JPH05326430A - 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Info
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- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
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Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。さらに、本発明は、半導体材料に対するドーピング
以外にも、多種多様な材料(絶縁体、導電体)およびそ
れらの表面に対するドーピングならびにそれに付随する
材料およびその表面の改良をおこなうことを課題とす
る。例えば、酸化珪素被膜中へのリンのドーピング等で
ある。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
ラン(テトラ・エトキシ・シラン(TEOS)等)を材
料として比較的低温(600℃以下)で形成された酸化
珪素膜の特性を向上せしめるうえで有効であった。すな
わち、このような被膜においては、原料中の炭素が多く
含まれており、絶縁特性が悪く、また、これをMOS構
造等の絶縁膜として使用する場合には、トラップ準位が
あまりにも多く、良好な材料ではなかった。
ードーピングをおこなうとレーザー照射の加熱によっ
て、これら炭素が膜から除去され、トラップ準位が著し
く減少し、絶縁特性も向上する。既に説明したように、
レーザードーピングの際に基板温度を変えることによっ
て不純物の深さ方向の分布を制御することが出来る。し
たがって、酸化珪素膜中に深く燐を分布させるには基板
温度を200℃以上、好ましくは350〜450℃に保
ち、また、深さ100nm以下にのみ分布させるには基
板を室温あるいはそれ以下に保てばよい。
アモルファスのシリコン等の半導体材料が存在する場合
には、同時にこれらの半導体材料もアニールされて結晶
性が向上する。すなわち、酸化珪素膜は、紫外線に対し
て吸収率が小さく、レーザー光の多くの部分がその下の
半導体材料に吸収されるからである。したがって、2つ
の工程を同時に進めることができ、量産性の向上に有効
である。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
基板上にアクティブマトリクスを形成した例を図11に
示す。図11(A)に示すように、基板201としては
コーニング7059ガラス基板(厚さ1.1mm、30
0×400mm)を使用した。コーニング7059ガラ
スに含まれるナトリウム等の不純物がTFT中に拡散し
ないようにプラズマCVD法で全面に厚さ5〜50n
m、好ましくは5〜20nmの窒化珪素膜202を形成
した。このように、基板を窒化珪素または酸化アルミニ
ウムの皮膜でコーティングしてこれをブロッキング層と
する技術は、本発明人等の出願である特願平3−238
710、同3−238714に記述されている。
成した後、LPCVD法もしくはプラズマCVD法でシ
リコン膜204(厚さ30〜150nm、好ましくは3
0〜50nm)を形成し、さらにテトラ・エトキシ・シ
ラン(TEOS)を原料として、酸素雰囲気中のプラズ
マCVD法によって、酸化珪素のゲイト絶縁膜(厚さ7
0〜120nm、典型的には100nm)205を形成
した。基板温度はガラスの縮みやソリを防止するために
400℃以下、好ましくは200〜350℃とした。し
かしながら、この程度の基板温度では、酸化膜中には多
量の再結合中心が存在し、例えば、界面準位密度は10
12cm-2以上でゲイト絶縁膜としては使用できないレベ
ルのものであった。
希釈フォスフィンPH3 (5%)中で、KrFレーザー
光を照射して、このシリコン膜204の結晶性を改善せ
しめるとともに、ゲイト酸化膜205の再結合中心(ト
ラップセンター)を減少させた。このときにはレーザー
光のエネルギー密度は200〜300mJ/cm2 とし
た。また、ショット数も10回とした。このましくは、
温度を200〜400℃、代表的には300℃に保つと
良い。その結果、シリコン膜204は結晶性が改善さ
れ、また、ゲイト酸化膜205中には、1×1020〜3
×1020cm-3の燐がドーピングされ、界面準位密度も
1011cm-2以下に減少した。
ウムのゲイト電極206を形成して、その周囲を陽極酸
化物207で被覆した。
ンドーピング法でシリコン層に自己整合的に注入し、T
FTのソース/ドレイン208、209を形成し、さら
に、図11(C)に示すように、これにKrFレーザー
光を照射して、このイオンドーピングのために結晶性の
劣化したシリコン膜の結晶性を改善せしめた。しかし、
このときにはレーザー光のエネルギー密度は250〜3
00mJ/cm2 と高めに設定した。このため、このT
FTのソース/ドレインのシート抵抗は300〜800
Ω/□となった。
イミドによって層間絶縁物210を形成し、さらに、画
素電極211をITOによって形成した。そして、図1
1(E)に示すように、コンタクトホールを形成して、
TFTのソース/ドレイン領域にクロムで電極212、
213を形成し、このうち一方の電極213はITOに
も接続するようにした。最後に、水素中で300℃で2
時間アニールして、シリコンの水素化を完了し、液晶表
示装置の画素を作製した。
膜に燐をドープし、これをゲイト絶縁膜としてTFTを
形成した例を図11に示す。実施例6と同様に、図11
(A)に示すような、基板201の全面にプラズマCV
D法で厚さ5〜50nm、好ましくは5〜20nmの窒
化珪素膜202を形成した。ついで下地酸化膜203
(酸化珪素)を形成した後、LPCVD法もしくはプラ
ズマCVD法でシリコン膜204(厚さ30〜150n
m、好ましくは30〜50nm)を形成し、さらにスパ
ッタ法によって酸化珪素膜(厚さ70〜120nm、典
型的には100nm)205を形成した。この工程は実
施例6のように、テトラ・エトキシ・シラン(TEO
S)を原料として、酸素雰囲気中のプラズマCVD法に
よっておこなってもよい。基板温度はガラスの縮みやソ
リを防止するために400℃以下、好ましくは200〜
350℃とした。
