JP4001649B2 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、半導体装置の作製工程での不純物イオンの注入技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガラス基板や石英基板上に薄膜トランジスタを作製する技術が知られている。図８に一般的な薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【０００３】
先ず図８（Ａ）に示すようにガラス基板１１上に下地膜として酸化珪素膜１２を成膜する。さらに図示しない非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法等でもって成膜する。さらに加熱処理を加えることにより、非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶性珪素膜を得る。そしてこの結晶性珪素膜をパターニングすることにより、１３で示す薄膜トランジスタの活性層を形成する。（図８（Ａ））
【０００４】
次に図８（Ｂ）に示すようにゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜１４を成膜する。さらにシリサイド材料やアルミニウム等の金属材料を用いてゲイト電極１５を形成する。
【０００５】
図８（Ｂ）の状態を得たら、不純物イオンの注入を行う。Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを形成するのであれば、ここでリンイオンを注入する。（図８（Ｃ））
【０００６】
この工程において、１６と１８の領域に不純物イオンが注入される。また１７の領域にはゲイト電極１５がマスクとなることによって不純物イオンの注入が行われない。
【０００７】
この不純物イオンの注入工程によって、ソース領域１６、チャネル形成領域１７、ドレイン領域１８が自己整合的に形成される。
【０００８】
この後（Ｄ）に示すように層間絶縁膜１９として酸化珪素膜等を成膜する。そして、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極２０とドレイン電極２１を形成する。これらの電極は、アルミニウムや適当な金属シリサイドでもって構成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような薄膜トランジスタの作製工程において、図８（Ｃ）に示す不純物イオンの注入工程が重要であることが判明している。即ち、図８（Ｃ）に示す不純物イオンの注入工程によって、得られる薄膜トランジスタの特性が大きな影響が受けることが判明している。
【００１０】
本発明者らの実験によれば、不純物イオンの注入の際に予め試料を加熱しておくことが効果的であることが判明している。
【００１１】
一般に不純物イオンの注入対象は、不純物イオンのエネルギーによって自然に加熱される。しかしここで重要なのは、不純物イオンの注入が行われる際に予め予備加熱をしておくことである。
【００１２】
即ち、（Ｃ）に示すような不純物イオンの注入の先立って予め試料を加熱することが重要となる。具体的には、不純物イオンの注入プロセスを安定化させ、高い再現性を得ることができる。
【００１３】
近年開発されつつある大面積を有するアクティブマトリクス型の液晶表示装置の作製工程等においては、試料の大きさ（基板の大きさ）は３００ｍｍ×４００ｍｍ以上というように大型化する傾向がある。
【００１４】
このような大型化した試料の全体を均一性よく加熱することは一般には困難である。特殊な場合として、特殊な加熱手段を利用することにより、加熱の均一性を高めることが可能であるが、装置の複雑化を招き、コスト高の要因となる。
【００１５】
まして、イオンの注入を行う装置の内部に大面積を有する試料全体を均一性良く加熱する手段を設けることは、コストやメンテネンスの問題から非常に困難である。具体的には、複雑な形状を有する抵抗加熱手段（ヒータ）とその制御システムが必要となる。そしてこのような構成を気密構造を有するイオンの注入を行う装置の内部に配置することは著しくメンテナンスを困難とする。
【００１６】
上記の加熱の不均一性は、不純物イオンの注入効果の面内バラツキの原因となる。この不純物イオンの注入効果の面内バラツキは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置であれば、表示のムラや表示の不鮮明さの原因となる。
【００１７】
本明細書で開示する発明は、上記不純物イオンの注入に際して予め行われる加熱の不均一性の問題を解決することを課題とする。また、前記加熱の不均一性の問題を解決すると同時に、装置の複雑化や作製コストの上昇を招かない技術を提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明は、不純物イオンの注入の前に水素イオンの注入を行い試料を予め加熱しておくことを特徴とする。この水素イオンの注入による加熱を行うことで、試料の全体を高い均一性でもって加熱することができる。
【００１９】
さらに副次的な効果ではあるが、水素イオンの注入を行うことで、最終工程における水素化加熱処理において、注入された水素原子を水素化のための水素供給源とすることができ、効果的な水素化を行わすことができる。
【００２０】
水素イオンを注入することにより、試料が加熱されることを示すデータを図２に示す。図２に示すのは、ソース及びドレイン領域を形成するために不純物イオンを注入する前の状態において、試料に対して水素イオンを注入した際の試料の温度である。
【００２１】
図２を見れば明らかなように水素イオンを注入することにより、そのドーズ量に比例して試料の温度は上昇する。
【００２２】
この方法を利用することにより、試料が大面積を有していてもその全面に対して高い均一性でもって加熱を行うことができる。
【００２３】
この水素イオンの注入による加熱は、不純物イオンの注入の前に予め行っておくことが重要である。不純物イオンの注入の前に予め試料を加熱しておくことにより、不純物イオンの注入による効果やその再現性を高いものとすることができる。
【００２４】
また、不純物イオンの注入後に必要とされる被注入領域のアニールと注入された不純物の活性化に必要とされるエネルギーを小さくすることができる。具体的には、不純物イオンの注入後に加熱処理を行うのであれば、その加熱温度を下げることができる。また、不純物イオンの注入後にレーザー光の照射によるアニールを行うのであれば、その照射エネルギー密度や照射回数を減少させることができる。
【００２５】
このような効果は、工程の再現性を高め、また作製工程に用いられる装置（半導体装置の作製装置）に対する負担を軽減させ、さらにプロセス不良の発生を低減することに大きな寄与をする。
【００２６】
水素イオンの他には、ヘリウム、アルゴン、ハロゲン元素から選ばれた元素のイオンを用いることができる。これらの加熱のための注入イオンとしては、半導体材料と結合し半導体特性を損なわないものを用いる必要がある。
【００２７】
例えば、半導体材料として珪素を用いた場合には、加熱用の注入イオンとして窒素や酸素は利用できない。これは、窒化珪素や酸化珪素が形成されてしまうからである。
【００２８】
本明細書で開示する発明の一つは、
半導体材料を変質させるための不純物イオンを注入する工程において、
当該不純物イオンの注入前に予め水素イオンの注入により半導体材料を加熱しておくことを特徴とする。
【００２９】
不純物イオンの注入により、半導体材料を変質させる具体的な例としては、申請または実質的に真性な半導体材料にＰまたはＮ型を付与する不純物を注入する例を挙げることができる。また、ＰまたはＮ型を有する半導体材料にＮまたはＰ型を付与する不純物を注入し、その導電型を反転させる場合を挙げることができる。
【００３０】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に形成された非単結晶珪素薄膜に対して一導電型を付与する不純物イオンを注入する方法であって、
当該不純物イオンの注入前に予め水素イオンの注入により非単結晶珪素薄膜を加熱しておくことを特徴とする。
【００３１】
水素イオンの注入により、予め非単結晶珪素膜を加熱しておくことにより、後に注入される不純物イオンの活性化率を高いものとすることができる。また、不純物イオンの注入による効果を高い再現性でもって得ることができる。
【００３２】
一般に非単結晶珪素膜の場合、膜中に欠陥に起因する多数の準位が形成されている。ここで、水素イオンを注入することで、後に水素による欠陥のアニールが行われる効果を得ることができる。
【００３３】
