JP4553076B2

JP4553076B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP4553076B2
Application number: JP26909098A
Authority: JP
Inventors: 正文国井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1998-09-24
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2018-09-24
Also published as: JP2000100748A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はイオン注入により不純物領域を形成したのち、注入した不純物を活性化する工程を含む半導体装置の製造方法に係り、特に、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ；Thin Film Transistor）のＬＤＤ（Lightly Doped Drain ）領域、ソース領域およびドレイン領域を形成する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶プロジェクタなどに代表される液晶表示装置付きの電子機器の普及と共に、液晶表示装置への高性能化の要求が高まっている。この液晶表示装置には、スイッチング素子としてＴＦＴが広く用いられている。なかでも、多結晶シリコンを用いたＴＦＴは、マトリクス画素部と周辺駆動回路部とを同一基板上に形成することにより駆動回路を内蔵することができる、微細化が可能である、などの理由により高精細な液晶表示装置を実現することができる素子として注目されている。
【０００３】
この多結晶シリコンを用いたＴＦＴにおいては、従来、その製造工程上、高温下での加熱を必要とするため、低融点を有するガラスなどを基板として用いることは不可能であった。しかしながら、液晶表示装置の低コスト化のためには低融点のガラスなどの安価な基板を使用することが必須であり、それに伴い、製造工程上の最高加熱温度が６００℃以下の所謂低温プロセスに関する開発が進められている。
【０００４】
従来、低温プロセスにより多結晶シリコンを用いたＴＦＴを作製する場合には、バケット型と呼ばれる質量分離を行わずに大面積に一度にイオン注入を行うことができる注入装置を用いてイオン注入を行い、注入したイオンをエキシマレーザにより活性化させてソース領域およびドレイン領域を形成する方法が用いられている。なお、このバケット型のイオン注入装置については、例えば特開平９−２３７９００号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来では、バケット型のイオン注入装置を用いることにより多結晶シリコンＴＦＴの低温化プロセスが可能であった。しかしながら、このようなバケット型のイオン注入装置を用いると、装置の構造上、基板の周辺部ではイオンビームの電流密度が低くなる傾向があり、打ち込まれるイオンビームの強度の均一性が低下し、低いシート抵抗の不純物領域（ソース領域およびドレイン領域）を安定して形成することができないという問題があった。また、基板のサイズが大きくなると、装置が巨大化し、量産装置として現実的ではなくなるという問題もあった。
【０００６】
更に、注入した不純物の活性化のためにエキシマレーザを照射すると、基板サイズが大きい場合にはスループットが低くなることに加えて、装置の構造が複雑となり、そのメンテナンスを頻繁に行う必要があるという問題があった。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、スループットが高く、かつ、均一で低いシート抵抗の不純物領域を形成することができる半導体装置の製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体装置の製造方法は、基板上に形成された多結晶シリコン層中に一方導電型の第１の不純物のイオンを質量分離を行いつつ線状のイオンビームに形成して注入することにより、薄膜トランジスタのＬＤＤ領域として第１の不純物領域を形成する工程と、第１の不純物と同一導電型の第２の不純物の元素を含む不純物ガスとキャリアガスとを含むと共に、流量比において不純物ガスを５％より多く含有する混合ガスから、第２の不純物のイオンを、質量分離を行わずに線状のイオンビームに形成し、多結晶シリコン層中の第１の不純物領域に隣接する領域に注入することにより、薄膜トランジスタのソース領域またはドレイン領域として、第１の不純物領域より高濃度の第２の不純物領域を形成する工程と、基板を長尺の熱源下に搬送して加熱する急速加熱法により、第１の不純物領域および第２の不純物領域中の不純物をそれぞれ活性化させる工程とを含むものである。
