JPH05102055A

JPH05102055A - 半導体作製方法

Info

Publication number: JPH05102055A
Application number: JP3290719A
Authority: JP
Inventors: Kouyuu Chiyou; 宏勇張
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-10-08
Filing date: 1991-10-08
Publication date: 1993-04-23

Abstract

(57)【要約】【構成】真空チャンバー２１内に設置された試料であ
る半導体２４に一導電型を付与する不純物をドーピング
する方法であって、真空チャンバー２１内の雰囲気を一
導電型を付与する不純物を含有する雰囲気とし、この雰
囲気に電極２９より電磁エネルギー与えながらレーザー
光２３を試料に照射することによって、プラズマ化した
雰囲気中より効率良く半導体２４に対してドーピングを
行うことができる半導体作製方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低温工程で効率良くド
ーピングを行う技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ドーピングを行う技術として、熱
拡散法やイオン打ち込み法が知られている。熱拡散法は
１０００度〜１２００度という高温雰囲気中で不純物を
半導体中に拡散させる方法であり、イオン打ち込み法は
イオン化した不純物を電界で加速し所定の場所に打ち込
む方法である。

【０００３】しかしながら、不純物の拡散係数ＤはＤ＝
Ｄ₀exp[-Ｅ_a/ ｋＴ] で示されるように絶対温度Ｔに対
し指数関数的に依存する。ここでＤ₀ はＴ＝∞における
拡散係数であり、Ｅ_aは活性エネルギーであり、ｋはボ
ルツマン係数である。従って、不純物を半導体中へ効率
良く拡散させるためには出来るだけ高温で行うのが望ま
しく熱拡散法では１０００度以上の高温工程で行うの一
般的であった。またイオン打ち込み法では、不純物の活
性化と欠陥の回復のために６００度〜９５０度の温度で
の後熱処理工程が必要であった。

【０００４】近年ガラス基板上に設けられたＴＦＴ（薄
膜トランジスタ）を画素のスイッチング素子として用い
たアクティブマトリックス型の液晶表示装置が一部実用
化されているが、これらはＴＦＴのソース，ドレイン領
域をオーミックコンタクトに一導電型の非晶質珪素で形
成しているの一般的である。また、ＴＦＴの構造として
逆スタガー型の形式をとっており構造的な問題から寄生
容量を発生しやすかった。そこで、ソース，ドレイン領
域を自己整合的（セルフアライン）に形成するＴＦＴを
用いることが検討されているが、ソース，ドレイン領域
を自己整合的に形成するためには、イオン打ち込み法や
イオンシャワー法を用いなければならなかった。しかし
これらの方法は前述のように不純物の活性化と欠陥の回
復のために６００度〜９５０度の温度での後熱処理工程
が必要であり、一般の安価なガラス基板の耐熱温度が、
６００度〜７００度であることを考えると、工業的に用
いることが困難であった。

【０００５】このようなガラス基板に与える熱ダメージ
の問題を解決する方法として、レーザー光の照射による
ドーピング技術が知られている。この方法の一つとして
は、ドーピングを行おうとする半導体表面に不純物の薄
膜を形成し、レーザー光の照射によってこの不純物の薄
膜と半導体表面を溶融させ、不純物を溶かし込む方法が
ある。また、別な方法として、ドーピングを行おうとす
る不純物を含有した反応性気体の雰囲気中で半導体表面
に対してレーザー光を照射することによって、半導体中
に気相中から不純物を添加拡散させる方法がある。特に
パルス照射型のエキシマレーザーを用いた場合、基板と
してガラス基板を用いた場合でもガラス基板の温度は瞬
間的に３００度程度になるだけであり、ガラス基板に対
する熱ダメージを問題にしないですむという特徴を有し
ている。

