JPH05326429A - レーザー処理方法およびレーザー処理装置 - Google Patents

レーザー処理方法およびレーザー処理装置

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JPH05326429A
JPH05326429A JP4108489A JP10848992A JPH05326429A JP H05326429 A JPH05326429 A JP H05326429A JP 4108489 A JP4108489 A JP 4108489A JP 10848992 A JP10848992 A JP 10848992A JP H05326429 A JPH05326429 A JP H05326429A
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semiconductor
laser
chamber
reactive gas
doping
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Kouyuu Chiyou
宏勇 張
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
Yasuhiko Takemura
保彦 竹村
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Original Assignee
Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 工程の単純で歩留り、スループットの高い不
純物ドーピング法を提供する。 【構成】 真空チャンバー３１内に設置された試料３４
に微量添加物あるいは不純物をドーピングする方法であ
って、真空チャンバー３１内の雰囲気を微量添加物ある
いは不純物を含有する雰囲気とし、この雰囲気中にて、
試料を加熱し、場合によって電極３９より電磁エネルギ
ー与えながらレーザー光３３を試料に照射することによ
って、効率良く試料３４に対してドーピングを行うこと
ができるレーザー処理方法および処理装置。

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
ーピングその他の化学的、物理的処理を行う技術に関す
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[-Ｅa / 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、Ｅa 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が
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
成しているのが一般的である。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。
【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、不純物の被膜を形成す
る工程を経る必要があった。従来、この被膜形成にはス
ピンコート法等の塗布法が利用されていた。しかしなが
ら、この工程において、被膜の厚さの均一性が良くない
と、不純物のドーピング濃度が異なるので、理想的な方
法ではなかった。さらに、この被膜は通常、有機溶剤を
溶媒として形成されたが、その場合には半導体中に炭素
や酸素、窒素等の望ましくない元素が入り、特性を劣化
させることがあった。
【０００７】
【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ドーピング技
術において、問題となった、工程の複雑化、および異元
素の侵入という課題を鑑みてなされたものである。本発
明は、したがって、液相あるいは固相のドーピング材を
用いずに、気相の純度の高いドーピングガスを用いてド
ーピングを行おうとするものであり、よって、工程の簡
略化と異元素の侵入の防止を目的とするものである。さ
らに、ドーピング効率を高めることも発明の課題とす
る。
【０００８】
【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高純
度の反応性気体雰囲気中で、試料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
する不純物を前記試料半導体中にドーピングする方法で
ある。しかしながら、本発明人の知見によると、試料半
導体が室温のごとき低温であれば、元素の拡散が十分で
なかった。
【０００９】そこで、本発明の１つは、前記レーザー照
射時に、試料を加熱し、少なくとも２００℃以上の温度
に保つことによって、不純物元素の拡散を促進せしめ、
また、高濃度の不純物ドープをおこなおうとするもので
ある。基板の加熱温度は半導体の種類によって異なる
が、ポリシリコン（多結晶シリコン）、セミアモルファ
スシリコンにおいては、２５０〜５００℃、好ましくは
