JPH02199824A - 基板への不純物の導入方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体素子の形成方法に係り、特に、素子の良
好な電気的特性を得るのに好適な基板への不純物の導入
方法に関する。

［従来の技術］ 近年、平面デイスプレィのスイッチング素子として、表
示素子と一体化した多結晶シリコン薄膜トランジスタが
用いられるようになっており、その素子を大型化する検
討も始まっている。

多結晶薄膜トランジスタの形成プロセスにおいて、ソー
スとドレインの形成のための不純物導入が重要な技術と
なついる。素子の高速化のためには、極薄の半導体領域
を形成する必要がある。

不純物の導入方法としては、熱拡散法、イオン打込み法
がよく知られているが、前者は約８００℃以上の高温を
必要とする、後者は高エネルギのイオンを用いるため、
極薄の半導体領域を形成するのは、かなり難しく、装置
も高価で、大面積の打込みには長い時間を要する。

従来、これらの問題のいくつかを解決する方法としては
、特開昭５９−２１８７２７号公報に所定の不純物を含
む雰囲気に半導体基板を置き、グロー放電を行なわせる
ことにより不純物を導入する方法が記載されている。こ
の方法は、極薄の半導体領域が形成でき、大面積の不純
物導入も可能な方法であるが、高速処理については十分
考慮されておらず、必ずしも経済的な方法ではない。

また、別の方法には、電子情報通信学会論文誌Ｃ，Ｖｏ
Ｌ、Ｊ７０−Ｃ，Ｎａ１ｌ、ｐｐ１４７３−１４７８　
（１９８７年、１１月）に、高周波グロー放電により発
生させた不純物のイオンを含むプラズマ（電離気体）か
ら、不純物イオンを引出して基板に照射する方法が記載
されている。この方法は、極薄の半導体領域を形成でき
、高速での不純物導入が可能であるが、大面積の不純物
の導入については十分な考慮がなされていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、経済的な素子形成を可能にする高速処
理、大面積処理の双方を満足する技術については考慮が
されておらず、いずれの方法でも生産性が十分上がらな
いという問題があった。

本発明の目的は、高性能の素子を経済的に形成するため
の、高速で、大面積を一括処理可能な基板への不純物導
入方法を提供することにある。

［ｌ１１１を解決するための手段］ 上記目的は、処理室及び気密を保って隣接した放電室を
真空に排気し、放電室に数十から百数士電子ボルト程度
の電子を供給しながら、磁界、又は、電界により電子を
空間的に均一に保持し、放電室に不純物を含むガス、及
び、希釈ガスを導入することによりプラズマを生成し、
プラズマから、不純物イオンを含むイオンビームを、冷
却した基板ホールダに固定された基板に照射することに
より達成される。

（作用〕 真空に排気した放電室において、空間的に均一に保持さ
れた電子は、導入された不純物を含むガス、及び、希釈
ガスに衝突し、ある確率でガスを電離する。その確率は
、被衝突ガスの圧力や種類、衝突する電子のエネルギ等
で異なるが、電子は磁界、又は、電界により空間的にほ
ぼ均一に保持されており、電子の衝突解離により生じる
プラズマ中の不純物のイオンは、空間的に、はぼ、均一
となる。従って、そこから処理室に引き出された不純物
のイオンは、基板上に、はぼ、均一に照射され、基板に
、はぼ、均一濃度で不純物が導入される。なお、基板は
冷却されており、素子の製造プロセスで許容される最高
温度を越えることはない。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図を用いて
説明する。

第１図は１本発明を実施するための装置の概略図である
１本装置は、放電室１と気密を保ち、絶縁物２を介して
連結された処理室８からなり、排気管１５を介して排気
装置（図示していない）に連結されている。放電室１の
周囲には、隣り合う磁極の極性が逆となるように、永久
磁石３が配置されており、ガス供給管５、絶縁物２で絶
縁した電子供給装置１４、多孔の（多数の穴のあいた）
イオン引き出し電極７が取付けられている。処理室８内
には、水冷機構１３で冷却された基板ホールダ１２、そ
れに取付けられた基板１１．基板加熱用のヒータ１４が
置かれており、処理室８には電子発生器９が配置されて
いる。また、各部に電位を与えるための直流電源１７，
１８，１９が図のように結線されている。なお、電子供
給装置４としては、第２図（ａ）のものを用いた。同装
置は、上、下を少なくとも一部閉じた円筒容器内に、平
行平板の高周波放電電極３１を置き、下方の高周波放電
極３１のほぼ中央には多孔の電子引き出し電極３２を取
付け、円筒容器にはガス供給管３５を設けている。そし
て、マツチングボックス３３と高周波電［３４が結線さ
れている。

