JP5030484B2

JP5030484B2 - 半導体装置の作製方法

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Publication number: JP5030484B2
Application number: JP2006172461A
Authority: JP
Inventors: 純一肥塚; 博史大木; 拓長谷川; 真美後藤
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2026-06-22
Also published as: JP2007043107A

Description

本発明はドーピング技術を用いて半導体装置を作製する技術に関する。

半導体装置を作製する工程の一つにイオン注入工程がある。イオン注入工程は、半導体膜にソース領域またはドレイン領域を形成したり、低濃度で不純物を含む低濃度不純物領域を形成したりする場合に行われる。一つの半導体装置を形成するには様々な条件でのイオン注入工程が必要である。例えば、特許文献１では半導体装置を形成するのに多種のイオン注入工程が行われている。

現在半導体装置の作製プロセスでは、フィラメントを用いたアーク放電によりプラズマを生成するドーピング装置がよく使用される。このドーピング装置は従来のＲＦ放電型式のドーピング装置に比べ、高電流密度、大型基板対応が容易であることから広く用いられている。フィラメントは電子発生手段であり、カソードであるフィラメントとアノードとの間に電圧をかけることでプラズマを生成している。
特開２０００−３４９２９８号公報

一般的に、半導体装置作製プロセスにおいて様々な条件でイオン注入を行うときは、複数のドーピング装置を用いて行っている。例えば第１のドーピング装置で低濃度でイオン注入を行い、次に第２のドーピング装置に基板を移して高濃度でイオン注入を行っている。しかし、イオン注入工程数に応じてドーピング装置を設けなければならず、ドーピング装置を複数設ける必要があった。また、近年基板が大型化しており、それに応じてドーピング装置自体も大型化していた。

このような状況において、工場の床面積がイオンドーピング装置に占有されてしまい、上手く製造ラインを組み立てることができないという問題があった。また装置台数を揃えるのにコストもかかっていた。

一方で、装置台数を抑えるために、同一のドーピング装置で多種条件のイオン注入を処理しようとすると、アーク放電型ドーピング装置ではフィラメント（電子発生手段とも言う）の劣化の問題が発生した。特に、次工程のドーピングをより低いフィラメント電流で行うときのセットアップ時にフィラメントの劣化が顕著であった。

これは、フィラメント電流を低くするのに乗じてフィラメント温度も低くなり、材料ガスに含まれる元素の沸点以下にフィラメント温度が下がると、フィラメント付近でその元素が液体となりフィラメントに浸み入ってフィラメントを劣化させてしまうためであった。したがって、同一ドーピング装置で多種条件のイオン注入を行うと、フィラメントの劣化が起こり、フィラメントを定期的に交換する必要があるため、このようなダウンタイムの低減が大きな問題となっていた。

最近では、高濃度の材料ガスを使用することが多くなってきたことも、フィラメント劣化の問題に拍車をかけている。

以上より、工場等の床面積を有効に使用でき、フィラメントの劣化が少ないドーピング方法を提供することを課題とする。

ドーピング条件の切り替えの際に、イオンドーピング装置の少なくとも電子発生手段周囲の材料ガスを水素または希ガスによりパージし、電子発生手段周囲の材料ガスが十分にパージされた後、電子発生手段に流す電流を低減することを特徴とする。つまり、第１のイオンドーピングでの電子発生手段に流す電流を維持したまま、電子発生手段周囲の雰囲気を材料ガスから水素または希ガスに置換し、その後、電子発生手段に流す電流を低減する。そして、第２のイオンドーピング条件の材料ガス、電子発生手段に流す電流を設定し、第２のイオンドーピングを行うことを特徴とする。

この発明により、電子発生手段に流す電流を低減して、フィラメントの温度が低くなっても、電子発生手段周囲の材料ガスは既に水素または希ガスによりパージされているため、電子発生手段表面で液相になる元素がなく、電子発生手段の劣化を抑えることができる。

電子発生手段としては、カーボンナノチューブ等の冷陰極やフィラメント等が挙げられる。

本発明により、特別な装置改造を必要とせず簡便に電子発生手段の寿命を延ばすことができる。そのため、電子発生手段の交換の回数を少なくすることができ、装置の稼働率を高くして、歩留まりを上げることができる。特に、本発明は条件切り替えが多いイオン注入工程において有効である。また、少ないドーピング装置の台数で多種のドーピング工程を処理することができるため、工場等において床面積を有効に使用できる。

また、水素または希ガスを流しつつ電子発生手段の温度を降下させるため、電子発生手段の温度を速やかに降下させることができ、次の条件でのイオンドーピングまでにかかるセットアップ時間を短縮することができる。

また従来は、第１のイオンドーピングが終了した後、第２のイオンドーピングで用いる濃度の材料ガスを流し続け、ドーピング室内における第２のイオンドーピングの材料ガス濃度が安定するのを待って、第２のイオンドーピングを行っていた。しかし本発明は、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングとの間に水素または希ガスによりパージする工程を入れるため、一度ドーピング室内の雰囲気が水素または希ガスによりリセットされる。そのため、第２のイオンドーピングで用いる材料ガスを、ドーピング室雰囲気がリセットされてから流すことができ、従来よりも短い時間で安定した第２のイオンドーピング条件を得ることが可能となる。したがって、本発明により、イオンドーピングのセットアップ時間を短縮し、生産効率を向上することができる。