【０００６】上記のエキシマレーザー光の照射によって
ドーピングを行う方法は、ガラス基板に熱ダメージを与
えないので、熱ダメージによる欠陥の発生を抑えること
ができるという利点を有するが、レーザー光の波長によ
っては反応性ガスにエネルギーが吸収されず、ドーピン
グ効率が低下するという問題があった。例えば、アレク
サンドライトレーザー光（波長７４５ｎｍ）を用いた場
合、ＰＨ₃ガスを直接分解することができない。その
他、ドーピングを行うための反応性ガス（ドーピングガ
スという）として５価の不純物を含むＡｓＨ₃そしてＰ
Ｈ₃や３価の不純物を含むＢ₂Ｈ₆のそれぞれにおい
て、吸収する波長帯が異なるので各種反応ガスを用いて
異なる元素をドーピングしなければならない場合には、
ドーピング濃度の不均一等の不都合を生じるという問題
があった。

【０００７】例えばＰチャネル型ＴＦＴ（以下ＰＴＦＴ
と記す）とＮチャネル型ＴＦＴ（以下ＮＴＦＴと記す）
を相補型に構成した素子を形成する場合やＣＭＯＳ構成
の素子を形成する場合、Ｎ型を付与するドーピングガス
とＰ型を付与するドーピングガスを使い分けなければな
らないので、レーザーの種類によってはドーピングガス
が限定されてしまう問題や、それぞれのドーピングガス
に適応したレーザーを別個に用意しなければならない等
の問題があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のレー
ザー光、特にエキシマレーザー光を用いた気相からのド
ーピング技術において、異なるドーピングガスを用いて
複数のドーピングを行おうとする場合、同一レーザー光
が異なるドーピングガスを分解しないことによるドーピ
ング効率の低下の問題を発明の課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために、一導電型を付与する不純物を含む反応
性気体雰囲気中で、半導体表面に対してレーザー光を照
射することによって、前記一導電型を付与する不純物を
前記半導体中にドーピングする方法であって、前記レー
ザー照射時に、前記反応性気体を分解するために電磁エ
ネルギーが加えるという構成をとるものである。さら
に、ドーピング効率を高めるために、レーザー光を照射
する際、同時に試料であるドーピングを行おうとする半
導体をその半導体の結晶化温度以下の温度で加熱すると
いう構成をとるものである。

【００１０】本発明における一導電型を付与する不純物
とは、半導体として珪素半導体（シリコン）を用いた場
合において、Ｐ型を付与するのであれば、３価の不純
物、代表的にはであるＢ（ボロン）等を用いることがで
き、Ｎ型を付与するのであれば、５価の不純物、代表的
にはＰ（リン）やＡｓ（砒素）等を用いることができ
る。そしてこれらの不純物を含む反応性気体としてＡｓ
Ｈ₃，ＰＨ₃，ＢＦ₃，ＢＣｌ₃，Ｂ（ＣＨ₃）₃等を
用いることができる。

【００１１】半導体としては、ＴＦＴを作製するのであ
れば、気相成長法やスパッタ法等によって成膜した非晶
質珪素半導体薄膜が一般的には用いられる。また、液相
成長によって作製した多結晶または単結晶の珪素半導体
でも本発明が適用できる。さらに、珪素半導体に限定さ
れず、他の半導体であってもよいことはいうまでもな
い。

【００１２】レーザー光としては、パルス発振型のエキ
シマレーザー装置を用いることが有用である。これは、
前述のようにエキシマレーザーでは、基板に対する熱ダ
メージが皆無に近く、また非晶質珪素半導体をレーザー
照射によって結晶化させる場合、結晶性の高い多結晶薄
膜を得ることができるという実績があるからである。

【００１３】具体的なレーザーの種類としては、ＡｒＦ
エキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）、ＸｅＦエキシマ
レーザー（波長３５１ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー
（２４８ｎｍ）等を用いることが適当である。

【００１４】本発明の構成において、ドーピング用の反
応性気体（ドーピングガスという）を分解するために加
えられる電磁エネルギーとしては、１３．５６ＭＨｚの
高周波エネルギーが一般的である。この電磁エネルギー
によるドーピングガスの分解によって、ドーピングガス
を直接分解できないレーザー光を用いた場合でも効率よ
くドーピングを行うことができる。電磁エネルギーの種
類としては、１３．５６ＭＨｚの周波数に限定されるも
のではなく、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波を用い
るとさらに高い活性化率を得ることができる。さらに
２．４５ＧＨｚのマイクロ波と８７５ガウスの磁場との
相互作用で生じるＥＣＲ条件を用いてもよい。また、ド
ーピングガスを直接分解できる光エネルギーを用いるこ
とも有効である。