放電室１と処理室８を、排気装置により約Ｉ×１０−’
Ｔｏｒｒの真空にする。直流電源１７にＶｔ＝５０ｖの
電圧を印加すると、約６０電子ボルトの電子６が電子供
給装［４から供給される。電子６は、放電室側壁に向っ
て進むが、その多くが永久磁界３のつくる多極磁界には
ね返されて、側壁から４０膿程離れた中心部分に、はぼ
、均一な密度で保持される。ガス供給管５からヘリウム
（Ｈｅ）で希釈した０、５％　フォスフイン（ＰＨａ）
を、処理室８内で約１×１０″″’Ｔｏｒｒになるよう
に二放電室１に導入する。＋れらのガス分子に、高速電
子６が衝突し、これを電離することにより、ヘリウム、
燐等のイオンを含むプラズマが生成される。

直流電源１８にＶｚ＝３ＫＶ、直流電源１９にＶａ＝−
５００Ｖを与えることで、イオン引き出し電極７（引き
出し径：３５０■）により、生成されたプラズマから、
イオンビーム１６を引き出せる。

引き出したイオンビームは、２００閣角の多結晶シリコ
ンの基板１１に照射される。この際、基板１１での過熱
や帯電を防ぐため、基板ホールダ１２は水冷し、電源１
０を動作させることにより、電子供給器９から基板１１
に電子を供給する。照射時間は１０分間である。なお、
電子供給装！！４の動作については、ヘリウムガスをガ
ス供給管３５から導入し、上方の高周波電極３１に、高
周波電源３４から１３．５６　ＭＨｚ、２００Ｗの高周
波電力を印加することにより、高周波グロー放電を行な
わせ、ヘリウムのプラズマを生成する。

生成されたプラズマは拡散により電子引き出し電極３２
内に移動し、放電室に必要な電子を供給する。

基板への均一な不純物の導入を実現するためには不純物
イオンを基板に照射する必要がある。第３図（ａ）は、
実際の基板に燐を導入する前に、基板位置で、照射され
る全イオンと燐イオンの密度分布を調べたものである。

全イオンはファラデカップで測定し、燐イオンは四重極
質量分析計のスペクトルの信号強度から推定した値であ
る。照射される燐イオンの密度は、基板上で、はぼ、均
一と著えてよい、第３図（ｂ）は、燐イオン（中性化さ
れたものも含む）導入後の多結晶シリコン基板中の燐濃
度分布を示している。測定には二次イオン質量分析法を
用いた。従来のイオン打込み法などと比較して、極薄の
半導体領域を形成できることがわかる。２００履角の基
板上での燐イオン導入の均一性は、ソース／ドレイン　
シート抵抗で評価した。結果は、 シート抵抗の平均：　２．６　Ｘ　１０’（Ω／口）シ
ート抵抗のばらつき：±２００（Ω／口）（シリコン膜
厚６００人、熱処理後） となり、良好な燐イオン導入が行なわれていることがわ
かる。

本実施例によれば、基板全体に均一に不純物イオンを照
射できるため、不純物導入の結果得られたシート抵抗値
のばらつきは±８％程と小さく、従来の方法ま１／３〜
１／６という短い時間で処理できる。

本実施例では、２００■角の基板を処理するために、イ
オンビームの引き出し径が３５０ｍの装置を用いている
が、処理する基板が、更に、大きくなれば、イオンビー
ム引き出し径、及び、放電室１の径を大きくする必要が
ある。その際、多極磁界を発生する永久磁石の個数や配
置、電子供給装置ｉ！４の容量や個数を工夫することに
より、電子を放電室１内に均一に保持でき、大面積にわ
たつて均一な不純物イオンを引き出すことができる。

なお、多極磁界を用いれば、イオン引き出し部で円型や
正方形のイオンビームのみならず、長方形（縦長）のイ
オンビームを発生させることもでき、素子形成プロセス
に最適な処理が可能となる。

また、本実施例では電子供給装置４として、高周波グロ
ー放電で発生したプラズマから電子を引き出す方法を用
いているが、第２図（ｂ）に示すように、マイクロ波放
電を利用した方法もある。

この装置は、上、下の少なくとも一部を閉じた円筒容器
の周囲に軸方向の磁界を発生させるように、永久磁石３
を配置する。その容器には、気密をとるための石英窓３
６を挟んで導波管３７、ガス供給管３５、多孔の電子引
き出し電極３２が設けられている０円筒容器内を真空に
引いた後、ヘリウムガスを導入し、図では示していない
マグネトロン発振管で発生した２、４５ＧＨｚ　　のマ
イクロ波を石英窓３６から円筒容器内に導入すると、有
磁場マイクロ波放電によりヘリウムのプラズマが発生す
る。そこから、電子６を引き出すことができる６その他
、電子供給装置４として、ホローカソード、あるいは、
熱フィラメントを用いても、第１図及び第２図（ａ）の
実施例で得られたのと同様の効果がある。ただし、熱フ
ィラメントの場合、フィラメントが消耗するため、交換
の手間がかかるという問題はある。

