JP5827499B2

JP5827499B2 - 装置の表面処理方法

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Publication number: JP5827499B2
Application number: JP2011129079A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　直樹; 直樹鈴木
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-06-09
Also published as: JP2012018920A

Description

本発明は、イオンドーピング装置及びそれを用いたイオンドーピング方法に係り、開示される発明の一形態は、特にイオンドーピング装置内部においてパーティクルの発生を抑制し高歩留まりの、メンテナンス頻度の低い、イオンドーピング装置およびイオンドーピング装置の低塵化方法に関する。

半導体の価電子制御用の不純物元素をイオン化し、電界で加速して添加する技術はイオン注入法として知られている。近年、液晶表示装置、発光装置などの作製工程において、大面積の基板上に形成された半導体層に不純物元素を添加することを目的とし、イオンをシャワー状に照射してドーピングすることが行われている。

イオンドーピング装置（ドーピング装置とも呼ばれる）は、イオン源に連接するドーピング室を有する。ドーピング装置は、真空状態としたドーピング室に基板を設置し、イオン源で発生させたイオンを電界で加速し、基板に添加するものである。イオン源はプラズマ室と、プラズマ室で生成したイオンを引き出す引き出し加速電極系（引き出し電極と加速電極）と、二次電子の流入を制御する減速電極系（抑制電極と設置電極）とから成っている。電極には一般に多孔電極が使用され、イオンはこの孔を通過してドーピング室へ到達する。このようなイオンの流れをイオン流と称する。

イオン源のプラズマ発生方法には、直流放電方式、高周波放電方式、マイクロ波放電方式等がある。また、磁場を印加することによりプラズマをイオン源内部に閉じこめておくことも可能であり、プラズマ室の周囲に永久磁石を配置することによりカスプ磁場を形成する場合もある。

ドーピング装置では、多くの場合、質量分離を行わない為、プラズマ室で形成されたイオン種（正電荷）は全て引き出し電極による電場で加速され、半導体層などに添加されることになる。イオンは、たとえば水素、または水素などで希釈させたジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）やホスフィン（ＰＨ_３）などをプラズマ化して得る。これらのイオンは通常１ｋＶから１００ｋＶ程度の電圧が印加されることで加速され、半導体層などに添加される。なお、イオン流はその外側ほどイオン濃度が低くなる傾向にあるため、半導体層などにおいて一様なドーピング処理を行うには、処理対象物のみでなく、周辺のドーピング室を構成する内壁や処理対象物を搭載するためのステージなどにもイオンを照射されてしまう。これにより、イオン流におけるイオン濃度の低い部分が処理対象物に照射されないようにできる。

しかしながら、このときドーピング室を構成する部材にも高エネルギーのイオンが照射されるため、その部分における部材の劣化が問題となっている。この処理においてよく用いられる水素イオンは、特に部材の劣化を引き起こしやすい性質を有しており、この現象は水素脆化（特許文献２、特許文献５、特許文献６参照）と呼ばれている。水素脆化とは水素によって材料の強度の低下や割れの発生、破断が生じる現象をいう。当該劣化の抑制のため、イオンの照射される部分に高耐性の金属、たとえばモリブデン（Ｍｏ）などを配置する対策がなされている。あるいは、表面を強化する処理（特許文献１参照）を施したステンレス鋼を部材に使用し、ドーピング室を構成する部材の劣化を抑える工夫がなされている。これらの工夫により、ドーピング室内の水素脆化は幾分抑えられている。水素脆化に限らず、部材の劣化を抑えるために、クロム酸化物などを金属表面に形成し不動態とする技術が提示されている（特許文献４、特許文献７、特許文献８参照）。しかしながら、比較的短時間で部材が劣化し、一部が剥がれパーティクルとなるため、頻繁にドーピング室を大気開放し部材の洗浄や交換など（これらを総称して、メンテナンスと称することとする）を行う必要があった。ドーピング装置のメンテナンスに関しては、例えば特許文献３に開示されている。ドーピング室で発生するパーティクルはイオン流を妨げることがあるため、製品の歩留まりを大きく低下させる原因となる。

特開２００５−１７９７４１号公報特開２００９−１７４６５７号公報特開平８−１６２４３３号公報特開平１１−３４５７７２号公報特開平０２−１９０６１５号公報特開２００６−２６６３１４号公報特開平２−８５３５８号公報特開平９−２１７１６６号公報

そこで、本発明は、パーティクルを取り除くためのドーピング室の大気開放処理、および洗浄処理の頻度を大幅に下げるため、水素脆化などの部材の劣化を抑制する表面処理を当該装置の内部にて行い低塵化するドーピング装置を提供することを目的の一とする。また、当該処理を行う方法を提供することを目的の一とする。