３００〜４００℃が好適である。
【００１０】このように試料を加熱してレーザーを照射
すると、不純物が拡散しやすくなるだけでなく、レーザ
ーの照射によって一時的に結晶性が低下した半導体が、
熱的に十分な緩和時間を与えられるので、結晶性を回復
しやすい。レーザー照射は、特にパルスレーザーの照射
においては、試料が適当な温度に加熱されていない場合
には、典型的な急加熱、急冷であるので、半導体はアモ
ルファス状態を呈しやすい。すなわち、瞬間的に１００
０℃以上にまで加熱されるが、数１００ｎｓｅｃ後には
室温にまで低下する。もし、試料がシリコンとして上述
の範囲で加熱されていた場合には、シリコンの結晶化温
度の下限である５００℃付近にまで温度が降下するのに
要する時間が、室温の場合の１０倍以上と算出される。
この段階でレーザーの照射時間がある一定の時間以上継
続した場合にはシリコンが溶融し、不純物は融液の対流
によって内部に浸透する。また、パルスが一定の時間以
上継続しない場合には、シリコンは固相的に結晶化し、
いわゆるセミアモルファスとなるが、そのときには不純
物は固相的に内部に拡散する。
【００１１】温度が余りに高いことは望ましくない。な
ぜならば、高温では反応性ガス自体が分解し、試料だけ
でなく、そのホルダーなどにも付着し、ガスの利用効率
が低下するからである。
【００１２】また、半導体の結晶化温度以上の高温に保
つことも望ましくない。特にこれは多結晶半導体やアモ
ルファス半導体、セミアモルファス半導体のような欠陥
の多い半導体においては望ましくない。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。アモルファスシリコン
が、熱的にポリシリコンに変化するのは５００〜５５０
℃と言われているので、この温度以下、好ましくはその
１００℃以下（すなわち４００〜４５０℃、あるいはそ
れ以下）でおこなうことが望まれる。また、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。これらのことは他の半導体につ
いても同様である。
【００１３】本発明の他の１つは、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、単一のレーザー光では、
ドーピングガスの吸光特性が異なり、ガスの種類によっ
て分解特性が異なることによるドーピング効率の低下を
課題とし、これを解決するためのものである。そのため
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、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。この際に、さらに、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前記第
１の発明と同じように、適当な温度で加熱すると一層、
ドーピング効率を高めることができる。
【００１４】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。
【００１５】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
質シリコン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シリコ
ン半導体でも本発明が適用できる。さらに、シリコン半
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。
【００１６】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、
パルス発振レーザーでは、試料の加熱が瞬間的で、しか
も表面だけに限定され、基板に影響を与えないからであ
る。レーザーによる加熱は、局所的であるがゆえ、連続
発振レーザー（アルゴンイオンレーザー等）において
は、加熱部分と基板との熱膨張の著しい違いなどによっ
て、加熱部分が剥離してしまうことがある。この点、パ
ルスレーザーでは、熱緩和時間は、熱膨張のような機械
的応力の反応時間に比べて圧倒的に小さく、機械的なダ
メージを与えない。もちろん、基板の不純物が熱拡散す
ることもほとんどない。
【００１７】特に、エキシマーレーザー光は、紫外光で
あり、シリコンを初めとする多くの半導体に効率良く吸
収される上、パルスの持続時間は１０ｎｓｅｃと短い。
また、エキシマーレーザーは既に、アモルファスシリコ
ン薄膜をレーザー照射によって結晶化させて、結晶性の
高い多結晶シリコン薄膜を得るという実験に使用された
実績がある。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）、ＸｅＣｌエキシ
マレーザー（波長３０８ｎｍ）、ＸｅＦエキシマレーザ
ー（波長３５１ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザー（２４
８ｎｍ）等を用いることが適当である。
【００１８】本発明の構成において、基板を加熱する手
段としては、ホルダーにじかにニクロム線やカンタル
