の文章で
はこの方法を「レーザーアニール」と呼ぶことにする
が、必ずしもレーザーを用いなければならないわけでは
ない。レーザー光照射と同様に強力なフラッシュランプ
を照射する場合も含まれるものとする。）この方法で
は、基板の実質的な温度は４００℃以下とすることがで
き、かつ、処理時間も短く、量産性に優れていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特性の
優れた半導体材料（例えば、高移動度の半導体材料）を
レーザーアニール法によって再現性良く得ることは困難
であった。そして、その原因も単なるレーザーのエネル
ギーのばらつきに帰せられるだけで、抜本的な解決法は
知られていなかった。本発明は再現性を改善して、安定
して特性の良い半導体材料を提供する方法を示すととも
に、従来にもまして、量産性の優れた製造方法（処理方
法）を示す。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明人は、レーザーア
ニールの不安定性の原因の１つとして膜中の酸素、窒
素、炭素等の異元素の存在があると考えた。そして、原
料の被膜にこのような異元素が極めて少ない純粋な半導
体材料（シリコンやゲルマニウム）を用いて、レーザー
アニールをおこなうことによって、移動度の高い半導体
とすることができることを見いだした。

【０００７】しかしながら、再現性良く良好な特性を得
ることは困難であった。その原因としては、レーザーア
ニールの際に被膜の雰囲気に含まれる酸素ガス、窒素ガ
ス、水分、二酸化炭素等が膜中に取り込まれ、あるいは
膜の表面に吸着されていたこれらのガスが、レーザーア
ニールの際に膜中に取り込まれることがあると推定され
た。

【０００８】この困難を避けるためには特別な作製方法
が必要である。すなわち、アモルファス被膜・表面の作
製・形成とレーザーアニール工程とを連続的におこな
い、その間に外気と接触しないような工夫が必要であ
る。そのためには成膜装置、イオン注入装置等の真空処
理装置とレーザーアニール装置と連結して、試料を外部
に取り出すことなく連続的に操業できるようにすること
が必要である。

【０００９】また、このような連続的な処理をおこなう
場合には、個々の真空処理装置から外部に試料を取り出
して、レーザーアニール処理をおこなうよりも生産性が
向上する場合があることも明らかになった。

【００１０】なお、高いキャリヤ移動度を得るために
は、上記以外に、レーザーアニールの条件を最適化しな
ければならないことは勿論である。このレーザーアニー
ルの条件は、レーザーの発振条件（連続発振もしくはパ
ルス発振、繰り返し周波数、強度、波長、被膜等）によ
って異なり、一概には言えない。レーザーとしてはエキ
シマーレーザーの如き紫外線レーザー、ＹＡＧレーザー
の如き可視、赤外レーザーが使用でき、レーザーアニー
ルする被膜の厚さ等によって選択することが必要であ
る。すなわち、一般に珪素あるいはゲルマニウム材料に
おいては、紫外線に対する吸収長が短いため、レーザー
光は深部までは入らず、レーザーアニールは表面の比較
的浅い領域でのみ起こる。これに対し、可視光、赤外線
に対しては吸収長が長く、光が比較的内部まで侵入し、
よって、レーザーアニールは深い部分でも起こる。以下
に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。

【００１１】

【実施例】

〔実施例１〕プレーナ構造のＴＦＴを作製し、その電気
特性を評価した。まず、２つのチャンバーを有する成膜
装置を用いて、厚さ約１００ｎｍのアモルファスシリコ
ン被膜とその上の厚さ１０ｎｍの窒化珪素被膜とを厚さ
１０ｎｍの窒化珪素被膜でコーティングされた石英基板
上に連続的に形成した。アモルファスシリコン膜は通常
のスパッタ法によって、また、窒化珪素膜はグロー放電
プラズマＣＶＤ法によって作製した。成膜装置およびレ
ーザーアニール装置は図２に示されるものを用いた。

【００１２】まず、第１の予備室２０１に基板２０２を
セットし、予備室を２００℃に加熱するとともに、真空
排気し、予備室の圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１
時間保持した。ついで、成膜時以外は常に１０^-4ｔｏｒ
ｒ以下に保持され、外気が入らないように管理された第
１のチャンバー２０３を１０^-6ｔｏｒｒまで排気し、予
備室２０１から基板を移動させて第１のチャンバー２０
３に基板をセットし、基板２０４およびターゲット２０
５を２００℃に保持したまま、真空排気し、チャンバー
の圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持した。
そして、チャンバー内にアルゴンガスを導入し、ＲＦプ
ラズマを発生させて、スパッタ成膜をおこなった。スパ
ッタのターゲット２０５は９９．９９９９％以上の純度
の珪素ターゲットを使用し、かつ、１ｐｐｍのリンを含
んでいる。成膜時の基板温度は１５０℃、雰囲気は実質
的に１００％アルゴンで圧力は５×１０^-2ｔｏｒｒであ
った。アルゴンには水素その他のガスを意図的に添加し
なかった。アルゴンの濃度は９９．９９９９％以上であ
った。投入電力は２００Ｗで、ＲＦ周波数は１３．５６
ＭＨｚであった。