本発明の一形態に係るドーピング装置は、イオン源およびドーピング室内部において、それらの内壁の表皮に三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成する機構を有することを特徴とする。具体的には、当該ドーピング装置は、水素元素と酸素元素をイオン源およびドーピング室に供給する水素酸素供給装置を有し、少なくともイオン流の衝突する部分に配置される、ステンレス鋼を含む部材を６００℃以上、好ましくは７００℃以上に加熱する加熱装置を有している。当該部材を６００℃以上とすることで、その表面に三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成することができる。６００℃以下の温度帯では、同時に四酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_４）や四酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_４）も形成されるため、表面の耐性が低下する。また、１０００℃を超える温度では、エネルギー効率が悪く本発明には適さない。

なお、本発明の一形態において上述の加熱はヒーター、ランプまたは６００℃以上１０００℃以下の高温の気体を供給する高温気体供給装置により行う。当該加熱装置は、加熱対象を５分以内好ましくは３分以内に室温から６００℃以上に加熱し、１０分間以上保持できることが好ましい。これにより四酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_４）や四酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_４）の形成を抑えることができる。

また、上述のステンレス鋼はクロムを１０重量％以上２６重量％以下含んでいれば良質な三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）をその表皮に形成可能であるが、さらにその割合を１５重量％以上２０重量％以下とすると高い靭性が得られるため好ましい。

また、上述の内壁には、電界研磨処理または鏡面仕上げ処理が成されていると、高耐性の三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を得ることができるので好ましい。

本発明は、上述したドーピング装置に加え、当該ドーピング装置の低塵化方法も包含している。すなわち、本発明の一形態に係るドーピング装置の低塵化方法は、イオン源およびドーピング室内部を構成するステンレス鋼を含む部材の少なくとも一部の温度を６００℃以上、好ましくは７００℃以上とし、イオン源およびドーピング室に水素元素と酸素元素を供給し、１０分間以上保持することを特徴とする。

室温から６００℃以上とするまでに要する昇温時間は、５分以内、好ましくは３分以内とすると、四酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_４）や四酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_４）の形成が抑えられるため好ましい。

また、当該温度を１０００℃以下とすることで、エネルギーの利用効率を高くすることができる。

酸素元素と水素元素の供給を水素と水蒸気により行う場合、供給される水蒸気の流量を１としたとき、水素の流量を１０以上１５００以下の範囲とすると好ましい。これにより高耐性の三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を部材の表皮に形成できる。

本発明の一形態において上述の加熱はヒーター、ランプまたは６００℃以上１０００℃以下の高温の気体を供給する高温気体供給装置により行う。

上述の加熱は当該ドーピング装置により加速されたイオンを利用してもよい。イオンは、水素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、窒素などの不活性気体のいずれか一、または二種類以上の混合気体をプラズマ化して用いる。推奨するドーピングの処理条件は、ガス流量０．１ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下、加速電圧１ｋＶ以上１００ｋＶ以下、電流密度１μＡ／ｃｍ^２以上１００μＡ／ｃｍ^２以下、ドーズ１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上１０^１８ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下の範囲とする。これらの範囲のうち適切な条件を選択することで、水素脆化する部材の温度を６００℃以上とすることができる。

なお、上述の発明において、昇温と水素元素および酸素元素導入の前後は問わない。どちらが先でもよいし、同時に行ってもよい。

これにより、水素脆化の進む前にイオン源およびドーピング室内部を構成する部材の補修、補強ができるため、ドーピング装置を大気開放する頻度が大幅に低下する。大気開放から真空状態への復帰には、数時間から数日の期間を要するため、本発明の一形態による装置のダウンタイムの大幅な短縮は、産業上極めて有益なものである。また、イオン源やドーピング室を構成する部材の耐久性も大きく向上するため、省資源化を促進できる。

本発明の一実施形態に係るドーピング装置を説明する図面。本発明の一実施形態に係るドーピング装置を説明する図面。本発明の一実施形態に係るドーピング装置を説明する図面。本発明の一実施形態に係るドーピング装置を説明する図面。半導体装置の作製方法の一例を示す図。半導体装置の作製方法の一例を示す図。表示装置の一例を示す図。表示装置の一例を示す図。

以下、実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。また、異なる実施の形態に係る構成は、適宜組み合わせて実施することが可能である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略する。また、本明細書中においてドーピング装置とは、イオンを加速して対象物に原子を添加する装置全般を指し、質量分離するものとしないものを含むものとする。

（実施の形態１）
本実施の形態においては、本発明の一実施形態に係るドーピング装置を、図１を用いて説明する。なお、ここでは、イオン源７０１やドーピング室７０２の加熱にヒーターを使用する例を示す。