以下、発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。また、異なる図面において同一のものを指す場合は同一の符号で示し、説明を省略する場合がある。

（第１実施形態）
図１に本発明で用いるイオンドーピング装置を示す。図１に示すドーピング装置は、ドーピング室７０２、ロードロック室７０４、搬送室７０５を有し、これらの室はゲートバルブを介して連結されている。また、搬送室７０５は、ダブルアームを有する搬送手段７０６を有している。また、排気手段７０８により、ドーピング室７０２、搬送室７０５、ロードロック室７０４等は真空排気が可能となっている。排気手段７０８は、ドライポンプ、メカニカルブースターポンプ、ターボ分子ポンプなどを適宜組み合わせて用いる。

ドーピング室７０２の一部であるイオン源７０１には、通常のイオン源と同じく、材料ガスを供給するガス供給系７１９、パージ用ガスを供給するガス供給系７２０、プラズマを形成するためのフィラメント７１１が備えられている。また、発生した電子をチャンバー内に閉じ込める磁場印加手段７１８も備えられている。磁場印加手段７１８は高密度で均一なプラズマを得るために設けられる。カソードであるフィラメントに対応したアノードは、アーク電圧（Ｖａｒｃ）が印加されているドーピング室７０２の壁である。

ドーピング室７０２では、カソードであるフィラメントとアノードとの間に電圧を印加することにより形成されたプラズマを用いてイオンドーピングを行う。大面積の基板を処理する場合は、ステージ７０７で基板１０１を走査することにより基板全面へのイオンドーピング処理を可能とする。このような場合、イオン流の断面形状を長方形又は線形にして基板に照射すれば、装置が大型化するのを防ぐことができる。なお、図１において、基板を水平に配置し、イオンビームを基板面に対して垂直に照射する構成を示しているが、パーティクルを減らすために、基板を垂直に配置し、イオンビームを垂直に配置された基板面に対して垂直に照射する構成としてもよい。

イオンビームを形成するために、ドーピング室７０２には引き出し電極７１２、加速電極７１３、抑制電極７１４、接地電極７１５が備えられ、これらの電極には多数の開口が設けられその開口をイオンが通過する。イオンの加速は引き出し電圧（Ｖｅｘ）が印加される引き出し電極７１２と、加速電圧（Ｖａｃ）が印加される加速電極７１３により行い、抑制電極７１４では発散するイオンを捕集してイオン流の方向性を高めている。引き出し電圧（Ｖｅｘ）に１〜２０ｋＶを印加して、加速電圧（Ｖａｃ）を変化させることにより１０〜１００ｋｅＶのエネルギーでイオンを加速することができる。

ドーピング用の材料ガスはフォスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）などであり、水素や不活性ガスで０．１〜２０％程度に希釈したものを用いる。ＰＨ_３の場合、ＰＨ_ｘ ^＋、Ｐ_２Ｈ_ｘ ^＋、Ｈ_ｘ ^＋などがイオン種として生成され、質量分離をしない場合はこれらのイオンが７１２〜７１５の４枚の電極によりほぼ直線的に引き出され基板に照射される。

次に、このようなイオンドーピング装置を用いたイオンドーピング方法を説明する。

図２を用いて本発明のドーピング方法を説明する。図２は、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングを行う際に、材料ガス、パージ用ガス、フィラメント電流、フィラメント温度それぞれの時間ｔに対する変動を表す。第１のイオンドーピングは第２のイオンドーピングよりも高いフィラメント電流で行う。また、第１のイオンドーピングは、第２のイオンドーピングよりも濃い濃度の材料ガスを用いる。

まず、０＜ｔ＜ｔ１では第１のイオンドーピングが行われ、材料ガスはプラズマ化される。このときフィラメントにはフィラメント電流Ａ１が流れ、フィラメントの温度はフィラメント電流に比例した温度Ｔ１になっている。

そして、ｔ＝ｔ１で第１のイオンドーピングを終了する。材料ガスの供給を止め、パージ用ガスを流し始める。パージ用ガスはフィラメントと反応しない元素でなるガスであれば何でもよく、例えば水素または希ガスを用いることができる。ｔ１＜ｔ＜ｔ２は、第１のイオンドーピング時と同じフィラメント電流Ａ１をフィラメントに流し続け、その間にパージ用ガスを用いて、ドーピング室内の雰囲気を材料ガスからパージ用ガスに置換させる。

ある程度材料ガスがパージ用ガスに置換されたｔ＝ｔ２から、フィラメント電流を徐々に低くしていく。これに比例してフィラメントの温度も降下する。そして、フィラメント電流が第２のイオンドーピング条件のフィラメント電流Ａ２になるｔ＝ｔ３まで、フィラメント電流を低くしていく。ｔ２＜ｔ＜ｔ３ではパージ用ガスを流していることで、フィラメントの温度をより早く降下させることができ、短い時間でフィラメント温度Ｔ２を設定することができる。