【００１３】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第１のチ
ャンバー２０３を１０^-6ｔｏｒｒまで排気した。つい
で、常に１０^-5ｔｏｒｒ以下に保持され、第１のチャン
バー２０３と第２のチャンバー２０８の間に設けられて
いる第２の予備室２０６を１０^-6ｔｏｒｒまで真空排気
し、第１のチャンバー２０３から第２の予備室２０６に
基板を移送した。さらに、成膜時以外は常に１０^-4ｔｏ
ｒｒ以下に保持され、外気が入らないように管理された
第２のチャンバー２０８を１０^-6ｔｏｒｒまで排気し、
第２の予備室２０６から基板２０７を移動させて第２の
チャンバー２０８に基板をセットし、基板２０９を２０
０℃に保持したまま、真空排気し、チャンバーの圧力が
１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持した。

【００１４】そして、第２のチャンバー２０８に水素で
希釈された純度９９．９９９９％以上のアンモニアガス
およびジシランガス（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）を３：２の割合で導
入し、全体の圧力を１０^-1ｔｏｒｒとした。そして、チ
ャンバーにＲＦ電流を導入し、プラズマを発生させ窒化
珪素の成膜をおこなった。投入電力（１３．５６ＭＨ
ｚ）は２００Ｗであった。

【００１５】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第２のチ
ャンバー２０８を１０^-6ｔｏｒｒまで排気した。つい
で、第２のチャンバー２０８の片側に設けられ、石英の
窓２１０を有する第３の予備室２０９を１０^-6ｔｏｒｒ
まで真空排気し、第２のチャンバー２０８から第３の予
備室２０９に基板を移送した。そして、第３の予備室の
窓２１０を通してエキシマーレーザー光２１２を基板２
１１照射し、レーザーアニールをおこなった。

【００１６】このように、成膜状態から実質的に真空状
態を破ることなく、連続的にレーザーアニールをおこな
う方法は、この実施例に示されているように、アモルフ
ァス半導体膜上に本実施例の窒化珪素膜ごときの保護膜
が形成されている場合であっても、また、何ら保護膜が
形成されていない場合であっても極めて有効であった。
その理由としては、被膜上に、ホコリ等の結晶成長の核
となる材料が付着したり傷が付いたりすることはおろ
か、水分やガスの吸着もなく、また、真空状態から大気
圧状態に移行する際に、被膜が非均一な応力を受けるこ
とによる、小さな膜表面の変化、突起等がなかったため
であると考えている。

【００１７】また、このように成膜とレーザーアニール
を連続的におこなう場合には、本実施例のように成膜室
と予備室とを設け、予備室（例えば２０９）に窓を設け
てレーザーアニールをおこなう方法と、成膜室に窓を設
け、成膜室で成膜終了後にレーザーアニールをおこなう
方法とが考えられるが、後者は成膜によって窓が曇って
しまうため、常に窓に付着する被膜をエッチングしなけ
ればならないのに対し、前者ではその必要がない。した
がって、量産性とメンテナンス性を考慮すれば、前者の
方法が優れているといえる。

【００１８】さて、第３の予備室２０９においてレーザ
ーアニールを終了したのち、第３の予備室に乾燥窒素ガ
スを導入し、大気圧とし、基板を取り出した。そして、
窒化珪素膜を公知のドライエッチング法によって除去し
たのち、珪素膜を図１（Ａ）に示すように１００μｍ×
５００μｍの島状の長方形１０２にエッチングした。１
０１は基板である。

【００１９】この被膜の酸素、窒素および炭素の濃度は
いずれも１０¹⁶ｃｍ^-3以下であることは、同じ工程で作
製された別の被膜を２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）
によって分析することによって確認した。

【００２０】さらに酸素雰囲気中でのスパッタ法によっ
て厚さ約１００ｎｍのゲイト絶縁膜１０３を形成した。
このときの基板温度は１５０℃、ＲＦ（１３．５６ＭＨ
ｚ）投入電力は４００Ｗであった。スパッタのターゲッ
トは９９．９９９９％以上の純度の酸化珪素であった。
雰囲気は実質的に酸素で、意図的には他のガスは加えな
かった。酸素の濃度は９９．９９９％以上であった。圧
力は５×１０^-2ｔｏｒｒであった。