線、その他の発熱体を組み込んだ伝導型のものを使用し
てもよいが、赤外線ランプその他の放射型のものを利用
してもよい。しかしながら、基板温度は不純物ドーピン
グ濃度や深さに大きな影響を与えるので、その制御は精
密におこなうことが望まれる。したがって、試料には熱
電対等の温度センサーが不可欠である。
【００１９】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。
【００２０】以上の記述では、半導体中のドーピング技
術に関して述べたが、本発明はそれに限らず、幅広い応
用が可能である。例えば、金属中に、その表面の特定の
厚さの部分に、表面材質を向上させるような微量元素を
数％添加する場合にも本発明を使用することが出来る。
例えば、鉄の表面に、アンモニア中で本発明を実施し、
窒素をドーピングし、表面の数〜数１００ｎｍを窒化鉄
としてもよい。
【００２１】あるいは、酸化物においても本発明を実施
し、効果を得ることができる。例えば、ビスマス系酸化
物高温超伝導体薄膜に塩化鉛蒸気中で本発明を実施し、
鉛を含有せしめることによって超伝導臨界温度をあげる
ことも可能である。従来、ビスマス系酸化物高温超伝導
体には、いくつかの種類が存在することが知られ、最高
の臨界温度は１１０Ｋ程度であった。しかし、臨界温度
が１００Ｋを越える相は得ることが困難であった。鉛を
添加すると１００Ｋを越える相が容易に得られることが
知られていたが、薄膜作製過程においては、基板加熱の
影響で鉛は外部に蒸散してしまう傾向があった。しかし
ながら、本発明は非熱平衡反応であるので、鉛を有効に
薄膜形成材料に取り込むことが出来る。同様に、近年、
半導体集積回路、特に半導体メモリーの機能性材料とし
て注目され、鉛を含有する強誘電体であるＰＺＴ（鉛ジ
ルコニアチタン酸化物）に適用することもできる。
【００２２】また、酸化珪素のごとき絶縁物において
も、微量不純物を添加する際に使用することが出来る。
酸化珪素には、既に半導体プロセスで使用されているよ
うに、燐を数％程度含有させてリンガラスとすることが
よくおこなわれる。もちろん、本発明を使用して酸化珪
素に燐を含有させることも可能である。例えば、１×１
０20〜３×１０20ｃｍ-3の濃度でりんを拡散してやれば
よい。
【００２３】このリンガラスは半導体内部に外部からナ
トリウム等の可動イオンが侵入することを防止すること
で知られている。従来は、リンガラス（ＰＳＧ）専用の
ＣＶＤチャンバーによって成膜していたが、専用の装置
を用意しなければならないのでコストがかかる。本発明
を利用した場合には、レーザードーピング装置を半導体
の不純物ドープ用とリンガラス形成用に共用できるう
え、酸化珪素の成膜装置は、他の用途にも広く使用でき
るので、全体的なコストを上げることとはならず、経済
的である。
【００２４】本発明の装置の概念図を図５および図６に
示す。図５は基板加熱装置を具備しただけのもの、図６
は、それに加えてプラズマを発生させる為の電磁装置を
も具備したものを示している。これらの図面は概念的な
ものであるので、当然のことながら、実際の装置におい
ては、必要に応じてその他の部品を具備することがあ
る。以下、その使用方法について概説する。
【００２５】図５において、試料２４は試料ホルダー２
５上に設置される。最初に、チャンバー２１は排気装置
に接続した排気系２７によって真空排気される。この場
合には、できるだけ高真空に排気することが望まれる。
すなわち、大気成分である炭素や窒素、酸素は半導体に
とっては一般に好ましくないからである。このような元
素は、半導体中に取り込まれるが、同時に添加された不
純物の活性度を低下させることがある。また、半導体の
結晶性を損ない、粒界における不対結合手の原因とな
る。したがって、１０-6ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０
-8ｔｏｒｒ以下にまでチャンバー内を真空引きすること
が望まれる。
【００２６】また、排気と前後してヒーター２６を作動
させ、チャンバー内部に吸着した大気成分を追い出すこ
とも望ましい。現在の真空装置において使用されている
ように、チャンバー以外に予備室を設け、チャンバーが
直接、大気に触れないような構造とすることも望まし
い。当然のことながら、ロータリーポンプや油拡散ポン
プに比べて、炭素等の汚染の少ないターボ分子ポンプや
クライオポンプを用いることが望ましい。
【００２７】十分に排気されたら、反応性ガスをガス系
２８によって、チャンバー内に導入する。反応性ガス
は、単独のガスからなっていても、あるいは水素やアル
ゴン、ヘリウム、ネオン等で希釈されていてもよい。ま
た、その圧力は大気圧でも、それ以下でもよい。これら
は、目的とする半導体の種類と、不純物濃度、不純物領
域の深さ、基板温度等を考慮して選択される。
【００２８】次に窓２２を通して、レーザー光２３が試
料に照射される。このとき、試料はヒーターによって、
一定の温度に加熱されている。レーザー光は、１か所に
付き通常５〜５０パルス程度照射される。レーザーパル
スのエネルギーのばらつきは十分に大きく、したがっ
