JP4624047B2 - ファラデーカップ装置およびイオンドーピング装置ならびに半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、イオンビームのビーム電流密度を検出するファラデーカップ装置およびそのファラデーカップ装置を備えた量産性に富むイオンドーピング装置ならびにそのイオンドーピング装置を用いてイオンを注入するようにした半導体装置の製造方法に関し、製造ロスを伴わずに注入量（ドーズ量）を微調整できるようにする対策に関する。本発明は、特に、絶縁表面を有する基坂上に設けられる薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor。以下、ＴＦＴという）に有効であり、アクティブマトリックス型の液晶表示装置や、密着型イメージセンサ，三次元ＩＣ（集積回路）などに利用することができる。

例えば、ＴＦＴを製造する際に、薄膜状のシリコン半導体として結晶性シリコン膜を用いる場合に、アモルファスシリコン膜にニッケルなどの触媒元素を添加した上で結晶化処理により結晶性シリコン膜を得るとともに、該結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域中の前記触媒元素をゲッタリングすべく、ソース領域およびドレイン領域となる領域にリンイオンを注入することは知られている。また、チャネル領域の閾値電圧に対する制御性を高めるべく、チャネル領域となる領域に微量のボロンイオンを注入することも知られている。そして、そのようなイオンを注入する際には、一般に、イオンドーピング装置が用いられる。

上記のイオンドーピング装置では、イオン源で発生したイオンをイオンビームとしてターゲットに照射する一方、そのイオンビームの一部をファラデーカップ（特許文献１および特許文献２参照）に受容してビーム電流密度を検出し、その検出値が予め設定された値になるようにイオン源を制御することで、予め設定されたドーズ量だけイオンを注入できるようになっている。
特開平８−３２９８８０号公報（第４頁，図３） 特開平８−１７９０４６号公報（第３頁，図１）

ところで、結晶性シリコン膜におけるソース・ドレイン領域間の抵抗，ゲッタリング能力，閾値電圧，信頼性，均一性（特性の均質性），歩留りなどは、注入精度に大きく影響を受ける。

具体的に説明すると、例えば、液晶表示装置の画素用ＴＦＴを製造する過程において、後にソース領域およびドレイン領域となる各領域にリンイオンを注入する場合には、ドーズ量が少なく振れると、ドーズ不足によりソース電極およびドレイン電極間の抵抗が高くなるのみならず、ゲッタリングが不十分になってＴＦＴの動作不良を起こす一方、ドーズ量が多く振れると、結晶化したシリコンの結晶状態がドーズ過剰により破壊されて非晶質化することから、抵抗が非常に高くなる。

ところが、実際には、イオンドーピングは、ゲート絶縁膜越しに行われることから、ゲート絶縁膜形成時の膜厚のばらつきや、ゲート電極のフォトエッチングによるゲート絶縁膜の膜厚変化により、シリコン膜中に実際に注入されるドーズ量には、ばらつきが生じる。

さらに、所定ドーズ量の分だけを注入することができたとしても、ゲート絶縁膜の膜質やシリコン膜の結晶状態によっては、キャリア形成状態が変動してトランジスタ特性に変化をもたらすことがある。

また、チャネル領域となる領域に対し、ボロン化合物として例えばジボラン（Ｂ_２ Ｈ_６ ）を用いて低濃度ボロンイオンを注入する場合には、Ｂ_２ Ｈｘ^＋ ，ＢＨｘ^＋ ，Ｈｘ^＋ の比率が一定に制御されないと、前記領域のゲート絶縁膜と結晶性シリコン膜との間の界面付近のシリコン中のボロン濃度が一定にならず、その結果、閾値電圧に対する良好な制御性が得られなくなる。

したがって、実際のイオン注入工程においては、状況の変化に応じて、ドーズ量を微調整する必要がある。

しかしながら、従来のイオンドーピング装置では、該装置に予め書き込まれた条件（レシピ）により設定されたビーム電流密度の値（以下、設定値という）を変更してドーズ量を微調整するには、ビーム電流密度の設定値を変更するために装置の停止を伴う装置内の条件（レシピ）の書換えが必要であり、このために、装置の稼働率が低下し、製造ロスを招くという問題がある。