希釈フォスフィンPH3 (5%)中で、KrFレーザー
光を照射して、このシリコン膜204の結晶性を改善せ
しめるとともに、ゲイト酸化膜205の再結合中心(ト
ラップセンター)を減少させた。このときにはレーザー
光のエネルギー密度は200〜300mJ/cm2 とし
た。また、ショット数も10回とした。基板温度は室温
とした。このため、燐のドープは酸化珪素膜の表面から
70%以下の部分に限られた。
ウムのゲイト電極206を形成して、その周囲を陽極酸
化物207で被覆した。陽極酸化工程が終了した後に、
逆に負の電圧を印加した。例えば−100〜−200V
の電圧を0.1〜5時間印加した。好ましくは基板温度
は100〜250℃、代表的には150℃とした。この
工程によって、酸化珪素中あるいは酸化珪素とシリコン
界面にあった可動イオンがゲイト電極(Al)に引き寄
せられ、その途中に存在する燐の濃度の大きな領域(リ
ンガラス化していると推定される)にトラップされた。
このように、陽極酸化後、もしくは陽極酸化中にゲイト
電極に負の電圧を印加する技術は、本発明人等の出願の
特願平4−115503(H4年4月7日出願)に記述
されている。
イオンドーピング法でシリコン層に自己整合的に注入
し、TFTのソース/ドレイン208、209を形成
し、さらに、図11(C)に示すように、これにKrF
レーザー光を照射して、このイオンドーピングのために
結晶性の劣化したシリコン膜の結晶性を改善せしめた。
その後、図11(D)に示すように、ポリイミドによっ
て層間絶縁物210を形成し、さらに、画素電極211
をITOによって形成した。そして、図11(E)に示
すように、コンタクトホールを形成して、TFTのソー
ス/ドレイン領域にクロムで電極212、213を形成
し、このうち一方の電極213はITOにも接続するよ
うにした。最後に、水素中で300℃で2時間アニール
して、シリコンの水素化を完了し、TFTを作製した。
上に酸化珪素膜を形成し、これに燐のレーザードーピン
グをおこない、これをゲイト酸化膜としたMOSキャパ
シターを作製し、その特性(CV特性)を測定した。
エトキシ・シラン(TEOS)を原料として、酸素雰囲
気中のプラズマCVD法によって、酸化珪素のゲイト絶
縁膜(厚さ70〜120nm、典型的には100nm)
を形成した。基板温度は400℃以下、好ましくは20
0〜350℃とした。しかしながら、この程度の基板温
度では、酸化膜中には炭素を含んだクラスターが多数存
在し、また、多量の再結合中心が存在し、例えば、界面
準位密度は1012cm-2以上でゲイト絶縁膜としては使
用できないレベルのものであった。
て、水素希釈フォスフィンPH3 (5%)中で、KrF
レーザー光を照射して、この酸化珪素膜の再結合中心
(トラップセンター)を減少させた。このときにはレー
ザー光のエネルギー密度は200〜300mJ/cm2
とした。また、ショット数も10回とした。このましく
は、温度を200〜400℃、代表的には300℃に保
つと良い。その結果、酸化膜中には、1×1020〜3×
1020cm-3の燐がドーピングされ、界面準位密度も1
011cm-2以下に減少した。次に、アルミニウムのゲイ
ト電極を形成した。
ければ、得られるMOSキャパシターのCV特性は図1
2(A)に示すようなヒステリシスの大きなものとな
る。ここで、横軸は電圧、縦軸は静電容量である。しか
しながら、本実施例のようなレーザードーピング処理に
よって、図12(B)のような良好なCV特性がられる
に至った。
(C)に示すようになった。すなわち、本実施例のレー
ザードーピングによって酸化珪素膜の途中まで燐がドー
プされた。そして、これによって、ナトリウム元素はこ
の燐によってゲッタリングされていることがわかる。ま
た、炭素は酸化膜の全ての領域で非常に僅かしか存在し
なかったが、これはレーザー照射によって、膜の外に放
出されたためである。なお、本実施例においても、実施
例7のように、ゲイト電極(Al)に負の電圧を印加し
て、膜中に存在するナトリウム等の可動イオンを積極的
に燐の多い領域に引き寄せると一層の効果が得られる。
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。
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。
置の概念図を示す。
置の概念図を示す。
置の例を示す。
置の例を示す。
半導体不純物領域の不純物濃度の深さ分布
Claims (9)
- 【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レーザー
処理方法。 - 【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、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のレーザー
処理方法。 - 【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のレーザー処理方
法。 - 【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
る半導体のレーザー処理方法。 - 【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。 - 【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。 - 【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のレーザー処理方法。 - 【請求項8】 有機シランガスを材料に用いて600℃
以下の基板温度で気相反応法によって作製された酸化珪
素被膜にリンをドーピングする方法において、リンを含
む反応性気体雰囲気中で、前記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
にドーピングすることを特徴とする酸化珪素のレーザー
処理方法。 - 【請求項9】 請求項8において、該酸化珪素被膜の下
にはシリコン膜が存在することを特徴とする酸化珪素の
レーザー処理方法。
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