JPH07106587A - Impurity implantation method for silicon thin film transistor - Google Patents

Impurity implantation method for silicon thin film transistor

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JPH07106587A
JPH07106587A JP5245582A JP24558293A JPH07106587A JP H07106587 A JPH07106587 A JP H07106587A JP 5245582 A JP5245582 A JP 5245582A JP 24558293 A JP24558293 A JP 24558293A JP H07106587 A JPH07106587 A JP H07106587A
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JP
Japan
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ions
ion beam
laser light
substrate
ion
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JP5245582A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaru Takeuchi
勝 武内
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To prevent deterioration of semiconductor film quality, by implanting ions in a silicon thin film transistor, after an impurity ion beam is irradiated with laser light wherein the wavelength is smaller than or equal to a specified value and the energy density is larger than or equal to a specified value. CONSTITUTION:From a laser light source 1, laser light 2 wherein the wavelength is 351nm or shorter and the energy density is 150mJ.cm<-2> or larger is reflected by a mirror 3, and made to enter so as to intersect an ion beam 4. The ion beam 4 which contains PH ions, PH2 ions, etc., accelerated by an ion source is irradiated with the laser light 2 above a semiconductor substrate 5, and H ions are released. The ion beam 4 from which H ions are released collides against the semiconductor substrate 5 fixed on a substrate holder 6, and enters the semiconductor substrate in accordance with the kinetic energy of the ions. Hence P ions from which H ions are released are implanted in the semiconductor substarte 5, so that substrate heating and film quality deterioration of semiconductor are reduced.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板への不純物
のイオンドーピング方法に関し、特に水素イオンによる
半導体基板の温度上昇と特性劣化を防止することを目的
とする。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for ion-doping impurities into a semiconductor substrate, and particularly to prevent temperature rise and characteristic deterioration of the semiconductor substrate due to hydrogen ions.

【0002】[0002]

【従来の技術】イオン注入装置はイオン源、質量分析
器、加速管、静電走査系、ファラデーカップとから構成
されている。
2. Description of the Related Art An ion implanter comprises an ion source, a mass spectrometer, an accelerating tube, an electrostatic scanning system and a Faraday cup.

【0003】電場により与えられた電子の運動エネルギ
ーが注入分子と電子との非弾性衝突により、注入分子の
内部エネルギーに変換される部分がイオン源である。
An ion source is a portion where the kinetic energy of electrons given by an electric field is converted into the internal energy of injected molecules by inelastic collision between injected molecules and electrons.

【0004】変換された内部エネルギーは注入分子の励
起や解離やイオン化となって消費される。
The converted internal energy is consumed as excitation, dissociation, or ionization of injected molecules.

【0005】このようにして、必要なドーパントを含む
ガスを電子ビーム衝撃や放電によってイオン化し、ビー
ム状にしてイオン源から引き出す。
In this way, the gas containing the necessary dopants is ionized by electron beam bombardment or discharge to form a beam and is extracted from the ion source.

【0006】このイオンビームを磁石を用いた質量分析
器に通して所望のイオンだけを選び出す。
This ion beam is passed through a mass spectrometer using a magnet to select only desired ions.

【0007】この後、加速管の中でイオンを10keV
から200keVにまで加速し、さらに、この加速した
数mmから数十cmの口径のイオンビームをX、Y方向
に静電的に走査して、レジストでマスクされた基板に注
入する。
After that, the ions are irradiated with 10 keV in the acceleration tube.
To 200 keV, and the accelerated ion beam having a diameter of several mm to several tens of cm is electrostatically scanned in the X and Y directions and injected into the substrate masked with the resist.

【0008】大電流型のイオン注入装置では、イオン注
入時の基板の温度上昇を避けるために、基板を複数枚並
べた円盤を回転させる機械的な操作を行っている。
In the high-current type ion implantation apparatus, in order to avoid the temperature rise of the substrate during the ion implantation, a mechanical operation of rotating a disk in which a plurality of substrates are arranged is performed.

【0009】注入される基板が単結晶シリコンの場合
は、イオン注入軸方向と結晶軸方向が一致すると、注入
イオンは結晶の内部に奥深く進入する現象が見られる。
When the substrate to be implanted is single crystal silicon, when the ion implantation axis direction coincides with the crystal axis direction, there is a phenomenon that the implanted ions penetrate deep inside the crystal.