そして、ｔ＝ｔ３で、フィラメント電流が第２のイオンドーピング条件における電流Ａ２になったら、フィラメント電流Ａ２を維持しつつ、フィラメント電流に伴い降下したフィラメントの温度がＴ２に安定するのを待つ。イオン注入は、ドーピング室内の温度によってドープされる不純物の量が左右されるため、熱発生源であるフィラメントの温度を一定にさせるのは、安定した第２のイオンドーピングを行う意味で非常に重要である。また、ｔ＝ｔ３でパージ用ガスの供給を止め、第２のイオンドーピングの材料ガスを流し始め、第２のイオンドーピング条件での材料ガス濃度が安定するのを待つ。そして、フィラメントの温度、材料ガスの濃度等の第２のイオンドーピング条件が安定したｔ＝ｔ４より、第２のイオンドーピングを始める。

本実施形態ではｔ＝ｔ３において材料ガスを流し始めるとともに、パージ用ガスの供給を止めたが、第２のイオンドーピングが始まるｔ＝ｔ４の時点から材料ガスを流し始めるとともにパージ用ガスの供給を止めてもよい。また、ｔ＝ｔ３でパージ用ガスの供給を止め、ｔ＝ｔ４で第２のイオンドーピング条件における材料ガスを流し始めても良い。本発明において肝要なのは、フィラメント電流の低減に伴いフィラメントの温度が降下しているときに、フィラメントの周囲にフィラメントを劣化させる元素が存在しないことである。

なお、第１のイオンドーピングの材料ガスと第２のイオンドーピングの材料ガスは同一でも異なっていても良い。また、セットアップのｔ１＜ｔ＜ｔ３においては、図１における引き出し電極７１２、加速電極７１３、抑制電極７１４、接地電極７１５等の引き出し電極系に電圧を印加する必要はない。なぜなら本発明では、ｔ１＜ｔ＜ｔ３において、少なくともフィラメント周囲の雰囲気が水素または希ガスにより置換されていればいいからである。

以上の方法により、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングの間のセットアップにおけるフィラメントの劣化を抑えることができ、フィラメント交換のダウンタイムを少なくすることができる。つまり、一つのドーピング装置を用いて多条件のイオン注入を行うことができるため、装置で占める床面積を小さくしつつスループットの高い半導体装置の作製方法を提供できる。

また、本発明は第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングとの間のセットアップで、パージ用ガスを用いて一度ドーピング室内から第１のイオンドーピングの材料ガスを追い出し、ドーピング室の雰囲気をリセットしてから、第２のイオンドーピングで用いる材料ガスを流す。そのため、従来のドーピング室雰囲気をリセットしないドーピング法と比較すると、第２のイオンドーピングの材料ガスの濃度が安定するまでにかかる時間を短くすることができ、セットアップ時間を短くすることができる。

本実施形態では、電子発生手段としてフィラメントを用いたが、カーボンナノチューブ等の冷陰極を用いても良い。

（第２実施形態）
第１実施形態とは異なるイオンドーピング方法を図３を用いて説明する。図３は、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングを行う際に、材料ガス、パージ用ガス、フィラメント電流、フィラメント温度それぞれの時間ｔに対する変動を表す。図３に示す方法は、ｔ２＜ｔ＜ｔ３においてフィラメント電流を徐々に低減していく際に、第２のイオンドーピング条件のフィラメント電流よりも低い値まで低減することが特徴であり、その他は第１実施形態と同じである。

０＜ｔ＜ｔ２までは第１実施形態の図２と同様に各ガス及びフィラメントを制御する。そして、ｔ＝ｔ２経過後から徐々にフィラメント電流を低くしていき、第２のイオンドーピングにおけるフィラメント電流Ａ２よりも低いフィラメント電流Ａ３になるまで、フィラメント電流を低くする。このときフィラメント電流Ａ３を０Ａ（アンペア）としても良い。このときのフィラメントの温度はＴ３となる。

ｔ＝ｔ３経過後、フィラメント電流が第２のイオンドーピング条件であるＡ２になるよう電流値を上げる。これに伴いフィラメントの温度も上昇し、第２のイオンドーピングのフィラメントの温度Ｔ２が一定になるようにする。また、材料ガスを流すとともにパージ用ガスの供給を止めて、第２のイオンドーピングの条件が安定するのを待つ。

そして、フィラメント電流がＡ２、フィラメントの温度がＴ２となり、第２のイオンドーピング条件が安定になったら（ｔ＝ｔ４）、第２のイオンドーピングを行う。または、ｔ＝ｔ４の時点で材料ガスを流すとともにパージ用ガスを止めてもよい。また、ｔ＝ｔ３でパージ用ガスを止め、ｔ＝ｔ４で第２のイオンドーピング条件における材料ガスを流し始めても良い。本発明において肝要なのは、フィラメント電流の低減に伴いフィラメントの温度が降下しているときに、フィラメントの周囲にフィラメントを劣化させる元素が存在しないことである。