本発明の一実施形態に係るドーピング装置は、図１に示すようにイオン源７０１にて生成されるイオンをドーピング室７０２にて基板７２０に照射する仕組みを有している。当該イオンは、供給装置７２３よりイオン源７０１に導入された気体を、プラズマ発生用フィラメント７１１の放電に曝すことにより生成される。供給装置７２３からは、例えば、半導体中の価電子制御を目的とした不純物元素を含む気体などが供給される。生成されたイオンは、貫通穴を複数有する複数の電極を介し、ステージ７０７上の基板７２０に照射される。具体的には、当該イオンは引き出し電極７１２により加速電極７１３に導入され、当該加速電極７１３により所望の速度まで加速される。つづいて抑制電極７１４、設置電極７１５を経てイオンの分布が調整され、基板７２０に一様に添加される。基板７２０は、例えば、半導体層の形成されたガラス基板やシリコンウエハなどである。このとき、イオン流の外側のイオン濃度の低い領域に位置するイオンは、基板７２０以外の部分に添加される。これらがイオン源７０１やドーピング室７０２の内壁の水素脆化の原因の一つとなる。イオン源７０１およびドーピング室７０２内部は排気装置７０８ａにより高真空に保持される。

また、当該ドーピング装置は基板を搬送するための搬送系を有している。基板７２０を設置しドーピング処理を行うドーピング室７０２は、基板の搬送室７０５にゲートバルブ７１０ａを介して接続されている。搬送室７０５内部には、ダブルアームを有する搬送ロボット７０６が設置され、これにより基板７２０の出し入れが可能となる。搬送室７０５は、排気装置７０８ｂにより減圧することができる。搬送室７０５とドーピング室７０２の真空度を同程度とすることで、ゲートバルブ７１０ａの開閉が可能となる。搬送室７０５の容積をできるだけ小さくすることにより、真空引きの時間を短縮することができる。搬送室７０５はゲートバルブ７１０ｂを介し、待機室７０４に接続されている。待機室７０４は、排気装置７０８ｃに接続されており、これにより減圧することができる。排気装置７０８ｃはなくてもよいが、待機室７０４の容積をできるだけ小さくした状態で真空引きを行うと、比較的短時間で待機室７０４を高真空とすることができるため、基板７２０の搬送時間を短縮できる。待機室７０４は、ゲートバルブ７１０ｃを介し、他のチャンバー７０３と接続してもよい。また、待機室７０４は、搬送室７０５に含まれていてもよく、複数の基板をストックするものであってもよい。各室の配置や役割は実施者が適宜最適なものを選択する。

排気装置７０８ａ、７０８ｂ、７０８ｃ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とよい。

ドーピング室７０２は基板にイオンを添加する、いわゆるドーピング処理を行う場所である。イオン流の断面積よりも大面積の基板を処理する場合は、ステージ７０７を走査させることにより基板の全面への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として、基板に照射する形態と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においては、基板を水平に配置し、イオン流を基板に対して垂直方向に照射する構成を示しているが、基板上のパーティクルを減らすために、基板を地面に対して垂直に配置し、イオン流を基板に対して垂直方向に照射する構造としてもよい。

ここでは図示しないが、イオン源７０１にはカソードであるフィラメントに対応したアノードも設置されている。図１の構成はフィラメントを用いた直流放電型のアンテナを示しているが、容量結合型のアンテナや、誘導結合型のアンテナや、高周波型のアンテナを採用しても良い。

半導体中の価電子制御を目的とした不純物元素を含む気体としてよく用いられるのは、ホスフィン（ＰＨ_３）、ジボラン（Ｂ_２Ｈ_６）などであり、水素や不活性気体で０．１％以上２０％以下程度に希釈したものを用いる。当該気体には水素が多量に含まれるため、質量分離をしない場合は大量の水素イオンが電極により加速され基板が設置されたドーピング室７０２に引き出される。水素イオンは４枚の電極によりほぼ直線的に引き出され、基板７２０、イオン源７０１の内壁、ドーピング室７０２の内壁、などに照射される。これにより水素脆化が促進される。水素以外、例えば不活性気体や不純物元素を含む気体によっても、同様の脆化が促進されるため、これらに対しても本発明の一実施の形態は有効である。