【0010】チャネリングと呼ばれる、この現象を防止
するため、イオン注入方向と基板表面の法線方向とは7
度だけずらされるのが通常である。
In order to prevent this phenomenon called channeling, the ion implantation direction and the direction normal to the substrate surface are 7
It is usual to be shifted only once.

【0011】非晶質シリコンの場合でも275℃以上の
成長温度では(111)面が成長し(K.Mori e
t.al:Jpn.J.Appl.Phys.vol.
20(1981),No.12,p2431〜243
2)、また、多結晶シリコンの場合でも水素濃度が0.
01〜3atomic%(特開昭58−84464号公
報)のとき、または塩素濃度が0.01〜5atomi
c%(特開昭58−123771号公報)のとき、また
は弗素濃度が0.01〜1atomic%(特開昭58
−123772号公報)のとき、(111)面より(2
20)面が発達することが知られているので単結晶シリ
コン程ではないがチャネリングに留意すべきである。
Even in the case of amorphous silicon, the (111) plane grows at a growth temperature of 275 ° C. or higher (K. Morie).
t. al: Jpn. J. Appl. Phys. vol.
20 (1981), no. 12, p2431-243
2), and even in the case of polycrystalline silicon, the hydrogen concentration is 0.
0 to 1 atomic% (Japanese Patent Laid-Open No. 58-84464) or chlorine concentration of 0.01 to 5 atomic.
c% (JP-A-58-123771) or a fluorine concentration of 0.01-1 atomic% (JP-A-58-123771).
(-123772), from the (111) plane to (2
20) Since it is known that the surface develops, channeling should be noted, though not as much as single crystal silicon.

【0012】ガスの代わりに、直接液体金属表面から強
電界によりイオンを取り出す形式の液体金属イオン源
(Liquid Metal Ion Source)
も利用されている。
A liquid metal ion source of a type in which ions are taken out directly from the surface of the liquid metal by a strong electric field instead of the gas (Liquid Metal Ion Source)
Is also used.

【0013】液体金属イオン源を用いると、レジストな
どの要らないマスクレスのマイクロドーピングが可能に
なるが、長時間に渡って組成安定な注入層が得られない
欠点があった。
When a liquid metal ion source is used, maskless microdoping which does not require a resist or the like can be performed, but there is a drawback that an injection layer having a stable composition cannot be obtained for a long time.

【0014】質量分析器が無い代わりに大面積基板への
注入可能な不純物ドーピング法の一種として、イオンド
ーピング法がある。
An ion doping method is one of the impurity doping methods which can be injected into a large area substrate without using a mass spectrometer.

【0015】イオンド−ピング装置の内でも磁気走査に
より質量差を利用して、イオンビーム中に含まれるH+
イオンを少なくする半導体の製造方法があった(特公平
3−49176号公報)。
Even within the ion doping apparatus, the H + contained in the ion beam is utilized by utilizing the mass difference by magnetic scanning.
There has been a method for manufacturing a semiconductor that reduces the number of ions (Japanese Patent Publication No. 3-49176).

【0016】この従来の磁気走査は、上から下へ流れる
正のイオン流に対して手前から奥に磁力線を通すことに
より、F=I×Bの式に従って、正のイオン流を左から
右へ、また、奥から手前に磁力線を通すことにより正の
イオン流を右から左へ偏向させ、F=mαの質量差を利
用して、軽い水素イオンをイオンドーピングする基板外
に流す方式であった。
In this conventional magnetic scanning, the magnetic field lines are passed from the front to the back with respect to the positive ion flow flowing from the upper side to the lower side, and the positive ion flow is moved from the left side to the right side according to the equation F = I × B. In addition, a positive ion flow is deflected from right to left by passing magnetic field lines from the back to the front, and light hydrogen ions are flowed out of the substrate for ion doping by utilizing the mass difference of F = mα. .

【0017】磁気走査によるイオンビーム中のH+イオ
ンの低減は磁気走査のための電磁石が必要になるだけで
なく、PHイオン、PH2イオンのような分離していな
い水素の分離に役立たないどころか、却って濃縮される
倶れがあった。
The reduction of H + ions in the ion beam by magnetic scanning not only requires an electromagnet for magnetic scanning, but is not useful for separating unseparated hydrogen such as PH ions and PH 2 ions. There was a club where it was concentrated.