非単結晶珪素薄膜としては、一般にスパッタ法や気相法で成膜された珪素膜を出発膜にして得られた結晶性珪素膜を挙げることができる。これらの結晶性珪素膜は、一般に微結晶珪素膜や多結晶珪素膜と称されている。
【００３４】
水素イオンの注入による試料の加熱は、試料が２５０℃以上となるようにすることが好ましい。具体的な水素イオンのドーズ量としては、２×１０16ions／ｃｍ2 以上とすることが好ましい。
【００３５】
このドーズ量の限定範囲の基礎付けは、図３に示すデータにより得られる。図３には、水素イオンのドーズ量を３×１０16ions／ｃｍ2 以上とした場合にＯＦＦ電流値が激減することが示されている。
【００３６】
図３からは、水素イオンのドーズ量器２×１０16ions／ｃｍ2 以上とすることにより、ＯＦＦ電流値を低減できることが結論される。
【００３７】
また、図２には２×１０16ions／ｃｍ2 程度のドーズ量で水素イオンを注入した場合、試料が２５０℃程度に加熱されることが示されている。
【００３８】
水素イオンのドーズ量の上限は、プロセス時間や装置の性能によって制限される。一般には、１×１０18ions／ｃｍ2 程度が上限となる。一般には、試料が耐える温度を上限として水素イオンのドーズ量の上限を決めればよい。例えば、ゲイト電極としてアルミニウムを利用する場合には、耐熱温度の上限は４５０℃程度となる。この温度は、使用する基板の種類等によっても制限される。
【００３９】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、本明細書で開示する発明を利用して薄膜トランジスタを作製する例を示す。
【００４０】
図１には、１つの薄膜トランジスタを作製する例が示されているが、実際には数百×数百以上の数の薄膜トランジスタが数百ｍｍ×数百ｍｍの大きさを有する同一基板上に同時に作製される。
【００４１】
まず、図１（Ａ）に示すようにガラス基板１０１上に下地膜１０２として、酸化珪素膜を３０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜の成膜方法はスパッタ法を用いる。
【００４２】
次に図示しない非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法でもって１０００Åの厚さに成膜する。図示しない非晶質珪素膜を成膜したら、加熱処理またはレーザー光の照射、または加熱処理とレーザー光の照射とを併用した方法を用いて、図示しない非晶質珪素膜を結晶化させる。こうして図示しない結晶性珪素膜を得る。
【００４３】
次に図示しない結晶性珪素膜をパターニングすることにより、薄膜トランジスタの活性層１０３を形成する。こうして図１（Ａ）に示す状態を得る。
【００４４】
次にゲイト絶縁膜１０４として機能する酸化珪素膜を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。
【００４５】
さらに適当な金属材料またはシリサイド材料を用いて、ゲイト電極１０５を形成する。こうして図１（Ｂ）に示す状態を得る。
【００４６】
図１（Ｂ）に示す状態を得たら、試料をドーピング装置内に配置する。ここでは、プラズマドーピング法でもって水素イオンの注入をまず行う。そして次にリンイオンの注入を行う。
【００４７】
まず、ドーピング装置のチャンバー内に水素ガスを導入し、試料に対して水素イオンの注入を行う。水素イオンのドーズ量と試料の加熱温度とは図２に示すような関係にある。
【００４８】
ここでは、図３に示すＯＦＦ電流特性の改善効果の兼ね合いから試料の加熱温度を約２８０℃とする。即ち、図３に示すように水素イオンのドーズ量を３×１０16ions／ｃｍ2 とする。
【００４９】
こうして水素イオンのドーピングを行うことによって、図１（Ｃ）の状態にある試料を加熱する。この加熱によって、試料全体は均一に加熱される。
【００５０】
そしてドーピングガスをフォスフィン（ＰＨ3 ）に切り換え、引き続いてＰイオンの注入を行う。この際、注入されるリンイオンや、フォスフィンが分解されることによって生成される水素イオンの注入によって試料は自然に加熱される。
【００５１】
本実施例で特徴とするのは、このリンイオンの注入の際に行われる加熱の前に予め水素イオンの注入による加熱を行っておくことである。
【００５２】
リンのドーズ量に関しては、薄膜トランジスタの必要とする特性に鑑み決定すればよい。
【００５３】
図１（Ｄ）に示すリンイオンのドーピングを行うことで、ソース領域１０８、チャネル形成領域１０９、ドレイン領域１１０が自己整合的に形成される。
【００５４】
なお、Ｐチャネル型を作製するのであれば、上記の図１（Ｄ）に示す工程において、Ｂ（ボロン）イオンを注入すればよい。
【００５５】
図１（Ｄ）に示す不純物イオンのドーピングが終了したら、レーザー光の照射を行う。このレーザー光の照射を行うことにより、不純物イオンの衝撃によって損傷した領域のアニールと注入された不純物イオンの活性化とを行う。レーザー光としては、波長２４８ｎｍを有するＫｒＦエキシマレーザーを用いればよい。
【００５６】
このレーザー光の照射によるアニールは、従来行われたものに比較して、より低エネルギーで必要とする効果を上げることができる。これは、図１（Ｃ）の水素イオンの注入を行うことによって、図１（Ｄ）の不純物イオンの注入時において、不純物イオンの活性化率を高めることができ、また不純物イオンの衝撃による損傷（ソース／ドレイン領域の損傷）を低減できるからである。
【００５７】
次に層間絶縁膜１１１をプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。層間絶縁膜１１１としては、窒化珪素膜と酸化珪素膜との積層膜を用いることができる。また、窒化珪素膜または酸化珪素膜と樹脂膜との積層膜を用いることができる。
【００５８】
層間絶縁膜１１１を成膜したら、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極１１２とドレイン電極１１３の形成を行う。これらの電極は、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜との積層膜で構成する。
【００５９】
こうして図１（Ｅ）に示す状態を得る。図１（Ｅ）に示す状態を得たら、３５０℃で５％の水素雰囲気中において、１時間の加熱処理を行う。この工程において、先の（Ｃ）に示す工程において注入された水素イオンが活性化され、活性層中に存在する欠陥のアニールに寄与することとなる。なお、水素は不活性気体（例えば窒素）で所定の濃度にまで希釈する。
【００６０】
なお、従来においては、上記の水素熱処理は水素１００％、あるいは５０％以上の高い水素濃度の雰囲気で行われていた。これは、そのような高濃度にしなければ、水素熱処理の効果が得られなかったからである。
【００６１】
しかし、本実施例の場合は図１（Ｃ）に示す工程において注入された水素イオンが上記水素化工程において利用される（水素供給源となる）ので、雰囲気の水素濃度を下げることができる。
【００６２】
このことにより、水素を高濃度に含んだ雰囲気を３５０℃（あるいはそれ以上の温度）という高温にすることを避けることができる。これは、プロセスの安全性を向上させる上で非常に有用なこととなる。
【００６３】
こうして薄膜トランジスタを完成させる。このようにして得られた薄膜トランジスタの特性は、図１（Ｃ）で行われる水素イオンの注入におけるドーズ量に大きく依存する。
【００６４】
図３に水素イオンのドーズ量と完成した薄膜トランジスタのドレイン電流との関係を示す。
【００６５】
図３を見れば明らかなようにＯＦＦ電流の値は、水素イオンのドーズ量を３×１０１６ ｃｍ −２ 以上とした場合に大きく低下する。この際、ＯＮ電流値も減少するが、その割合はあまり小さい。
【００６６】
図３からは、ＯＦＦ電流値の低減には、水素イオンのドーズ量を２×１０１６ ｃｍ −２ 以上とすることが効果的であることが分かる。よって、図２からＯＦＦ電流値の低減には、水素イオンの注入によって試料を２５０℃程度以上に加熱することが有効であることが結論される。
【００６７】
本実施例に示す作製工程によって得られた薄膜トランジスタの特性を図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）に示す。図９及び図１０の水素ドーピングのあり／なし、というのは、図１（Ｃ）に示す水素イオンの注入を行ったか、行わなかったかということである。
【００６８】
図９（Ａ）と図９（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの場合、図１（Ｃ）に示す水素イオンの注入を行うことにより、素子毎の特性のバラツキを抑制し、さらにＯＦＦ電流特性を改善できる。