本発明は斯かる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、イオンビームの一部を受容してビーム電流密度を検出するファラデーカップを備えたイオンドーピング装置において、ビーム電流密度の設定値を変更しなくても、実際のビーム電流密度の値（以下、実際値という）を変更できるようにし、もって、稼働率を低下させることなくドーズ量を微調整できるようにすることにある。

上記の目的を達成すべく、本発明では、温度変化に応じて導電性が変化するという半導体薄膜の特性を利用して、ファラデーカップの受容面に半導体薄膜を設け、この半導体薄膜の温度を変更して該半導体薄膜の導電性を変化させることにより、ファラデーカップの検出感度を変更できるようにし、このことで、ビーム電流密度の設定値を変更しなくても、ビーム電流密度の実際値を変更できるようにした。

具体的には、本発明では、イオンビームを受容する受容面を有していて該受容面に照射されたイオンビームのビーム電流密度を検出するファラデーカップを備えたファラデーカップ装置を前提としている。

そして、前記受容面に設けられていて、温度により導電性を変化させる半導体薄膜と、この半導体薄膜の導電性が変化するように該半導体薄膜の温度を変更する温度変更手段とを備えているものとする。

尚、上記の構成において、温度変更手段を、ファラデーカップの温度を変更するように設け、そのファラデーカップの温度を変更することで半導体薄膜の温度を変更するようにしてもよい。

また、上記構成のファラデーカップ装置を備えたイオンドーピング装置として、イオンを発生するイオン源と、このイオン源で発生したイオンをイオンビームに形成するビーム形成手段と、このビーム形成手段により形成されたイオンビームが照射されるターゲットを収容するための処理室と、前記ファラデーカップ装置のビーム電流密度の検出値が設定値になるように前記イオン源を制御する制御手段とを備えるようにすることができる。

さらに、上記構成のイオンドーピング装置を用いた半導体装置の製造方法として、絶縁表面を有する基板上に成膜したアモルファスシリコン膜の表面に、該アモルファスシリコン膜の結晶化を促進する触媒元素を添加し、次いで、前記アモルファスシリコン膜を結晶化する結晶化処理を行って、結晶性シリコン膜を得、しかる後、前記イオンドーピング装置を用いて、前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域中の前記触媒元素をゲッタリングするための不純物イオンを、該結晶性シリコン膜においてソース領域およびドレイン領域となる領域に注入するようにすることができる。

また、上記の半導体装置製造方法において、前記アモルファスシリコン膜の膜厚を、２５〜８０ｎｍとすることができる。

また、同じく上記半導体装置の製造方法において、前記触媒元素として、ニッケル，コバルト，パラジウム，白金，銅，銀，金，インジウム，錫，アルミニウムおよびアンチモンのうち一種又は複数種の元素を用いることができるが、前記触媒元素として、少なくともニッケルを用いることが好ましい。

また、上記半導体装置の製造方法において、前記結晶化処理として、加熱炉内での熱処理，ランプアニールおよびレーザ照射のうちの少なくとも２つを組み合わせて順次行うようにすることができる。

また、上記半導体製造装置の製造方法において、前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域中の前記触媒元素の濃度を、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下にすることができる。

また、上記半導体装置の製造方法において、前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域に、ボロンイオンを注入することもできる。

本発明によれば、イオンビームの一部を受容するファラデーカップにより該イオンビームのビーム電流密度を検出するようにしたファラデーカップ装置において、ファラデーカップの受容面に半導体薄膜を設け、この半導体薄膜の温度を変更して該半導体薄膜の導電性を変化させることによりファラデーカップの検出感度を変更することができる。

よって、このファラデーカップ装置を備えたイオンドーピング装置では、ビーム電流密度の設定値を変更しなくても、ビーム電流密度の実際値を変更することができるので、稼働率を低下させることなくドーズ量を微調整することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。

図２は、本発明の実施形態に係るイオンドーピング装置の全体構成を模式的に示しており、このイオンドーピング装置は、液晶表示装置のアクティブマトリックス基板における画素用ＴＦＴの製造過程において使用される。尚、基板には、実際には数十万個の画素用ＴＦＴが存在するが、ここでは、１個のＴＦＴに簡略化して説明する。

本イオンドーピング装置は、イオンを発生するイオン源１０と、このイオン源１０で発生したイオンをイオンビームに形成するビーム形成部２０と、このビーム形成部２０からのイオンビームがターゲットＴに照射されるように該ターゲットＴを保持するための処理室３０とを備えている。