つづいて、イオン源７０１やドーピング室７０２内部において、それらの内壁の表皮に三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成する方法を説明する。まず、水素酸素供給装置７１９より酸素元素と水素元素をイオン源７０１およびドーピング室７０２に導入する。このとき酸素元素よりも水素元素の供給量が多いほうが好ましい。例えば、供給される水蒸気の流量を１とするとき水素の流量を１０以上１５００以下の範囲とすると、高耐性の三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を部材の表皮に形成できる。また、水蒸気、水素、または酸素をプラズマ化して当該内壁にドーピング処理を行ってもよい。イオン源７０１およびドーピング室７０２内壁に水素と酸素を付着させた状態で、加熱装置７２１ａによりイオン源７０１およびドーピング室７０２の内壁を外側から加熱し、６００℃以上好ましくは７００℃以上１０００℃以下の温度で１０分間以上保持する。もしくは、昇温を先に行ってから水素元素と酸素元素を導入してもよいし、同時に行ってもよい。本実施の形態においては、加熱装置７２１ａには、抵抗加熱方式や電磁誘導加熱方式を利用したヒーターを用いる。抵抗加熱方式には、被加熱物に直接電流を流して行う直接抵抗加熱方式と、被加熱物を発熱体により加熱する間接抵抗加熱方式があるが、どちらを利用してもよいし、併用も可能である。このとき、昇温時間が５分以内好ましくは３分以内であると、四酸化二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_４）や四酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_４）の形成を抑制できるため好ましい。このような時間で昇温するためには、高いエネルギーを短時間に発することが可能なものを利用しなくてはならない。ヒーターに対し短時間に大電流を流すことで急速加熱は可能であるから、その方式を採用すると好ましい。その後の冷却に関しては、冷却ファンなどにより急冷してもよいし、自然に冷えるのに任せてもよい。

以上の工程により、イオン源７０１やドーピング室７０２内部において、それらの内壁の表皮に三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成することができる。これにより、水素脆化の進む前に当該内壁の補修、補強ができるので、メンテナンスのためイオン源７０１やドーピング室７０２を大気開放する頻度が大幅に低下する。大気開放から真空状態への復帰には、数時間から数日の期間を要するため、本発明の一形態による装置のダウンタイムの大幅な短縮は、産業上極めて有益なものである。また、当該内壁を構成する部材の耐久性も大きく向上するため、省資源化を促進できる。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態においては、本発明の一実施形態に係るドーピング装置を、図２を用いて説明する。なお、ここでは、イオン源７０１やドーピング室７０２の加熱にランプを用いる例を示す。

図２の構成において、加熱装置７２１ｂ以外はすべて図１に示したものと同様のものであるので、ここでは加熱装置７２１ｂについて説明する。

加熱装置７２１ｂは強光を発するランプである。ランプには比較的短い時間に高いエネルギーを発するのに好適なものがある。そのようなものの例として、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、低圧水銀ランプなどがある。ランプのエネルギーを高めるために、楕円ミラーや放物面ミラーなどと組み合わせて使用してもよい。楕円ミラーや放物面ミラーの焦点にランプを配置することにより、四方に発散する光を一方向にそろえることができるため、光のエネルギーを効率よく利用できる。

当該ランプを利用して、実施の形態１に示した工程と同様の工程を経ることにより、イオン源７０１やドーピング室７０２内部において、それらの内壁の表皮に三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成することができる。これにより、水素脆化の進む前に当該内壁の補修、補強ができるので、メンテナンスのためイオン源７０１やドーピング室７０２を大気開放する頻度が大幅に低下する。大気開放から真空状態への復帰には、数時間から数日の期間を要するため、本発明の一形態による装置のダウンタイムの大幅な短縮は、産業上極めて有益なものである。また、当該内壁を構成する部材の耐久性も大きく向上するため、省資源化を促進できる。

（実施の形態３）
本実施の形態においては、本発明の一実施形態に係るドーピング装置を、図３を用いて説明する。なお、ここでは、イオン源７０１やドーピング室７０２の加熱に６００℃以上１０００℃以下の高温の気体を供給する高温気体供給装置を使用する例を示す。

図３の構成において、高温気体供給装置である加熱装置７２１ｃ以外はすべて図１に示したものと同様のものであるので、ここでは加熱装置７２１ｃについて説明する。なお、図３においてイオン源７０１の内部は図の煩雑さを解消するため省略した。

加熱装置７２１ｃは高温の気体を流す配管を有している。当該配管は、イオン源７０１およびドーピング室７０２の外壁に接している。図中の矢印の方向に高温の気体を流し、熱をイオン源７０１およびドーピング室７０２の内壁に伝達させる。これにより、当該内壁を６００℃以上好ましくは７００℃以上１０００℃以下とすることができる。高温の気体には、例えば、ヘリウム、アルゴン、キセノン、窒素、クリプトンなどが反応性の低さなどの理由で適している。

当該加熱装置７２１ｃを利用して、実施の形態１に示した工程と同様の工程を経ることにより、イオン源７０１やドーピング室７０２内部において、それらの内壁の表皮に三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成することができる。これにより、水素脆化の進む前に当該内壁の補修、補強ができるので、メンテナンスのためイオン源７０１やドーピング室７０２を大気開放する頻度が大幅に低下する。大気開放から真空状態への復帰には、数時間から数日の期間を要するため、本発明の一形態による装置のダウンタイムの大幅な短縮は、産業上極めて有益なものである。また、当該内壁を構成する部材の耐久性も大きく向上するため、省資源化を促進できる。