【0018】一方、一般のイオンドーピング法は、イオ
ン注入法のような質量分析器がなく、PHイオン、PH
2イオン、Hイオン等のHを含むイオンが打ち込まれる
ため、半導体基板の温度上昇が大きく、無機絶縁膜に比
べてイオンドーピング後の剥離が容易なレジストが使え
ないという問題がある。
On the other hand, the general ion doping method does not have a mass analyzer as in the ion implantation method, and PH ions and PH
Since ions containing H such as 2 ions and H ions are implanted, the temperature of the semiconductor substrate is greatly increased, and there is a problem that a resist that can be easily peeled off after ion doping is not usable as compared with an inorganic insulating film.

【0019】また、半導体の導電性を制御する不純物以
外のイオン例えばHイオンが膜中に打ち込まれるため、
半導体の膜質を劣化させるという問題がある。
Further, ions other than impurities that control the conductivity of the semiconductor, such as H ions, are implanted in the film,
There is a problem that the film quality of the semiconductor is deteriorated.

【0020】これは、共有結合しているSiH4、B
3、CH4、AlH3、PH3、Ga2 6、GeH4、A
sH3、SnH4、SbH3、PbH4などは全て揮発性化
合物として知られており、基板から脱離する反応が発熱
反応であるためと考えられる。
This is SiH covalently bondedFour, B
H3, CHFour, AlH3, PH3, Ga2H 6, GeHFour, A
sH3, SnHFour, SbH3, PbHFourAre all volatile
Known as a compound, the reaction of desorbing from the substrate generates heat.
This is probably because it is a reaction.

【0021】 Si(c)+4H(g)→SiH4(g) ΔH=34−{0+4(217)}=−837.8kJ・mol この現象はSim2m+2で表されるシラン化合物の沸点
にもにも現れている。
[0021] Si (c) + 4H (g ) → SiH 4 (g) ΔH = 34- {0 + 4 (217)} = - 837.8kJ · mol This behavior of the silane compound represented by Si m H 2m + 2 It also appears in the boiling point.

【0022】即ち、極限で一個のSiに対して二個のH
となる({2m+2}/m≒2)シラン化合物に対し
て、テトラシランSi410(10/4=2.5)で1
09℃、トリシランSi38(8/3=2.7)で53
℃、ジシランSi26(6/2=3)で−15℃、モノ
シランSiH4(4/1=4)で−112℃とSiに対
してHの数が増えるに連れて沸点が下がり、不安定化し
ている。
That is, two H for one Si in the limit.
For ({2m + 2} / m≈2) silane compound, tetrasilane Si 4 H 10 (10/4 = 2.5) gives 1
53 ° C. at 93 ° C. with trisilane Si 3 H 8 (8/3 = 2.7)
C, disilane Si 2 H 6 (6/2 = 3) is -15 ° C., monosilane SiH 4 (4/1 = 4) is -112 ° C., and the boiling point decreases as the number of H increases with respect to Si. Has become unstable.

【0023】ここで、図3に従来のイオンド−ピング法
を用いた多結晶シリコン薄膜トランジスタの断面図を示
す。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of a polycrystalline silicon thin film transistor using the conventional ion doping method.

【0024】図3で石英基板12上に675℃で結晶成
長させた(311)面が主たる多結晶シリコン13、多
結晶シリコンを熱酸化させた熱酸化膜14が形成されて
いる。
In FIG. 3, polycrystalline silicon 13 having a (311) plane, which is crystal-grown at 675 ° C., and a thermal oxide film 14 obtained by thermally oxidizing polycrystalline silicon are formed on a quartz substrate 12.

【0025】熱酸化膜14の一部に多結晶シリコン製の
ゲート15と、他の部分の熱酸化膜に石英基板まで延び
る導電性のレジスト16が塗布されている。
A gate 15 made of polycrystalline silicon is applied to a part of the thermal oxide film 14, and a conductive resist 16 extending to the quartz substrate is applied to the other part of the thermal oxide film.

【0026】この場合、上からのイオンビーム4によっ
て、レジストが焼き付いてしまい、石英基板から除去で
きなくなることがある。
In this case, the resist may be burned by the ion beam 4 from above and may not be removed from the quartz substrate.

【0027】レジストの焼き付き部分の平面図を図4に
示す。
FIG. 4 is a plan view of the burn-in portion of the resist.

【0028】図4の斜線部に示すように、ゲートライン
17、ゲート15、ソース18、ドレイン19の周囲に
レジスト14がイオンド−ピング後に残存する。さら
に、多結晶シリコンの移動度が下がるという現象もあっ
た。
As shown by the hatched portion in FIG. 4, the resist 14 remains around the gate line 17, the gate 15, the source 18 and the drain 19 after the ion doping. Further, there is a phenomenon that the mobility of polycrystalline silicon is lowered.