て、あまりパルス数がすくない場合には不良発生の確率
が大きい。一方、あまりにも多くのパルスを１か所に照
射することは量産性（スループット）の面から望ましく
ない。本発明人の知見では、上記のパルス数が量産性か
らも、歩留りの点からも妥当であった。
【００２９】この場合、例えばレーザーのパルスが１０
ｍｍ（ｘ方向）×３０ｍｍ（ｙ方向）の特定の長方形の
形状をしていた場合に、同じ領域にレーザーパルスを１
０パルスを照射し、終了後は、次の部分に移動するとい
う方法でもよいが、レーザーを１パルスにつき、ｘ方向
に１ｍｍづつ移動させていってもよい。
【００３０】レーザー照射が終了したら、チャンバー内
を真空排気し、試料を室温まで冷却して、試料を取り出
す。このように、本発明では、ドーピングの工程は極め
て簡単であり、かつ、高速である。すなわち、従来のイ
オン注入プロセスであれば、 （１）ドーピングパターンの形成（レジスト塗布、露
光、現像） （２）イオン注入（あるいはイオンドーピング） （３）再結晶化 という３工程が必要であり、また、従来のレーザー照射
による固相拡散でも、 （１）ドーピングパターンの形成（レジスト塗布、露
光、現像） （２）不純物被膜形成（スピンコーティング他） （３）レーザー照射 という、やはり３工程が必要であった。しかしながら、
本発明では、 （１）ドーピングパターンの形成（レジスト塗布、露
光、現像） （２）レーザー照射 という２工程で完了する。
【００３１】図６の装置においても、図５の場合とほぼ
同じである。最初にチャンバー３１内を排気系３７によ
って真空排気し、ガス系３８より反応性ガスを導入す
る。そして、試料ホルダー３５上の試料３４に対して、
窓３２を通して、レーザー光３３を照射する。そのとき
には高周波もしくは交流（あるいは直流）電源４０か
ら、電極３９に電力を投入し、チャンバー内部にプラズ
マ等を発生させて、反応性ガスを活性な状態とする。図
では電極は容量結合型に示されているが、誘導（インダ
クタンス）結合型であってもよい。さらに、容量結合型
であっても、試料ホルダーを一方の電極として用いても
よい。また、レーザー照射時には、ヒーター３６によっ
て試料を加熱してもよい。以下に実施例を示し、より詳
細に本発明を説明する。
【００３２】
【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
ング法を適用した例である。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。もちろん、他の半導体装置、例えば、光電変換装置
のＰ型半導体層やＮ型半導体層の形成、さらには単結晶
半導体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。
【００３３】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、以下の通り。 Ｏ2 流量 ５０sccm 圧力 ０．５pa ＲＦ電力 ５００Ｗ 基板温度 １５０度
【００３４】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、以下の通り。 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）
【００３５】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、またはトリシランを用いて
もよい。
【００３６】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。また、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。
【００３７】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。
【００３８】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。
【００３９】さらに、試料を図５に示すレーザー照射装
置に移し、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）を用いた。条件は以下の通り。 レーザー照射エネルギー密度 ３５０ ｍＪ
／ｃｍ2 パルス数 １〜１０ショ
ット 基板温度 ４００度 レーザー照射後、水素減圧雰囲気中（約１Torr）におい
て、１００度まて降温させた。
【００４０】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。
【００４１】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（特にエキシマーレーザーの場合には、無水石
英が好ましい）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。排気能力に
関しては１０-6ｔｏｒｒ以下、好ましくは１０-8ｔｏｒ
ｒ以下とする。
【００４２】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