（実施の形態４）
本実施の形態においては、本発明の一実施形態に係る、ドーピング装置の低塵化方法を図４に沿って説明する。なお、ここでは、イオン源７０１やドーピング室７０２の加熱に加速したイオンを使用する例を示す。

まず、ドーピング装置に水素酸素供給装置７１９より水素元素や酸素元素を導入する。導入方法や導入量は実施の形態１に示したものとする。これにより、酸素元素と水素元素が、イオン源７０１やドーピング室７０２の内壁に付着する。次に、加熱用気体供給装置７２２よりイオン源７０１に所望の気体を導入する。当該気体は、水素、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、窒素などの不活性気体のいずれか一、または二種類以上の混合気体とする。イオン源７０１に導入された気体は、プラズマ発生用フィラメントの放電に曝すことによりイオンを含むプラズマとなる。当該イオンを加速してドーピング装置のイオン源７０１やドーピング室７０２の内壁に添加する。推奨するドーピングの処理条件は、ガス流量０．１ｓｃｃｍ以上１０００ｓｃｃｍ以下、加速電圧１ｋＶ以上１００ｋＶ以下、電流密度１μＡ／ｃｍ^２以上１００μＡ／ｃｍ^２以下、ドーズ１０^１５ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以上１０^１８ｉｏｎｓ／ｃｍ^２以下の範囲とする。これらの範囲のうち適切な条件を選択することで、水素脆化する部材の温度を６００℃以上または７００℃以上とし、１０分間以上保持することができる。本実施の形態では、先に水素元素と酸素元素をイオン源７０１やドーピング室７０２に導入してから昇温する例を示したが、先に昇温を行ってから水素元素と酸素元素を導入してもよいし、同時に行ってもよい。

本実施の形態に示した工程を経ることにより、イオン源７０１やドーピング室７０２内部において、それらの内壁の表皮に三酸化二クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）を形成することができる。これにより、水素脆化の進む前に当該内壁の補修、補強ができるので、メンテナンスのためイオン源７０１やドーピング室７０２を大気開放する頻度が大幅に低下する。大気開放から真空状態への復帰には、数時間から数日の期間を要するため、本発明の一形態による装置のダウンタイムの大幅な短縮は、産業上極めて有益なものである。また、当該内壁を構成する部材の耐久性も大きく向上するため、省資源化を促進できる。

なお、本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。例えば、イオン源７０１やドーピング室７０２の加熱方法として、先に示したヒーターやランプや高温の気体などを用いる方法を、本実施の形態で示した方法と併用することができる。

（実施の形態５）
本実施の形態では、本発明の一実施の形態に係るドーピング装置を利用して、半導体装置を作製する方法を説明する。

まず、図５および図６を参照して、ｎチャネル型薄膜トランジスタ、およびｐチャネル型薄膜トランジスタを作製する方法を説明する。複数の薄膜トランジスタを組み合わせることで、各種の半導体装置を形成することができる。

まず、基板１２０上に半導体層１２４を形成する。基板１２０が半導体層１２４に直接接していると半導体素子の特性に影響する場合は、下地層１０２をそれらの間に形成するとよい（図５（Ａ）参照）。

基板１２０は、例えば、ガラス基板とすることができる。ガラス基板は無アルカリガラス基板であることが好ましい。無アルカリガラス基板には、例えば、アルミノシリケートガラス、アルミノホウケイ酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス等のガラス材料が用いられる。他にも、基板１２０として、絶縁性セラミック基板、石英基板やサファイア基板等の絶縁体でなる絶縁性基板、半導体セラミック基板やシリコン等の半導体材料でなる半導体基板の表面を絶縁材料で被覆したもの、金属やステンレス等の導電体でなる導電性基板の表面を絶縁材料で被覆したものを用いることができる。また、作製工程の熱処理に耐えられるのであれば、プラスチック基板を用いることもできる。

下地層１０２は、基板１２０からのアルカリ金属（Ｌｉ、Ｃｓ、Ｎａ等）やアルカリ土類金属（Ｃａ、Ｍｇ等）、その他の不純物の拡散を防止する機能を有する。つまり、下地層１０２を設けることにより、半導体装置の信頼性向上という課題を解決することができる。下地層１０２は、窒化シリコン、酸化シリコンなどの各種絶縁材料を用いて、単層構造または積層構造で形成すればよい。具体的には、例えば、基板１２０側から窒化シリコンと酸化シリコンを順に積層した構成とすることが好適である。窒化シリコンは、不純物に対するブロッキング効果が高いためである。一方で、窒化シリコンが半導体と接する場合には、半導体素子に不具合が発生する可能性もあるため、半導体と接する材料としては、酸化シリコンを適用するのがよい。

