JP4634569B2 - イオン注入装置及び薄膜半導体装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の物質をプラズマ中で励起してイオンを発生させるプラズマ室と、イオンビームを試料に衝突させて試料に前記物質を注入する処理室とを有するイオン注入装置、及びこのイオン注入装置を用いて作成された薄膜半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、多結晶シリコン（以下、ポリシリコンと言う）や非晶質シリコン（以下、アモルファスシリコンと言う）が薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴとも言う）を使用するアクティブマトリクス型の液晶表示装置に盛んに利用されるようになってきた。このうち、ポリシリコンはアモルファスシリコンよりも高性能の移動度を有し、かつ、６００℃以下で作成することを要求されるガラス基板上に回路を作り込むことが可能であるため、アモルファスシリコンよりもその応用は盛んである。
【０００３】
例えば、ポリシリコンは、液晶表示装置の表示部である画素部スイッチング素子としての応用を始め、さらに、画素スイッチング素子を動作させるための、主にＣＭＯＳトランジスタで構成される駆動回路への応用も研究されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ポリシリコンＴＦＴの製造においてはイオン注入装置による数回に亘る不純物の注入工程が存在する。これらの注入工程で発生したり内壁に付着したりするパーティクルがデバイスに取り込まれると、特性劣化や配線不良を引き起こし、完成後の液晶表示装置の輝点欠不良、滅点欠不良、線欠不良等を引き起こしていた。このため、歩留まりが悪化し、生産性を著しく低下させることがあった。
【０００５】
このような、イオン注入装置に起因する不良は、ポリシリコンＴＦＴが液晶表示装置に使用されるようになって初めて分かってきた。また、イオンビームがライン状に発生するイオン注入装置は、従来、液晶表示素子の生産用には使用されておらず、上記の不良は初めて観測された現象でもある。
【０００６】
上述したように、イオンビームがライン状に発生するイオン注入装置では、プラズマ室にてイオンを発生させ、このイオンを試料に注入する。パーティクルはこのプラズマ反応時に気相中で化学反応を進行させた結果発生するパウダー（粉）状パーティクルと、一旦、膜状になって装置の内壁などに堆積したのちに剥がれてできるフレーク状パーティクルとがある。ライン状ビームのイオン注入装置ではイオン密度が非常に高いため、発生したパーティクルが帯電し、試料に注入されるという現象が起きる。特に、Ｂ₂Ｈ₆（ジボラン）ガスを使用した場合、その現象は顕著であった。
【０００７】
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、第１の目的は試料に注入されるパーティクルを低く抑制することのできるイオン注入装置を提供するにある。
【０００８】
本発明の第２の目的は、生産性を高め、かつ、スイッチング特性に優れた薄膜半導体装置を提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、
所定の物質をプラズマ中で励起してイオンを発生させるプラズマ室と、イオンビームを試料に衝突させて試料にイオンを注入する処理室とを有するイオン注入装置において、
所定の物質としてＢ₂Ｈ₆ガスを主体とし、このＢ₂Ｈ₆ガスがＨ₂，Ｎ₂，Ａｒ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｆ₂，Ｏ₂のうちのいずれか１種類又は複数種類のガスで希釈し、かつ、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度を１乃至４０％の範囲から選択してプラズマ室に供給する希釈ガス供給手段と、
プラズマ室及び処理室でなるチャンバーの真空度が２×１０^-4Ｔｏｒｒ以上に保持されることを条件として、希釈ガスの流量を５乃至４０ｓｃｃｍの範囲から選択し、チャンバー内に発生するパーティクル数を制御することが可能なガス流量選択手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
一般に、イオン注入装置は、イオン源系、引出し及び加速系、並びに試料系及び真空系等の要素から構成されている。図１は本発明に係るイオン注入装置の概略構成図であり、イオン注入装置１はイオン源系としてのプラズマ室２と、引出し及び加速系を構成する引出し電極７、抑制電極８、グランド電極９と、試料系を構成するビームラインカーボン１０ａ，１０ｂ、固定ファラデー１１とを備えている。このイオン注入装置はホロカソード型と呼ばれるもので、説明の都合上、プラズマ室２以外の各構成要素の収容空間を処理室６と称することとする。
【００１２】