てゲイト絶縁膜となるＳｉＯ2 膜１４を１００ｎｍ成膜
し、図２の形状を得た。そしてゲイト電極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。この後ゲイ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。ゲイト電極としては、これ
以外にも、アルミニウムやクロム、タンタル等の金属材
料を用いてもよい。さらに、アルミニウムやタンタルを
用いる場合には、その表面を陽極酸化しておくと、後の
レーザー照射の際にもゲイト電極にダメージが及ばな
い。ゲイト電極に陽極酸化をおこなったプレーナー型Ｔ
ＦＴについては、特願平３−２３７１００あるいは同３
−２３８７１３に記述されているので、ここでは詳述し
ない。
【００４３】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、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）にはゲイト絶縁膜
１４とゲイト電極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。ドーピング条件は以下の通り。 雰囲気 ＰＨ3 ５％濃度（Ｈ2 希釈） 試料温度 ３５０度 圧力 ０．０２〜１．００Ｔｏｒｒ レーザー ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４
８ｎｍ） エネルギー密度 １５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 パルス数 １０ショット
【００４４】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、ゲイト酸化膜の作製方法と同一である。
【００４５】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。同様に、雰囲気をＢ2
Ｈ6 とすることによってＰチャネル型ＴＦＴ（ＰＴＦ
Ｔ）も形成することができた。
【００４６】特に、本発明の効果を比較する為に、レー
ザー照射時に試料を加熱しないで、全く同じ強度のレー
ザーを照射したが、図９（ｂ）に示すように、試料加熱
がない場合には、不純物濃度も１桁以上少なく、また、
不純物の分布も表面近傍に限られていた。一方、本実施
例において、試料を３５０℃に加熱してレーザー照射し
たものは、図９（ａ）に示すように、不純物のドーピン
グ濃度が大きく、また、その拡散は深部にまで及んでい
た。
【００４７】以上のようにして、ＮＴＦＴとＰＴＦＴを
作製することが出来た。これらのＴＦＴを組み合わせて
ＣＭＯＳインバータを構成したところ、図１４の上の図
面に示すような良好な特性が得られた。また、このＣＭ
ＯＳ回路を多数接続してリングオシレータを構成したと
ころ、図１４の下の図面に示すような良好な特性が得ら
れた。
【００４８】〔実施例２〕 本実施例は、ガラス基板上
に設けられたＮＴＦＴ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。本実施例においては、基
板として実施例１同様、ガラス基板また石英基板を用い
た。まず、実施例１と同様、図１の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。
【００４９】つぎに、プラズマＣＶＤ法によって真性ま
たは実質的に真性の水素化非晶質珪素半導体層１３を１
００ｎｍの厚さに形成する。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。
【００５０】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、試料の多結晶化を実施例１と同じ条件で行った。レ
ーザー照射後、水素減圧雰囲気中（約１Torr）におい
て、１００度まて降温させた。
【００５１】本実施例においては、図６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６に
示す反応炉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。
【００５２】図６において、３１は真空チャンバー、３
２は真空チャンバー３１の外部からレーザーを照射すた
めの石英窓、３３はレーザーが照射された場合における
レーザー光、３４は試料（サンプル）、３５はサンプル
ホルダー、３６は試料加熱用のヒーター、３７は排気
系、３８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、３９
は平行平板電極であり、高周波発振装置４０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。
【００５３】図６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
てゲイト絶縁膜となるＳｉＯ2 膜１４を１００ｎｍ成膜