イオン源１０は、プラズマを生成するプラズマ生成室１１を有する。このプラズマ生成室１１には、該プラズマ生成室１１内にドーピングガスを導入するガス導入部（図示せず）と、各々、プラズマ生成室１１内に熱電子を放出する複数本（本実施形態では、４本）のフィラメント１２が設けられており、これらフィラメント１２には、該フィラメント１２に電力を供給する電源部１３が連設されている。そして、各フィラメント１２に対する給電量に応じて各フィラメント１２が熱電子（アーク電流）を放出し、その熱電子がドーピングガスの分子に衝突することで、プラズマ発生室１１内にプラズマを発生させるようになっている。

ビーム形成部２０は、プラズマ発生室１１で発生したプラズマからイオンを引き出すための引出電極２１と、この引出電極２１により引き出されたイオンを処理室３０側に向けて加速する加速電極２２と、この加速電極２２により加速されたイオンを必要に応じて減速する減速電極２３とを有する。

処理室３０内には、該処理室３０内に保持されたターゲットＴにイオンビームが照射されているときに該イオンビームのビーム電流密度を検出する制御用ファラデーカップ３１が設けられている。この制御用ファラデーカップ３１は、有底筒状をなしていて、開口がビーム形成部側に向けられた状態に配置されている。また、制御用ファラデーカップ３１の内面は、イオンビームの一部を受容する受容面とされており、この受容面に照射されたイオンビームのビーム電流密度を検出するようになっている。本実施形態では、この制御用ファラデーカップ３１により、本発明におけるファラデーカップが構成されている。

さらに、処理室３０内には、制御用ファラデーカップ３１に加え、数ロット毎にイオンビームのプロファイル（均一性など）を測定するための複数のプロファイル用ファラデーカップ３５が設けられている。これらプロファイル用ファラデーカップ３５は、ターゲットＴが処理室３０内に保持された状態のときに該ターゲットＴによりイオンビームが遮られる位置に配置されている。

また、上記のイオンドーピング装置は、制御用ファラデーカップ３１の検出信号に基づいて、イオンビームのビーム電流密度の実際値Ｊが設定値Ｊｙになる（Ｊ＝Ｊｙ）ように電源部１３を制御する制御部４０を備えている。この制御部４０には、イオン注入に先だって、目標ドープ量および該目標ドープ量を得るためのビーム電流密度の基準値Ｊｚなどを設定する条件（レシピ）が書き込まれるようになっている。つまり、例えばビーム電流密度については、一般には、基準値Ｊｚが設定値Ｊｙ（Ｊｚ＝Ｊｙ）とされる。

そして、本実施形態では、図１の拡大断面図に模式的に示すように、制御用ファラデーカップ３１の受容面には、温度により導電性を変化させる半導体薄膜３２が設けられている。また、半導体薄膜３２の導電性が変化するように該半導体薄膜の温度を変更する冷却部３３および加熱部３４を備えており、これら冷却部３３および加熱部３４により、本発明における温度変更手段が構成されている。

半導体薄膜３２の材料としては、特に限定はなく、一般的な半導体材料ならば、何でも構わないが、コストを考えると、できるだけ廉価な材料が好ましい。また、バンドギャップが小さいと低温でも高い導電性を示し、温度制御範囲が狭くなるので、バンドギャップが大きく、比較的絶縁性の高い半導体が好ましい。最も好ましい材料は、注入によるデポジットを考慮すると、プラズマ発生のためのドーピングガス成分を含有する材料が好ましい。例えば、リンイオンの場合にはリン化合物（ＰｘＨｙＯｚ），ボロンイオンの場合にはボロン化合物（ＢｘＨｙＯｚ）が好ましい。

冷却部３３は、例えば冷却水により制御用ファラデーカップ３１を冷却するように設けられていて、この制御用ファラデーカップ３１の冷却により半導体薄膜３２の温度を低温側に変更するようになっている。一方、加熱部４４は、例えば抵抗発熱型ヒータや熱電対などの発熱部材により制御用ファラデーカップ３１を加熱するように設けられていて、この制御用ファラデーカップ３１を加熱することで半導体薄膜３２の温度を高温側に変更するようになっている。