本発明のその他の実施例を、第４図第５図を用いて説明
する。

第４図は、本発明の第二の実施例の系統図、本装置は、
放電室１と処理室８からなり、処理室８は、第１図の実
施例と同じである。放電室１内には、輪状のアノードリ
ング４０が電気的に他と絶縁されて支持されている。放
電室の上方には電子供給装置４、下方にはイオン引き出
し電極７が設けられている。電子供給袋！！４は上方を
閉じた円筒容器内に、高周波放電電極３１および多孔の
高周波放電電極３８を対向して配置する。多孔の電極３
８の下方には、電子引き出し電極３９、反射電極４２が
、それぞれの小孔の位置がそろうように配置されている
。高周波電源３４、マツチングボックス３３、直流電源
１８，１９，４１、分圧抵抗器４５が図のように結線さ
れている。

電子供給装置４を含め、放電室１および処理室８を、排
気装置により約１×１０″″６Ｔｏｒｒの真空にする。

ガス供給管３５から、ヘリウムガスを導入しながら、高
周波電源３４から、１３．５６ＭＨｚ、３００Ｗの高周
波電力を、高周波放電電極３１に印加して、グロー放電
を起こさせ、ヘリウムのプラズマを発生させる。直流電
源４１にＶａ　＝１５０Ｖを印加することにより、高周
波放電電極３８と電子引き出し電極３９の間で加速され
、反射電極４２との間で減速されるが、電子６は、数電
子ボルトのエネルギをもっており、７ノードリング４０
のつくる電界により電子６は下方に向って加速される。

アノードリング４０を通り越すと逆に減速される。イオ
ン引き出し電極７の手前で反射され、電子は上方に向い
、更に、反射電極４２に反射されて下方に向う、電子は
このような上、下の反射運動を繰り返す、その結果、空
間的には。

はぼ均一に電子が保持される。そこに、ガス供給管５か
らヘリウムで希釈した０、５　％フォスフインを、処理
室８内で約１×１０″″’Ｔｏｒｒになるように導入す
ると、高速電子６がそれらのガス分子に衝突して、これ
を電離することで、ヘリウム、燐等のイオンを含むプラ
ズマが生成される。直流電源１８にＶｚ＝３ＫＶ、直流
電源１９にＶｓ　＝５００ｖを与えることで、イオン引
き出し電極７（引き出し径：３５０１）により、生成さ
れたプラズマからイオンビームを引き出せる。引き出し
たイオンビームは、２００■角の多結晶シリコンの基板
１１に照射される。この際、基板ホールダ１２は水冷し
、基板１１に電子供給器９から電子を供給する。照射時
間は１０分間である。

第５図は、基板位置で、照射される全イオンと燐イオン
密度分布を調べたものである。基板上での燐イオン密度
のばらつきは、±７％程である。

２００ｍ角の多結晶シリコン基板に燐イオンを導入した
後のソース／ドレイン　シート抵抗を評価した結果は。

シート抵抗の平均：　２．８　Ｘ　１０”（Ω／口）シ
ート抵抗のばらつき：±４５０（Ω／口）（シリコン膜
厚６００人、熱処理後） であり、短時間で良好な燐イオン導入が行なわれている
。

本実施例によれば、第１図の装置を用いた実施例と同様
、短時間で基板全体に均一に不純物導入ができ、良好な
電気的特性が得られる。

本発明の第三の実施例を、第６図を用いて説明する。同
図は１本発明を実施するための装置の縦断面図である６
本装置は、第１図の装置から、イオン引き出し、電極７
、直流電源１９．電子供給器９、電源１０を除いたもの
である。

ヘリウム希釈した０、５　％フォスフインを、ガス供給
管５から導入して、放電室１にヘリウム、燐等の空間的
に均一なイオンを含むプラズマを生成することは、第１
図の装置を用いた実施例と同じである。直流電圧１８に
Ｖｚ＝３５０Ｖを印加する。生成されたプラズマは、処
理室８中の基板１１に向って張り出し、基板１１の近傍
にイオンシースと呼ばれる電位勾配が生じる。プラズマ
中のイオンがその電位勾配で加速され、基板１１に照射
される。生成されたプラズマ中の燐イオンの密度は、空
間的に均一であるから、基板１１に照射される燐イオン
密度も比較的均一である。処理時間は三十分である。　
２００鳳角の多結晶シリコン基板に隣イオンを導入した
後のソース／ドレイン　シート抵抗を評価した結果は。