し、図２の形状を得た。そしてゲイト電極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。この後ゲイ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。
【００５４】ここで、再び図６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６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）にはゲイト絶縁膜１４とゲイト電
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。ド
ーピング条件は以下の通り。 雰囲気 ＰＨ3 ５％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 ＫｒＦエキシマレーザー（波長２４
８ｎｍ） エネルギー密度 １５０〜３５０ｍＪ／ｃｍ2 パルス数 １０ショット
【００５５】上記ソース，ドレイン領域形成の後、実施
例１と同じように、図４に示すようにＲＦスパッタ法に
よって絶縁膜としてＳｉＯ2 膜１６を１００ｎｍの厚さ
に成膜し、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。
【００５６】このドーピング工程において、雰囲気をＢ
2 Ｈ6 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。
【００５７】〔実施例３〕 図７には本発明のドーピン
グ処置装置の様子を示す。すなわち、チャンバー７１に
は、無水石英ガラス製のスリット状の窓７２が設けられ
ている。レーザー光は、この窓に合わせて細長い形状に
成形される。レーザーのビームは、例えば１０ｍｍ×３
００ｍｍの長方形とした。なおレーザー光の位置は固定
されている。チャンバーには、排気系７７、および反応
性ガスを導入するためのガス系７８が接続されている。
また、チャンバー内には試料ホルダー７５が設けられ、
その上には試料７４が乗せられ、試料ホルダーの下には
赤外線ランプ（ヒーターとして機能する）７６が設けら
れている。試料ホルダーは可動であり、試料をレーザー
のショットに合わせて移動することができる。
【００５８】このように、試料の移動のための機構がチ
ャンバー内に組み込まれている際には、ヒーターによる
試料ホルダーの熱膨張によって狂いが生じるので、温度
制御には細心の注意が必要である。また、試料移送機構
によってホコリが生じるので、チャンバー内のメンテナ
ンスは面倒である。
【００５９】〔実施例４〕 図８（Ａ）には本発明のド
ーピング処置装置の様子を示す。すなわち、チャンバー
８１には、無水石英ガラス製の窓８２が設けられてい
る。この窓は実施例３の場合と異なり、試料８４全面を
覆うだけの広いものである。チャンバーには、排気系８
７、および反応性ガスを導入するためのガス系８８が接
続されている。また、チャンバー内には試料ホルダー８
５が設けられ、その上には試料８４が乗せられ、試料ホ
ルダーはヒーターが内蔵されている。試料ホルダーはチ
ャンバーに固定されている。チャンバーの下部にはチャ
ンバーの台８１ａが設けられており、レーザーのパルス
に合わせて、チャンバー全体を移動させることによっ
て、逐次、レーザー照射をおこなう。レーザーのビーム
は、実施例３の場合と同じく、細長い形状である。例え
ば、５ｍｍ×１００ｍｍの長方形とした。実施例３と同
様、レーザー光の位置は固定されている。本実施例で
は、実施例３と異なり、チャンバー全体が移動する機構
を採用する。したがって、チャンバー内には機械部分が
存在せず、ホコリ等が生じないのでメンテナンスが容易
である。また、移送機構が、ヒーターの熱の影響を受け
ることは少ない。
【００６０】本実施例では、実施例３に比べて上記のよ
うな点で優れているだけでなく、以下のような点でも優
れている。すなわち、実施例３の方式では、試料をチャ
ンバーに入れてから、十分な真空度まで真空排気できる
までレーザー放射をおこなえなかった。すなわちデッド
タイムが多かった。しかし、本実施例では、図８（Ａ）
のようなチャンバーを多数用意し、それぞれ、順次、試
料装填、真空排気、レーザー照射、試料取り出し、とい
うように回転させてゆけば、上記のようなデッドタイム
は生じない。そのようなシステムを図８（Ｂ）に示し
た。
【００６１】すなわち、未処理の試料を内蔵したチャン
バー９７、９６は、排気工程の間に連続的な搬送機構９
８によって、精密な移動がおこなえるステージを有する
架台９９に向かう。ステージ上のチャンバー９５には、
レーザー装置９１から放射され、適当な光学装置９２、
９３で加工されたレーザー光が窓を通して中の試料に照
射される。ステージを動かすことによって、必要なレー
ザー照射がおこなわれたチャンバー９４は、再び、連続
的な搬送機構１００によって次の段階に送られ、その間
にチャンバー内のヒーターは消灯し、排気され、十分温
度が下がってから、試料が取り出される。
【００６２】このように、本実施例では連続的な処理が