これらにより、半導体薄膜３２の温度が低下したときには、半導体薄膜３２の導電性が低くなるので、制御用ファラデーカップ３１の検出感度が下がり、一方、半導体薄膜３２の温度Ｔが上昇したときには、半導体薄膜３２の導電性が高くなって金属伝導に近くなるので、制御用ファラデーカップ３１の検出感度が回復する。したがって、ビーム電流密度の設定値Ｊｙを基準値Ｊｚよりも高く（Ｊｙ＞Ｊｚ）設定するとともに、ビーム電流密度の実際値Ｊが基準値Ｊｚになる（Ｊ＝Ｊｚ）ように半導体薄膜３２の温度Ｔを設定しておけば、半導体薄膜３２の温度Ｔをその設定温度よりも高くすることで、ビーム電流密度の実際値Ｊが基準値Ｊｚよりも低くなり、よって、単位時間当りのドーズ量は、単位時間当りドーズ量の基準値よりも減る方向に変化し、一方、半導体薄膜３２の温度Ｔを設定温度よりも低くすることで、ビーム電流密度の実際値Ｊが基準値Ｊｚよりも高く（Ｊ＞Ｊｚ）なり、よって、単位時間当りのドーズ量は、ドーズ量の目標値に対応する単位時間当りドーズ量の基準値よりも増える方向に変化することとなる。

ここで、半導体薄膜３２の温度Ｔを変更しつつビーム電流密度の実際値Ｊを変化させて、各温度Ｔにおいてビーム電流密度の検出値Ｊｘが、Ｊｘ＝０．１μＡ／ｃｍ^２ になる実際値Ｊを調べた結果を、図３の特性図に示す。この特性図から、半導体薄膜３２の温度ＴがＴ＝１５０℃であるときにビーム電流密度の実際値Ｊを、Ｊ＝０．３μＡ／ｃｍ^２ にすることで、ビーム電流密度の検出値Ｊｘが、Ｊｘ＝０．１μＡ／ｃｍ^２ になることが判る。そこで、イオン注入時のビーム電流密度の基準値Ｊｚが、Ｊｚ＝０．１μＡ／ｃｍ^２ である場合に、イオンドーピング装置の初期設定として、半導体薄膜３２の温度ＴをＴ＝１５０℃に設定するとともに、ビーム電流密度の設定値Ｊｙを、Ｊｙ＝０．３μＡ／ｃｍ^２ としてイオン注入を行った。

このとき、制御用ファラデーカップ３１によるビーム電流密度の検出値Ｊｘは、基準値Ｊｚと同じ（Ｊｘ＝Ｊｚ＝０．１μＡ／ｃｍ^２ ）であるので、イオンドーピング装置では、状況の変化がなければ、安定したビーム電流密度でもって基準値Ｊｚどおりのドーズ量の分だけのイオン注入が行われることとなる。

そして、状況の変化により、単位時間当りのドーズ量を増える方向に微調整するときには、半導体薄膜３２の温度を下げる。これにより、半導体薄膜３２の導電性が低下して制御用ファラデーカップ３１の検出感度が低下するので、ビーム電流密度の実際値Ｊに変化がないにも拘わらず、その検出値Ｊｘは設定値Ｊｙよりも低く（Ｊｘ＜Ｊｙ）なる。これに伴い、制御部４０では、検出値Ｊｘが設定値Ｊｙになるように電源部を制御する。この結果、イオン電流密度の実際値Ｊが高くなるので、半導体薄膜３２の導電性が低下していて制御用ファラデーカップ３１の検出感度が低下しているにも拘わらず、制御用ファラデーカップ３１によるビーム電流密度の検出値Ｊｘは高くなり、これに伴い、単位時間当りのドーズ量が増えることとなる。このようにビーム電流密度の実際値Ｊを高くする制御は、検出値Ｊｘが設定値Ｊｙに等しくなるまで継続され、等しくなった時点からは、ビーム電流密度の実際値Ｊは高い状態で一定になる。

