JP3031398B2 - Misトランジスタの作製方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
ランジスタの作製例を図4を用いて説明する。基板40
1上に下地絶縁膜402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403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404を堆積し、さらに、
ゲイト電極405を形成する。(図4(A))
ゲイト電極・配線の上面および側面に陽極酸化物406
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
4(B)) その後、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403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)40
7を形成する。(図4(C))
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4(D)) その後、層間絶縁物408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409を形
成して、完成させる。(図4(E))
注入の際に、ゲイト絶縁膜404にも多量の不純物が注
入された。このような不純物は、それ自体がレーザー光
を吸収する中心となるばかりか、不純物注入の際に発生
した欠陥によってもレーザー光が大きく吸収されること
があった。特に、紫外光は吸収が著しく、不純物半導体
領域407を活性化させるのに十分な光が到達しないと
いう問題が生じた。通常は、絶縁被膜としては酸化珪素
が用いられ、また、レーザー光としては量産性に優れた
エキシマーレーザーが用いられる。酸化珪素は純粋なも
のはエキシマーレーザーの紫外光に対して十分に透明で
あるが、リンやボロン等の不純物が存在すると、その透
明度が著しく低下した。そのため活性化は十分でないと
いう問題が生じた。
あると、不純物領域の抵抗が高くなり、ソース/ドレイ
ン間に直列に抵抗を挿入したことと同じこととなる。す
なわち、トランジスタの見掛けの移動度が低下し、ま
た、ON時の立ち上がり(急峻性)も劣化する。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、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。
膜として形成された絶縁被膜もしくはその一部を通して
不純物を高速イオン照射によって半導体領域に導入した
後、ゲイト電極部の下の部分以外の前記絶縁被膜を除去
し、その後、半導体領域を露出せしめた構造でレーザー
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。このような方法を
採用するために、先に指摘したようなレーザー光の絶縁
被膜による吸収は生じず、きわめて効率よく活性化が達
成できる。
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1000Å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1500Å)堆積し、600℃で
12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1200Åの
酸化珪素被膜104を堆積し、さらに、厚さ6000Å
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))
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))
keV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)107
を形成した。(図1(C)) そして、陽極酸化部をマスクとしてゲイト絶縁膜104
をエッチングし、不純物半導体領域107の表面を露出
させた。さらに、KrFエキシマーレーザー光(波長2
48nm)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。(図1
(D)) その後、層間絶縁物108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109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))
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。
無アルカリガラス201上に下地絶縁膜202として、
厚さ1000Å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500
Å)堆積した。これに、KrFレーザー光を照射するこ
とによって結晶化させた。レーザーのエネルギー密度は
250〜400mJ/cm2 が好ましく、また、レーザ
ー照射の際には基板を300〜550℃に保持しておく
と良好な特性が得られた。このようにして結晶化させた
シリコン膜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1200Å
の酸化珪素被膜204を堆積し、さらに、厚さ6000
Åのアルミニウムを用いてゲイト電極205を形成し
た。(図2(A))
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。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2(B)) その後、ゲイト絶縁膜204をゲイト電極部をマスクと
して、気相エッチング法によって200〜700Å程度
エッチングし、ゲイト絶縁膜の薄膜化をおこなった。こ
のようにして薄い絶縁膜207を形成した。そして、2
5〜70keV、例えば50keV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
(C))
にはゲイト絶縁膜の厚さは厚いほどよい。しかしなが
ら、厚い絶縁膜を通してイオンを注入せんとすれば、イ
