JP3993185B2 - トランジスタの作製方法 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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、ゲート絶縁膜として機能する絶縁被膜３０４を堆積し、さらに、ゲート電極３０５を形成する。（図３（Ａ））

必要ならば、ゲート電極を陽極酸化して、ゲート電極・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、このゲート電極部、すなわちゲー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））

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））

上記の方法では、トランジスタのゲート絶縁膜の耐圧を向上せしめんとすれば、ゲー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。

一方、ドーピングを効率的におこなうためにゲー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。

本発明では、ゲート絶縁膜として形成された絶縁被膜をゲー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。

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。

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、ゲー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。

〔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１００ｎｍ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１５０ｎｍ）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、ゲート絶縁膜として厚さ１２０ｎｍの酸化珪素被膜１０４を堆積し、さらに、厚さ６００ｎｍのアルミニウムを用いてゲート電極１０５を形成した。（図１（Ａ））

その後、ゲート電極を陽極酸化して、ゲート電極・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））

その後、ドライエッチング法によって、ゲー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、結果的にゲート絶縁膜のうち、ゲート電極部（ゲート電極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。ゲート絶縁膜１０４が５０ｎｍ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））

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））

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。

〔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１００ｎｍ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５０ｎｍ）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、ゲート絶縁膜として厚さ１２０ｎｍの酸化珪素被膜２０４を堆積し、さらに、厚さ６００ｎｍのアルミニウムを用いてゲート電極２０５を形成した。その後、ゲート電極を陽極酸化して、ゲート電極・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））

その後、ドライエッチング法によって、ゲー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、結果的にゲート絶縁膜のうち、ゲート電極部（ゲート電極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。ゲート絶縁膜２０４が５０ｎｍ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））

そして、層間絶縁物２０９として、厚さ５００ｎｍ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２（Ｃ））

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））

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。

実施例の作製プロセスを示す。 実施例の作製プロセスを示す。 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・・・ゲート絶縁膜
１０５、２０５、３０５・・・ゲート電極
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 (3)

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、シリコン半導体膜を形成し、
   前記シリコン半導体膜をレーザーアニールして前記シリコン半導体膜を結晶化させ、
   前記結晶化させたシリコン半導体膜をパターニングして島状半導体領域を形成し、
   前記島状半導体領域上にゲート絶縁膜を形成し、
   前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、
   前記ゲート電極を形成した後、前記ゲート絶縁膜をエッチングして、前記ゲート絶縁膜を薄くし、
   前記ゲート電極をマスクとして前記薄くしたゲート絶縁膜を介して前記島状半導体領域中に不純物を注入し、
   前記ゲート絶縁膜及び前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成し、
   前記ゲート絶縁膜及び前記層間絶縁膜を通して前記島状半導体領域にレーザー光を照射して前記島状半導体領域を活性化させることを特徴とするトランジスタの作製方法。
2. 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、シリコン半導体膜を形成し、
   前記シリコン半導体膜をレーザーアニールして前記シリコン半導体膜を結晶化させ、
   前記結晶化させたシリコン半導体膜をパターニングして島状半導体領域を形成し、
   前記島状半導体領域上にゲート絶縁膜を形成し、
   前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成し、
   前記ゲート電極を形成した後、前記ゲート絶縁膜をエッチングして、前記ゲート絶縁膜を薄くし、
   前記ゲート電極をマスクとして前記薄くしたゲート絶縁膜を介して前記島状半導体領域中にＮ型の不純物を注入し、
   前記ゲート絶縁膜及び前記ゲート電極上に層間絶縁膜を形成し、
   前記ゲート絶縁膜及び前記層間絶縁膜を通して前記島状半導体領域にレーザー光を照射して前記島状半導体領域を活性化させることを特徴とするトランジスタの作製方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記ゲート電極は、ドープドシリコン、モリブテン、タングステン、チタン、アルミニウム又はそれらの合金のいずれかでなることを特徴とするトランジスタの作製方法。

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