本形態の方法で第２のイオンドーピングのセットアップを行うと、セットアップ時間を短縮することができる。

フィラメントの温度の制御には、フィラメントの温度を上昇させて所望の温度にさせるときと、フィラメントの温度を下降させて所望の温度にさせるときの二通りがある。フィラメントの温度を上昇させるときは、フィラメント電流を高くすれば、自然にフィラメントの温度も比例して上昇していくため、フィラメントの温度をＴ３から第２のイオンドーピングのフィラメントの温度Ｔ２にするのは短時間で行うことができる。逆に、フィラメントの温度を下降させるときは、フィラメント電流を低くするとともにフィラメントの周囲の熱を外に逃がしてフィラメント自体を冷やす必要があるため、フィラメントの温度を上昇させるのに対し時間がかかる。そのため、第１実施形態のように、フィラメントの温度を下げながら第２のイオンドーピングのフィラメント温度Ｔ２に設定するのは多少時間がかかる。これに対し、本形態のように一度フィラメントの温度を下げきってから再度フィラメント電流を高くして、フィラメントの温度をＴ３からＴ２にするのは、セットアップ時間が短くなる点で効果的である。

また、本形態はフィラメントの温度をいくら下げても、フィラメントが劣化する心配はないため、セットアップ時間が最も短くなるフィラメントの温度Ｔ３を設定することができる。さらに、フィラメント温度を下げている間パージ用ガスを流しているため、フィラメントの温度が下がりやすく、セットアップ時間がより短縮される。

本形態により、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングの間におけるフィラメントの劣化を抑えることができるとともに、第２のイオンドーピングまでのセットアップ時間を短縮することができる。また、第２のイオンドーピングのフィラメントの温度Ｔ２の安定性が高いため、第２のイオンドーピングにおいてドーピング量のばらつきを少なくすることができる。

本実施例では、第１のイオンドーピングではＰ型不純物領域を形成するためにｐ型不純物元素としてボロンを高濃度で添加する。続いて、第２のイオンドーピングでチャネルドープ工程として、ｐ型不純物元素であるボロンを低濃度で添加する例について説明する。

図４（Ａ）は基板１０１ａ上に下地膜１０２ａを形成し、その上に半導体膜１０８を形成した図である。図４（Ｂ）は基板１０１ｂ上に下地膜１０２ｂが形成され、その上に半導体層、ゲート絶縁膜１０７ａ、ゲート電極１０４ａを有する薄膜トランジスタを示した図である。図４（Ｃ）は、基板１０１ｃ上に下地膜１０２ｃが形成され、その上に半導体層、ゲート絶縁膜１０７ｂ、ゲート電極１０４ｂを有する薄膜トランジスタを示した図である。

まず、第１のイオンドーピング工程である高濃度のボロンを添加する工程としては、ｐ型薄膜トランジスタのソース領域及びドレイン領域の形成や、低濃度不純物領域の形成があげられる。例えば、第１のイオンドーピング工程として、図４（Ｂ）のゲート電極１０４ａをマスクとして、ソース領域及びドレイン領域として機能する高濃度不純物領域１０３ａを形成する工程であっても良いし、又は、図４（Ｃ）において、ソース領域及びドレイン領域として機能する高濃度不純物領域１０３ｂを形成する工程であっても良い。図４（Ｃ）のゲート電極１０４ｂをマスクとして低濃度不純物領域１０５を形成する工程であっても良い。

一方、第２のイオンドーピング工程であるチャネルドープ工程とは、薄膜トランジスタのしきい値を制御するために、チャネル形成領域に低濃度でｐ型不純物元素を添加する工程である。ここでは、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）をプラズマ励起したイオンドープ法でボロンを添加する。この工程は１×１０^１５〜１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（代表的には５×１０^１６〜５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）の濃度でｐ型不純物元素（本実施例ではボロン）を含むチャネル形成領域を形成する。トップゲート型薄膜トランジスタでは、ゲート電極を形成する前にチャネルドープ工程をする必要があるため、半導体膜を形状加工する前に行うことが多い。具体的には、図４（Ａ）に示すように、基板１０１ａ上に下地膜１０２ａを介して形成された半導体膜１０８の全面にプラズマ励起したジボランを添加する。

本実施例のドーピング方法を図５を用いて説明する。図５は、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングを行う際に、材料ガス、パージ用ガス、フィラメント電流、フィラメント温度それぞれの時間ｔに対する変動を表す。まず、高濃度不純物領域１０３ａが形成される前の図４（Ｂ）で示す基板１０１ｂをドーピング室に搬入し、第１のイオンドーピングを行う。第１のイオンドーピングは、水素で希釈した濃度１５％のジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）ガスを８０ｓｃｃｍで流し、フィラメント電流Ａ１＝７０Ａとした。そして図４（Ｂ）で示す高濃度不純物領域１０３ａを形成するために、ジボランをプラズマ化してゲート電極１０４ａをマスクとしてボロンを半導体層に添加する。