【0029】このように真空中で、基板に注入されたH
(水素)はSi(シリコン)と結合して発熱反応を生じ
るため、大面積の基板に適したイオンド−ピングにおい
て、レジストの基板への焼き付き現象が生じると共にS
iの脱離により半導体の結晶性が失われるという欠点が
あった。
The H thus injected into the substrate in vacuum.
Since (hydrogen) combines with Si (silicon) to generate an exothermic reaction, in ion doping suitable for a large-area substrate, the phenomenon of resist sticking to the substrate occurs and S
There is a drawback that the crystallinity of the semiconductor is lost due to the elimination of i.

【0030】[0030]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、半導体基板
の温度上昇が大きく、レジストが使えないという問題及
び半導体の膜質を劣化させるという問題を解決すること
を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the problems that the temperature of the semiconductor substrate is so high that the resist cannot be used and that the film quality of the semiconductor is deteriorated.

【0031】[0031]

【課題を解決するための手段】本発明は、多結晶Si等
の半導体基板にイオンドーピング法を用いて、PやB等
の半導体導電性制御用不純物をドーピングする半導体不
純物ドーピング方法において、PHイオン、PH2イオ
ン、Hイオン等のHを含む質量分離をしていないイオン
ビームに、各イオンのH脱離エネルギー以上の振動数の
レーザー光を照射し、イオンビーム中からHイオンを分
離して、半導体基板にH以外のイオンを注入するシリコ
ン薄膜トランジスタへの不純物注入方法である。
The present invention provides a semiconductor impurity doping method for doping a semiconductor substrate made of polycrystalline Si or the like with an impurity for controlling semiconductor conductivity such as P or B by using an ion doping method. , PH 2 ions, H ions, etc., which are not mass-separated, are irradiated with laser light having a frequency higher than the H desorption energy of each ion to separate the H ions from the ion beam. A method of implanting impurities into a silicon thin film transistor, in which ions other than H are implanted into a semiconductor substrate.

【0032】[0032]

【作用】最初にレーザー光により水素を含むPHイオン
がP+とHに分離する反応時間が1nsで進行するとし
た場合のレーザー光束内の移動距離を試算する。
First, the moving distance in the laser light flux will be calculated when the reaction time for the PH ions containing hydrogen to be separated into P + and H by the laser light proceeds in 1 ns.

【0033】イオンの速度はeV=mv2/2よりv=
√(2eV/m)、イオンの移動距離sはs=vtで表
されるから、電子の電気量e=1.6×10
-19[C]、加速電圧V=2×105V、PHイオンの質
量m=(31+1)/6×1023=5.31×10-26
[kg]、反応時間t=1×10-9[s]を用いて、s
=1×10-9×√(2×1.6×10-19×2×105
5.31×10-26)=1.1×10-3[m]となる。
The speed of the ions than eV = mv 2/2 v =
√ (2 eV / m), and the ion migration distance s is represented by s = vt, so the electron's electric quantity e = 1.6 × 10
-19 [C], acceleration voltage V = 2 × 10 5 V, mass of PH ion m = (31 + 1) / 6 × 10 23 = 5.31 × 10 -26
[Kg], using reaction time t = 1 × 10 −9 [s], s
= 1 × 10 -9 × √ (2 × 1.6 × 10 -19 × 2 × 10 5 /
5.31 × 10 −26 ) = 1.1 × 10 −3 [m].

【0034】より軽い注入分子の方が移動距離が大きく
なることが推定されるので、ボラン(BH3)について
の移動距離を表1に示す。
Since it is estimated that the lighter injected molecule has a larger migration distance, the migration distance for borane (BH 3 ) is shown in Table 1.

【0035】表1 加速電圧200kVの場合のボラン
のフラッグメントの移動距離/mm イオン種 B BH BH2 BH3 移動距離 1.889 1.807 1.734 1.670 相対値 1 0.96 0.92 0.88 表1より水素がより多い注入分子程、遅くなるので光子
との衝突確率が高まることが推定される。
Table 1 Travel distance of fragment of borane in the case of accelerating voltage of 200 kV / mm Ion species B BH BH 2 BH 3 Travel distance 1.889 1.807 1.734 1.670 Relative value 1 0.96 0. 92 0.88 From Table 1, it is presumed that the more hydrogen injected molecules, the slower it becomes, and the higher the probability of collision with photons.