おこなえることによって、排気待ちの時間を削減するこ
とができ、スループットを向上させられる。もちろん、
本実施例の場合には、スループットは向上するけれど
も、その分、実施例３の場合よりチャンバーを多く必要
とするので、量産規模や投資規模を考慮して実施すべき
である。
【００６３】〔実施例５〕 本実施例は、ガラス基板上
に設けられたＮＴＦＴ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。本実施例においては、基
板として実施例１同様、ガラス基板また石英基板を用い
た。まず、実施例１と同様、図１の基板であるガラス基
板１０１上にＳｉＯ2 膜を下地保護膜１０２として形成
し、つぎに、プラズマＣＶＤ法によって実質的に真性の
水素化非晶質珪素半導体層１０３を１００ｎｍの厚さに
形成する。つぎに、デバイス分離パターニングを行っ
た。そして、試料を真空中（１０-6Torr以下）で、４５
０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。その後、Ｒ
Ｆスパッタ法を用いてＳｉＯ2 膜１０４を１００ｎｍ成
膜し、図１０（Ａ）の形状を得た。そして、チャネルの
部分にのみ、酸化珪素マスク１０５を残置せしめた。
【００６４】ここで、図６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６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１０（Ｂ）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（図に示す１０６、１０８）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（図に示す１０７）には酸化珪素マスク１０５がマス
クとなりレーザーは照射され、結晶化するが、マスク材
が存在するため、ドーピングは行われない。すなわち、
本工程では、レーザーによる結晶化と、ドーピングが同
時におこなわれる。このときの条件は実施例２と同じと
した。
【００６５】上記ソース，ドレイン領域形成の後、ゲイ
ト酸化膜１１０とゲイト電極１０９を形成し、さらに、
層間絶縁膜としてＳｉＯ2 膜１１１を１００ｎｍの厚さ
に成膜し、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１１２と
ドレイン電極１１３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、図１０（Ｃ）に示すように、ＮＴＦＴを完成した。
【００６６】本実施例では、セルフアライン的なソー
ス、ドレインの形成はできないが、例えば、実施例１と
同様にゲイト絶縁膜上にゲイト電極を形成しておいて、
裏面からレーザー照射をおこなえば、本実施例のよう
に、チャネル領域の結晶化とソース、ドレインのドーピ
ングを同時におこなうことができる。
【００６７】〔実施例６〕 ガラス基板上に形成した厚
さ５００ｎｍのアモルファスシリコン薄膜に本発明によ
って不純物ドープをおこない、その特性について調べた
例を図１１〜図１３に示す。エキシマーレーザーとして
はＫｒＦレーザー（波長２４８ｎｍ）を使用した。ま
た、チャンバーは図５に示されるような形状をしてい
た。このチャンバーでは、ガスの種類を変えることによ
ってドーピングされる不純物の種類を変えることを試み
た。すなわち、Ｎ型不純物をドーピングするときには、
チャンバー内にフォスヒンを５％含有する水素ガスを導
入して、レーザーを照射し、Ｐ型不純物をドーピングす
るときにはジボランを５％含有する水素ガスを導入し
て、レーザーを照射した。
【００６８】チャンバー内の圧力は１００Ｐａとした。
また、レーザーのエネルギー密度は１９０〜３４０ｍＪ
／ｃｍ2 で、そのショット数は１〜１００とした。基板
温度は、室温あるいは３００℃とした。
【００６９】図１１、図１２には不純物の拡散の基板温
度依存性を示す。ここで、レーザーのエネルギー密度は
３００ｍＪ／ｃｍ2 で、そのショット数は５０とした。
図１１はホウソの深さ方向の拡散の様子を示している。
データは２次イオン質量分析法によって得た。図から明
らかなように、基板温度が室温のときに比較して、３０
０℃に加熱されているときには、不純物濃度が１桁以上
大きく、また、不純物の拡散深さも２倍程度大きかっ
た。
【００７０】図１２にはリンの深さ方向の拡散の様子を
示したが、ホウ素と同じ傾向が見られた。とくにリンの
場合にはホウ素以上に基板加熱の効果が顕著であった。
【００７１】図１３には、レーザーのエネルギー密度、
ショット数と被膜のシート抵抗値の関係をプロットした
ものである。不純物としてはホウ素を用いた。図からわ
かるように、エネルギー密度が高くなるにしたがって、
シート抵抗は低下し、不純物濃度が高くなっていること
が推測される。しかしながら、シート抵抗の値はある値
に収束するように見える。
【００７２】また、レーザーのショット数が多くなるに
したがって、シート抵抗は低下するが、レーザーのエネ
ルギー密度が２２０ｍＪ／ｃｍ2 以上では、５０ショッ