【０００９】
本発明による半導体装置の製造方法では、基板上の多結晶シリコン層中にイオンが注入されて第１の不純物領域が形成されたのち、第２の不純物の元素を含む不純物ガスを流量比において５％より多く含有する混合ガスから高濃度の第２の不純物のイオンが取り出され、このイオンが多結晶シリコン層中に注入されて第２の不純物領域が形成される。そののち基板が搬送され熱源を通過することにより、注入された第１の不純物および第２の不純物がそれぞれ活性化される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１１】
具体的な実施の形態の説明に先立ち、まず、本発明に係る半導体装置の製造方法において用いられるイオン注入方法について説明する。
【００１２】
第１の方法は質量分離を行わずにイオン注入する方法である。図６は、この方法に用いる非質量分離型イオン注入装置の概略図を表している。この非質量分離型イオン注入装置は、ホスフィン（ＰＨ₃）やジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）などの不純物ガスを供給する不純物ガス源１１ａと水素（Ｈ₂），ヘリウム（Ｈｅ），ネオン（Ｎｅ），アルゴン（Ａｒ）などのキャリアガスを供給するキャリアガス源１１ｂとを有し、これらのガスを例えば図示しない流量調節計を用いて所定の比率で混合するガス供給装置１１と、高周波やマイクロ波を用いて高密度プラズマを作り、ガス供給装置１１から供給された混合ガスをイオン化する線状イオン源部１２と、線状イオン源部１２から引き出されたイオンが打ち込まれるターゲット１３（すなわち基板）を支持するためのエンドステーション１４とを備えている。
【００１３】
図７は線状イオン源部１２の内部構造の一例を表すものである。この線状イオン源部１２は、内部に例えば縦方向に、互いに独立に電流（フィラメント電流）制御可能な３つのフィラメント１２ａ〜１２ｃが並設されており、これらフィラメント１２ａ〜１２ｃに対して不純物ガスを含む混合ガスがガス導入口１２ｄを介して供給されると、不純物イオンが発生するようになっている。フィラメント１２ａ〜１２ｃの前方には、直流電源１２ｅにより駆動される引き出し電極１２ｆ、加速電極１２ｇおよび抑制電極１２ｈの３枚の電極がそれぞれこの順に配設されている。すなわち、この線状イオン源部１２では、３つのフィラメント１２ａ〜１２ｃにより発生した不純物イオンが、これら引き出し電極１２ｆ、加速電極１２ｇおよび抑制電極１２ｈの３枚の電極により、引き出され、加速されて線状イオンビームＩとなる。なお、図示しないが、縦方向（ビームの長手方向）に沿って３つのファラデーカップが並設されており、これらファラデーカップによりイオンビーム電流が検出されると共に、これらのイオンビーム電流が３つのフィラメント１２ａ〜１２ｃにフィードバックされることにより、線状イオンビーム電流の縦方向のばらつきが低減され、均一性が確保されている。
【００１４】
この非質量分離型イオン注入装置では、エンドステーション１４の動作に応じてターゲット１３が左右方向に移動し、線状イオンビームＩにより走査される。
これにより不純物イオンがターゲット１３の全面に打ち込まれる。
【００１５】
線状イオン源部１２とエンドステーション１４とは互いに接近して配設されている。よって、線状イオン源部１２から引き出され線状イオンビームＩは、加速された直後にターゲット１３に垂直に照射される。これにより、前述したバケット型のイオン注入装置を用いた場合とは異なり、ターゲット１３の全体におけるイオンビーム強度の均一性を確保することができる。また、線状イオン源部１２を備えることにより、装置全体をコンパクトに形成することができるため、ターゲット１３が大きい場合には特に好適である。
【００１６】