オンの加速エネルギーが高くなる。また、特に本実施例
のように、イオンに質量や散乱断面積の異なるものが混
在している場合には、不必要なイオンが基板深くに注入
されることがある。例えば、リンの1価イオンを150
0Åの深さに注入するには100keVのエネルギーが
必要であるが、同時に加速される100keVの水素イ
オンは5000Åの深さに打ち込まれる。すなわち、ゲ
イト電極を透過して、ゲイト絶縁膜やその下の半導体領
域にまで到達する危険がある。このような問題点を解決
するには、不純物の注入される部分のみは必要な厚さに
まで絶縁膜を薄くしてやればよい。
極酸化部をマスクとしてゲイト絶縁膜204をエッチン
グし、不純物半導体領域208の表面を露出させた。さ
らに、KrFエキシマーレーザー光を照射して、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20
8の結晶性を回復させた。(図2(D)) その後、層間絶縁物209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(E))
無アルカリガラス301上に下地絶縁膜302として、
厚さ1000Å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500
Å)堆積した。これに、KrFレーザー光を照射するこ
とによってこれを結晶化させた。レーザーのエネルギー
密度は250〜400mJ/cm2 が好ましく、また、
レーザー照射の際には基板を300〜550℃に保持し
ておくと良好な特性が得られた。このようにして結晶化
させたシリコン膜をパターニングして島状半導体領域3
03を形成した。そして、ゲイト絶縁膜として厚さ12
00Åの酸化珪素被膜304を堆積し、さらに、厚さ6
000Åのアルミニウムを用いてゲイト電極305を形
成した。
ト電極・配線の上面および側面に陽極酸化物306を形
成した。ゲイト絶縁膜304をゲイト電極部をマスクと
して、ウェットエッチング法によって、全てエッチング
した。(図3(A)) そして、新たに200〜300Åの酸化珪素膜307を
堆積し、10〜40keV、例えば20keV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303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)308を形成した。
(図3(B))
絶縁被膜を極端に薄くする場合に適している。すなわ
ち、実施例2の方法では、残存する絶縁膜の厚さは、ゲ
イト絶縁膜が厚い場合には精密に制御できないからであ
る。例えば、実施例2の方法で、1200Åの酸化珪素
膜を200Åまで薄くしようとしても、200Å以上の
ばらつきが生じてしまった。これに対し、本実施例のよ
うに絶縁膜を堆積する方法では50Å以下のばらつきで
あった。
極酸化部をマスクとして酸化珪素膜307を全てエッチ
ングし、不純物半導体領域308の表面を露出させた。
さらに、KrFエキシマーレーザー光を照射して、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3
08の結晶性を回復させた。(図3(C)) その後、層間絶縁物309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310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3(D))
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。
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(354n
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。
ン電極
Claims (4)
- 【請求項1】 基板上に半導体領域を形成する工程と、 前記半導体領域上に 絶縁被膜を形成する工程と、前記絶縁被膜を通して 前記半導体領域中に不純物を導入
する工程と、 前記絶縁被膜を除去し、前記半導体領域の表面を露出す
る工程と、露出した 前記半導体領域にレーザーもしくはレーザーと
同等な強光を照射する工程とを有することを特徴とする
MISトランジスタの作製方法。 - 【請求項2】 半導体領域上に絶縁被膜を形成する工程
と、 前記絶縁被膜上にゲイト電極を形成する工程と、 前記ゲイト電極をマスクとして、前記絶縁被膜を通して
前記半導体領域中に不純物を導入する工程と、前記ゲイト電極をマスクとして 前記絶縁被膜を除去し、
前記半導体領域の表面を露出する工程と、露出した 前記半導体領域にレーザーもしくはレーザーと
同等な強光を照射する工程とを有することを特徴とする
MISトランジスタの作製方法。 - 【請求項3】 半導体領域上に絶縁被膜を形成する工程
と、 前記絶縁被膜上にゲイト電極を形成する工程と、 前記ゲイト電極をマスクとして、前記絶縁被膜をエッチ
ングし薄膜化する工程と、 前記ゲイト電極をマスクとして、前記絶縁被膜を通して
前記半導体領域中に不純物を導入する工程と、前記ゲイト電極をマスクとして 前記絶縁被膜を除去し、
前記半導体領域の表面を露出する工程と、露出した 前記半導体領域にレーザーもしくはレーザーと
同等な強光を照射する工程とを有することを特徴とする
MISトランジスタの作製方法。 - 【請求項4】 半導体領域上に第1の絶縁被膜を形成す
る工程と、 前記第1の絶縁被膜上にゲイト電極を形成する工程と、 前記ゲイト電極をマスクとして前記第1の絶縁被膜を除
去し、前記半導体領域の表面を露出する工程と、 露出した前記半導体領域上に第2の絶縁被膜を形成する
工程と、 前記ゲイト電極をマスクとして、前記第2の絶縁被膜を
通して前記半導体領域中に不純物を導入する工程と、 前記第2の絶縁被膜を除去し、前記半導体領域の表面を
露出する工程と、露出した 前記半導体領域にレーザーもしくはレーザーと
同等な強光を照射する工程とを有することを特徴とする
MISトランジスタの作製方法。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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