一方、状況の変化により、単位時間当りのドーズ量を減る方向に微調整するときには、半導体薄膜３２の温度Ｔを上げる。これにより、半導体薄膜３２の導電性が高くなって制御用ファラデーカップ３１の検出感度が回復するので、ビーム電流密度の実際値Ｊに変化がないにも拘わらず、その検出値Ｊｘは設定値Ｊｙよりも高く（Ｊｘ＞Ｊｙ）なる。これに伴い、制御部４０では、検出値Ｊｘが設定値Ｊｙになるように電源部１３を制御する。この結果、イオン電流密度の実際値Ｊが低くなるので、半導体薄膜３２の導電性が高くて制御用ファラデーカップ３１の検出感度が回復しているにも拘わらず、制御用ファラデーカップ３１によるビーム電流密度の検出値Ｊｘは低くなり、これに伴い、単位時間当りのドーズ量が減ることとなる。このようにビーム電流密度の実際値Ｊを低くする制御は、検出値Ｊｘが設定値Ｊｙに等しくなるまで継続され、等しくなった時点からは、ビーム電流密度の実際値Ｊは低い状態で一定になる。

以上のようにして、単位時間当りのドーズ量を微調整することができるので、状況の変化に拘わらず、イオンドーピング装置の作動を継続したまま、基準となるドーズ量の分だけイオン注入することができるようになる。

次に、アクティブマトリックス基板の画素電極用ＴＦＴを製造するに当り、薄膜状のシリコン半導体として、非晶質シリコン膜を成膜し、これに、非晶質シリコン膜の結晶化を促進する触媒元素を添加した上で結晶化処理を行うとともに、得られた結晶質シリコン膜においてＴＦＴのチャネル領域となる領域中の前記触媒元素をゲッタリングする（特開平６−３３３８２４号公報，特開平６−３３３８２５号公報，特開平８−２３６４７１号公報，特開平８−３３０６０２号公報参照）などのために、上記のイオンドーピング装置を用いてイオンを注入するようにしたＴＦＴの製造方法について説明する。

図４（ａ）〜（ｅ）の断面図は、本実施形態におけるＮ型ＴＦＴの製造工程を工程順に示したものである。アクティブマトリックス基板は実際には数十万個以上のＴＦＴを有するのであるが、本実施形態においては１個のＴＦＴに簡略化して説明する。

まず、ガラス基板などの絶縁性基板１０１上にプラズマＣＶＤ法によって厚さが１〜２０ｎｍの酸化シリコンによる下地膜１０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さが２５〜８０ｎｍ（例えば、４０ｎｍ）の真性非晶質シリコン膜Ｓを成膜する。尚、非晶質シリコン膜Ｓの膜厚が２５ｎｍ未満であると、後述する触媒元素の導入によっても十分な結晶成長が得られない。一方、膜厚が８０ｎｍを超えると、二層の柱状結晶構造となり、結晶性の悪化や前記触媒元素の残留などの問題を招くことになる。

次に、図４（ａ）に示すように、非晶質シリコン膜Ｓに対し、スパッタリング法によって、表面濃度がｌ×ｌ０^１３〜ｌ×ｌ０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２ （例えば、７×ｌ０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２ ）になるように、触媒元素としてのニッケルＮｉを添加する。ところで、一般に、結晶化を促進する触媒元素（ニッケルの他、コバルト，パラジウム，白金，銅，銀，金，インジウム，錫，アルミニウム，アンチモンなど）は、シリサイド化することによって非晶質シリコンの結晶成長を促進する。したがって、触媒元素としてニッケルを用いた場合には、このニッケルのシリサイド化合物であるＮｉＳｉ_２ の結晶構造が、種々の触媒元素のシリサイド化合物中では最も単結晶シリコンの結晶構造に類似しており、その格子定数も結晶シリコンの格子定数に非常に近いことから、上記ＮｉＳｉ_２ は非晶質シリコンの結晶化に好適な鋳型として作用する。よって、触媒元素としてニッケルを用いるようにすることで、上記非晶質シリコン膜Ｓの結晶化が大いに促進される。

そうした後、不活性雰囲気下で５４０〜６２０℃で数時間の加熱処理を施す。この加熱処理により、非晶質シリコン膜Ｓの結晶化が或る程度進行する。本実施形態においては、窒素雰囲気下で５８０℃にて１時間の熱処理を行った。つまり、本実施形態では、結晶化のための加熱温度が６００℃以下で済むので、絶縁性基板として比較的廉価なガラス基板を使用することができ、かつ、その加熱時間が１時間で済むので、スループットにも優れる。尚、Ｎｉの添加方法はスパッタリング法に限定されるものではなく、例えば、Ｎｉ化合物からなる塗布液を用いて塗布膜を形成することで添加するようにしてもよい。