【００１５】レーザー照射の際に試料をその試料である
半導体の結晶化温度以下の温度で加熱するのは、レーザ
ー光によって瞬間的に加熱された試料の冷却レートを延
ばし、かつ試料である半導体の脱水素化を図ることよっ
て半導体中での不純物の活性化及び半導体の結晶化を高
めるためである。半導体の結晶化温度というのは、その
半導体が非晶質状態から結晶状態（一般には微結晶また
は多結晶状態）になる温度であり、珪素の場合には５０
０度〜５５０度である。そして、この結晶化温度以下の
温度で加熱するのは、結晶性の半導体に対し結晶化温度
以上の温度で加熱を行いながらドーピングを行なうと、
準位の発生に起因する価電子制御の困難性の問題が生じ
るからである。また、非晶質珪素（アモルファスシリコ
ン）を用いたＴＦＴ（ａ−Ｓｉ：ＴＦＴといわれる）に
おいて、本発明の構成を用いた場合、ａ−Ｓｉ：ＴＦＴ
を３５０度以上の温度に加熱すると、素子が破壊してし
まうので、この場合は３５０度以下の温度で加熱を行う
のが適当である。

【００１６】

【実施例】〔実施例１〕本実施例は、ガラス基板上に設
けられたＮチャネル薄膜型絶縁ゲイト電界効果トランジ
スタ（以下ＮＴＦＴと記す）の作製に本発明の構成であ
るドーピング方を適用した例である。

【００１７】本実施例においては、基板としてガラス基
板また石英基板を用いた。これは、本実施例において作
製するＴＦＴがアクィブマトリックス型の液晶表示装置
またはイージセンサのスイッチング素子や駆動素子とし
て用いることを意図しているからである。勿論光電変換
装置にＰ型半導体層やＮ型半導体層の形成、さらには集
積回路を作製する際のドーピング技術として本発明の構
成を適用してもよい。よって基板としては、珪素または
他の半導体の単結晶または多結晶のものを用いてもよい
し、他の絶縁体をもちいてもよい。

【００１８】まず、図１において、基板であるガラス基
板１１上にＳｉＯ₂膜または窒化珪素膜を下地保護膜１
２として形成する。本実施例においては、酸素１００％
雰囲気中におけるＲＦスパッタリングによってＳｉＯ₂
膜１２を２００nm成膜した。成膜条件は、Ｏ₂流量５０sccm 圧力０．５pa ＲＦ電力５００Ｗ基板温度１５０度で行った。

【００１９】つぎに、プラズマＣＶＤ法によって真性ま
たは実質的に真性（人為的に不純物を添加していないと
いう意味）の水素化非晶質珪素半導体層１３を１００ｎ
ｍの厚さに形成する。この水素化非晶質珪素半導体層１
３は、チャネル形成領域並びにソース，ドレイン領域を
構成する半導体層となる。成膜条件は、雰囲気シラン（ＳｉＨ₄）１０
０％成膜温度１６０度（基板温度）成膜圧力０．０５Ｔｏｒｒ投入パワー２０Ｗ（１３．５６ＭＨ
ｚ）で行った。なお、本実施例においては、非晶質珪素の成
膜原料ガスとしてシランを用いているが、熱結晶化によ
って非晶質珪素を多結晶化させる場合には、結晶化温度
を下げるためにジシラン、特にトリシランを用いてもよ
い。

【００２０】成膜雰囲気をシラン１００％で行うのは、
一般に行われる水素で希釈されたシラン雰囲気中で成膜
した非晶質珪素膜に比較して、シラン１００％雰囲気中
で成膜した非晶質珪素膜は、結晶化し易いという実験結
果に基づくものである。