第２の方法は、質量分離を行い所定の質量のイオンのみを取り出して注入する方法である。図８は、この方法に用いる質量分離型イオン注入装置を表している。この質量分離型イオン注入装置は、不純物ガスを供給する不純物ガス源２１ａとキャリアガスを供給するキャリアガス源２１ｂとを有し、更に、これらのガスを例えば図示しない流量調節計を用いて所定の比率で混合するガス供給装置２１と、混合されたガスをイオン化する線状イオン源２２とを備えている。線状イオン源２２から引き出されたイオンは、高電圧で加速されて線状イオンビームＩとなる。更に、この質量分離型イオン注入装置は、スリット２３を通過して到達したイオンを例えば９０°偏向させ、そのうちの所定のイオンのみを通過させる偏向マグネット２４と、通過する線状イオンビームＩに対して水平方向に小型電磁石が多数並べられた多重磁極子（マルチポール）２５と、線状イオンビームＩが照射されるターゲット２６を支持するエンドステーション２７とを備えている。
【００１７】
偏向マグネット２４は、例えば扇状の一対の電磁石により構成されており、扇状の均一な磁界を形成し、線状イオンビームＩを円を描くように例えば９０°偏向させる。このとき、磁界中を移動するイオンの円軌道半径は質量によって異なっており、重いイオンは大きい半径で、軽いイオンは小さい半径でそれぞれ曲げられ分離される。ここでは、分離されたイオンのうち、所定の質量のイオンのみを通過させる。従って、所定のイオンは、一対の電磁石間の距離に相当する長さの線状となって偏向マグネット２４の出口を通過する。
【００１８】
多重磁極子２５は、エンドステーション２７上におけるイオンビーム強度のばらつきを±３％以内に抑えて、イオンビーム強度の均一性を確保する役割を果たしている。また、エンドステーション２７は、上下方向（紙面に対して垂直方向）に滑動するようになっており、エンドステーション２７の動作に応じてターゲット２６が上下方向（紙面に対して垂直方向）に移動し、線状イオンビームＩにより走査される。これにより、線状イオンビームＩが均一の強度でターゲット２６の全面に照射される。
【００１９】
ここでは、所定のイオンのみが選択的にターゲット２６に打ち込まれるので、不純物の濃度分布および注入深さを共に高い精度で制御することができる。よって、この質量分離型イオン注入装置は、特に、低濃度の不純物を注入する場合には好適である。
【００２０】
本発明は、これらのイオン注入方法を用いて不純物のイオン注入を行い、注入した不純物を活性化させることにより、均一な、低いシート抵抗値を有する不純物領域を生産性よく形成するものである。以下、本発明をＴＦＴの製造方法に適用した例について説明する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
図１（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１の実施の形態に係るｎチャネルＴＦＴの製造方法を表すものである。まず、図１（Ａ）に示したように、例えばソーダガラスなどの低融点ガラスよりなる基板３１上に、例えば厚さが１００〜２５０ｎｍの金属膜を成膜し、パターニングしてゲート電極３２を形成する。金属としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），クロム（Ｃｒ）および銅（Ｃｕ）などが挙げられる。
【００２２】
次いで、図１（Ｂ）に示したように、基板３１の全面に、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法，常圧ＣＶＤ法および減圧ＣＶＤ法のうちのいずれかの方法により、例えば厚さが５０ｎｍの窒化ケイ素（ＳｉＮ_x）膜３３ａおよび例えば厚さが２００ｎｍの二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）膜３３ｂを連続的に成膜してゲート絶縁膜３３を形成する。更に、二酸化ケイ素膜３３ｂ上に連続して例えば厚さが３０〜８０ｎｍの非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ）膜３４を形成する。
【００２３】
なお、ゲート絶縁膜３３，非晶質シリコン膜３４をプラズマＣＶＤ法により形成した場合には、非晶質シリコン膜３４を形成した後に、例えば、窒素（Ｎ₂）雰囲気中において、４００〜５００°Ｃの温度で１〜２時間加熱することにより、これらの膜中に含まれる水素（Ｈ₂）を脱離させる。
【００２４】
続いて、必要に応じて、非晶質シリコン膜３４中のゲート電極３２と対向する領域に、例えば１×１０¹²〜６×１０¹²個／ｃｍ²のホウ素イオン（Ｂ⁺）を注入する。この領域は後述のチャネル領域３４ａ（図１（Ｃ）参照）に対応する領域である。注入条件は、例えば、加速電圧を１０ｋｅＶ、線状イオンビームＩのライン幅を６２０ｍｍとする。ここでは、例えば既に述べた質量分離型のイオン注入法により均一に制御性よく注入する。これにより、ゲート電極３２の閾値電圧Ｖ_thが決定される。なお、ｐチャネルＴＦＴの場合には、同様にしてリンイオン（Ｐ⁺）を注入すればよい。