半導体層１２４は、例えば、シリコンやゲルマニウムなどの第１４族元素の半導体や、化合物半導体などから形成することができる。また、半導体層１２４には、アモルファス状態のもの、結晶性を有するもの、または、単結晶のものを用いてよい。これらは要求される半導体素子の仕様により適宜選択する。単結晶の半導体層１２４を絶縁体上に形成するには、例えば、以下のようにすればよい。まず、単結晶のウエハに水素イオンなどの不活性なイオンを添加して脆化層を形成し、絶縁表面を有する基板に張り合わせ、２００℃以上６００℃以下の温度にて加熱すると、脆化層においてウエハが分離して、単結晶の半導体層１２４が基板上に残る。これにより、単結晶の半導体層１２４が得られる。当該イオンの添加には、本発明の一実施の形態に係るドーピング装置を用いるとよい。

次に、エッチングにより半導体層１２４を整形し、図５（Ｂ）に示すように半導体層２５１、２５２を形成する。半導体層２５１はｎチャネル型のトランジスタを構成し、半導体層２５２はｐチャネル型のトランジスタを構成する。

図５（Ｃ）に示すように、半導体層２５１、２５２上に絶縁層２５４ａを形成する。次に、絶縁層２５４ａを介して半導体層２５１上にゲート電極２５５を形成し、半導体層２５２上にゲート電極２５６を形成する。

なお、半導体層１２４のエッチングを行う前に、トランジスタのしきい値電圧を制御するために、ホウ素、アルミニウム、ガリウムなどの不純物元素、またはリン、ヒ素などの不純物元素を半導体層１２４に添加してもよい。当該添加処理には、本発明の一実施の形態に係るドーピング装置を用いるとよい。

次に、図５（Ｄ）に示すように半導体層２５１にｎ型の低濃度不純物領域２５７ａを形成し、半導体層２５２にｐ型の高濃度不純物領域２５９を形成する。具体的には、まず、半導体層２５１にｎ型の低濃度不純物領域２５７ａを形成する。このため、ｐチャネル型トランジスタとなる半導体層２５２をレジストでマスクし、不純物元素を半導体層２５１に添加する。例えば、不純物元素はリンまたはヒ素とする。本発明の一実施の形態に係るドーピング装置を用い、イオンドーピング法またはイオン注入法により不純物元素を添加することにより、ゲート電極２５５がマスクとなり、半導体層２５１に自己整合的にｎ型の低濃度不純物領域２５７ａが形成される。半導体層２５１のゲート電極２５５と重なる領域はチャネル形成領域２５８となる。

次に、半導体層２５２を覆うマスクを除去した後、ｎチャネル型トランジスタとなる半導体層２５１をレジストマスクで覆う。次に、本発明の一実施の形態に係るドーピング装置を用い、イオンドーピング法またはイオン注入法により不純物元素を半導体層２５２に添加する。例えば、不純物元素はボロンとする。不純物元素の添加工程では、ゲート電極２５６がマスクとして機能して、半導体層２５２にｐ型の高濃度不純物領域２５９が自己整合的に形成される。高濃度不純物領域２５９はソース領域またはドレイン領域として機能する。半導体層２５２のゲート電極２５６と重なる領域はチャネル形成領域２６０となる。ここでは、ｎ型の低濃度不純物領域２５７ａを形成した後、ｐ型の高濃度不純物領域２５９を形成する方法を説明したが、先にｐ型の高濃度不純物領域２５９を形成することもできる。

次に、半導体層２５１を覆うレジストを除去した後、プラズマＣＶＤ法等によって窒化シリコン等の窒化物や酸化シリコン等の酸化物からなる単層構造または積層構造の絶縁層を形成する。この絶縁層を異方性エッチングすることで、図６（Ａ）に示すように、ゲート電極２５５、２５６の側面に接するサイドウォール絶縁層２６１、２６２を形成する。この異方性エッチングにより、絶縁層２５４ａもエッチングされ、絶縁層２５４ｂとなる。

次に、図６（Ｂ）に示すように、半導体層２５２をレジスト２６５で覆う。半導体層２５１にソース領域またはドレイン領域として機能する高濃度不純物領域を形成するため、本発明の一実施の形態に係るドーピング装置を用い、イオン注入法またはイオンドーピング法により、半導体層２５１に高ドーズ量で不純物元素を添加する。ゲート電極２５５およびサイドウォール絶縁層２６１がマスクとなり、ｎ型の高濃度不純物領域２６７が形成される。また、サイドウォール絶縁層２６１の下には、ｎ型の低濃度不純物領域２５７ｂが残る。次に、不純物元素の活性化のための加熱処理を行う。