【0036】次に光子数と注入分子の積に比例して含水
素イオンから水素が脱離することが考えられるので圧力
10-2Torr、体積10mm×10mm×50mmの
真空中の注入分子数を概算する。
Next, since it is considered that hydrogen is desorbed from hydrogen-containing ions in proportion to the product of the number of photons and the injected molecules, the number of injected molecules in a vacuum of 10 −2 Torr and a volume of 10 mm × 10 mm × 50 mm is set. Approximate.

【0037】注入分子数n、圧力P、体積V、気体定数
R、温度T、アボガドロ数Naとして、P=10-2To
rr=10-2×1.013×105/760=1.33
[Pa]、V=10mm×10mm×50mm=5×1
-6[m]、R=8.31[Jmol-1-1]、T=2
73.15+25=298.15[K]、Na=6×1
23をn=PV/(RT/Na)に代入して、n=1.
62×1015個となる。
As the number of injected molecules n, pressure P, volume V, gas constant R, temperature T and Avogadro's number Na, P = 10 -2 To
rr = 10 −2 × 1.013 × 10 5 /760=1.33
[Pa], V = 10 mm × 10 mm × 50 mm = 5 × 1
0 -6 [m], R = 8.31 [Jmol -1 K -1 ], T = 2
73.15 + 25 = 298.15 [K], Na = 6 × 1
0 23 into n = PV / (RT / Na), n = 1.
It becomes 62 × 10 15 .

【0038】圧力の低下に従って、光子との衝突確率が
小さくなると推定されるが、レーザー光の出力エネルギ
ーと基板に注入される水素数との関係は明らかで無かっ
たが本発明で明らかとなった。
It is estimated that the probability of collision with photons decreases as the pressure decreases, but the relationship between the output energy of the laser beam and the number of hydrogens injected into the substrate was not clear, but it became clear in the present invention. .

【0039】それは以下のように要約される。It is summarized as follows.

【0040】イオン源から引き出されたPHイオン、P
2イオン等にレーザー光を照射すると、Pに結合して
いる水素が分離する。
PH ions, P extracted from the ion source
When H 2 ions or the like are irradiated with laser light, hydrogen bonded to P is separated.

【0041】水素が分離したPイオンを半導体基板に注
入することにより、従来よりも基板温度の上昇が小さく
なる。
By implanting P ions into which hydrogen has been separated into the semiconductor substrate, the rise in substrate temperature becomes smaller than in the prior art.

【0042】また、レーザー光により分離したHイオン
は、他の水素イオンと結合してH2ガスとなり基板に注
入されないで排気される割合が多くなるので、半導体基
板に注入される水素が少なくなる。
Further, the H ions separated by the laser beam are combined with other hydrogen ions to become H 2 gas, and the ratio of being exhausted without being injected into the substrate increases, so that the amount of hydrogen injected into the semiconductor substrate decreases. .

【0043】このため、水素イオンによる半導体の膜質
の劣化を低減することができる。
Therefore, the deterioration of the semiconductor film quality due to hydrogen ions can be reduced.

【0044】[0044]

【実施例】図1に本発明の半導体不純物ドーピング方法
に用いられるイオンドーピング装置の模式図を示す。
EXAMPLE FIG. 1 shows a schematic view of an ion doping apparatus used in the semiconductor impurity doping method of the present invention.

【0045】この実施例はPH3ガス(ガス濃度 0.
01〜5%H2希釈)を用いた場合のイオンドーピング
装置に適用した場合を示している。
In this embodiment, PH 3 gas (gas concentration: 0.
The figure shows a case where the present invention is applied to an ion doping apparatus in the case of using (01 to 5% H 2 dilution).

【0046】図1に示されるように、図中央の圧力10
-2Torrのイオンドーピング処理室中に、波長193
nmのArFエキシマレーザーのレーザー光源1から縦
横10mm×10mmのレーザー光2が、ミラー3に反
射されて石英製の窓を経てイオンビーム4と長さ50m
mに渡って交差するように入射する。
As shown in FIG. 1, the pressure 10 in the center of the figure
-2 wavelength 193 in the ion doping chamber of Torr
A laser light source 1 of 10 nm ArF excimer laser has a laser beam 2 of 10 mm × 10 mm vertically and horizontally reflected by a mirror 3 and passes through a quartz window and has an ion beam 4 and a length of 50 m.
The light enters so as to cross over m.

