JP3567937B2 - 薄膜トランジスタの作製方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
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301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】
【発明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))
【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500Å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、150〜300mJ/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 /Vs、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500Å)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1200Åの酸化珪素被膜204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205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500Å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5000Å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2CD))
【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(355nm)、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 (1)
- ガラス基板上に下地絶縁膜を形成し、
前記下地絶縁膜上に半導体領域を形成し、
前記半導体領域上に第1の絶縁被膜を形成し、
前記第1の絶縁被膜上にゲイト電極を形成し、
前記ゲイト電極を形成した後、ドライエッチング法により前記第1の絶縁被膜をエッチングして、前記第1の絶縁被膜を薄くし、
前記半導体領域中に前記ゲイト電極をマスクとして不純物を導入し、
前記第1の絶縁被膜上に第2の絶縁被膜を形成し、
前記第1の絶縁被膜および前記第2の絶縁被膜を通して、前記半導体領域にレーザー光または当該レーザー光と同等な強光を照射することを特徴とする薄膜トランジスタの作製方法。
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