基板へのイオンドーピングの開始は、プラズマの発生ではなく、引き出し電極や加速電極に電圧を印加して、発生しているプラズマを基板に当てることで制御する。逆に、イオンドーピングの終了は、引き出し電極や加速電極への電圧印加を止めることで制御する。そのため、第１のイオンドーピングの開始においては、引き出し電極や加速電極に電圧を印加するまでに、プラズマの発生と基板の搬入を完了させる。よって、プラズマを発生させるタイミングと、基板１０１ｂをドーピング室に搬入するタイミングについては、どちらが先であっても問題なく、実施者が適宜決定すれば良い。

ｔ＝ｔ１で第１のイオンドーピングが終了したら、基板１０１ｂを搬出後、フィラメント電流は７０Ａのまま、ジボランガスの供給を止め、１００％水素を８０ｓｃｃｍで流し、ｔ１≦ｔ≦ｔ２の１０分間放置する。この間にドーピング室内の雰囲気からジボランガスは追い出され、ドーピング室を水素雰囲気にする。なお、基板１０１ｂを搬出するタイミングは、第１のイオンドーピング終了後から第２のイオンドーピングが開始される前であればいつでもよい。

ｔ＝ｔ２になったら、ｔ２≦ｔ≦ｔ３の５分間で、フィラメント電流を７０Ａから０Ａまで下げる。この間、水素は８０ｓｃｃｍで流している。

フィラメント電流が０Ａになったら（ｔ＝ｔ３）、水素の供給を止め、水素で希釈した濃度１％のジボランガスを３０ｓｃｃｍで流し始める。またフィラメント電流を再び流し、第２のイオンドーピング条件であるフィラメント電流Ａ２が５０Ａになるように、電流値を上昇させる。

フィラメント電流Ａ２が５０Ａとなり、フィラメントの温度も一定になったら（ｔ＝ｔ４）、第２のイオンドーピングとして、図４（Ａ）で示すような状態の基板１０１ａをイオンドーピング装置に移し、半導体膜１０８に低濃度のボロンを添加する。なお、基板１０１ａを搬入するタイミングは、基板１０１ｂを搬出した後で第２のイオンドーピングが開始される前であればいつでも良い。

以上のドーピング方法により、薄膜トランジスタの不純物領域を形成する高濃度のドーピング工程と、チャネルドープのような低濃度のドーピング工程を続けて行うことができる。本発明により、高濃度のドーピングと低濃度のドーピングを続けて行ったときのフィラメントの劣化を抑えることができるため、歩留まりよく半導体装置を作製することができる。

特に、ボロンの沸点は３６５８℃であり、ドーピング工程は減圧下で行うためより沸点が降下する。そのため、フィラメントの温度Ｔ１からＴ３へ降下する間またはＴ１からＴ２へ降下する間に、ボロンの沸点を経由しやすい。つまりボロンを添加するときは、とくにフィラメントが劣化しやすいため、ボロンを高濃度で添加する場合に本発明を適用することは非常に効果的である。

本実施例では薄膜トランジスタにイオン注入する例を示したが、半導体基板に直接イオン注入して、チャネルドープしたり不純物領域を形成したりする工程に適用しても良い。また、本実施例において必ずしも基板１０１ａ〜ｃ上に下地膜１０２ａ〜ｃを形成しなくともよく、基板１０１ａ〜ｃ上に直接半導体層を設けても良い。

本実施例では、Ｐ型の高濃度不純物領域を形成するために、第１のイオンドーピングでｐ型不純物元素を高濃度でドーピングし、続いてＰ型の低濃度不純物領域を形成するために、第２のイオンドーピングでｐ型不純物元素を低濃度でドーピングする例について説明する。

図６（Ａ）に示すように、下地膜１０２、半導体層、ゲート絶縁膜１０７、ゲート電極１０４、マスク２０１が形成された状態の基板１０１をドーピング室に搬入する。そして、マスク２０１を用いて高濃度のボロンを半導体層に添加する第１のイオンドーピングを行い、半導体層にＰ型の高濃度不純物領域１０３を形成する。なお、基板１０１の搬入は、第１のイオンドーピング開始前であればいつでもよい。また、プラズマを発生させる前であっても、後であってもよい。

第１のイオンドーピングが終了したらドーピング室から基板１０１を搬出する。そして、第１実施形態または第２実施形態と同様に、フィラメント電流を維持したままドーピング室にパージ用ガスを流し、フィラメント劣化を抑えつつ、第２のイオンドーピング工程へのセットアップを行う。なお、基板１０１を搬出するタイミングは、第１のイオンドーピング終了後から第２のイオンドーピングが開始される前であればいつでもよい。

そして第２のイオンドーピングのセットアップが終了したら、図６（Ａ）からマスク２０１を除去した基板１０１をドーピング室に搬入し、第２のイオンドーピングを行う。第２のイオンドーピングにより低濃度のボロンをゲート電極１０４をマスクにして半導体層に添加し、図６（Ｂ）に示すように、チャネル形成領域と高濃度不純物領域１０３の間にＰ型の低濃度不純物領域１０５を形成する。なお、基板１０１を搬入するタイミングは、マスク２０１を除去した後で第２のイオンドーピングが開始される前であればいつでも良い。