【００２１】その後、アルミニウム膜（厚さ２００ｎ
ｍ）を公知の真空蒸着法によって形成し、不必要な部分
を公知のドライエッチング法によって除去し、ゲイト電
極１０４を形成した。ゲイト電極の幅は１００μｍであ
った。このとき、ドライエッチングに用いられたフォト
レジスト１０５はゲイト電極の上に残されていた。

【００２２】ついで、イオン打ち込み法によって、ゲイ
ト電極の部分以外にホウソイオンを１０¹⁴ｃｍ^-2注入し
た。ゲイト電極の下には、その上のゲイト電極とフォト
レジストがマスクとなってホウソイオンは注入されな
い。この工程によって、珪素被膜中に不純物領域、すな
わち、ソース領域１０６とドレイン領域１０７が形成さ
れた。

【００２３】さらに、基板全体を真空容器に置き、１０
^-5ｔｏｒｒの圧力でエキシマーレーザー光を、基板の裏
面から照射して、レーザーアニールをおこなった。この
工程によって、イオン打ち込み工程によってアモルファ
ス化した不純物領域のアモルファス・シリコン膜が結晶
化された。

【００２４】この方法では、ソース、ドレイン領域の活
性化のための２回目のレーザーアニールを基板の表面か
らではなく、裏面からおこなうということによって、不
純物領域１０６、１０７とチャネル形成領域の連続的な
接続を形成できる。

【００２５】ついで、水素雰囲気中での熱アニールをお
こなった。真空排気できるチャンバー内に基板を置き、
いったん１０^-6ｔｏｒｒまでターボ分子ポンプによって
排気し、さらに１００℃に加熱した。この状態を３０分
保ったのち、９９．９９％以上の純度の水素ガスを１０
０ｔｏｒｒまでチャンバー内に導入し、基板を３００℃
で６０分アニールした。ここで、一度真空排気したの
は、被膜に吸着されたガス・水分等を除去するためであ
る。これらが残存した状態で熱アニールをおこなうと、
高い移動度を再現性よく得られないことが経験的にわか
っていた。

【００２６】最後に、ソース領域およびドレイン領域の
上に存在する酸化珪素膜（厚さ１００ｎｍ）に穴を開
け、アルミニウム電極１０８、１０９をこれらの領域に
形成した。以上の工程によって薄膜状の電界効果型トラ
ンジスタが形成された。

【００２７】この電界効果型トランジスタを１００個作
製して、それらのＩＶ特性を測定した結果、チャネル形
成領域の電子移動度は平均で２７５ｃｍ² ／Ｖ・ｓであ
った。さらに、しきい値電圧（スレシュホールド電圧）
の平均は４．２Ｖであった。ドレイン電流の比率の平均
は８×１０⁶ であった。電子移動度の基準値を１００ｃ
ｍ² ／Ｖ・ｓ、スレシュホールド電圧の基準値を５．０
Ｖ、ドレイン電流比の基準値を１×１０⁶ として、１０
０個の電界効果トランジスターの合格・不合格を調べた
ところ、８１個が合格した。

【００２８】〔実施例２〕プレーナ構造のＴＦＴを作製
し、その電気特性を評価した。まず、実施例３と同様に
２つのチャンバーを有する成膜装置を用いて、厚さ約１
００ｎｍのアモルファスシリコン被膜とその上の厚さ１
０ｎｍの窒化珪素被膜とを厚さ１０ｎｍの窒化珪素被膜
でコーティングされた石英基板上に連続的に形成した。
アモルファスシリコン膜は通常のスパッタ法によって、
また、窒化珪素膜はグロー放電プラズマＣＶＤ法によっ
て作製した。装置は図２に示されるものを用いた。

【００２９】まず、第１の予備室２０１に基板をセット
し、予備室を加熱、真空排気し、予備室の圧力が１０^-6
ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持した。ついで、第１の
チャンバー２０３を１０^-6ｔｏｒｒまで排気し、予備室
２０１から基板を移動させて第１のチャンバー２０３に
基板をセットし、基板およびターゲットを加熱したま
ま、真空排気し、チャンバーの圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以
下の状態で１時間保持した。そして、チャンバー内にア
ルゴンガスを導入し、ＲＦプラズマを発生させて、スパ
ッタ成膜をおこなった。

【００３０】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第１のチ
ャンバー２０３を排気した。ついで、第１のチャンバー
２０３と第２のチャンバー２０８の間に設けられている
第２の予備室２０６を真空排気し、第１のチャンバー２
０３から第２の予備室２０６に基板を移送した。さら
に、第２のチャンバー２０８を排気し、第２の予備室２
０６から基板を移動させて第２のチャンバー２０８に基
板をセットし、基板を加熱したまま、真空排気し、チャ
ンバーの圧力が１０^-6ｔｏｒｒ以下の状態で１時間保持
した。