【００２５】
次に、非晶質シリコン膜３４を形成したのち、またはホウ素イオンを注入したのちに、基板３１に例えばレーザビームＬを照射することにより加熱して、図１（Ｃ）に示したように、非晶質シリコン膜３４を多結晶シリコン膜３４′に変化させる。レーザビームＬとしては、例えばＸｅＦエキシマレーザなどのエキシマレーザが用いられる。なお、レーザ照射の代わりに、固相成長法やＲＴＡ法により加熱してもよい。
【００２６】
次いで、例えば、シラン（ＳｉＨ₄）ガスを原料ガスとして用いたＣＶＤ法により厚さ１００〜３００ｎｍの二酸化ケイ素膜を成膜したのち、裏面露光によりパターニングを行い、イオン注入の際のマスクとなるマスク層３５を形成する。
【００２７】
次いで、例えば先の図８に示した質量分離型イオン注入装置を用いて、マスク層３５を用い、例えば、６×１０¹²〜５×１０¹³個／ｃｍ²のリンイオン（Ｐ⁺）を１０ｋｅＶの加速電圧で基板３１の全面に注入して、ｎ^-型のＬＤＤ領域３４ｂを形成する。なお、このイオン注入は、前述の非質量分離型イオン注入装置を用いて行ってもよい。非質量分離型イオン注入装置を用いる場合には、線状イオンビームＩの制御電流を１μＡ／ｃｍ以下に絞ると、この程度の低濃度のイオン注入であっても制御性よく、均一に注入することができる。
【００２８】
次いで、例えばＬＤＤ領域３４ｂおよびマスク層３５上にフォトレジスト膜（図示せず）を形成し、このフォトレジスト膜をマスクとして、例えば、図６に示した非質量分離型イオン注入装置を用いて、８×１０¹⁴〜５×１０¹⁵個／ｃｍ²のリンイオンを基板３１に選択的に注入し、ＬＤＤ領域３４ｂに隣接してｎ⁺型のソース領域３４ｃおよびドレイン領域３４ｄを形成する。このとき、不純物ガスには例えばホスフィンガスを用い、キャリアガスには水素ガス，ヘリウムガス，ネオンガスおよびアルゴンガスのうちの少なくとも１種を含むガスを用いる。
【００２９】
ここで、本実施の形態では、ガス供給装置１１からは、不純物ガスを流量比（すなわち、体積比）で、５％より多く、好ましくは２０％以上含有する混合ガスを供給する。不純物ガスが５％以下であると後述のようにＲＴＡ法により不純物を活性化させる際の活性化率が低くなるためである。不純物ガスをこの程度含有する混合ガスを用いてイオン注入を行うことにより、注入イオンに含まれる不純物イオンの割合が増大する。従って、注入時間を延長してスループットの低下を招くことなく、注入不純物量を増大させることができる。
【００３０】
なお、ｐチャネルＴＦＴの場合には、不純物ガスとしてジボランを用いて上述した方法と同様の方法により前述の多結晶シリコン膜３４′中にホウ素イオンを注入して、ｐ⁺型のソース領域およびドレイン領域を形成する。ここでも、ガス供給装置１１からは、不純物ガスを流量比で５％より多く、好ましくは２０％以上含有する混合ガスを供給する。
【００３１】
次いで、例えば、以下に説明するＲＴＡ装置を用いて波長２４０〜４００ｎｍの紫外光ＵＶを瞬間的（約１秒）に基板３１に照射して、ＬＤＤ領域３４ｂ，ソース領域３４ｃおよびドレイン領域３４ｄ中の不純物をそれぞれ活性化させる。
【００３２】
図９は、ＲＴＡ装置の概略の一例を表すものである。このＲＴＡ装置は、基板３１を赤外線により予備加熱するための予熱処理ゾーン４１ａ〜４１ｃ，これらの予熱処理ゾーン４１ａ〜４１ｃにおいて予備加熱された基板３１を急速加熱（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing ）するためのＲＴＡユニット４２、このＲＴＡユニット４２の入口と出口とにおいてプロセス温度を測定するための放射温度計（パイロメータ）４３、およびＲＴＡユニット４２により急速に加熱された基板３１を赤外線加熱により徐々に冷却するための冷却ゾーン４４を備えており、基板３１は、この順に図に矢印で示したように搬送機構（図示せず）によって搬送されるようになっている。ＲＴＡユニット４２は、上下に対向配置された熱源としての一対のキセノンアークランプ４２ａ，４２ａと、これらキセノンアークランプ４２ａ，４２ａの背面を覆うように配置された反射板４２ｂとを有している。
【００３３】
このＲＴＡ装置では、例えば本実施の形態の基板３１が搬入されると、基板３１は予熱処理ゾーン４１ａ〜４１ｃにおいて図示しない赤外線ランプにより４００〜５００℃程度まで加熱される。続いて、基板３１は例えば１０〜２５ｍｍ／秒程度の速度で矢印方向（冷却ゾーン４４側）に搬送され、キセノンアークランプ４２ａ，４２ａから発せられる波長２４０〜４００ｎｍの紫外光を吸収する。