そして、第２のイオンドーピング終了後、基板１０１をドーピング室から搬出する。そして、ゲート電極１０４上に層間絶縁膜２０２を形成し、高濃度不純物領域１０３に達するコンタクトホールを層間絶縁膜２０２に形成する。次にコンタクトホールを埋めるように導電層を形成し、エッチングして、高濃度不純物領域１０３と接続する配線２０３を形成する（図６（Ｃ））。以上の工程により、低濃度不純物領域１０５を有するＬＤＤ（ＬｉｇｈｔｌｙＤｏｐｅｄＤｒａｉｎ）構造の半導体装置が完成する。

本実施例では、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングとの間に、マスク２０１のエッチング工程が必要である。これらの工程を効率的に行うため、ドーピング装置とエッチング装置を接続し、マルチチャンバーとして一つの装置とすることが好ましい。その一例を図７に示す。

図７に、図１で示したイオンドーピング装置とエッチング装置９０２を示す。イオンドーピング装置とエッチング装置９０２は、搬送手段を有する搬送室９０１で接続されている。エッチング装置９０２、搬送室９０１にはそれぞれ排気手段７０８が設けられている。エッチング装置９０２には電極９０３、９０４が設けられ、電極９０３にはＲＦ電源９０５が接続され、また、電極９０４上には基板１０１が置かれる。そして、ＲＦ電源からの電力によって電極間に放電を生じさせ、基板１０１上のマスク２０１をエッチングすることができる。

第１のイオンドーピングが終了したら、基板１０１をドーピング室７０２からエッチング装置９０２に搬送し、エッチング装置９０２でマスク２０１のエッチングを行う。エッチングが終了し、ドーピング室７０２が第２のイオンドーピング条件になったら、基板１０１をドーピング室７０２に搬送し、第２のイオンドーピングを行う。このようにすると、基板を大気にさらさずとも工程を連続的にでき、基板の汚染を防ぐことができる。

本実施例は基板１０１上に形成された半導体層にイオン注入する例を述べたが、半導体基板に直接イオン注入して半導体装置を作製する場合に本実施例を適用しても良い。また、本実施例において必ずしも基板１０１上に下地膜１０２を形成しなくともよく、基板１０１上に直接半導体層を設けても良い。

また、マスク２０１の代わりにメタルマスク等を用いて低濃度不純物領域１０５を形成する場合は、マスク２０１を除去する必要がない。よって、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングとの間で基板１０１を搬出せず、そのままドーピング室に基板１０１を搬入したままでも良い。

本実施例では、Ｐ型の不純物領域を形成するために、第１のイオンドーピングでｐ型不純物元素を高濃度でドーピングし、続いてＮ型の不純物領域を形成するために、第２のイオンドーピングでｎ型不純物元素を低濃度でドーピングする例について、図８を用いて説明する。

基板１０１上に下地膜１０２を形成し、さらに第１の半導体層８０１、第２の半導体層８０２を形成する。第１の半導体層８０１及び第２の半導体層８０２上にゲート絶縁膜１０７を形成する。

ゲート絶縁膜１０７上に第１のゲート電極８０３と第２のゲート電極８０４を形成する。そして図８（Ａ）の状態を得る。

次に図８（Ｂ）に示すように、第２の半導体層８０２及び第２のゲート電極８０４を覆うようにマスク８０７を形成する。そして、第１のゲート電極８０３をマスクとして高濃度のボロンを第１の半導体層８０１に添加する。この工程により、Ｐチャネル型薄膜トランジスタのソース領域及びドレイン領域８０８が形成される。当該イオンドーピング工程は、第１または第２実施形態で説明した本発明の第１のドーピング工程に相当する。

次にマスク８０７をエッチング除去した後、第１または第２実施形態で説明した第２のイオンドーピング工程として、第１及び第２のゲート電極をマスクにして低濃度のリンを第１の半導体層８０１及び第２の半導体層８０２に添加する（図８（Ｃ））。この工程で第１の半導体層８０１ではソース領域及びドレイン領域８０８に低濃度のリンが添加されるが、ソース領域及びドレイン領域８０８に添加されたボロンの濃度と比較すると非常に少ないため、ソース領域及びドレイン領域８０８の導電型はＰ型のまま維持される。一方、第２の半導体層８０２にはチャネル形成領域以外にリンが低濃度で添加される。

次に、絶縁層を全面に形成した後ドライエッチングをして、第１のゲート電極及び第２のゲート電極の両側面にサイドウォール８０５、８０６を形成する。さらに、Ｐチャネル型薄膜トランジスタを覆うようにマスク８１１を形成する。この状態で、第２のゲート電極８０４及びサイドウォール８０６をマスクとして、高濃度のリンを第２の半導体層８０２に添加する。そしてソース領域及びドレイン領域８０９と、低濃度不純物領域８１０を形成する（図８（Ｄ））。