【００６９】
また、図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの場合、図１（Ｃ）に示す水素イオンの注入を行うことにより、やはり素子毎の特性のバラツキを抑制し、さらにＯＦＦ電流特性を改善できる。
【００７０】
〔実施例２〕
本実施例は、本明細書に開示する発明に利用されるイオン注入を行う装置に関する。図４にイオン注入を行う装置の概要を示す。この装置は、プラズマドーピング装置と称される形式を有している。
【００７１】
図４に示すプラズマドーピング装置は、気密性を有する筐体２１５で構成されている。装置には、必要とする減圧状態を得るための排気系２１８が配置されている。
【００７２】
ドーピングはドーピングガスを高周波エネルギーによってイオン化させ、このイオン化したイオンを電気的に加速し試料に注入することによって行われる。
【００７３】
ガス導入系２００から導入されるドーピングガスは、ガス放出口２０６から２０７の領域に均一性良く放出され、そこでイオン化される。
【００７４】
２０７の領域では、一対の電極２０６と２０２との間で高周波放電が行われ、ドーピングガスが分解するとともにイオン化される。この高周波放電は、高周波電源２１１からインピーダンスマッチング装置２１０を介して供給される高周波電力によって行われる。
【００７５】
イオン化されたドーパントイオンは、引出し電極２０２によって加速領域２２０に引き出される。そして引出し電極２０２によって加速領域２２０に引き出されたドーパントイオンは加速電極２０３によって加速される。また、減速電極２０８において必要とする注入エネルギー（加速電圧）に調整される。
【００７６】
なお、各電極は２０９で示される電極を基準として電位が設定される。
【００７７】
加速領域２２０で加速されたドーパントイオンは、試料２１６に所定の加速電圧でもって注入される。なお、注入の均一性を高めるために試料２１６を載せたステージ２１７は回転する機構を有している。
【００７８】
２１９で示すのは、イオン電流を計測するための電流計である。この電流計２１９で計測されるイオン電流に基づいて試料２１６に注入されるイオンの量を計測することができる。
【００７９】
図４に示す装置において、２１２で示されるのが引出し電圧を加えるための電源である。また、２１３で示されるのが減速電圧を加えるための電源である。また、２１４で示されるのが加速電圧を加えるための電源である。
【００８０】
図４に示す装置を用いて、本明細書に開示する発明を実施するには、まずドーピングガスとして水素をガス導入系２００から導入し、水素イオンの注入を試料２１６に対して行う。
【００８１】
この水素イオンの注入によって、試料は所定の温度に予備加熱される。次にドーピングガスを所定のドーパント（リンやボロン）を含んだガスに切替え、所定のドーパントのドーピングを行う。
【００８２】
なお、所定のドーパントを含んだガスは、必要とす濃度に水素ガスによって希釈されるのが普通である。
【００８３】
なお、ステージ２１７内に加熱手段を配置し、水素イオンの注入による加熱を助長させる構成としてもよい。即ち、加熱の均一性を水素イオンの注入によって維持し、補助的にステージ２１７内の加熱手段を利用する構成としてもよい。
【００８４】
〔実施例３〕
本実施例は、図１に示す薄膜トランジスタの作製工程において、（Ｄ）に示す不純物イオンの注入後のアニールを加熱処理によって行う例である。一般に不純物イオンの後のアニールを加熱処理によって行った場合、所定のアニール効果を得るためには、その加熱温度を８００℃、あるいは９００℃以上とすることが必要とされる。
【００８５】
しかし、図１（Ｃ）に示すような水素イオンの注入による予備加熱を行う場合半導体層に注入される不純物イオンの活性化率が高く、また不純物イオンの注入による半導体層の損傷が軽減されるので、上記の不純物イオンの注入の後に必要とされるアニールの加熱温度を下げることができる。
【００８６】
例えば、図１に示すような結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタの作製工程の場合、図１（Ｄ）の後に行う加熱処理の温度を４５０℃〜６００℃程度とすることができる。
【００８７】
〔実施例４〕
本実施例は、本明細書に開示する発明を利用してＰチャネル型とＮチャネル型の薄膜トランジスタを同時に作製する工程について説明する。図５以下に本実施例の作製工程を示す。
【００８８】
まず、図５（Ａ）に示すように、ガラス基板５０１上に下地膜５０２として酸化珪化膜をスパッタ法によって３０００Åの厚さに成膜する。次に図示しない非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法でもって５００Åの厚さに成膜する。
【００８９】
そして加熱処理とレーザー光の照射を行うことにより、この非晶質珪素膜を結晶化させ、図示しない結晶性珪素膜を得る。さらにこの結晶性珪素膜をパターニングすることにより、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの活性層５０３とＮチャネル型の薄膜トランジスタの活性層５０４を形成する。
【００９０】
活性層を形成したら、それを覆うようにゲイト絶縁膜５０５を成膜する。ここでは、ゲイト絶縁膜５０５として、プラズマＣＶＤ法でもって酸化珪素膜を１０００Åの厚さに成膜する。
【００９１】
さらにゲイト電極を構成するために図示しないアルミニウム膜をスパッタ法でもって５０００Åの厚さに成膜する。このアルミニウム膜中には、アルミニウムの異常成長を抑制するためにスカンジウムを0.1 重量％含有させる。そしてこの図示しないアルミニウム膜の表面に極薄い緻密な膜質を有する陽極酸化膜を形成する。（この陽極酸化膜は５０７と５０８で示される）
【００９２】
この陽極酸化工程は、３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液をアンモニア水で中和したものを電解溶液として用いて行われる。陽極酸化はこの電解中において、アルミウム膜を陽極とし、白金を陰極として行う。ここで形成される陽極酸化膜はその膜厚を印加電圧によって制御することができる。
【００９３】
この陽極酸化膜は、後に形成されるレジストマスクの密着性を高めるために機能する。
【００９４】
次にレジストマスク５０９と５１０を配置し、アルミニウムでなるパターン５０６と５００を形成する。（図５（Ａ））
【００９５】
図５（Ａ）において、５０７と５０８が先に形成された極薄い緻密な膜質を有する陽極酸化膜である。
【００９６】
図５（Ａ）に示す状態を得たら、再度の陽極酸化を行う。この工程では、電解溶液として３％のしゅう酸水溶液を用いる。この工程で形成される電解溶液は、多孔質状（ポーラス状）を有している。
【００９７】
この多孔質状の陽極酸化膜は、緻密な陽極酸化膜５０７と５０８、さらにレジストマスク５０９と５１０とが存在するために５１１や５１２で示されるようにアルミニウムパターンの側面に形成される。
【００９８】
結果としてアルミニウムパターン５１３の側面に多孔質状の陽極酸化膜５１１が形成される。またアルミニウムパターン５１４の側面に多孔質状の陽極酸化膜５１２が形成される。
【００９９】
この多孔質状の陽極酸化膜５１１と５１２は、その厚さを５０００Åとする。この多孔質状の陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化時間によって制御することができる。
【０１００】
ここでアルミニウムパターン５１３がＰチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極となる。また、アルミニウムパターン５１４がＮチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極となる。
【０１０１】
こうして図５（Ｂ）に示す状態を得る。次に専用の剥離液でレジストマスク５０９と５１０を除去する。こうして図５（Ｃ）に示す状態を得る。
【０１０２】
次に緻密な膜質を有する陽極酸化膜を形成する条件で再度の陽極酸化膜の形成を行う。この工程においては、多孔質状の陽極酸化膜５１１と５１２の内部に電解溶液が侵入するので、図５（Ｄ）の５１５や５１６で示されるように緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形成される。即ち、ゲイト電極５１３と５１４を覆うように緻密な陽極酸化膜５０５と５１６が形成される。
【０１０３】