トでも１００ショットでも特にシート抵抗の顕著な低下
は認められなかった。しかしながら、１ショットと５シ
ョットでは大きな差異が認められたので、少なくとも５
ショットのレーザー照射は必要であることが確かめられ
た。
【００７３】
【発明の効果】本発明の構成である、試料を加熱した状
態、あるいは反応性ガスに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とができた。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。
【００７４】また、先に記述したように、本発明は半導
体への不純物ドープという限られた目的だけでなく、金
属材料やセラミックス材料の表面の改質や、金属薄膜、
セラミックス薄膜、絶縁体薄膜への微量元素の添加とい
ような幅広い目的に使用でき、工業的に有益な発明であ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の作製工程を示す。
【図２】 実施例の作製工程を示す。
【図３】 実施例の作製工程を示す。
【図４】 実施例の作製工程を示す。
【図５】 本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装
置の概念図を示す。
【図６】 本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装
置の概念図を示す。
【図７】 本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装
置の例を示す。
【図８】 本発明の半導体処理（不純物ドーピング）装
置の例を示す。
【図９】 本発明および従来の方法によって作製された
半導体不純物領域の不純物濃度の深さ分布
【図１０】 実施例の作製工程を示す。
【図１１】 実施例での不純物（ホウ素）の深さ方向の
分布を示す。
【図１２】 実施例での不純物（リン）の深さ方向の分
布を示す。
【図１３】 実施例での被膜のシート抵抗の変化を示
す。
【図１４】 実施例で作製したインバータ、リングオシ
レータの特性を示す。
【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

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 不純物をドープされるべき半導体、金
    属、絶縁体のいずれか、もしくはこれらの組み合わせか
    らなる物体をその融点以下に加熱し、不純物を含む反応
    性気体雰囲気中で、レーザー光を照射することによっ
    て、前記物体中に不純物を物理的もしくは化学的に拡
    散、化合、侵入させることを特徴とする物体の処理方
    法。
  2. 【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、前記半導体は、室温より高く、反応生気体
    が分解せず、かつ、前記半導体の結晶化温度を越えない
    温度に保たれていることを特徴とする半導体処理方法。
  3. 【請求項３】 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処理方法。
  4. 【請求項４】 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
    る半導体処理方法。
  5. 【請求項５】 内部に試料ホルダーと試料加熱器具とし
    て機能する装置と、レーザー光を透過するに十分に透明
    な材料でできた窓と、真空排気装置および不純物元素を
    含有する反応性ガスを導入するための装置とを具備した
    チャンバーと、該チャンバーにパルス状のレーザー光を
    照射するためのレーザー装置と、該チャンバーをレーザ
    ー光の照射に同期して移動させるための手段とを有する
    ことを特徴とするレーザー処理装置。
  6. 【請求項６】 レーザー光を透過するに十分に透明な材
    料でできた窓と、不純物元素を含有する反応性ガスを導
    入するための装置とを具備したチャンバーを少なくとも
    ２つと、、前記チャンバーのうちの第１のチャンバーに
    パルス状のレーザー光を照射するためのレーザー装置
    と、前記第１のチャンバーをレーザー光の照射に同期し
    て移動させるための手段と、前記チャンバーのうちの他
    のチャンバーの少なくとも１つのチャンバーを搬送する
    ための手段を有することを特徴とするレーザー処理装
    置。
  7. 【請求項７】 リンを含む反応性気体雰囲気中で、酸化
    珪素表面に対してレーザー光を照射することによって、
    リン前記酸化珪素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、酸化珪素は加熱されること
    を特徴とする酸化珪素処理方法。
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