次に、マスク８１１を除去した後、第１のゲート電極８０３、第２のゲート電極８０４上に層間絶縁膜８１２を形成する。層間絶縁膜８１２に、ソース領域及びドレイン領域８０８、８０９に達するコンタクトホールを形成し、これらコンタクトホールを埋めるように導電層を形成し、エッチングして、配線８１３〜８１６を形成する（図８（Ｅ））。

以上の工程により、Ｐチャネル型薄膜トランジスタと、ＬＤＤ構造を有するＮチャネル型薄膜トランジスタが同一基板上に形成される。本発明を図８（Ｂ）の第１のイオンドーピング工程と図８（Ｃ）の第２のイオンドーピング工程の間で適用することにより、フィラメントの劣化を抑えたドーピングをすることができる。また、第１のイオンドーピングから第２のイオンドーピングが終了するまでにかかる時間を短縮することができる。

さらに、マスク８０７をエッチング除去する際に図７に示すドーピング室７０２と接続するエッチング装置９０２で行っても良い。第１のイオンドーピングが終了したら、基板１０１をドーピング室７０２からエッチング装置９０２に搬送する。そしてマスク８０７のエッチングをし、エッチングが終了したら、第２のイオンドーピング条件になったドーピング室７０２に基板１０１を搬送し、第２のイオンドーピングを行う。この場合は、第１のイオンドーピングと第２のイオンドーピングの間のセットアップ時間を効率よく使って、マスクのエッチングを行うことができ、基板を大気にさらさず汚染も防ぐことができる。その場合、第２のイオンドーピングのセットアップの時間を利用して、マスク８０７をエッチング除去することができ、工程を連続的に行うことができる。

イオンドーピング装置の図。本発明に係る半導体装置の作製方法を説明する図。本発明に係る半導体装置の作製方法を説明する図。実施例１を説明する図。実施例１を説明する図。実施例２を説明する図。実施例２を説明する図。実施例３を説明する図。

符号の説明

１０１基板
７０１イオン源
７０２ドーピング室
７０４ロードロック室
７０５搬送室
７０６搬送手段
７０７ステージ
７０８排気手段
７１１フィラメント
７１２引き出し電極
７１３加速電極
７１４抑制電極
７１５接地電極
７１８磁場印加手段
７１９ガス供給系
７２０ガス供給系
１０１ａ基板
１０１ｂ基板
１０１ｃ基板
１０２ａ下地膜
１０２ｂ下地膜
１０２ｃ下地膜
１０８半導体膜
１０３ａ高濃度不純物領域
１０３ｂ高濃度不純物領域
１０４ａゲート電極
１０４ｂゲート電極
１０５低濃度不純物領域
１０７ａゲート絶縁膜
１０７ｂゲート絶縁膜
１０２下地膜
１０３高濃度不純物領域
１０４ゲート電極
１０７ゲート絶縁膜
２０１マスク
２０２層間絶縁膜
２０３配線
９０２エッチング装置
９０３電極
９０４電極
９０５ＲＦ電源
９０１搬送室
８０１第１の半導体層
８０２第２の半導体層
８０３第１のゲート電極
８０４第２のゲート電極
８０５サイドウォール
８０６サイドウォール
８０７マスク
８０８ソース領域及びドレイン領域
８０９ソース領域及びドレイン領域
８１０低濃度不純物領域
８１１マスク
８１２層間絶縁膜
８１３配線