ここで、プラズマ室２はアンテナとも称される３個の高周波コイル（図では１個のみを示した）３を内蔵し、気中放電を利用して気体である物質のイオンを作るものである。この高周波コイル３に対向する部位に多数の開口が列状に、かつ、複数列形成されてなるプラズマ電極４が設けられ、このプラズマ電極４がプラズマ室２と処理室６との仕切りになっている。なお、プラズマ室２はプラズマ密度を高めるために永久磁石で覆う場合もある。そして、プラズマ室２の内部には、例えば、エアーシリンダで駆動することによりプラズマ電極４の開口面積を複数種類に変化させるように開口列数を変えることのできる開口面積可変手段としての上部シャッター５ａ及び下部シャッター５ｂが設けられている。
【００１３】
引出し電極７はプラズマ電極４の外側に配置され、プラズマ室２内のイオンを引き出すもので、抑制電極８は試料としてのガラス基板１２の表面に叩き付けられて発生する２次電子の逆流を抑制するものであり、グランド電極９は引出し電極７との相互作用にてイオンを加速するものである。また、ビームラインカーボン１０ａ，１０ｂはビームラインを保護するものであり、固定ファラデー１１はビーム電流量を測定するものである。
図２は図１に示したイオン注入装置の主要部の概略構成図であり、図中、図１と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。ここで、プラズマ室２から引き出され、さらに、加速されたイオンビーム２０が、真空搬送ロボット２２によって矢印Ｘ方向に往復駆動されるガラス基板１２に叩きつけられる。また、プラズマ室２とは反対側の処理室６の外側にガラス基板を待機させるロードロック室２１が設けられ、さらに、プラズマ室２及び処理室６の内部空気を排除し、所定の真空度を保持するように、真空系としてのターボポンプ２３及びこれに接続されたドライポンプ２４を備えている。
【００１４】
また、プラズマ室２に対するガス導入経路に、Ｂ₂Ｈ₆ガスを主体とし、このＢ₂Ｈ₆ガスをＨ₂，Ｎ₂，Ａｒ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｆ₂，Ｏ₂のうちのいずれか１種類又は複数種類のガスで希釈し、かつ、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度を１乃至４０％の範囲から選択してプラズマ室２に供給する希釈ガス供給手段３１と、プラズマ室２及び処理室６でなるチャンバーの真空度が２×１０^-4Ｔｏｒｒ以上に保持されることを条件として、希釈ガスの流量を５乃至４０ｓｃｃｍの範囲から、チャンバー内に発生するパーティクル数が最小になる値を外部から選択することが可能なガス流量選択手段３２とを備えている。
【００１５】
上記のように構成されたイオン注入装置におけるイオンビームの発生方法の一例を以下に説明する。
【００１６】
希釈ガス供給手段３１によりＢ₂Ｈ₆ガスをＨ₂，Ｎ₂，Ａｒ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｆ₂，Ｏ₂のうちのいずれか１種類又は複数種類のガスで希釈し、濃度が２０％のＢ₂Ｈ₆ガスをプラズマ室２に導入する。このとき、ガス流量選択手段３２によってチャンバー内の分圧が２×１０^-4Ｔｏｒｒ以下になるように、予め実験によって定めた値にガス流量を選択する。また、図示省略の高周波電源により３個の高周波コイル３にそれぞれ１３．５６ＭＨｚ，５０Ｗの電力を投入し、誘導プラズマを発生させて原料ガスをイオン種に分解する。この状態で引出し電極７に３ｋＶの電圧を供給してイオン種を引き出す。さらに、引出し電極７とグランド電極９との間に７７ｋＶの電圧を印加してイオンを加速する。このとき、抑制電極８にはマイナスの電圧が印加されるようになっており、例えば、−４ｋＶの電圧を印加し、試料であるガラス基板１２で発生した２次電子の飛来を防止する。
【００１７】
こうして、ライン状のビームを形成し、ガラス基板１２にイオン注入を行う。
この実施形態に係るプラズマ室２の容量は１０５Ｌ程度で、チャンバーと併せた全容量は約１８００Ｌである。このイオン注入装置を利用してガラス基板１２にイオン注入する度毎にパーティクルの発生数を調べたところ図３に示すパーティクルの各種パラメータ依存性のデータが得られた。
【００１８】
図３の下部は真空系によりチャンバーの真空度を１×１０^-4以上の状態を保持しながら希釈ガスの流量を４０ｓｃｃｍとして、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度を１０％，２０％，３０％，４０％の４種類に変化させたとき、粒径が１μｍ以下のパーティクル数が概略７０，２３０，５００，５３０個であったことを示している。なお、図中の斜線部は粒径によって大、中、小に分けた「小」のパーティクルを表し、白枠の部分が「大」及び「中」を併せたパーティクルを表している。これらの関係から明らかなように、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度を下げるほどパーティクル数は減少することが分かる。従って、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度は一般に使用される１乃至４０％の範囲で、生産性等他の条件を考慮してパーティクルの発生数が最小になるように濃度を選定することができる。