続いて、図４（ｂ）に示すように、レーザ照射によって非晶質シリコン膜Ｓの結晶化を更に進行させ、このことで、非晶質シリコン膜Ｓは結晶質シリコン膜Ｓ´になる。このように、触媒元素の導入された非晶質シリコン膜Ｓの結晶化処理として、５８０℃でかつ１時間の熱処理とレーザ照射とを組み合わせて順に行うようにしたので、非晶質シリコン膜Ｓを十分に結晶化させることができ、よって、トランジスタ特性を飛躍的に向上させることができる。尚、レーザ光としては、本実施形態では、波長が２４８ｎｍ，パルス幅が２０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザを用いるが、他のレーザであっても差し支えない。レーザ光の照射条件としては、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ^２ （例えば、２５０ｍＪ／ｃｍ^２ ）とし、一箇所につき２〜１０ショット（例えば、２ショット）とする。このレーザ光の照射時に基板１０１を２００〜４５０℃程度に加熱することは有用である。

その後、不要な部分の結晶質シリコン膜Ｓ´を除去して素子間分離を行い、後にそれぞれＴＦＴの領域となる多数の素子形成領域１０３を島状に形成する。本アクティブマトリックス基板の場合には、素子形成領域１０３はマトリックス状に配置されることになる。その後、ゲート絶縁膜１０４として、プラズマＣＶＤ法によって厚さが５０〜２５０ｎｍ（例えば、１５０ｎｍ）の酸化シリコン膜を成膜する。

ここで、ＴＦＴの閾値電圧に対する制御性を高めるべく、上記のイオンドーピング装置を用いて、図４（ｃ）に示すように、結晶質シリコン膜Ｓ´に対し、ドーピングガスとしてジボラン（Ｂ_２ Ｈ_６ ）を用い、低濃度のボロンイオンドーピングを行なう。このイオンドーピング装置では、ターゲットＴに照射されるイオンビームのビーム電流密度を制御用ファラデーカップ３１で検出する際、半導体薄膜３２の温度制御を行って該半導体薄膜３２の導電性を変化させることにより制御用ファラデーカップ３１の検出感度を変化させ、このことで、ボロンイオンのドーズ量を微調整する。すなわち、ドーズ量を増える方向に微調整するときには、半導体薄膜３２の温度を高くして該半導体薄膜３２の導電性を低くすることにより制御用ファラデーカップ３１の検出感度を下げる。その結果、制御部４０により実際のビーム電流密度が大きくなるように電源部１３が制御されるので、ドーズ量は増加する。一方、ドーズ量を減る方向に微調整するときには、半導体薄膜３２の温度を低くして該半導体薄膜３２の導電性を高くすることにより制御用ファラデーカップ３１の検出感度を上げる。その結果、制御部４０により実際のビーム電流密度が小さくなるように電源部１３が制御されるので、ドーズ量は減少する。このようにして、Ｂ_２ Ｈｘ^＋ ，ＢＨｘ^＋ ，Ｈｘ^＋ の比率を一定に制御することにより、チャネル領域のゲート絶縁膜と結晶室シリコン膜との間の界面付近のシリコン中のボロン濃度が一定となる。因みに、本実施形態では、チャネル領域となる領域におけるボロン濃度の設定値に対するばらつき（３×標準偏差／平均値）を、５％以下に抑えることができ、よって、設定される閾値電圧のばらつき（３×標準偏差／平均値）も５％以内で制御可能であった。

引き続いて、スパッタリング法によって、厚さが１０〜１００ｎｍ（例えば、６０ｎｍ）の窒化タンタル膜ＴａＮと、厚さが１００〜５００ｎｍ（例えば、３００ｎｍ）のタングステン膜Ｔとを順に成膜する。そして、このＴ／ＴａＮ膜をパターニングして、図４（ｄ）に示すように、ゲート電極１０５および該ゲート電極１０５に接続する図外の配線を形成する。