この陽極酸化膜５１５と５１６は、最初の緻密な陽極酸化膜５０７や５０８と一体化してしまう。この陽極酸化膜５１５と５１６の膜厚は１０００Åとする。この緻密な膜質を有する陽極酸化膜の膜厚の制御は陽極酸化時の印加電圧の制御で行うことができる。
【０１０４】
図５（Ｄ）に示す状態を得たら、全面にＰ（リン）イオンの注入を行う。この工程において、５１７と５１９と５２０と５２２で示される領域にＰイオンが注入される。（図５（Ｅ））
【０１０５】
この工程においては、Ｐイオンの注入前に水素イオンの注入を行い、予め試料を加熱しておく。そして試料が加熱された状態においてドーピングガスの切り換えを行い、Ｐイオンの注入を行う。
【０１０６】
次に酢酸とリン酸とショウ酸とを混合した混酸を用いて多孔質状の陽極酸化膜５１１と５１２とを除去する。こうして図６（Ａ）に示す状態を得る。
【０１０７】
次に図５（Ｅ）におけるドーピングよりもライトドーピングの条件で再度Ｐイオンの注入を行う。この工程においても予め水素イオンの注入による予備加熱を行う。（図６（Ｂ））
【０１０８】
このＰイオンの注入工程によって、５２３と５２５、さらに５２６と５２８の領域がＮ- 型で表記される弱いＮ型領域（低濃度不純物領域）となる。また、５２４と５２７の領域がＰイオンの注入されないＩ型の領域となる。なお、５２４の領域がＰチャネル型の薄膜トランジスタのチャネル形成領域となる。また５２７の領域がＮチャネル型の薄膜トランジスタのチャネル形成領域となる。（図６（Ｂ））
【０１０９】
次にＮチャネル型の薄膜トランジスタとなる領域をレジストマスク５２９で覆う。そして、Ｂ（ボロン）イオンの注入を行う。この工程においては、先にＰイオンが注入されることによってＮ型化した領域を反転させるドーズ量でもってＢイオンの注入を行う。（図６（Ｃ））
【０１１０】
この工程においてもＢイオンの注入前に予め水素イオンの注入による予備加熱を行う。水素イオンの注入による予備加熱の後、ガスをジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）に変更して、Ｂイオンの注入を行う。
【０１１１】
このＢイオンの注入工程の結果、Ｐ型領域５３０、そして領域５３０よりもさらに強いＰ型を有する領域５３１と５３３、領域５３０と同程度のＰ型を有する領域５３４が自己整合的に形成される。また、チャネル形成領域となる５３２で示される領域が自己整合的に形成される。
【０１１２】
こうして左側のＰチャネル型の薄膜トランジスタと右側のＮチャネル型の薄膜トランジスタとの原型が形成される。
【０１１３】
図６（Ｃ）に示すＢイオンの注入が終了したら、レジストマスク５２９を除去し、図７（Ａ）に示す状態を得る。そしてレーザー光の照射を行い、不純物イオンの注入によって損傷した領域のアニールと注入された不純物イオンの活性化とを行う。
【０１１４】
次に層間絶縁膜５３５として、窒化珪素膜と酸化珪素膜との積層膜をプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。こうして図７（Ｂ）に示す状態を得る。
【０１１５】
そしてコンタクトホールの形成を行い、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜との積層膜でもって、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極５３６とドレイン電極５２７とを形成する。また同時にＮチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極５３９とドレイン電極５２８とを形成する。（図７（Ｃ））
【０１１６】
ここで、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのドレイン電極５３７とＮチャネル型の薄膜トランジスタのドレイン電極５３８とを接続すれば、相補型に構成されたＣＭＯＳ回路が得られる。
【０１１７】
図７（Ｃ）に示す構成は、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタのみに低濃度不純物領域５２６と５２８が形成されている。ここで、ドレイン領域５２０側の低濃度不純物領域５２６が一般にＬＤＤ（ライトドープドレイン）領域と称されている。
【０１１８】
このＬＤＤ領域を配置すると、ＯＦＦ電流値の低減、ホットキャリアによる劣化の抑制、移動度の低下、といった作用が得られる。
【０１１９】
一般にＮチャネル型の薄膜トランジスタとＰチャネル型の薄膜トランジスタとでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの劣化は大きく、また移動度が大きい。
【０１２０】
本実施例に示すような構成を採用することで、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの劣化を抑制させ、さらにその移動度を小さくすることができる。一方、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタは、低濃度不純物領域が配置されないので、移動度の低下は無い。従って、全体として、Ｐチャネル型とＮチャネル型の薄膜トランジスタの特性のバラツキを是正することができる。
【０１２１】
【発明の効果】
本明細書に開示する発明を利用することにより、不純物イオンの注入時における加熱を大面積にわたり均一性よく行うことができる。また、この加熱は不純物イオンの注入時においてガスの切り換えを行うだけでよいので、装置の複雑化や工程の煩雑化を招くことがない。
【０１２２】
即ち、大面積に対して高い均一性でもって、また高い再現性でもって不純物イオンの注入をコストの上昇を抑制した上で行うことができる。
【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。
【図２】 水素イオンのドーズ量と試料の加熱温度との関係を示す図。
【図３】 水素イオンのドーズ量とドレイン電流との関係を示す図。
【図４】 イオン注入を行う装置の概要を示す図。
【図５】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図６】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図７】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図８】 従来における薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図９】 薄膜トランジスタの特性を示す図。
【図１０】薄膜トランジスタの特性を示す図。
【符号の説明】
１０１ ガラス基板
１０２ 下地膜（酸化珪素膜）
１０３ 活性層（結晶性珪素膜）
１０４ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
１０５ ゲイト電極
１０６、１０７ 水素イオンの注入により加熱される領域
１０８ ドレイン領域
１０９ チャネル形成領域
１１０ ドレイン領域
１１１ 層間絶縁膜
１１２ ソース電極
１１３ ドレイン電極
５０１ ガラス基板
５０２ 下地膜（酸化珪素膜）
５０３ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの活性層（結晶性珪素膜）
５０４ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの活性層（結晶性珪素膜）
５０５ ゲイト絶縁膜
５０６、５００ ゲイト電極を構成するアルミニウムパターン
５０７、５０８ 緻密な膜質を有する陽極酸化膜
５０９、５１０ レジストマスク
５１１、５１２ 多孔質状の陽極酸化膜
５１３ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極
５１４ Ｎチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極
５１５、５１６ 緻密な陽極酸化膜
５１７ Ｎ型不純物領域
５１８ Ｐイオンが注入されなかった領域
５１９ Ｎ型不純物領域
５２０ Ｎ型不純物領域（ドレイン領域）
５２１ Ｐイオンが注入されなかった領域
５２２ Ｎ型不純物領域（ソース領域）
５２３、５２５ 低濃度不純物領域
５２６、５２８ 低濃度不純物領域
５２４ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのチャンネル形成領域
５２７ Ｎチャネル型の薄膜トランジスタのチャンネル形成領域
５２９ レジストマスク
５３０、５３１ ソース領域
５３２ チャネル形成領域
５３３、５３４ ドレイン領域
５３５ レジストマスク
５３６ ソース電極
５３７ ドレイン電極