【００２１】成膜温度が低いのは、成膜された非晶質珪
素膜中に水素を多量に含ませ、できうる限り珪素の結合
手を水素で中和するためである。

【００２２】また、高周波エネルギー（１３．５６ＭＨ
ｚ）の投入パワーが２０Ｗと低いのは、成膜時において
珪素のクラスタすなわち結晶性を有する部分が生じるこ
とを極力防ぐためである。これも、非晶質珪素膜中にお
いて少しでも結晶性を有していると、後のレーザー照射
時における結晶化に悪影響を与えるという実験事実に基
づくものである。

【００２３】つぎに、デバイス分離パターニングを行い
図１の形状を得た。そして、試料を真空中（１０^-6Torr
以下）で、４５０度、１時間加熱し、水素出しを徹底的
に行い、膜中のダングリングボンドを高密度で生成させ
た。

【００２４】さらに前記水素出しを行ったチャンバー中
で、真空状態を維持したままエキシマレーザーを照射
し、試料の多結晶化を行った。この工程は、ＫｒＦエキ
シマレーザー（波長２４８ｎｍ）を用い、レーザー照射エネルギー密度３５０ｍＪ／ｃｍ² パルス数１〜１０ショット基板温度４００度で行った。レーザー照射後、水素減圧雰囲気中（約１To
rr）において、１００度まて降温させた。

【００２５】なお、本実施例においてはレーザー光の照
射による非晶質珪素膜の結晶化を示したが、これを加熱
による工程に置き換えてもよいことはいうまでもない。
この加熱工程とは、ガラスの耐熱温度以下の温度である
４５０度〜７００度程度（一般には６００度）の温度で
６時間〜９６時間加熱を行い、ガラス基板上に設けられ
た非晶質珪素半導体膜を結晶化させる工程をいう。

【００２６】本実施例においては、図５に示すような装
置を用いて上記試料の水素出しのための加熱工程とエキ
シマレーザー光の照射による結晶化さらには不純物のド
ーピング工程をも同一真空チャンバーによって行った。
このような真空チャンバーを用いることによって、加熱
工程からレーザー照射による結晶化工程にわたって真空
状態を保つことが容易になり、膜中に不純物（特に酸
素）が混入しない膜を得ることができる。この真空チャ
ンバーには、電磁エネルギーを雰囲気に与えるための電
極を備えておりＰＣＶＤ装置をも兼ねるものである。し
かしながら、それぞれ連続する工程をマルチチャンバー
型式に構成された装置を用いて、それぞれの工程を別々
の反応炉で行ってもよいことはいうまでもない。図５に
示す反応路は陽光柱方式の構成であるが、他の形式でも
よく、電磁エネルギーの加え方も特に限定されるもので
はない。また、特に高い活性化率を得たいのであれば、
ＥＣＲ形式の装置を用いることが有用である。

【００２７】図５において、２１は真空チャンバー、２
２は真空チャンバー２１の外部からレーザーを照射すた
めの石英窓、２３はレーザーが照射された場合における
レーザー光、２４は試料（サンプル）、２５はサンプル
ホルダー、２６は試料加熱用のヒーター、２７は排気
系、２８は原料ガスや不活性ガスさらにはキャリアガス
の導入系であり、図には一つしか示されていないが実際
には複数設けられているものである。また、排気系に
は、低真空用にロータリーポンプを高真空用にターボ分
子ポンプを用い、チャンバー内の不純物（特に酸素）の
残留濃度を極力少なくするように努めた。そして、２９
は平行平板電極であり、高周波発振装置３０より供給さ
れる１３．５６ＭＨｚの電磁エネルギーをチャンバー内
に供給するものである。

【００２８】図５の真空チャンバーを用いてエキシマレ
ーザーによる結晶化を行った後、ＲＦスパッタ法を用い
てゲート絶縁膜となるＳｉＯ₂膜１４を１００ｎｍ成膜
し、図２の形状を得た。そしてゲート電極１５となる非
晶質珪素半導体層または多結晶珪素半導体層（厚さ１５
０ｎｍ）をＮ型の導電型とするためにＰ（リン）を添加
して設けた。この後ゲート領域をパターニングによって
形成し、図３の形状を得た。