次に、ＴＦＴのチャネル領域となる領域中の前記触媒元素をゲッタリングすべく、再びイオンドーピング装置を用い、素子形成領域１０３に対し、今度は、ゲート電極１０５をマスクとして、リンイオンを注入する。ドーピングガスとしては、例えば、フォスフィンＰＨ_３ を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ（例えば、８０ｋＶ）とし、ドーズ量は１×１０^１５〜８×１０^１５ｃｍ^−２（例えば、２×１０^１５ｃｍ^−２）とする。このとき、ボロンイオンドーピングのときと同様に、アーク電流を一定とする。具体的には、１本のフィラメント１２から出るアーク電流を４００〜５００ｍＡ（例えば、４５０ｍＡ）に設定し、イオンドーピングを行なう。尚、リンイオンの注入された領域におけるリン濃度の設定値に対するばらつき（３×標準偏差／平均値）は、５％以下であった。この工程により、素子形成領域１０３のうち、リンイオンが注入されてなる２つのＮ型の不純物領域１０６，１０８は、それぞれ、後にＴＦＴのソース領域およびドレイン領域となり、ゲート電極１０５にマスクされていることでリンイオンが注入されなかった非不純物領域１０７は、後にＴＦＴのチャネル領域となる。尚、Ｎ型ＴＦＴとＰ型ＴＦＴとが相補型に構成される回路を作製する場合には、例えばリンイオンおよびボロンイオンを用い、これらを選択的にドーピングすることで、リンイオンによるＮ型の不純物領域と、ボロンイオンによるＰ型の不純物領域とに作り分けることができる。

ところで、上記リンイオンの注入の際に、ドーズ量が少なく振れた場合には、ドーズ不足による高抵抗化や、ゲッタリング不足によるＴＦＴの動作不良が起こる一方、ドーズ量が多く振れた場合には、ドーズ過剰で結晶化したシリコンの結晶状態の破壊が起こって非晶質化するために抵抗が非常に高くなる。これに対し、本実施形態では、画素用ＴＦＴのソース・ドレイン抵抗を決めるリンイオンドーズ量を、一定のイオン種比率に保ったまま正確に制御することができるので、それらの問題を全て回避することができる。

次に、リーク電流の増大や特性劣化などを抑えるべく、非不純物領域１０７中のニッケルの濃度が１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下になるように、５５０℃の窒素雰囲気中で４時間加熱処理を行ない、注入した不純物イオンの活性化を行なう。続いて、図４（ｅ）に示すように、層間絶縁膜１０９として厚さが６００ｎｍの酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法によって形成し、これにコンタクトホールを形成した後、複数種類の金属材料（例えば、窒化チタンおよびアルミニウム）からなる多層膜によって、ＴＦＴのソース電極１１０および該ソース配線１１０に接続する図外の配線を形成する。さらに、ＩＴＯによりドレイン電極１１１および該ドレイン電極１１１に接続する図外の画素電極を形成する。そして最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃、３０分の加熱処理を行うことで、アクティブマトリクス基板の画素用ＴＦＴが完成することとなる。

したがって、本実施形態によれば、制御用ファラデーカップ３１により検出されるビーム電流密度に基づいて、ビーム電流密度の検出値Ｊｘが設定値Ｊｚになるように制御部４０により電源部１３を制御するようにしたイオンドーピング装置において、制御用ファラデーカップ３１の受容面に半導体薄膜３２を設け、この半導体薄膜３２の温度を加熱部３３および冷却部３４により変更して該半導体薄膜３２の導電性を変化させることにより、制御用ファラデーカップ３１の検出感度を変更することができるので、イオンドーピング装置の作動停止を伴う条件（レシピ）の書換えや変更を行わなくても、ビーム電流密度の実際値Ｊを変更してドーズ量の微調整を行うことができ、よって、状況の変化に拘わらず、作業ロスを招くことなく、注入量の精度を高めることができる。

そして、アクティブマトリクス基板の画素用ＴＦＴを製造する際に、上記のイオンドーピング装置を用い、非晶質シリコン膜Ｓにその結晶化を促進すべく添加したニッケルをゲッタリングするとともに、ソース領域１０６およびドレイン領域１０８を形成するためのリンイオンの注入と、チャネル領域１０７における閾値電圧に対する制御性を向上させるための低濃度ボロンイオンの注入とを行うようにしたので、ソース・ドレイン領域間の抵抗，ゲッタリング能力，閾値電圧，信頼性，均一性（特性の均質性）および歩留りなどを向上させることができる結果、量産性に適し、低コストでありながら、高速特性に優れた大形で高解像度の液晶表示装置の製造に寄与することができる。