５３９ ソース電極
５３８ ドレイン電極
【産業上の利用分野】
本明細書で開示する発明は、半導体装置の作製工程での不純物イオンの注入技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガラス基板や石英基板上に薄膜トランジスタを作製する技術が知られている。図８に一般的な薄膜トランジスタの作製工程を示す。
【０００３】
先ず図８（Ａ）に示すようにガラス基板１１上に下地膜として酸化珪素膜１２を成膜する。さらに図示しない非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法等でもって成膜する。さらに加熱処理を加えることにより、非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶性珪素膜を得る。そしてこの結晶性珪素膜をパターニングすることにより、１３で示す薄膜トランジスタの活性層を形成する。（図８（Ａ））
【０００４】
次に図８（Ｂ）に示すようにゲイト絶縁膜として機能する酸化珪素膜１４を成膜する。さらにシリサイド材料やアルミニウム等の金属材料を用いてゲイト電極１５を形成する。
【０００５】
図８（Ｂ）の状態を得たら、不純物イオンの注入を行う。Ｎチャネル型の薄膜トランジスタを形成するのであれば、ここでリンイオンを注入する。（図８（Ｃ））
【０００６】
この工程において、１６と１８の領域に不純物イオンが注入される。また１７の領域にはゲイト電極１５がマスクとなることによって不純物イオンの注入が行われない。
【０００７】
この不純物イオンの注入工程によって、ソース領域１６、チャネル形成領域１７、ドレイン領域１８が自己整合的に形成される。
【０００８】
この後（Ｄ）に示すように層間絶縁膜１９として酸化珪素膜等を成膜する。そして、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極２０とドレイン電極２１を形成する。これらの電極は、アルミニウムや適当な金属シリサイドでもって構成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような薄膜トランジスタの作製工程において、図８（Ｃ）に示す不純物イオンの注入工程が重要であることが判明している。即ち、図８（Ｃ）に示す不純物イオンの注入工程によって、得られる薄膜トランジスタの特性が大きな影響が受けることが判明している。
【００１０】
本発明者らの実験によれば、不純物イオンの注入の際に予め試料を加熱しておくことが効果的であることが判明している。
【００１１】
一般に不純物イオンの注入対象は、不純物イオンのエネルギーによって自然に加熱される。しかしここで重要なのは、不純物イオンの注入が行われる際に予め予備加熱をしておくことである。
【００１２】
即ち、（Ｃ）に示すような不純物イオンの注入の先立って予め試料を加熱することが重要となる。具体的には、不純物イオンの注入プロセスを安定化させ、高い再現性を得ることができる。
【００１３】
近年開発されつつある大面積を有するアクティブマトリクス型の液晶表示装置の作製工程等においては、試料の大きさ（基板の大きさ）は３００ｍｍ×４００ｍｍ以上というように大型化する傾向がある。
【００１４】
このような大型化した試料の全体を均一性よく加熱することは一般には困難である。特殊な場合として、特殊な加熱手段を利用することにより、加熱の均一性を高めることが可能であるが、装置の複雑化を招き、コスト高の要因となる。
【００１５】
まして、イオンの注入を行う装置の内部に大面積を有する試料全体を均一性良く加熱する手段を設けることは、コストやメンテネンスの問題から非常に困難である。具体的には、複雑な形状を有する抵抗加熱手段（ヒータ）とその制御システムが必要となる。そしてこのような構成を気密構造を有するイオンの注入を行う装置の内部に配置することは著しくメンテナンスを困難とする。
【００１６】
上記の加熱の不均一性は、不純物イオンの注入効果の面内バラツキの原因となる。この不純物イオンの注入効果の面内バラツキは、アクティブマトリクス型の液晶表示装置であれば、表示のムラや表示の不鮮明さの原因となる。
【００１７】
本明細書で開示する発明は、上記不純物イオンの注入に際して予め行われる加熱の不均一性の問題を解決することを課題とする。また、前記加熱の不均一性の問題を解決すると同時に、装置の複雑化や作製コストの上昇を招かない技術を提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本明細書で開示する発明は、不純物イオンの注入の前に水素イオンの注入を行い試料を予め加熱しておくことを特徴とする。この水素イオンの注入による加熱を行うことで、試料の全体を高い均一性でもって加熱することができる。
【００１９】
さらに副次的な効果ではあるが、水素イオンの注入を行うことで、最終工程における水素化加熱処理において、注入された水素原子を水素化のための水素供給源とすることができ、効果的な水素化を行わすことができる。
【００２０】
水素イオンを注入することにより、試料が加熱されることを示すデータを図２に示す。図２に示すのは、ソース及びドレイン領域を形成するために不純物イオンを注入する前の状態において、試料に対して水素イオンを注入した際の試料の温度である。
【００２１】
図２を見れば明らかなように水素イオンを注入することにより、そのドーズ量に比例して試料の温度は上昇する。
【００２２】
この方法を利用することにより、試料が大面積を有していてもその全面に対して高い均一性でもって加熱を行うことができる。
【００２３】
この水素イオンの注入による加熱は、不純物イオンの注入の前に予め行っておくことが重要である。不純物イオンの注入の前に予め試料を加熱しておくことにより、不純物イオンの注入による効果やその再現性を高いものとすることができる。
【００２４】
また、不純物イオンの注入後に必要とされる被注入領域のアニールと注入された不純物の活性化に必要とされるエネルギーを小さくすることができる。具体的には、不純物イオンの注入後に加熱処理を行うのであれば、その加熱温度を下げることができる。また、不純物イオンの注入後にレーザー光の照射によるアニールを行うのであれば、その照射エネルギー密度や照射回数を減少させることができる。
【００２５】
このような効果は、工程の再現性を高め、また作製工程に用いられる装置（半導体装置の作製装置）に対する負担を軽減させ、さらにプロセス不良の発生を低減することに大きな寄与をする。
【００２６】
水素イオンの他には、ヘリウム、アルゴン、ハロゲン元素から選ばれた元素のイオンを用いることができる。これらの加熱のための注入イオンとしては、半導体材料と結合し半導体特性を損なわないものを用いる必要がある。
【００２７】
例えば、半導体材料として珪素を用いた場合には、加熱用の注入イオンとして窒素や酸素は利用できない。これは、窒化珪素や酸化珪素が形成されてしまうからである。
【００２８】
本明細書で開示する発明の一つは、
半導体材料を変質させるための不純物イオンを注入する工程において、
当該不純物イオンの注入前に予め水素イオンの注入により半導体材料を加熱しておくことを特徴とする。
【００２９】
不純物イオンの注入により、半導体材料を変質させる具体的な例としては、申請または実質的に真性な半導体材料にＰまたはＮ型を付与する不純物を注入する例を挙げることができる。また、ＰまたはＮ型を有する半導体材料にＮまたはＰ型を付与する不純物を注入し、その導電型を反転させる場合を挙げることができる。
【００３０】
他の発明の構成は、
絶縁表面を有する基板上に形成された非単結晶珪素薄膜に対して一導電型を付与する不純物イオンを注入する方法であって、
当該不純物イオンの注入前に予め水素イオンの注入により非単結晶珪素薄膜を加熱しておくことを特徴とする。
【００３１】
水素イオンの注入により、予め非単結晶珪素膜を加熱しておくことにより、後に注入される不純物イオンの活性化率を高いものとすることができる。また、不純物イオンの注入による効果を高い再現性でもって得ることができる。
【００３２】
一般に非単結晶珪素膜の場合、膜中に欠陥に起因する多数の準位が形成されている。ここで、水素イオンを注入することで、後に水素による欠陥のアニールが行われる効果を得ることができる。
【００３３】
非単結晶珪素薄膜としては、一般にスパッタ法や気相法で成膜された珪素膜を出発膜にして得られた結晶性珪素膜を挙げることができる。これらの結晶性珪素膜は、一般に微結晶珪素膜や多結晶珪素膜と称されている。
【００３４】
水素イオンの注入による試料の加熱は、試料が２５０℃以上となるようにすることが好ましい。具体的な水素イオンのドーズ量としては、２×１０16ions／ｃｍ2 以上とすることが好ましい。