【0047】レーザー光2は半導体基板5上部で、イオ
ン源で加速されたPHイオン、PH 2イオン等のイオン
が含まれたイオンビーム4を照射してHイオンを離脱さ
せる。
The laser light 2 is emitted from the upper part of the semiconductor substrate 5 by the ion beam.
PH ions accelerated by a hydrogen source, PH 2Ions such as ions
To remove H ions by irradiating the ion beam 4 containing
Let

【0048】Hイオンが離脱したイオンビーム4は基板
ホルダー6上に固定された半導体基板5に衝突して、イ
オンの持つ運動エネルギーに応じて半導体基板に潜り込
む。
The ion beam 4 from which the H ions have separated collides with the semiconductor substrate 5 fixed on the substrate holder 6 and sunk into the semiconductor substrate according to the kinetic energy of the ions.

【0049】このようにして、Hイオンの離脱したPイ
オンが半導体基板5に注入される。
In this way, P ions from which H ions have been released are implanted into the semiconductor substrate 5.

【0050】また、レーザー光照射により離脱したHイ
オンは、他の水素イオンと結合してH2ガスとなり、半
導体基板に注入されずに排気される割合が高くなる。
Further, the H ions released by the laser light irradiation combine with other hydrogen ions to become H 2 gas, and the ratio of being exhausted without being injected into the semiconductor substrate increases.

【0051】周囲の装置として、イオンドーピング処理
室の上方からドーピングガス7が装置内に導入され、R
F電源8によりイオン化されて装置内にフラッグメント
(fragment)と呼ばれる様々なイオン種を生じ
る。
As a peripheral device, a doping gas 7 is introduced into the device from above the ion doping processing chamber, and R
It is ionized by the F power source 8 to generate various ion species called a fragment in the device.

【0052】本実施例のイオンドーピング法では、イオ
ン種は引き出し電源9により正に帯電したイオン種が取
り出される。
In the ion doping method of this embodiment, positively charged ionic species are extracted by the extraction power source 9 as the ionic species.

【0053】nを正の整数の電荷数、eを一個の電子の
電気量として、neの電気量を持つイオンは引き出し電
源9の電圧Voと加速電源10の電圧Vaを足した(V
o+Va)とイオンの電荷数に比例した運動エネルギー
を受けて、半導体基板に注入される。
Ions having a quantity of electricity of ne are obtained by adding the voltage Vo of the extraction power supply 9 and the voltage Va of the acceleration power supply 10 (V
o + Va) and kinetic energy proportional to the number of electric charges of the ions are received and implanted into the semiconductor substrate.

【0054】レーザー光照射により、半導体基板に注入
されるHイオンの量を、片対数表示で図2に示す。
The amount of H ions implanted into the semiconductor substrate by laser light irradiation is shown in semi-logarithmic display in FIG.

【0055】図2は、PH3濃度5%H2希釈のドーピン
グガスを用いて、加速電圧30kV、Pドーズ量1×1
16dose/cm2の条件で、N型<111>方向の
Siウェハーにドーピングを行った場合のSi基板中の
H濃度のレーザーエネルギー密度依存性を示している。
FIG. 2 shows an acceleration voltage of 30 kV and a P dose of 1 × 1 using a doping gas diluted with PH 3 at a concentration of 5% H 2.
It shows the laser energy density dependence of the H concentration in the Si substrate when the N-type <111> direction Si wafer is doped under the condition of 0 16 dose / cm 2 .

【0056】レーザーは、ArF(193nm)エキシ
マレーザを用いている。
As the laser, an ArF (193 nm) excimer laser is used.

【0057】図2より、半導体基板に注入されるHイオ
ンの量は、イオンビームに照射するレーザエネルギー密
度を大きくするほど低減することができることが分か
る。
From FIG. 2, it can be seen that the amount of H ions implanted into the semiconductor substrate can be reduced by increasing the laser energy density applied to the ion beam.

【0058】これはレーザエネルギー密度が高くなるに
つれて、低圧ガス中でのイオン種とレーザー光との衝突
確率が増すものと考えられる。
It is considered that the collision probability between the ion species and the laser light in the low pressure gas increases as the laser energy density increases.

【0059】レーザーエネルギー密度が150mJ/c
2以上の場合、PMMA系レジストやノボラック系の
レジストが基板に焼き付くことが無くなった。
Laser energy density is 150 mJ / c
In the case of m 2 or more, the PMMA-based resist and the novolac-based resist were not burnt on the substrate.

【0060】また、イオンドーピング後に電子線回折に
より観察された表面近くの結晶面の強度の低下もレーザ
ー光無しの条件に比べて50%程度抑制され、結晶の損
傷が少ないことが分かった。
It was also found that the decrease in the intensity of the crystal plane near the surface observed by electron diffraction after ion doping was suppressed by about 50% as compared with the condition without laser light, and the damage to the crystal was small.