尚、上記の実施形態では、アクティブマトリクス型液晶表示装置における画素用ＴＦＴの製造過程におけるイオン注入の場合について説明しているが、本発明は、アクティブマトリクス型液晶表示装置のドライバ回路や画素部分は勿論のこと、高速でかつ高解像度の密着型イメージセンサや、三次元ＩＣなどの種々の装置において薄膜集積回路を構成する半導体装置の製造過程におけるイオン注入に適用することができる。

本発明の実施形態に係るイオンドーピング装置に備えられた制御用ファラデー装置の全体構成を模式的に示す断面図である。 イオンドーピング装置の全体構成を模式的に示すブロック図である。 制御用ファラデーカップによるビーム電流密度の検出値を一定にする半導体薄膜の温度とビーム電流密度の実際値との相関を示す特性図である。 液晶表示装置のアクティブマトリクス基板上に画素用ＴＦＴを製造する工程を段階的に示す断面図である。

１０ イオン源
２０ ビーム形成部（ビーム形成手段）
３０ 処理室
３１ 制御用ファラデーカップ（ファラデーカップ）
３２ 半導体薄膜
３３ 加熱部（温度変更手段）
３４ 冷却部（温度変更手段）
４０ 制御部（制御手段）
１０１ 絶縁性基板（基板）
１０６ ソース領域
１０７ チャネル領域
１０８ ドレイン領域
Ｓ 非晶質シリコン膜（アモルファスシリコン膜）
Ｓ´ 結晶質シリコン膜（結晶性シリコン膜）

Claims (10)

1. イオンビームを受容する受容面を有し、該受容面に照射されたイオンビームのビーム電流密度を検出するファラデーカップを備えたファラデーカップ装置であって、
   前記受容面に設けられ、温度により導電性を変化させる半導体薄膜と、
   前記半導体薄膜の導電性が変化するように該半導体薄膜の温度を変更する温度変更手段とを備えていることを特徴とするファラデーカップ装置。
2. 請求項１に記載のファラデーカップ装置において、
   前記温度変更手段は、前記ファラデーカップの温度を変更するように設けられていて、該ファラデーカップの温度を変更することで前記半導体薄膜の温度を変更するように構成されていることを特徴とするファラデーカップ装置。
3. 請求項１に記載のファラデーカップ装置を備えたイオンドーピング装置であって、
   イオンを発生するイオン源と、
   前記イオン源で発生したイオンをイオンビームに形成するビーム形成手段と、
   前記ビーム形成手段により形成されたイオンビームが照射されるターゲットを収容するための処理室と、
   前記ファラデーカップ装置により検出されるビーム電流密度の値が、予め設定された値になるように前記イオン源を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするイオンドーピング装置。
4. 請求項３に記載のイオンドーピング装置を用いた半導体装置の製造方法であって、
   絶縁表面を有する基板上に成膜したアモルファスシリコン膜の表面に、該アモルファスシリコン膜の結晶化を促進する触媒元素を添加し、
   次いで、前記アモルファスシリコン膜を結晶化する結晶化処理を行って、結晶性シリコン膜を得、
   しかる後、前記イオンドーピング装置を用いて、前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域中の前記触媒元素をゲッタリングするための不純物イオンを、該結晶性シリコン膜においてソース領域およびドレイン領域となる領域に注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記アモルファスシリコン膜の膜厚を、２５〜８０ｎｍとすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
6. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記触媒元素として、ニッケル，コバルト，パラジウム，白金，銅，銀，金，インジウム，錫，アルミニウムおよびアンチモンのうち一種又は複数種の元素を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
7. 請求項６に記載の半導体装置において、
   前記触媒元素として、少なくともニッケルを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
8. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記結晶化処理を、加熱炉内での熱処理，ランプアニールおよびレーザ照射のうちの少なくとも２つを組み合わせて順次行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
9. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
   前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域中の前記触媒元素の濃度を、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３ 以下にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
10. 請求項４に記載の半導体装置の製造方法において、
    前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域に、ボロンイオンを注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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