【００３５】
このドーズ量の限定範囲の基礎付けは、図３に示すデータにより得られる。図３には、水素イオンのドーズ量を３×１０16ions／ｃｍ2 以上とした場合にＯＦＦ電流値が激減することが示されている。
【００３６】
図３からは、水素イオンのドーズ量器２×１０16ions／ｃｍ2 以上とすることにより、ＯＦＦ電流値を低減できることが結論される。
【００３７】
また、図２には２×１０16ions／ｃｍ2 程度のドーズ量で水素イオンを注入した場合、試料が２５０℃程度に加熱されることが示されている。
【００３８】
水素イオンのドーズ量の上限は、プロセス時間や装置の性能によって制限される。一般には、１×１０18ions／ｃｍ2 程度が上限となる。一般には、試料が耐える温度を上限として水素イオンのドーズ量の上限を決めればよい。例えば、ゲイト電極としてアルミニウムを利用する場合には、耐熱温度の上限は４５０℃程度となる。この温度は、使用する基板の種類等によっても制限される。
【００３９】
【実施例】
〔実施例１〕
本実施例では、本明細書で開示する発明を利用して薄膜トランジスタを作製する例を示す。
【００４０】
図１には、１つの薄膜トランジスタを作製する例が示されているが、実際には数百×数百以上の数の薄膜トランジスタが数百ｍｍ×数百ｍｍの大きさを有する同一基板上に同時に作製される。
【００４１】
まず、図１（Ａ）に示すようにガラス基板１０１上に下地膜１０２として、酸化珪素膜を３０００Åの厚さに成膜する。この酸化珪素膜の成膜方法はスパッタ法を用いる。
【００４２】
次に図示しない非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法でもって１０００Åの厚さに成膜する。図示しない非晶質珪素膜を成膜したら、加熱処理またはレーザー光の照射、または加熱処理とレーザー光の照射とを併用した方法を用いて、図示しない非晶質珪素膜を結晶化させる。こうして図示しない結晶性珪素膜を得る。
【００４３】
次に図示しない結晶性珪素膜をパターニングすることにより、薄膜トランジスタの活性層１０３を形成する。こうして図１（Ａ）に示す状態を得る。
【００４４】
次にゲイト絶縁膜１０４として機能する酸化珪素膜を１０００Åの厚さにプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。
【００４５】
さらに適当な金属材料またはシリサイド材料を用いて、ゲイト電極１０５を形成する。こうして図１（Ｂ）に示す状態を得る。
【００４６】
図１（Ｂ）に示す状態を得たら、試料をドーピング装置内に配置する。ここでは、プラズマドーピング法でもって水素イオンの注入をまず行う。そして次にリンイオンの注入を行う。
【００４７】
まず、ドーピング装置のチャンバー内に水素ガスを導入し、試料に対して水素イオンの注入を行う。水素イオンのドーズ量と試料の加熱温度とは図２に示すような関係にある。
【００４８】
ここでは、図３に示すＯＦＦ電流特性の改善効果の兼ね合いから試料の加熱温度を約２８０℃とする。即ち、図３に示すように水素イオンのドーズ量を３×１０16ions／ｃｍ2 とする。
【００４９】
こうして水素イオンのドーピングを行うことによって、図１（Ｃ）の状態にある試料を加熱する。この加熱によって、試料全体は均一に加熱される。
【００５０】
そしてドーピングガスをフォスフィン（ＰＨ3 ）に切り換え、引き続いてＰイオンの注入を行う。この際、注入されるリンイオンや、フォスフィンが分解されることによって生成される水素イオンの注入によって試料は自然に加熱される。
【００５１】
本実施例で特徴とするのは、このリンイオンの注入の際に行われる加熱の前に予め水素イオンの注入による加熱を行っておくことである。
【００５２】
リンのドーズ量に関しては、薄膜トランジスタの必要とする特性に鑑み決定すればよい。
【００５３】
図１（Ｄ）に示すリンイオンのドーピングを行うことで、ソース領域１０８、チャネル形成領域１０９、ドレイン領域１１０が自己整合的に形成される。
【００５４】
なお、Ｐチャネル型を作製するのであれば、上記の図１（Ｄ）に示す工程において、Ｂ（ボロン）イオンを注入すればよい。
【００５５】
図１（Ｄ）に示す不純物イオンのドーピングが終了したら、レーザー光の照射を行う。このレーザー光の照射を行うことにより、不純物イオンの衝撃によって損傷した領域のアニールと注入された不純物イオンの活性化とを行う。レーザー光としては、波長２４８ｎｍを有するＫｒＦエキシマレーザーを用いればよい。
【００５６】
このレーザー光の照射によるアニールは、従来行われたものに比較して、より低エネルギーで必要とする効果を上げることができる。これは、図１（Ｃ）の水素イオンの注入を行うことによって、図１（Ｄ）の不純物イオンの注入時において、不純物イオンの活性化率を高めることができ、また不純物イオンの衝撃による損傷（ソース／ドレイン領域の損傷）を低減できるからである。
【００５７】
次に層間絶縁膜１１１をプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。層間絶縁膜１１１としては、窒化珪素膜と酸化珪素膜との積層膜を用いることができる。また、窒化珪素膜または酸化珪素膜と樹脂膜との積層膜を用いることができる。
【００５８】
層間絶縁膜１１１を成膜したら、コンタクトホールの形成を行い、ソース電極１１２とドレイン電極１１３の形成を行う。これらの電極は、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜との積層膜で構成する。
【００５９】
こうして図１（Ｅ）に示す状態を得る。図１（Ｅ）に示す状態を得たら、３５０℃で５％の水素雰囲気中において、１時間の加熱処理を行う。この工程において、先の（Ｃ）に示す工程において注入された水素イオンが活性化され、活性層中に存在する欠陥のアニールに寄与することとなる。なお、水素は不活性気体（例えば窒素）で所定の濃度にまで希釈する。
【００６０】
なお、従来においては、上記の水素熱処理は水素１００％、あるいは５０％以上の高い水素濃度の雰囲気で行われていた。これは、そのような高濃度にしなければ、水素熱処理の効果が得られなかったからである。
【００６１】
しかし、本実施例の場合は図１（Ｃ）に示す工程において注入された水素イオンが上記水素化工程において利用される（水素供給源となる）ので、雰囲気の水素濃度を下げることができる。
【００６２】
このことにより、水素を高濃度に含んだ雰囲気を３５０℃（あるいはそれ以上の温度）という高温にすることを避けることができる。これは、プロセスの安全性を向上させる上で非常に有用なこととなる。
【００６３】
こうして薄膜トランジスタを完成させる。このようにして得られた薄膜トランジスタの特性は、図１（Ｃ）で行われる水素イオンの注入におけるドーズ量に大きく依存する。
【００６４】
図３に水素イオンのドーズ量と完成した薄膜トランジスタのドレイン電流との関係を示す。
【００６５】
図３を見れば明らかなようにＯＦＦ電流の値は、水素イオンのドーズ量を３×１０１６ ｃｍ −２ 以上とした場合に大きく低下する。この際、ＯＮ電流値も減少するが、その割合はあまり小さい。
【００６６】
図３からは、ＯＦＦ電流値の低減には、水素イオンのドーズ量を２×１０１６ ｃｍ −２ 以上とすることが効果的であることが分かる。よって、図２からＯＦＦ電流値の低減には、水素イオンの注入によって試料を２５０℃程度以上に加熱することが有効であることが結論される。
【００６７】
本実施例に示す作製工程によって得られた薄膜トランジスタの特性を図９（Ｂ）及び図１０（Ｂ）に示す。図９及び図１０の水素ドーピングのあり／なし、というのは、図１（Ｃ）に示す水素イオンの注入を行ったか、行わなかったかということである。
【００６８】
図９（Ａ）と図９（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの場合、図１（Ｃ）に示す水素イオンの注入を行うことにより、素子毎の特性のバラツキを抑制し、さらにＯＦＦ電流特性を改善できる。
【００６９】
また、図１０（Ａ）と図１０（Ｂ）とを比較すれば明らかなように、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの場合、図１（Ｃ）に示す水素イオンの注入を行うことにより、やはり素子毎の特性のバラツキを抑制し、さらにＯＦＦ電流特性を改善できる。
【００７０】
〔実施例２〕
本実施例は、本明細書に開示する発明に利用されるイオン注入を行う装置に関する。図４にイオン注入を行う装置の概要を示す。この装置は、プラズマドーピング装置と称される形式を有している。
【００７１】