【0061】基板温度が350℃から400℃までの範
囲で(111)面を主として成長させた多結晶シリコン
基板でも同様な結果が得られた。
Similar results were obtained with a polycrystalline silicon substrate in which the (111) plane was mainly grown at a substrate temperature in the range of 350 ° C to 400 ° C.

【0062】また、本発明に用いるエキシマレーザー光
源は、NeF(108nm)>ArCl(175nm)
>ArF(193nm)>KrCl(222nm)>K
rF(249nm)>XeBr(282nm)>XeC
l(308nm)>XeF(351nm)の順で、Hイ
オンの離脱効果が大きい。
The excimer laser light source used in the present invention is NeF (108 nm)> ArCl (175 nm).
> ArF (193 nm)> KrCl (222 nm)> K
rF (249 nm)> XeBr (282 nm)> XeC
In the order of 1 (308 nm)> XeF (351 nm), the desorption effect of H ions is large.

【0063】PH3の場合、安定状態にある0℃のPH3
の水素の結合エネルギーは316kJ/mol(化学便
覧基礎編改定3版、II−322、1991年)であ
り、波長に換算するとλ=Na×h×c/E=6.0×
1023×6.6×10-34×3×108/316×103
=376×10-9m=376nmとなる。
[0063] In the case of PH 3, of 0 ℃, which is in a stable state PH 3
Has a hydrogen binding energy of 316 kJ / mol (Chemical Handbook Basic Edition revised third edition, II-322, 1991), and when converted to a wavelength, λ = Na × h × c / E = 6.0 ×.
10 23 × 6.6 × 10 -34 × 3 × 10 8/316 × 10 3
= 376 × 10 −9 m = 376 nm.

【0064】よって、簡略化のため、より高エネルギー
にあるフラッグメント(PH3 +、PH2 +、PH+等)を
PH3で示せば、PH3に376nm以下の波長のレーザ
ー光を照射すればPH3から水素の離脱すると共に、一
部が水素分子のイオンビームと交差する運動エネルギー
になると推定される。
[0064] Therefore, for simplicity, flag placement in the higher energy (PH 3 +, PH 2 + , PH + , etc.) if Shimese with PH 3, it is irradiated with laser light of a wavelength 376nm to PH 3 For example, it is presumed that hydrogen is released from PH 3 and a part of it becomes kinetic energy that intersects the ion beam of hydrogen molecules.

【0065】このように、本発明は真空中での含水素注
入分子と光子との衝突特性によって基板中の水素濃度が
変わり、イオンドーピング法においてレジストの使用が
可能になると共に基板の結晶構造の乱れが小さくなるも
のである。
As described above, according to the present invention, the hydrogen concentration in the substrate changes depending on the collision characteristics of hydrogen-containing implanted molecules and photons in a vacuum, which makes it possible to use a resist in the ion doping method and to improve the crystal structure of the substrate. The disturbance is small.

【0066】本発明で使用される注入分子は水素化合物
であって、水素と共有結合し、揮発性化合物となるSi
4、BH3、CH4、AlH3、PH3、Ga26、Ge
4、AsH3、SnH4、SbH3、PbH4、BiH3
である。
The injection molecule used in the present invention is a hydrogen compound, and Si that forms a volatile compound by covalently bonding with hydrogen.
H 4, BH 3, CH 4 , AlH 3, PH 3, Ga 2 H 6, Ge
H 4, is AsH 3, SnH 4, SbH 3 , PbH 4, BiH 3 like.

【0067】[0067]

【発明の効果】イオンドーピング装置はイオン源で発生
させたイオンを質量分離せずに半導体基板にドーピング
するため、Hイオンによる基板加熱が大きいという問題
やHイオンが多量に膜中に注入されるため、半導体の膜
質を劣化させるという問題があったが、本発明は、イオ
ンビームにレーザー光を照射することにより、Pイオン
やBイオンに結合しているHイオンを離脱させることが
できる。
In the ion doping apparatus, since the ions generated by the ion source are doped into the semiconductor substrate without mass separation, the problem that the substrate is heated by H ions is large and a large amount of H ions are injected into the film. Therefore, there is a problem that the film quality of the semiconductor is deteriorated, but in the present invention, H ions bonded to P ions and B ions can be released by irradiating the ion beam with laser light.