活性化の加熱処理の後、図６（Ｃ）に示すように、水素を含んだ絶縁層２６８を形成する。絶縁層２６８を形成後、３５０℃以上４５０℃以下の温度による加熱処理を行い、絶縁層２６８中に含まれる水素を半導体層２５１、２５２中に拡散させる。絶縁層２６８は、プロセス温度が３５０℃以下のプラズマＣＶＤ法により窒化シリコンまたは窒化酸化シリコンを堆積することで形成できる。半導体層２５１、２５２に水素を供給することで、半導体層２５１、２５２中および絶縁層２５４ｂとの界面での捕獲中心となるような欠陥を効果的に補償することができる。

その後、層間絶縁層２６９を形成する。層間絶縁層２６９は、酸化シリコン、ＢＰＳＧ（ＢｏｒｏｎＰｈｏｓｐｈｏｒｕｓＳｉｌｉｃｏｎＧｌａｓｓ）などの無機材料でなる絶縁層、または、ポリイミド、アクリル樹脂などの有機樹脂から選ばれた単層構造か積層構造のもので形成することができる。層間絶縁層２６９にコンタクトホールを形成した後、図６（Ｃ）に示すように配線２７０を形成する。配線２７０の形成には、例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの低抵抗金属をバリアメタルで挟んだ３層構造の導電層で形成することができる。バリアメタル層は、モリブデン、クロム、チタンなどの金属層で形成することができる。

以上の工程により、ｎチャネル型トランジスタとｐチャネル型トランジスタを有する半導体装置を作製することができる。

図５及び図６を参照してトランジスタの作製方法を説明したが、トランジスタの他、容量、抵抗などトランジスタと共に各種の半導体素子を形成することで、高付加価値の半導体装置を作製することができる。以下、図面を参照しながら半導体装置の具体的な態様を説明する。

図７、図８を用いて、表示装置について説明する。

図７は液晶表示装置を説明するための図面である。図７（Ａ）は液晶表示装置の画素の平面図であり、図７（Ｂ）は、Ｊ−Ｋ切断線による図７（Ａ）の断面図である。

図７（Ａ）に示すように、画素は、半導体層３２０、半導体層３２０と交差している走査線３２２、走査線３２２と交差している信号線３２３、画素電極３２４、画素電極３２４と半導体層３２０を電気的に接続する電極３２８を有する。半導体層３２０は、基板１２０上に設けられた半導体層から形成された層であり、画素のトランジスタ３２５を構成する。

図７（Ｂ）に示すように、基板１２０上に、下地層１０２を介して半導体層３２０が積層されている。基板１２０としては、ガラス基板を用いることができる。半導体層３２０には、チャネル形成領域３４０、不純物元素が添加されたｎ型の高濃度不純物領域３４１が形成されている。トランジスタ３２５のゲート電極は走査線３２２に含まれ、ソース電極およびドレイン電極の一方は信号線３２３に含まれている。

層間絶縁層３２７上には、信号線３２３、画素電極３２４および電極３２８が設けられている。層間絶縁層３２７上には、スペーサ３２９が形成されている。信号線３２３、画素電極３２４、電極３２８およびスペーサ３２９を覆って配向膜３３０が形成されている。対向基板３３２には、対向電極３３３、対向電極を覆う配向膜３３４が形成されている。スペーサ３２９は、基板１２０と対向基板３３２の隙間を維持するために形成される。スペーサ３２９によって形成される隙間に液晶層３３５が形成されている。信号線３２３および電極３２８と高濃度不純物領域３４１との接続部は、コンタクトホールの形成によって層間絶縁層３２７に段差が生じるので、この接続部では液晶層３３５の液晶の配向が乱れやすい。そのため、この段差部にスペーサ３２９を形成して、液晶の配向の乱れを防ぐ。

次に、エレクトロルミネセンス表示装置（以下、ＥＬ表示装置という。）について図８を参照して説明する。図８（Ａ）はＥＬ表示装置の画素の平面図であり、図８（Ｂ）は、Ｊ−Ｋ切断線による図８（Ａ）の断面図である。

図８（Ａ）に示すように、画素は、選択用トランジスタ４０１、表示制御用トランジスタ４０２、走査線４０５、信号線４０６、および電流供給線４０７、画素電極４０８を含む。エレクトロルミネセンス材料を含んで形成される層（以下、ＥＬ層という。）が一対の電極間に挟んだ構造の発光素子が各画素に設けられている。発光素子の一方の電極が画素電極４０８である。また、半導体層４０３には、選択用トランジスタ４０１のチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域が形成されている。半導体層４０４には、表示制御用トランジスタ４０２のチャネル形成領域、ソース領域およびドレイン領域が形成されている。