ここで、基板３１は１秒程度の間に例えば５００〜７００℃まで加熱される。更に、基板３１は冷却ゾーン４４に搬送され、赤外線照射により徐冷される。
【００３４】
放射温度計４３によって測定されるプロセス温度は、キセノンアークランプ４２ａ，４２ａのランプパワー，予熱処理ゾーン４１ａ〜４１ｃにおける赤外線ランプのランプパワーおよび基板３１の搬送速度の３つのパラメータによって決定される。これらのパラメータの最適条件は、基板３１（本実施の形態ではガラス）の材質（例えばAN635 ，Corning Code 1737 など）や厚さや大きさによって異なる。従って、使用する基板３１に応じて各パラメータを適宜に調節してプロセス温度を決定することにより、基板３１内での温度勾配の発生による基板３１の熱収縮などを防止することができる。ガラスよりなる基板３１では、例えば、AN635 の場合には軟化点が６３５°Ｃであり、Corning Code 1737 の場合には軟化点が６６７℃であるので、ＲＴＡユニット４２内における加熱温度が軟化点温度を大幅に超えない７００℃以下、好ましくは６００℃以下となるように各パラメータを調節する。
【００３５】
本実施の形態のように、ＲＴＡ法により不純物を活性化させる場合には、基板を長尺のキセノンアークランプ４２ａ下で一方向に搬送させるだけでよいので、例えば、基板の大きさが６００×７２０ｍｍ程度まで拡大しても６０枚／分の処理速度を実現することができる。これに対して、従来技術で説明したレーザ照射により不純物を活性化させる場合には、レーザビームの長さを長尺化させるためにはレーザ本体の出力を極めて大きくする必要がある。従って、レーザビームを走査させて基板全体について活性化を行うと、例えば、６００×７２０ｍｍ程度の大きさの基板の場合、処理能力は最大でも３０枚／分程度であり、ＲＴＡ法の方がレーザアニール法よりも２倍程度処理能力に優れている。
【００３６】
また、ＲＴＡ法は加熱温度の均一性に優れており、エキシマレーザを用いる場合よりも、ＬＤＤ領域３４ｂ、ソース領域３４ｃおよびドレイン領域３４ｄにおけるシート抵抗のばらつきが小さく、基板の全面で均一なシート抵抗の分布が得られるという利点がある。
【００３７】
更に、既に述べたように不純物ガスを５％よりも多く含有する混合ガスを用いることによりイオン注入時の注入不純物量を増大させているため、ＲＴＡ処理温度（すなわちＲＴＡユニット４２内における加熱温度）が低い場合においても所望の不純物の活性化率を確保することができる。
【００３８】
次いで、図２に示したように、基板３１の全面に、例えば、プラズマＣＶＤ法により厚さが２００〜４００ｎｍになるように二酸化ケイ素膜３６ａおよび窒化ケイ素膜３６ｂを連続的に成膜して層間絶縁膜３６を形成する。そののち、例えば、窒素雰囲気中において３５０℃で１時間加熱することにより層間絶縁膜３６中の水素を多結晶シリコン膜３４´に中に拡散させ、多結晶シリコン膜３４´の水素化を行う。
【００３９】
次いで、層間絶縁膜３６を選択的に除去してコンタクト孔３７ａを形成し、このコンタクト孔３７ａ内に、例えば、モリブデンあるいはアルミニウムをスパッタリングにより埋め込み、配線電極３７を形成する。
【００４０】
次いで、基板３１の全面に、例えば、アクリル系有機樹脂を１μｍ程度塗布して平坦化層３８を形成する。そののち、平坦化層３８およびその直下の層間絶縁膜３６を選択的に除去してコンタクト孔３９ａを形成し、コンタクト孔３９ａに沿って、例えば、スパッタリング法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などよりなる透明電極３９を形成することにより、ＴＦＴが完成する。
【００４１】
このように、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法によれば、不純物ガスを流量比で５％より多く、好ましくは２０％以上含有する混合ガスを用いてソース領域３４ｃおよびドレイン領域３４ｄを形成したのち、ＲＴＡ法により不純物を活性化するようにしたので、高いスループットを有し、かつ所望の高い活性化率、すなわちソース領域３４ｃおよびドレイン領域３４ｄにおいて均一で低いシート抵抗値を得ることができる。
【００４２】
また、線状イオン源１２とエンドステーション１４とが互いに接近して配設された非質量分離型のイオン注入装置を用いてイオン注入を行うことによりソース領域３４ｃおよびドレイン領域３４ｄを形成するようにしたので、注入時のイオンビーム強度を均一にすることができる。