【0068】このため、半導体基板に打ち込まれるHイ
オン量を従来に比べて大きく低減することができるの
で、上記のHイオンによる基板加熱や半導体の膜質劣化
を従来よりはるかに小さくすることができる。
Therefore, the amount of H ions implanted into the semiconductor substrate can be greatly reduced as compared with the conventional case, so that the substrate heating and the deterioration of the semiconductor film quality due to the above H ions can be made much smaller than in the conventional case.

【0069】また、従来のイオンドーピングでは使用で
きなかったレジストマスクが使用可能になるため、従来
の半導体イオン注入プロセスがそのまま適用できるとい
う利点がある。
Further, since the resist mask which cannot be used in the conventional ion doping can be used, there is an advantage that the conventional semiconductor ion implantation process can be applied as it is.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるイオンビームにレーザー光を照射
するドーピング装置図である。
FIG. 1 is a diagram of a doping apparatus for irradiating an ion beam with laser light according to the present invention.

【図2】本発明を用いたSi基板中のH濃度のレーザー
エネルギー密度特性図である。
FIG. 2 is a laser energy density characteristic diagram of H concentration in a Si substrate using the present invention.

【図3】従来のイオンド−ピング法を用いた薄膜トラン
ジスタの断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a thin film transistor using a conventional ion doping method.

【図4】従来のイオンド−ピング法を用いた薄膜トラン
ジスタの平面図である。
FIG. 4 is a plan view of a thin film transistor using a conventional ion doping method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 レーザー光源 2 レーザー光 3 ミラー 4 イオンビーム 5 半導体基板 6 基板ホルダー 7 ドーピングガス 8 RF電源 9 引き出し電源 10 加速電源 11 減速電源 12 石英基板 13 多結晶シリコン 14 熱酸化膜 15 ゲート 16 レジスト 17 ゲートライン 18 ソース 19 ドレイン 1 Laser Light Source 2 Laser Light 3 Mirror 4 Ion Beam 5 Semiconductor Substrate 6 Substrate Holder 7 Doping Gas 8 RF Power Supply 9 Extraction Power Supply 10 Acceleration Power Supply 11 Deceleration Power Supply 12 Quartz Substrate 13 Polycrystalline Silicon 14 Thermal Oxide Film 15 Gate 16 Resist 17 Gate Line 18 source 19 drain

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 21/265 21/268 B ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H01L 21/265 21/268 B

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 不純物の水素化物の放電により形成され
た不純物のイオンビームに、波長351nm以下、エネ
ルギー密度150mJ・cm-2以上のレーザー光を照射
した後、該イオンビームによりシリコン薄膜トランジス
タにイオンを注入することを特徴とするシリコン薄膜ト
ランジスタへの不純物注入方法。
1. An ion beam of an impurity formed by discharge of a hydride of an impurity is irradiated with laser light having a wavelength of 351 nm or less and an energy density of 150 mJ · cm −2 or more, and then the silicon thin film transistor is ionized by the ion beam. A method for implanting impurities into a silicon thin film transistor, which comprises implanting.
【請求項2】 放電が圧力10-2Torr以下の不活性
ガス、水素及び不純物の水素化物の混合ガス中で行われ
ることを特徴とする請求項1のシリコン薄膜トランジス
タへの不純物注入方法。
2. The method of implanting impurities into a silicon thin film transistor according to claim 1, wherein the discharging is performed in a mixed gas of an inert gas, hydrogen and a hydride of impurities at a pressure of 10 −2 Torr or less.
【請求項3】 質量分離をしていないイオンビームに、
レーザー光を照射することを特徴とする請求項1のシリ
コン薄膜トランジスタへの不純物注入方法。
3. An ion beam without mass separation,
The method of implanting impurities into a silicon thin film transistor according to claim 1, wherein laser light irradiation is performed.
【請求項4】 質量分離をしていないイオンビーム中に
水素が結合したイオンを含むことを特徴とする請求項1
のシリコン薄膜トランジスタへの不純物注入方法。
4. The ion beam, which is not mass-separated, contains hydrogen-bonded ions.
Method for implanting impurities into silicon thin film transistor.
【請求項5】 レーザー光がイオンビーム中の水素の脱
離エネルギーより高いエネルギーを有することを特徴と
する請求項1のシリコン薄膜トランジスタへの不純物注
入方法。
5. The method of implanting impurities into a silicon thin film transistor according to claim 1, wherein the laser light has an energy higher than the desorption energy of hydrogen in the ion beam.
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