Claims

電子発生手段を有するイオンドーピング装置を用いた半導体装置の作製方法において、
前記電子発生手段の温度が第１の温度で、第１の材料ガスをプラズマ化した状態で、第１の半導体層に第１のイオンドーピングを行い、
前記第１のイオンドーピング終了後、前記第１の材料ガスの供給を止めるとともに水素または希ガスを流し、
前記水素または前記希ガスを流し続けた後、前記電子発生手段の温度を前記第１の温度から第２の温度まで降下させ、
前記電子発生手段の温度が前記第２の温度になった後、前記水素または前記希ガスの供給を止めるとともに第２の材料ガスを流し、
前記電子発生手段の温度が前記第２の温度で、前記第２の材料ガスをプラズマ化した状態で、第２の半導体層に第２のイオンドーピングを行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
電子発生手段を有するイオンドーピング装置を用いた半導体装置の作製方法において、
前記電子発生手段の温度が第１の温度で、第１の材料ガスをプラズマ化した状態で、第１の半導体層に第１のイオンドーピングを行い、
前記第１のイオンドーピング終了後、前記第１の材料ガスの供給を止めるとともに水素または希ガスを流し、
前記水素または前記希ガスを流し続けた後、前記電子発生手段の温度を前記第１の温度から第２の温度まで降下させ、
前記電子発生手段の温度が前記第２の温度になった後、前記水素または前記希ガスの供給を止めるとともに第２の材料ガスを流し、さらに前記電子発生手段の温度を前記第２の温度から第３の温度まで上昇させ、
前記電子発生手段の温度が前記第３の温度で、前記第２の材料ガスをプラズマ化した状態で、第２の半導体層に第２のイオンドーピングを行い、
前記第３の温度は前記第１の温度と前記第２の温度の間の温度であることを特徴とする半導体装置の作製方法。
電子発生手段を有するイオンドーピング装置を用いた半導体装置の作製方法において、
前記電子発生手段の温度が第１の温度で、第１の材料ガスをプラズマ化した状態で、第１の半導体層に第１のイオンドーピングを行い、
前記第１のイオンドーピング終了後、前記第１の材料ガスの供給を止めるとともに水素または希ガスを流し、
前記水素または前記希ガスを流し続けた後、前記電子発生手段に流す電流を低くすることにより前記電子発生手段の温度を前記第１の温度から第２の温度まで降下させ、
前記電子発生手段の温度が前記第２の温度になった後、前記水素または前記希ガスの供給を止めるとともに第２の材料ガスを流し、
前記電子発生手段の温度が前記第２の温度で、前記第２の材料ガスをプラズマ化した状態で、第２の半導体層に第２のイオンドーピングを行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
電子発生手段を有するイオンドーピング装置を用いた半導体装置の作製方法において、
前記電子発生手段が第１の温度で、第１の材料ガスをプラズマ化した状態で、第１の半導体層に第１のイオンドーピングを行い、
前記第１のイオンドーピング終了後、前記第１の材料ガスの供給を止めるとともに水素または希ガスを流し、
前記水素または前記希ガスを流し続けた後、前記電子発生手段に流す電流を低くすることにより前記電子発生手段の温度を前記第１の温度から第２の温度まで降下させ、
前記電子発生手段の温度が前記第２の温度になった後、前記水素または前記希ガスの供給を止めるとともに第２の材料ガスを流し、さらに前記電子発生手段に流す電流を高くすることにより前記電子発生手段の温度を前記第２の温度から第３の温度まで上昇させ、
前記電子発生手段の温度が前記第３の温度で、前記第２の材料ガスをプラズマ化した状態で、第２の半導体層に第２のイオンドーピングを行い、
前記第３の温度は前記第１の温度と前記第２の温度の間の温度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乃至請求項４のいずれか一項において、
前記電子発生手段の温度を前記第１の温度から前記第２の温度まで降下させる間は、前記イオンドーピング装置に備えられた加速電極及び引き出し電極に電圧を印加しないことを特徴とする半導体装置の作製方法。
電子発生手段を有するイオンドーピング装置を用いた半導体装置の作製方法において、
前記電子発生手段に第１の電流を流し、第１の材料ガスをプラズマ化した状態で、第１の半導体層に第１のイオンドーピングを行い、
前記第１のイオンドーピング終了後、前記第１の材料ガスの供給を止めるとともに水素または希ガスを流し、
前記水素または前記希ガスを流し続けた後、前記電子発生手段の電流を前記第１の電流から第２の電流まで低くし、
前記電子発生手段の電流が前記第２の電流になった後、前記水素または前記希ガスの供給を止めるとともに第２の材料ガスを流し、
前記電子発生手段の電流が前記第２の電流で、前記第２の材料ガスをプラズマ化した状態で、第２の半導体層に第２のイオンドーピングを行うことを特徴とする半導体装置の作製方法。
電子発生手段を有するイオンドーピング装置を用いた半導体装置の作製方法において、
前記電子発生手段に第１の電流を流し、第１の材料ガスをプラズマ化した状態で、第１の半導体層に第１のイオンドーピングを行い、
前記第１のイオンドーピング終了後、前記第１の材料ガスの供給を止めるとともに水素または希ガスを流し、
前記水素または前記希ガスを流し続けた後、前記電子発生手段の電流を前記第１の電流から第２の電流まで低くし、
前記電子発生手段の電流が前記第２の電流になった後、前記水素または前記希ガスの供給を止めるとともに第２の材料ガスを流し、さらに前記電子発生手段の電流を前記第２の電流から第３の電流まで上昇させ、
前記電子発生手段の電流が前記第３の電流で、前記第２の材料ガスをプラズマ化した状態で、第２の半導体層に第２のイオンドーピングを行い、
前記第３の電流は前記第１の電流と前記第２の電流の間の電流値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乃至請求項７のいずれか一項において、
前記第１のイオンドーピングにより前記第１の半導体層にボロンを高濃度で添加し、前記第２のイオンドーピングにより前記第２の半導体層にボロンまたはリンを低濃度で添加することを特徴とする半導体装置の作製方法。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項において、
前記第１及び前記第２の半導体層に代えて、半導体基板に前記第１のイオンドーピング及び前記第２のイオンドーピング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乃至請求項９のいずれか一項において、
前記第１の材料ガスと前記第２の材料ガスは同じ材料ガス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乃至請求項９のいずれか一項において、
前記第１の材料ガスと前記第２の材料ガスは異なる材料ガス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乃至請求項１１のいずれか一項において、
前記電子発生手段は、カーボンナノチューブを用いた陰極又はフィラメントであることを特徴とする半導体装置の作製方法。