【００４３】
更に、線状イオン源１２を用いるようにしたので、スループットを悪化させるおそれがないことに加えて、イオン注入装置をコンパクトに形成することができるため、基板３１の面積が大きい場合には特に有効である。
【００４４】
（第２の実施の形態）
図３（Ａ），（Ｂ）および図４は、本発明の第２の実施の形態に係るＴＦＴの製造方法を表すものである。まず、図３（Ａ）に示したように、例えばソーダガラスなどの低融点ガラスよりなる基板５１上に、例えば、プラズマＣＶＤ法，常圧ＣＶＤ法および減圧ＣＶＤ法のうちのいずれかの方法により窒化ケイ素膜５２ａおよび二酸化ケイ素膜５２ｂを成膜して厚さ１００〜２００ｎｍのバッファ層５２を形成する。この場合、二酸化ケイ素膜５２ｂは例えばシラン（ＳｉＨ₄）またはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）などの無機系シランガスを原料ガスとして用いる。なお、二酸化ケイ素膜５２ｂは、スパッタリング法や蒸着法によっても成膜することができる。
【００４５】
次いで、二酸化ケイ素膜５２ｂ上に、例えば、プラズマＣＶＤ法または減圧ＣＶＤ法により厚さが３０〜８０ｎｍの非晶質シリコン膜５３を形成する。ここで、プラズマＣＶＤ法により形成した場合には、例えば、窒素雰囲気中において４００〜４５０℃で１時間程度加熱することにより非晶質シリコン膜５３中に含まれる水素を脱離させる。
【００４６】
次いで、基板５１にレーザビームＬを照射することにより加熱して、非晶質シリコン膜５３を多結晶シリコン膜５３′に変化させる。なお、レーザ照射の代わりに、固相成長法やＲＴＡ法により加熱してもよい。そののち、この多結晶シリコン膜を選択的にエッチングして島形状にパターニングする。
【００４７】
次いで、図３（Ｂ）に示したように、基板５１の全面に、例えば、プラズマＣＶＤ法，常圧ＣＶＤ法，減圧ＣＶＤ法，ＥＣＲ−ＣＶＤ法およびスパッタリング法のうちのいずれかの方法により厚さ５０〜４００ｎｍの二酸化ケイ素よりなるゲート絶縁膜５４を形成する。
【００４８】
続いて、必要に応じて、上述の多結晶シリコン膜中に、例えば５×１０¹¹〜４×１０¹²個／ｃｍ²のホウ素イオンを選択的に注入する。このホウ素イオン注入領域はチャネル領域５３ａに相当する領域である。注入条件は、例えば、加速電圧を５０ｋｅＶ、線状イオンビームＩのライン幅を６２０ｍｍとする。これにより、後述するゲート電極５５の閾値電圧Ｖ_thが決定される。なお、このイオン注入は、ゲート絶縁膜５４を形成する前に行ってもよい。
【００４９】
次いで、ゲート絶縁膜５４を形成したのち、またはホウ素イオンを注入したのち、例えばアルミニウム，タンタル，モリブデン，タングステン，チタン（Ｔｉ）および不純物が添加されたシリコンなどにより、厚さが２００〜８００ｎｍのゲート電極５５を形成する。
【００５０】
次いで、加速電圧を例えば９０ｋｅＶとすること以外は第１の実施の形態において説明した方法と同様の方法により、ｎ^-型のＬＤＤ領域５３ｂを形成する。
ここでは、第１の実施の形態と比較して加速電圧が大きいため、チャネル領域５３ａやＬＤＤ領域５３ｂなど多結晶シリコン膜５３’の表面は非晶質化する。
【００５１】
次いで、例えば、ゲート電極５５およびＬＤＤ領域５３ｂ上にフォトレジスト膜（図示せず）を形成し、このフォトレジスト膜をマスクとして、例えば図６に示した非質量分離型イオン注入装置を用いて、例えば、１×１０¹⁵個／ｃｍ²のリンイオンを基板５１に注入し、ｎ⁺型のソース領域５３ｃおよびドレイン領域５３ｄを形成する。このとき、不純物ガスには例えばホスフィン（ＰＨ₃）ガスを用い、キャリアガスには水素（Ｈ₂）ガス，ヘリウム（Ｈｅ）ガス，ネオン（Ｎｅ）ガスおよびアルゴン（Ａｒ）ガスのうちの少なくとも１種を含むガスを用いる。また、ガス供給装置１１からは、不純物ガスを流量比で５％より多く、好ましくは２０％以上含有する混合ガスを供給する。
【００５２】
次いで、基板５１の全面に、例えば、厚さ６００ｎｍ程度のＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass）または二酸化ケイ素よりなる層間絶縁膜５６を形成する。
【００５３】
次いで、例えば、図９に示したＲＴＡ装置を用いて、第１の形態において説明した方法と同様の方法により、ＬＤＤ領域５３ｂ，ソース領域５３ｃおよびドレイン領域５３ｄ中の不純物をそれぞれ活性化させる。なお、ここでは既に述べたようにチャネル領域５３ａ，ＬＤＤ領域５３ｂ，ソース領域５３ｃおよびドレイン領域５３ｄの表面が非晶質化しているため、ＲＴＡユニット４２内における加熱温度が例えば７００℃程度となるように、キセノンアークランプ４２ａのランプパワー，予熱処理ゾーン４１の赤外線ランプのランプパワーおよび基板３１の搬送速度を調節する。