選択用トランジスタ４０１において、ゲート電極は走査線４０５に含まれ、ソース電極またはドレイン電極の一方は信号線４０６に含まれ、他方は電極４１１として形成されている。表示制御用トランジスタ４０２は、ゲート電極４１２が電極４１１と電気的に接続され、ソース電極またはドレイン電極の一方は、画素電極４０８に電気的に接続される電極４１３として形成され、他方は、電流供給線４０７に含まれている。

表示制御用トランジスタ４０２はｐチャネル型である。図８（Ｂ）に示すように、半導体層４０４には、チャネル形成領域４５１、およびｐ型の高濃度不純物領域４５２が形成されている。

表示制御用トランジスタ４０２のゲート電極４１２を覆って、層間絶縁層４２７が形成されている。層間絶縁層４２７上に、信号線４０６、電流供給線４０７、電極４１１、４１３などが形成されている。また、層間絶縁層４２７上には、電極４１３に電気的に接続されている画素電極４０８が形成されている。画素電極４０８は絶縁性の隔壁層４２８で囲まれている。画素電極４０８上にはＥＬ層４２９が形成され、ＥＬ層４２９上には対向電極４３０が形成されている。補強板として対向基板４３１が設けられており、対向基板４３１は樹脂層４３２により基板１２０に固定されている。

ＥＬ表示装置の階調には、大きく分けてふたつの制御方式がある。ひとつは発光素子の輝度を電流で制御する電流駆動方式で、他のひとつはその輝度を電圧で制御する電圧駆動方式である。画素部を構成するトランジスタの特性値のばらつきが大きい場合、補正回路を付加することにより、電流駆動方式を採用できる。しかしながら、補正回路の付加は発光部の開口率の低下につながるため好ましくない。そのため例えば、半導体層４０３、４０４を単結晶半導体材料で形成することにより、画素部を構成する選択用トランジスタ４０１および表示制御用トランジスタ４０２の特性値のばらつきが抑えられるため、補正回路を用いずに電流駆動方式を採用することができる。

なお、本実施の形態は、先の実施の形態と適宜組み合わせて用いることができる。

１０２下地層
１２０基板
１２４半導体層
２５１半導体層
２５２半導体層
２５４ａ絶縁層
２５４ｂ絶縁層
２５５ゲート電極
２５６ゲート電極
２５７ａ低濃度不純物領域
２５７ｂ低濃度不純物領域
２５８チャネル形成領域
２５９高濃度不純物領域
２６０チャネル形成領域
２６１サイドウォール絶縁層
２６２サイドウォール絶縁層
２６５レジスト
２６７高濃度不純物領域
２６８絶縁層
２６９層間絶縁層
２７０配線
３２０半導体層
３２２走査線
３２３信号線
３２４画素電極
３２５トランジスタ
３２７層間絶縁層
３２８電極
３２９スペーサ
３３０配向膜
３３２対向基板
３３３対向電極
３３４配向膜
３３５液晶層
３４０チャネル形成領域
３４１高濃度不純物領域
４０１選択用トランジスタ
４０２表示制御用トランジスタ
４０３半導体層
４０４半導体層
４０５走査線
４０６信号線
４０７電流供給線
４０８画素電極
４１０電極
４１１電極
４１２ゲート電極
４１３電極
４２７層間絶縁層
４２８隔壁層
４２９ＥＬ層
４３０対向電極
４３１対向基板
４３２樹脂層
４５１チャネル形成領域
４５２高濃度不純物領域
７０１イオン源
７０２ドーピング室
７０３チャンバー
７０４待機室
７０５搬送室
７０６搬送ロボット
７０７ステージ
７０８ａ排気装置
７０８ｂ排気装置
７０８ｃ排気装置
７１０ａゲートバルブ
７１０ｂゲートバルブ
７１０ｃゲートバルブ
７１１プラズマ発生用フィラメント
７１２引き出し電極
７１３加速電極
７１４抑制電極
７１５設置電極
７１９水素酸素供給装置
７２０基板
７２１ａ加熱装置
７２１ｂ加熱装置
７２１ｃ加熱装置
７２２加熱用気体供給装置
７２３供給装置

Claims

装置の内部における表面処理方法であって、
前記装置は、加速したイオンを対象物に照射する機能を有し、
前記装置の内部に、水蒸気と、水素と、を供給した後、
前記装置の内部にあるステンレス鋼を含む部材の少なくとも一部に加熱処理を行い、
前記水蒸気の流量に対する前記水素の流量の比は、１０以上１５００以下であり、
前記加熱処理の温度は、６００℃以上１０００℃以下であり、
前記加熱処理の時間は、１０分間以上であり、
前記加熱処理の昇温時間は、５分以内であることを特徴とする装置の表面処理方法。