【００２９】ここで、再び図５に示す装置を用いて本発
明の構成であるレーザー光による不純物のドーピングを
行う。図５に示す装置において、電磁エネルギーを与え
られ分解されたＰＨ₃雰囲気下で、試料（図３の形状を
有している）を加熱し、レーザー光を照射してＰ（リ
ン）のドーピングを行った。この時、ソース，ドレイン
領域（図４に示す１３１，１３３）にはＰがドーピング
されるのでＮ型化する。これに対してチャネル形成領域
（図４に示す１３２）にはゲート絶縁膜１４とゲート電
極１５がマスクとなりレーザーが照射されず、その部分
の温度が上昇しないので、ドーピングが行われない。

【００３０】以下にドーピング条件を示す。雰囲気ＳｉＨ₄５％濃度（Ｈ₂希釈）試料温度３５０度圧力０．０２〜１．００Ｔｏｒｒ投入パワー５０〜２００Ｗレーザー照射条件は、ＫｒＦエキシマレーザー（波長２
４８ｎｍ）を用いてエネルギー密度１５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ² パルス数１０〜１００ショットである。

【００３１】上記ソース，ドレイン領域形成の後、図４
に示すようにＲＦスパッタ法によって絶縁膜としてＳｉ
Ｏ₂膜１６を１００ｎｍの厚さに成膜した。成膜条件
は、ゲート酸化膜の作製方法と同一である。

【００３２】その後、コンタクト用の穴開けパターニン
グを行い、さらに電極となるアルミを蒸着してソース電
極１７とドレイン電極１８を形成し、さらに水素雰囲気
中において３５０度の温度で水素熱アニールを行うこと
によって、ＮＴＦＴを完成した。

【００３３】このドーピング工程において、雰囲気をＢ
₂Ｈ₆とすることによってＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦ
Ｔ）を形成することができた。従来であったらレーザー
光の波長によってドーピングガスの分解の度合いが異な
り、このことによるドーピングの不均一性が問題であっ
たが、本発明の構成をとった場合、レーザー光によって
ではなく、電磁エネルギーによってドーピングガスが分
解されるのでＰＴＦＴであってもＮＴＦＴであってもレ
ーザー光の波長に制限されることなくドーピングを行う
ことができた。

【００３４】

【発明の効果】本発明の構成である、電磁エネルギーを
与えることによって分解された一導電型を付与する不純
物を含む雰囲気において、半導体にレーザー光を照射す
ることによって、半導体中に前記一導電型を付与する不
純物を効率よくドーピングするこができた。特に、ガラ
ス基板に熱ダメージを与えずにしかもレーザー光の波長
やドーピングガスの種類に左右されずにドーピングを行
うことができるという効果を得ることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の作製工程を示す。

【図２】実施例１の作製工程を示す。

【図３】実施例１の作製工程を示す。

【図４】実施例１の作製工程を示す。

【図５】実施例１で用いたレーザー装置を示す。

【符号の説明】

２１真空チャンバー２２石英窓２３レーザー光２４試料２５サンプルホルダー２６ヒーター２７排気系２８ガス導入系２９平行平板電極３０高周波発振器１１ガラス基板１２酸化珪素膜１３珪素半導体層１４ゲート酸化膜１５ゲート電極１６酸化珪素膜１７ソース電極１８ドレイン電極１３１ソース領域１３２チャネル形成領域１３３ドレイン領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一導電型を付与する不純物を含む反応性
気体雰囲気中で、半導体表面に対してレーザー光を照射
することによって、前記一導電型を付与する不純物を前
記半導体中にドーピングする方法であって、前記レーザ
ー照射時に、前記反応性気体雰囲気に電磁エネルギーを
加え、前記一導電型を付与する不純物を含む反応性気体
を分解することを特徴とする半導体作製方法。
【請求項２】一導電型を付与する不純物を含む反応性
気体雰囲気中で、半導体表面に対してレーザー光を照射
することによって、前記一導電型を付与する不純物を前
記半導体中にドーピングする方法であって、前記レーザ
ー照射時において、前記反応性気体雰囲気には電磁エネ
ルギーが加えられ、前記一導電型を付与する不純物を含
む反応性気体を分解するとともに、前記半導体は該半導
体の結晶化温度以下の温度で加熱されることを特徴とす
る半導体作製方法。