【００５４】
次いで、層間絶縁膜５６を選択的に除去してコンタクト孔５７ａを形成し、このコンタクト孔５７ａ内に、例えば、Ａｌ−Ｓｉ合金をスパッタリングにより埋め込んで配線電極５７を形成する。続いて、層間絶縁膜５６および配線電極５７上に、例えば、プラズマＣＶＤ法により厚さ２００〜４００ｎｍの窒化ケイ素よりなる層間絶縁膜５８を形成する。そののち、例えば、窒素雰囲気中において３５０℃で１時間加熱することにより層間絶縁膜５８中の水素を多結晶シリコン膜５３´に中に拡散させ、多結晶シリコン膜５３´の水素化を行う。
【００５５】
次いで、層間絶縁膜５８上に、例えば、アクリル系有機樹脂を１μｍ程度塗布して平坦化層５９を形成する。そののち、平坦化層５９およびその直下の層間絶縁膜５８と層間絶縁膜５６とゲート絶縁膜５４とを選択的に除去してコンタクト孔６０ａを形成し、コンタクト孔６０ａに沿って、例えば、スパッタリング法によりＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等よりなる透明電極６０を形成することより、ＴＦＴが完成する。
【００５６】
このように本実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に、不純物ガスを流量比で５％より多く、好ましくは２０％以上含有する混合ガスを用いてソース領域５３ｃおよびドレイン領域５３ｄを形成したのち、ＲＴＡ法により不純物を活性化するようにしたので、高いスループットを有し、かつ所望の高い活性化率、すなわちソース領域５３ｃおよびドレイン領域５３ｄにおいて均一で低いシート抵抗値を得ることができる。また、線状の線状イオン源１２とエンドステーション１４とが互いに接近して配設された非質量分離型のイオン注入装置を用いてイオン注入を行うようにしたので、注入時のイオンビーム強度を均一にすることができ、かつ生産性にも優れている。加えて、イオン注入装置をコンパクトに形成することができるため、基板５１の面積が大きい場合には特に有効である。
【００５７】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００５８】
本実施例では、第１の実施の形態において説明した方法によって、５種類のＴＦＴを作製した。すなわち、各々、基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、チャネル領域およびＬＤＤ領域を含む多結晶シリコン層およびストッパ層を形成したのち、後述する異なる混合ガスを用いてソース領域およびドレイン領域を作製した。なお、ｎ型の不純物領域形成には不純物ガスとしてホスフィンガスを用い、ｐ型の不純物領域形成には不純物ガスとしてジボランガスを用い、キャリアガスには共に水素ガスを用いた。次いで、後述する条件によりＲＴＡを行ってＬＤＤ領域、ソース領域およびドレイン領域中の不純物を活性化させた。続いて、層間絶縁膜、配線電極、平坦化層および画素電極を形成した。
【００５９】
ソース領域およびドレイン領域形成のためのイオン注入は、イオン注入量を１×１０¹⁵個／ｃｍ²とし、混合ガス中の不純物ガスの割合を１％，５％，２０％，５０％および１００％（すなわち不純物ガスのみ）と種々変化させて行った。
【００６０】
また、ＲＴＡは、予熱ゾーンの温度を５５０℃，ＲＴＡユニット内における加熱温度を６００℃，キセノンアークランプのランプパワーを１５ｋＷ，ＲＴＡ装置内での基板搬送速度を２０ｍｍ／秒として行った。
【００６１】
なお、本実施例に対する比較例として、不純物ガスの割合が５％である混合ガスを用いてイオン注入を行うことによりソース領域およびドレイン領域を形成したのち、エネルギー２８０ｍＪ／ｃｍ²、発振周波数２００Ｈｚの条件でエキシマレーザを照射して不純物の活性化を行ったＴＦＴを作製した。比較例では、その他の条件は本実施例と同一とした。
【００６２】
このようにして得られた本実施例および比較例の各ＴＦＴのソース領域およびドレイン領域のシート抵抗を測定した。得られた結果を図５に示す。
【００６３】
図５から、ｎ⁺型、ｐ⁺型の両方共に、不純物ガスが５％以下であると不純物の活性化率が低く、シート抵抗が５ｋΩ／□以上と急激に増大することが分かった。これは、イオン注入装置の線状イオン源から引き出されたイオンのうち、リンイオン（またはホウ素イオン）の水素イオンに対する割合が不純物ガスの混合ガスに対する割合以下に減少するためであり、このようにシート抵抗が高いとＴＦＴのオン電流が低下したり、コンタクト抵抗が増大する原因となる。