【００１９】
一方、図３の上部は真空系によりチャンバーの真空度を１×１０^-4以上の状態を保持しながらＢ₂Ｈ₆ガスの濃度を４０％として、ガス流量を２０ｓｃｃｍ，４０ｓｃｃｍ，６０ｓｃｃｍの３種類に変化させたとき、粒径が１μｍ以下のパーティクル数が概略１６０，５２０，８２０であったことを示している。従って、希釈ガスの流量を少なくするほどパーティクル数は減少することが分かる。従って、希釈ガスの流量は一般に使用される５乃至４０ｓｃｃｍの範囲から、チャンバー内に発生するパーティクル数が最小になるように流量を選定することができる。
【００２０】
かくして、希釈ガス供給手段３１がＢ₂Ｈ₆ガスを主体とし、このＢ₂Ｈ₆ガスがＨ₂，Ｎ₂，Ａｒ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｆ₂，Ｏ₂のうちのいずれか１種類又は複数種類のガスで希釈し、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度を１乃至４０％の範囲から選択してプラズマ室２に供給するとき、ガス流量選択手段３２によってチャンバーの真空度が２×１０^-4Ｔｏｒｒ以上に保持されることを条件として、希釈ガスの流量を５乃至４０ｓｃｃｍの範囲から、パーティクルの発生数が最小になる値を外部から選択することにより、試料に注入されるパーティクルを低く抑制することができる。
【００２１】
また、この実施形態に示したイオン注入装置を使用すれば生産性を高め、かつ、スイッチング特性に優れた薄膜半導体装置が得られる。
【００２２】
さらに、この薄膜半導体装置を使用して液晶表示装置を作製することにより、輝点欠不良、滅点欠不良、線欠不良等を引き起こし難いものが得られる。
【００２３】
以上、パーティクルの発生を抑制するイオン注入装置について説明したが、このイオン注入装置を用いて薄膜トランジスタを製造する方法について、図４乃至図７を参照して以下に説明する。
【００２４】
先ず、図４（ａ）に示すように、無アルカリガラス基板１０１上に酸化シリコン膜１０２とアモルファスシリコン１０３をＣＶＤ法によって成膜する。続いて、アモルファスシリコン１０３中のＨ（水素）量を減らすために、Ｎ₂（窒素）ガス中でアニールを行う。次に、図４（ｂ）に示すように、イオン注入装置を用いてＢ₂Ｈx+（水素化ボロン）中のＢ（ボロン）を１×１０¹²／ｃｍ²のドーズ量でアモルファスシリコン１０３に注入する。このＢ（ボロン）はｎチャネル及びｐチャネルのＴＦＴの閾値Ｖthを変え、ＣＭＯＳ回路の動作が可能な値にするものである。次に、図４（ｃ）に示すように、エキシマレーザＥＬＡを用いてアモルファスシリコン１０３を瞬時溶融させ、ポリシリコン層１０４を成長させる。次に、ポリシリコン層１０４をＣＤＥ（Chemical Dry Etching）法によりパターニングすることにより、図４（ｄ）に示すように、ｎ型ＴＦＴ用のポリシリコン層の島１０４ｎと、 ｐ型ＴＦＴ用のポリシリコン層の島１０４ｐとを形成する。
【００２５】
次に、図５（ａ）に示すように、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて全面にゲート酸化膜１０５を堆積する。続いて、図５（ｂ）に示すように、スパッタリングによって全面に金属膜を形成した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により金属膜をパターニングすることによって、ゲート電極１０８ｎ，１０８ｐを形成する。さらに、レジスト１０９を塗布した後、ＰＥＰ（Photo Engraving Process）でｎ型ＴＦＴの上部全体を被覆する。そして、Ｂ₂Ｈx+（水素化ボロン）中のＢ（ボロン）を、例えば、ドーズ量５×１０¹⁴／ｃｍ²、加速電圧８０ｋｅＶにて注入することにより、ゲート電極１０８ｐをマスクとしてポリシリコン層の島１０４ｐに高濃度でドーピングする。この結果、ゲート電極１０８ｐの下部が活性層１４５としてその両側に高濃度導電層が形成される。その後、レジスト１０９をアッシング法により除去する。
【００２６】
次に、図５（ｃ）に示すように、ＰＨx+（水素化リン）中のＰ（リン）を、例えば、ドーズ量２×１０¹³／ｃｍ²、加速電圧８０ｋｅＶにて注入することにより、ゲート電極１０８ｎをマスクとしてポリシリコン層の島１０４ｎに低濃度でドーピングする。この結果、ゲート電極１０８ｎの下部が活性層１４４としてその両側に低濃度導電層１４１が形成される。
【００２７】