図４に示すプラズマドーピング装置は、気密性を有する筐体２１５で構成されている。装置には、必要とする減圧状態を得るための排気系２１８が配置されている。
【００７２】
ドーピングはドーピングガスを高周波エネルギーによってイオン化させ、このイオン化したイオンを電気的に加速し試料に注入することによって行われる。
【００７３】
ガス導入系２００から導入されるドーピングガスは、ガス放出口２０６から２０７の領域に均一性良く放出され、そこでイオン化される。
【００７４】
２０７の領域では、一対の電極２０６と２０２との間で高周波放電が行われ、ドーピングガスが分解するとともにイオン化される。この高周波放電は、高周波電源２１１からインピーダンスマッチング装置２１０を介して供給される高周波電力によって行われる。
【００７５】
イオン化されたドーパントイオンは、引出し電極２０２によって加速領域２２０に引き出される。そして引出し電極２０２によって加速領域２２０に引き出されたドーパントイオンは加速電極２０３によって加速される。また、減速電極２０８において必要とする注入エネルギー（加速電圧）に調整される。
【００７６】
なお、各電極は２０９で示される電極を基準として電位が設定される。
【００７７】
加速領域２２０で加速されたドーパントイオンは、試料２１６に所定の加速電圧でもって注入される。なお、注入の均一性を高めるために試料２１６を載せたステージ２１７は回転する機構を有している。
【００７８】
２１９で示すのは、イオン電流を計測するための電流計である。この電流計２１９で計測されるイオン電流に基づいて試料２１６に注入されるイオンの量を計測することができる。
【００７９】
図４に示す装置において、２１２で示されるのが引出し電圧を加えるための電源である。また、２１３で示されるのが減速電圧を加えるための電源である。また、２１４で示されるのが加速電圧を加えるための電源である。
【００８０】
図４に示す装置を用いて、本明細書に開示する発明を実施するには、まずドーピングガスとして水素をガス導入系２００から導入し、水素イオンの注入を試料２１６に対して行う。
【００８１】
この水素イオンの注入によって、試料は所定の温度に予備加熱される。次にドーピングガスを所定のドーパント（リンやボロン）を含んだガスに切替え、所定のドーパントのドーピングを行う。
【００８２】
なお、所定のドーパントを含んだガスは、必要とす濃度に水素ガスによって希釈されるのが普通である。
【００８３】
なお、ステージ２１７内に加熱手段を配置し、水素イオンの注入による加熱を助長させる構成としてもよい。即ち、加熱の均一性を水素イオンの注入によって維持し、補助的にステージ２１７内の加熱手段を利用する構成としてもよい。
【００８４】
〔実施例３〕
本実施例は、図１に示す薄膜トランジスタの作製工程において、（Ｄ）に示す不純物イオンの注入後のアニールを加熱処理によって行う例である。一般に不純物イオンの後のアニールを加熱処理によって行った場合、所定のアニール効果を得るためには、その加熱温度を８００℃、あるいは９００℃以上とすることが必要とされる。
【００８５】
しかし、図１（Ｃ）に示すような水素イオンの注入による予備加熱を行う場合半導体層に注入される不純物イオンの活性化率が高く、また不純物イオンの注入による半導体層の損傷が軽減されるので、上記の不純物イオンの注入の後に必要とされるアニールの加熱温度を下げることができる。
【００８６】
例えば、図１に示すような結晶性珪素膜を用いた薄膜トランジスタの作製工程の場合、図１（Ｄ）の後に行う加熱処理の温度を４５０℃〜６００℃程度とすることができる。
【００８７】
〔実施例４〕
本実施例は、本明細書に開示する発明を利用してＰチャネル型とＮチャネル型の薄膜トランジスタを同時に作製する工程について説明する。図５以下に本実施例の作製工程を示す。
【００８８】
まず、図５（Ａ）に示すように、ガラス基板５０１上に下地膜５０２として酸化珪化膜をスパッタ法によって３０００Åの厚さに成膜する。次に図示しない非晶質珪素膜をプラズマＣＶＤ法または減圧熱ＣＶＤ法でもって５００Åの厚さに成膜する。
【００８９】
そして加熱処理とレーザー光の照射を行うことにより、この非晶質珪素膜を結晶化させ、図示しない結晶性珪素膜を得る。さらにこの結晶性珪素膜をパターニングすることにより、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの活性層５０３とＮチャネル型の薄膜トランジスタの活性層５０４を形成する。
【００９０】
活性層を形成したら、それを覆うようにゲイト絶縁膜５０５を成膜する。ここでは、ゲイト絶縁膜５０５として、プラズマＣＶＤ法でもって酸化珪素膜を１０００Åの厚さに成膜する。
【００９１】
さらにゲイト電極を構成するために図示しないアルミニウム膜をスパッタ法でもって５０００Åの厚さに成膜する。このアルミニウム膜中には、アルミニウムの異常成長を抑制するためにスカンジウムを0.1 重量％含有させる。そしてこの図示しないアルミニウム膜の表面に極薄い緻密な膜質を有する陽極酸化膜を形成する。（この陽極酸化膜は５０７と５０８で示される）
【００９２】
この陽極酸化工程は、３％の酒石酸を含んだエチレングルコール溶液をアンモニア水で中和したものを電解溶液として用いて行われる。陽極酸化はこの電解中において、アルミウム膜を陽極とし、白金を陰極として行う。ここで形成される陽極酸化膜はその膜厚を印加電圧によって制御することができる。
【００９３】
この陽極酸化膜は、後に形成されるレジストマスクの密着性を高めるために機能する。
【００９４】
次にレジストマスク５０９と５１０を配置し、アルミニウムでなるパターン５０６と５００を形成する。（図５（Ａ））
【００９５】
図５（Ａ）において、５０７と５０８が先に形成された極薄い緻密な膜質を有する陽極酸化膜である。
【００９６】
図５（Ａ）に示す状態を得たら、再度の陽極酸化を行う。この工程では、電解溶液として３％のしゅう酸水溶液を用いる。この工程で形成される電解溶液は、多孔質状（ポーラス状）を有している。
【００９７】
この多孔質状の陽極酸化膜は、緻密な陽極酸化膜５０７と５０８、さらにレジストマスク５０９と５１０とが存在するために５１１や５１２で示されるようにアルミニウムパターンの側面に形成される。
【００９８】
結果としてアルミニウムパターン５１３の側面に多孔質状の陽極酸化膜５１１が形成される。またアルミニウムパターン５１４の側面に多孔質状の陽極酸化膜５１２が形成される。
【００９９】
この多孔質状の陽極酸化膜５１１と５１２は、その厚さを５０００Åとする。この多孔質状の陽極酸化膜の膜厚は、陽極酸化時間によって制御することができる。
【０１００】
ここでアルミニウムパターン５１３がＰチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極となる。また、アルミニウムパターン５１４がＮチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極となる。
【０１０１】
こうして図５（Ｂ）に示す状態を得る。次に専用の剥離液でレジストマスク５０９と５１０を除去する。こうして図５（Ｃ）に示す状態を得る。
【０１０２】
次に緻密な膜質を有する陽極酸化膜を形成する条件で再度の陽極酸化膜の形成を行う。この工程においては、多孔質状の陽極酸化膜５１１と５１２の内部に電解溶液が侵入するので、図５（Ｄ）の５１５や５１６で示されるように緻密な膜質を有する陽極酸化膜が形成される。即ち、ゲイト電極５１３と５１４を覆うように緻密な陽極酸化膜５０５と５１６が形成される。
【０１０３】
この陽極酸化膜５１５と５１６は、最初の緻密な陽極酸化膜５０７や５０８と一体化してしまう。この陽極酸化膜５１５と５１６の膜厚は１０００Åとする。この緻密な膜質を有する陽極酸化膜の膜厚の制御は陽極酸化時の印加電圧の制御で行うことができる。
【０１０４】
図５（Ｄ）に示す状態を得たら、全面にＰ（リン）イオンの注入を行う。この工程において、５１７と５１９と５２０と５２２で示される領域にＰイオンが注入される。（図５（Ｅ））
【０１０５】
この工程においては、Ｐイオンの注入前に水素イオンの注入を行い、予め試料を加熱しておく。そして試料が加熱された状態においてドーピングガスの切り換えを行い、Ｐイオンの注入を行う。
【０１０６】
次に酢酸とリン酸とショウ酸とを混合した混酸を用いて多孔質状の陽極酸化膜５１１と５１２とを除去する。こうして図６（Ａ）に示す状態を得る。
【０１０７】
次に図５（Ｅ）におけるドーピングよりもライトドーピングの条件で再度Ｐイオンの注入を行う。この工程においても予め水素イオンの注入による予備加熱を行う。（図６（Ｂ））
【０１０８】