【００６４】
これに対し、不純物ガスの含有量が２０％の場合には、シート抵抗値は約２ｋΩ／□であり、エキシマレーザを照射して不純物の活性化を行った場合のシート抵抗値に近づき、実用上問題のない値が得られた。不純物ガスの含有量が５０％および１００％の場合は、更に低いシート抵抗値が得られた。
【００６５】
以上の結果から、混合ガス中における不純物ガスの割合は５％より多いことが必要であることが分かった。また、不純物ガスの割合が２０％以上の場合には、不純物活性時の加熱温度を下げることができ、６００℃以下であっても低いシート抵抗を得られることが分かった。なお、キャリアガスとして水素の代わりにヘリウム、ネオンあるいはアルゴンを用いた場合についても、同様の結果が得られる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法によれば、不純物ガスを流量比で５％より多く含有する混合ガスから不純物のイオンを取り出し、このイオンを多結晶シリコン層中に注入して第２の不純物領域を形成するようにしたので、短時間で多量の不純物を注入することができる。また、このように多量に注入された不純物を、基板を搬送し熱源を通過させて、例えば急速加熱法により活性化させることにより、所望の高い活性化率が得られる。よって、高いスループットを有しつつ、十分に高い不純物の活性化率を得ることができ、均一で低いシート抵抗値を有する不純物領域を形成することができるという効果を奏する。
【００６７】
特に、第２の不純物領域として薄膜トランジスタのソース領域またはドレイン領域を形成するようにしたので、シート抵抗の低い薄膜トランジスタを生産性よく作製することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造工程を表す断面図である。
【図２】図１に続く製造工程を表す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る薄膜トランジスタの製造工程を表す断面図である。
【図４】図３に続く製造工程を表す断面図である。
【図５】ソース領域およびドレイン領域形成時に用いる不純物ガスの濃度とシート抵抗との関係を表す特性図である。
【図６】非質量分離型のイオン注入装置の構造を表す概略図である。
【図７】図６に示したイオン注入装置の部分的内部構造を表す概略図である。
【図８】質量分離型のイオン注入装置の構造を表す概略図である。
【図９】ＲＴＡ装置の構造を表す概略図である。
【符号の説明】
１１ａ，２１ａ…不純物ガス源、１２ａ，２２ａ…キャリアガス源、１２，２２…線状イオン源、１３，２６…ターゲット、１４，２７…エンドステーション、２４…偏向マグネット、３１，５１…基板、３２，５５…ゲート電極、３３，５４…ゲート絶縁膜、３４ａ，５３ａ…チャネル領域、３４ｂ，５３ｂ…ＬＤＤ領域、３４ｃ，５３ｃ…ソース領域、３４ｄ，５３ｄ…ドレイン領域、４１ａ〜４１ｃ…予熱ゾーン、４２…ＲＴＡユニット、４２ａ…キセノンアークランプ、４４…冷却ゾーン

Claims

基板上に形成された多結晶シリコン層中に一方導電型の第１の不純物のイオンを、質量分離を行いつつ線状のイオンビームに形成して注入することにより、薄膜トランジスタのＬＤＤ領域として第１の不純物領域を形成する工程と、
前記第１の不純物と同一導電型の第２の不純物の元素を含む不純物ガスとキャリアガスとを含むと共に、流量比において前記不純物ガスを５％より多く含有する混合ガスから、前記第２の不純物のイオンを、質量分離を行わずに線状のイオンビームに形成し、前記多結晶シリコン層中の前記第１の不純物領域に隣接する領域に注入することにより、薄膜トランジスタのソース領域またはドレイン領域として、前記第１の不純物領域より高濃度の第２の不純物領域を形成する工程と、
前記基板を長尺の熱源下に搬送して加熱する急速加熱法により、前記第１の不純物領域および前記第２の不純物領域中の不純物をそれぞれ活性化させる工程と
を含む半導体装置の製造方法。
前記不純物ガスを２０％以上含有する混合ガスを用いる、請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記不純物ガスとしてＰＨ₃またはＢ₂Ｈ₆を用い、前記キャリアガスとしてＨ₂，Ｈｅ，ＮｅおよびＡｒのうちの少なくとも一種を用いる、請求項１記載の半導体装置の製造方法。