次に、図６（ａ）に示すように、再度レジストを塗布し、ＰＥＰでｐ型ＴＦＴ領域上部全体、及びｎ型ＴＦＴ領域の一部を被覆する。その後、イオンドーピング法にて、ＰＨx+（水素化リン）中のＰ（リン）を、例えば、ドーズ量５×１０¹⁴／ｃｍ²、加速電圧８０ｋｅＶにて注入する。この場合、ＰＨx+（水素化リン）としてＰＨ₃（ホスフィン）ガスを使用する。その後、レジストを剥離する。このとき、ｎチャネルの高濃度導電層１４２，１４３とゲート電極下の活性層１４４の間には低濃度のｎ型層１４１が形成される。この低濃度層１４１はドレイン端近傍の電界を下げて、リーク電流を下げ、ＴＦＴの劣化を防ぐ役目を持つ。その後、例えば、Ｎ₂（窒素）ガス雰囲気中にて、６００℃で１時間アニールを行う。これはイオンドーピング法により注入した不純物を活性化するためである。
【００２８】
次に、図６（ｂ）に示すように、ＰＥＣＶＤ（プラズマエンハンストＣＶＤ）法によりＳiＯ₂（酸化膜）層を例えば４００ｎｍ成膜する。さらに、図６（ｃ）に示すように、ＰＥＰ法にて、ソース及びドレインのコンタクト部の酸化膜に穴１１０ａを開ける。この場合ソース及びドレインのコンタクト部以外をフォトレジストで覆い、例えば、エッチング液として弗化アンモニウム溶液を用いる。その後、フォトレジストを剥離液にて除去した後、図６（ｄ）に示すように、コンタクトホールに金属膜を埋め込むことにより、信号線１１１を形成する。この場合、スパッタリングによりＭｏ，Ａｌ，Ｍｏの順に成膜する。その膜厚は５０ｎｍ，４００ｎｍ，５０ｎｍである。その後、ＰＥＰ、エッチング工程を経て配線を形成し、最終的に図７に示すようなＣＭＯＳトランジスタが完成する。
【００２９】
なお、上記実施形態では薄膜半導体装置としてＣＭＯＳトランジスタを作成する場合について説明したが、これと全く同様にしてＭＯＳトランジスタを作成し得ることは言うまでもない。
【００３０】
かくして、パーティクルの発生を抑制したイオン注入装置を用いて、生産性を高め、かつ、スイッチング特性に優れた薄膜半導体装置を提供することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、試料に注入されるパーティクルを低く抑制することのできるイオン注入装置を提供することができる。
【００３２】
もう一つの発明によれば、このイオン注入装置を用いることにより生産性を高め、かつ、スイッチング特性に優れた薄膜半導体装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るイオン注入装置の一実施形態の概略構成図。
【図２】図１に示したイオン注入装置の主要部の概略構成図。
【図３】図１に示したイオン注入装置の操作に応じて変化するパーティクルの各種パラメータ依存性を示す特性図。
【図４】図１に示したイオン注入装置を用いて作成する薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図５】図１に示したイオン注入装置を用いて作成する薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図６】図１に示したイオン注入装置を用いて作成する薄膜半導体装置の製造工程を示す断面図。
【図７】図１に示したイオン注入装置を用いて作成する薄膜半導体装置の完成品の断面図。
【符号の説明】
１ イオン注入装置
２ プラズマ室
３ 高周波コイル
４ プラズマ電極
５ａ 上部シャッター
５ｂ 下部シャッター
６ 処理室
７ 引出し電極
８ 抑制電極
９ グランド電極
１２ ガラス基板
２３ ターボポンプ
２４ ドライポンプ
３１ 希釈ガス供給手段
３２ ガス流量選択手段
１０１ ガラス基板
１０２ 酸化シリコン膜
１０５ ゲート酸化膜
１０８ｐ，１０８ｎ ゲート電極
１１１ 信号線
１４１ 低濃度導電層
１４２，１４３ 高濃度導電層
１４４，１４５ 活性層

Claims (3)

1. 所定の物質をプラズマ中で励起してイオンを発生させるプラズマ室と、イオンビームを試料に衝突させて前記試料に前記イオンを注入する処理室とを有するイオン注入装置において、
   前記所定の物質としてＢ₂Ｈ₆ガスを主体とし、このＢ₂Ｈ₆ガスがＨ₂，Ｎ₂，Ａｒ，Ｎｅ，Ｋｒ，Ｆ₂，Ｏ₂のうちのいずれか１種類又は複数種類のガスで希釈し、かつ、Ｂ₂Ｈ₆ガスの濃度を１乃至４０％の範囲から選択して前記プラズマ室に供給する希釈ガス供給手段と、
   前記プラズマ室及び処理室でなるチャンバーの真空度が２×１０^-4Ｔｏｒｒ以上に保持されることを条件として、希釈ガスの流量を５乃至４０ｓｃｃｍの範囲から選択し、前記チャンバー内に発生するパーティクル数を制御することが可能なガス流量選択手段と、
   を備えたことを特徴とするイオン注入装置。
2. 前記プラズマ室と前記処理室とが、イオンを引き出すための開口部を有するプラズマ電極で仕切られていることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入装置。
3. 請求項１に記載のイオン注入装置を用いて作製された薄膜半導体装置。

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