シート抵抗ノ平均：　４．２　Ｘ　１０３（Ω／口）シ
ート抵抗のばらつき：±９００（Ω／口）である。

本実施例におけるシート抵抗値は、既述の二つの実施例
での値に比較して、やや高く、ばらつきも大きい。しか
し、これらの特性は実用上許容できる範囲である。なお
、本実施例ではイオン引き出し電極がないため、同電極
がスパッタされ、放出された粒子による基板１１の汚染
がない、スパッタ粒子による汚染が特に１問題となる素
子の形成には、本実施例の方法は適している。

本実施例によれば、第１図、第４図の装置を用いた実施
例と同様、基板全体に均一に不純物の導入ができる。

これまで説明した実施例では、放電室に導入するガスと
して、ヘリウムで希釈したフォスフインを用いたが、ヘ
リウムにかわる希釈ガスとして水素を用いてもよい、ま
た、不純物として燐の場合のみを説明したが、本発明を
用いて、硼素、アンチモン、砒素、ガリウム等の不純物
を基板に導入できる。なお、被処理基板は、多結晶シリ
コンのみならず、単結晶シリコン、非晶質シリコンにお
いても同様の効果がある。その他の金属基板への異種物
質の導入についても、本発明を適用することができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、基板全体に、はぼ、均一な密度で不純
物イオン（中性化されたものを含め）を照射でき、２０
０ｍ角多結晶シリコンに不純物を導入した結果、ソース
・ドレイン　シート抵抗については、十分低いシート抵
抗値が得られ、さらに、処理時間は大幅に短縮されてお
り、高速、がっ、大面積−括処理により経済的な素子の
形成ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図は電子供
給装置の縦断面図、第３図は第１図の実施例の効果を説
明するためのグラフ、第４図は本発明の第二の実施例の
系統図、第５図は、第４図の実施例の効果を説明するた
めのグラフ、第６図は本発明の第三の実施例の系統図で
ある。 １・・・放電室、２・・・絶縁物、３・・・永久磁石、
４・・・電子供給装置、５・・・ガス供給管、７・・・
イオン引き出し電極、８・・・処理室、１１・・・基板
、１２・・・基板ホールダ、１７，１８，１９，４１・
・・直流電源、３４・・・高周波電源、４０・・・アノ
ードリング、４２・・・反射電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、導入ガスとして、基板に導入すべき不純物を含むガ
   ス及び希釈ガスを用い、これらのガスを放電室で放電解
   離させ、前記放電室に気密を保つて設けられた処理室内
   で、被処理基板に不純物を導入するに際し、前記放電室
   で空間的にほぼ均一な電子を保持し、前記放電室に前記
   不純物を含むガス及び前記希釈ガスを供給し、 そこに生成される不純物イオンを含む電離気体から前記
   不純物イオンを含む荷電粒子を引き出し、それを前記基
   板に照射することを特徴とする基板ヘの不純物の導入方
   法。 ２、特許請求項第１項において、 前記空間的にほぼ均一に保持される電子のもつエネルギ
   が５０〜２００電子ボルトであることを特徴とする基板
   への不純物の導入方法。 ３、特許請求項第１項において、 前記空間的にはほぼ均一に保持される、電子を保持する
   手段として、磁界又は電界の少なくとも一方を用いたこ
   とを特徴とする基板への不純物の導入方法。 ４、特許請求項第３項において、 前記磁界を発生する手段として、多極磁界を用いたこと
   を特徴とする基板への不純物の導入方法。 ５、特許請求項第３項において、 前記電界を発生する手段として、電子を繰返し反射でき
   る電極系を用いたことを特徴とする基板への不純物の導
   入方法。 ６、特許請求項第１項において、 前記空間的にほぼ均一に保持される電子を前記放電室に
   供給する手段として、高周波放電、あるいは、マイクロ
   波放電により発生したプラズマから電子を引き出し、前
   記放電室に供給することを特徴とする基板ヘの不純物の
   導入方法。 ７、特許請求項第１項において、 前記電離気体から前記荷電粒子を引き出す手段として、
   複数の穴の開いた電極を用いることを特徴とする基板へ
   の不純物の導入方法。 ８、特許請求項第７項において、 前記基板における帯電を防止するため、少なくとも、不
   純物の導入の間は前記基板に電子を供給することを特徴
   とする基板への不純物の導入方法。 ９、特許請求項第１項において、 前記電離気体から前記荷電粒子を引き出す手段として、
   前記電離気体と前記基板の間に生成されるイオンシース
   を用いたことを特徴とする基板への不純物の導入方法。 １０、特許請求項第１項において、 前記基板を冷却したことを特徴とする基板への不純物の
   導入方法。 １１、特許請求項第１項の方法を用いて製造した薄膜ト
   ランジスタ。 １２、特許請求項第１項記載の方法を用いて製造した半
   導体集積回路。 １３、特許請求項第１１項に記載の薄膜トランジスタを
   用いたディスプレイ。