【００３１】そして、第２のチャンバー２０８にアンモ
ニアガスおよびジシランガス（Ｓｉ₂ Ｈ₆ ）を導入し、
全体の圧力を１０^-1ｔｏｒｒとした。そして、チャンバ
ーにＲＦ電流を導入し、プラズマを発生させ窒化珪素の
成膜をおこなった。投入電力（１３．５６ＭＨｚ）は２
００Ｗであった。

【００３２】成膜終了後、ＲＦ放電を停止し、第２のチ
ャンバー２０８を排気した。ついで、第２のチャンバー
２０８の片側に設けられ、石英の窓２１０を有する第３
の予備室２０９を真空排気し、第２のチャンバー２０８
から第３の予備室２０９に基板を移送した。そして、第
３の予備室２０９に純度９９．９９９９％以上のアルゴ
ンガスを導入し、内部の圧力を５気圧とした。そして、
第３の予備室の窓２１０を通してエキシマーレーザー光
２１２を照射し、レーザーアニールをおこなった。

【００３３】このように、成膜状態から外気に触れるこ
となく、連続的にレーザーアニールをおこなう方法は、
この実施例に示されているように、アモルファス半導体
膜上に保護膜が形成されている場合であっても、また、
保護膜が形成されていない場合であっても極めて有効で
あった。その理由としては、被膜上に、ホコリ等の結晶
成長の核となる材料が付着したり傷が付いたりすること
がないというためであると考えられる。さらに、本実施
例の場合のように、加圧した雰囲気でのレーザーアニー
ルは、レーザー照射によって、被膜内にミクロな気泡行
が発生することを抑制し、特性の劣化を防止する効果が
ある。

【００３４】

【発明の効果】本発明によって、再現性よく、移動度の
大きな半導体材料が得られた。本発明では、主として絶
縁性基板状に形成した半導体被膜のレーザーアニールに
ついて説明したが、基板の材料としては、モノリシック
ＩＣ等で用いられるような単結晶珪素基板等の単結晶半
導体であってもよい。

【００３５】また、実施例では珪素被膜に関して述べた
が、ゲルマニウム被膜であっても、また、シリコンーゲ
ルマニウム合金被膜であっても、その他の真性半導体材
料あるいは化合物半導体材料であっても、本発明を適用
することができる。最初に述べたように、本明細書で
は、アモルファス被膜の移動度改善方法としてレーザー
アニールという方法を用いると記述したが、この表現に
は例えばフラッシュランプアニールのようにレーザーは
使用されない方法も含むのである。すなわち、本発明は
強力な光学的エネルギーを利用して半導体材料の結晶性
を改善する方法に関するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】薄膜トランジスタの作製工程を示す。

【図２】薄膜トランジスタの作製に用いた真空処理装置
を示す。

【符号の説明】

１０１・・・基板 １０２・・・半導体被膜 １０３・・・絶縁体被膜 １０４・・・ゲイト電極 １０５・・・フォトレジスト １０６・・・ソース領域 １０７・・・ドレイン領域 １０８・・・ソース電極 １０９・・・ドレイン電極 ２０１・・・第１の予備室 ２０２・・・基板 ２０３・・・第１のチャンバー ２０４・・・基板 ２０５・・・ターゲット ２０６・・・第２の予備室 ２０７・・・基板 ２０８・・・第２のチャンバー ２０９・・・第３の予備室 ２１０・・・石英の窓 ２１１・・・基板 ２１２・・・エキシマー・レーザー光 ２１３・・・ガス導入系 ２１４・・・排気系 ２１５・・・ＲＦ電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 29/786 Ｈ０１Ｌ 29/78 ６２７Ｇ (56)参考文献 特開 平２−239615（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−81424（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−179410（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−31466（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/20

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つ以上のチャンバーを有する半導体材料
   の製造装置において、少なくとも、基板に珪素あるいはゲルマニウム材料から
   なる半導体材料をスパッタリングにより設けるチャンバ
   ーと、 該半導体材料にエキシマーレーザーを用いてレーザーア
   ニールを施すチャンバーと、 前記基板が外気に触れることなくチャンバー間を搬送す
   る手段とを有す ることを特徴とする半導体材料の製造装
   置。
2. 【請求項２】基板上に半導体材料を製造する方法におい
   て、前記基板上に珪素あるいはゲルマニウム材料からなる半
   導体材料をスパッタリングにより成膜する工程と、 前記基板が外気に触れることなくレーザーアニールする
   チャンバーへ搬送する工程と、 前記半導体材料をエキシマーレーザーを用いてレーザー
   アニールする工程とを有する ことを特徴とする半導体材
   料の製造方法。