このＰイオンの注入工程によって、５２３と５２５、さらに５２６と５２８の領域がＮ- 型で表記される弱いＮ型領域（低濃度不純物領域）となる。また、５２４と５２７の領域がＰイオンの注入されないＩ型の領域となる。なお、５２４の領域がＰチャネル型の薄膜トランジスタのチャネル形成領域となる。また５２７の領域がＮチャネル型の薄膜トランジスタのチャネル形成領域となる。（図６（Ｂ））
【０１０９】
次にＮチャネル型の薄膜トランジスタとなる領域をレジストマスク５２９で覆う。そして、Ｂ（ボロン）イオンの注入を行う。この工程においては、先にＰイオンが注入されることによってＮ型化した領域を反転させるドーズ量でもってＢイオンの注入を行う。（図６（Ｃ））
【０１１０】
この工程においてもＢイオンの注入前に予め水素イオンの注入による予備加熱を行う。水素イオンの注入による予備加熱の後、ガスをジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）に変更して、Ｂイオンの注入を行う。
【０１１１】
このＢイオンの注入工程の結果、Ｐ型領域５３０、そして領域５３０よりもさらに強いＰ型を有する領域５３１と５３３、領域５３０と同程度のＰ型を有する領域５３４が自己整合的に形成される。また、チャネル形成領域となる５３２で示される領域が自己整合的に形成される。
【０１１２】
こうして左側のＰチャネル型の薄膜トランジスタと右側のＮチャネル型の薄膜トランジスタとの原型が形成される。
【０１１３】
図６（Ｃ）に示すＢイオンの注入が終了したら、レジストマスク５２９を除去し、図７（Ａ）に示す状態を得る。そしてレーザー光の照射を行い、不純物イオンの注入によって損傷した領域のアニールと注入された不純物イオンの活性化とを行う。
【０１１４】
次に層間絶縁膜５３５として、窒化珪素膜と酸化珪素膜との積層膜をプラズマＣＶＤ法でもって成膜する。こうして図７（Ｂ）に示す状態を得る。
【０１１５】
そしてコンタクトホールの形成を行い、チタン膜とアルミニウム膜とチタン膜との積層膜でもって、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極５３６とドレイン電極５２７とを形成する。また同時にＮチャネル型の薄膜トランジスタのソース電極５３９とドレイン電極５２８とを形成する。（図７（Ｃ））
【０１１６】
ここで、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのドレイン電極５３７とＮチャネル型の薄膜トランジスタのドレイン電極５３８とを接続すれば、相補型に構成されたＣＭＯＳ回路が得られる。
【０１１７】
図７（Ｃ）に示す構成は、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタのみに低濃度不純物領域５２６と５２８が形成されている。ここで、ドレイン領域５２０側の低濃度不純物領域５２６が一般にＬＤＤ（ライトドープドレイン）領域と称されている。
【０１１８】
このＬＤＤ領域を配置すると、ＯＦＦ電流値の低減、ホットキャリアによる劣化の抑制、移動度の低下、といった作用が得られる。
【０１１９】
一般にＮチャネル型の薄膜トランジスタとＰチャネル型の薄膜トランジスタとでは、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの劣化は大きく、また移動度が大きい。
【０１２０】
本実施例に示すような構成を採用することで、Ｎチャネル型の薄膜トランジスタの劣化を抑制させ、さらにその移動度を小さくすることができる。一方、Ｐチャネル型の薄膜トランジスタは、低濃度不純物領域が配置されないので、移動度の低下は無い。従って、全体として、Ｐチャネル型とＮチャネル型の薄膜トランジスタの特性のバラツキを是正することができる。
【０１２１】
【発明の効果】
本明細書に開示する発明を利用することにより、不純物イオンの注入時における加熱を大面積にわたり均一性よく行うことができる。また、この加熱は不純物イオンの注入時においてガスの切り換えを行うだけでよいので、装置の複雑化や工程の煩雑化を招くことがない。
【０１２２】
即ち、大面積に対して高い均一性でもって、また高い再現性でもって不純物イオンの注入をコストの上昇を抑制した上で行うことができる。
【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。
【図２】 水素イオンのドーズ量と試料の加熱温度との関係を示す図。
【図３】 水素イオンのドーズ量とドレイン電流との関係を示す図。
【図４】 イオン注入を行う装置の概要を示す図。
【図５】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図６】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図７】 薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図８】 従来における薄膜トランジスタの作製工程を示す図。
【図９】 薄膜トランジスタの特性を示す図。
【図１０】薄膜トランジスタの特性を示す図。
【符号の説明】
１０１ ガラス基板
１０２ 下地膜（酸化珪素膜）
１０３ 活性層（結晶性珪素膜）
１０４ ゲイト絶縁膜（酸化珪素膜）
１０５ ゲイト電極
１０６、１０７ 水素イオンの注入により加熱される領域
１０８ ドレイン領域
１０９ チャネル形成領域
１１０ ドレイン領域
１１１ 層間絶縁膜
１１２ ソース電極
１１３ ドレイン電極
５０１ ガラス基板
５０２ 下地膜（酸化珪素膜）
５０３ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの活性層（結晶性珪素膜）
５０４ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタの活性層（結晶性珪素膜）
５０５ ゲイト絶縁膜
５０６、５００ ゲイト電極を構成するアルミニウムパターン
５０７、５０８ 緻密な膜質を有する陽極酸化膜
５０９、５１０ レジストマスク
５１１、５１２ 多孔質状の陽極酸化膜
５１３ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極
５１４ Ｎチャネル型の薄膜トランジスタのゲイト電極
５１５、５１６ 緻密な陽極酸化膜
５１７ Ｎ型不純物領域
５１８ Ｐイオンが注入されなかった領域
５１９ Ｎ型不純物領域
５２０ Ｎ型不純物領域（ドレイン領域）
５２１ Ｐイオンが注入されなかった領域
５２２ Ｎ型不純物領域（ソース領域）
５２３、５２５ 低濃度不純物領域
５２６、５２８ 低濃度不純物領域
５２４ Ｐチャネル型の薄膜トランジスタのチャンネル形成領域
５２７ Ｎチャネル型の薄膜トランジスタのチャンネル形成領域
５２９ レジストマスク
５３０、５３１ ソース領域
５３２ チャネル形成領域
５３３、５３４ ドレイン領域
５３５ レジストマスク
５３６ ソース電極
５３７ ドレイン電極
５３９ ソース電極
５３８ ドレイン電極
Claims (6)
- 半導体材料にヘリウム又はアルゴンイオンを注入することにより前記半導体材料を加熱した後、
前記半導体材料にＮ型又はＰ型を付与する不純物イオンを注入することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - ガラス基板上に下地膜を形成し、
前記下地膜上に非晶質珪素膜を形成し、
前記非晶質珪素膜を結晶化させ、結晶性珪素膜とし、
前記結晶性珪素膜上にゲイト絶縁膜を介してゲイト電極を形成し、
前記結晶性珪素膜に前記ゲイト絶縁膜を介してヘリウム又はアルゴンイオンを注入することにより前記結晶性珪素膜を加熱した後、
前記結晶性珪素膜にＮ型又はＰ型を付与する不純物イオンを注入することを特徴とする半導体装置の作製方法。 - 請求項１又は２において、前記加熱は２５０℃以上であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至３のいずれか一において、前記ヘリウム又はアルゴンイオンの注入をプラズマドーピング法により行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至４のいずれか一において、前記不純物イオンを注入した後、レーザー光の照射を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
- 請求項１乃至４のいずれか一において、前記不純物イオンを注入した後、４５０℃〜６００℃の温度で加熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
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