JPH0786603A

JPH0786603A - 半導体膜の製造方法

Info

Publication number: JPH0786603A
Application number: JP23023193A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Oda; 明博織田; Atsushi Yoshinouchi; 淳芳之内; Shuhei Tsuchimoto; 修平土本
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1993-09-16
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】抵抗の十分低いＰ型半導体膜を、６００℃以
下の低温で生産性よく作製し、また、低コストで大面積
化の容易なガラス基板の使用を可能にする。【構成】基板上に形成した多結晶半導体膜に、周期律
表第III族元素イオンおよび水素イオンと共に、第IV族
元素イオンを同時に注入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アクティブマトリクス
型液晶ディスプレイ等の薄膜トランジスタに使用される
半導体膜の製造方法に関する。より詳しくは、イオン注
入によるＰ型半導体膜の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶ディスプレイにおいて、ガラ
スや石英などの透明基板上に、アモルファスシリコン薄
膜トランジスタ（ａ−ＳｉＴＦＴ）を液晶画素毎に形
成したアクティブマトリクス型液晶ディスプレイが実用
化されている。さらに、周辺駆動回路まで薄膜トランジ
スタで一体化形成したアクティブマトリクス型液晶ディ
スプレイの実現のためには、アモルファスシリコンより
動作速度が速く駆動能力が高い、多結晶シリコン薄膜ト
ランジスタ（ｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴ）で駆動回路を形
成することが必要であり、そのための研究開発がさかん
に行われている。その際、基板として石英よりもガラス
基板を用いる方が、低コストで大面積化が容易であり好
ましいが、そのためには製造プロセスを低温化する必要
がある。

【０００３】これらＴＦＴの製造プロセスにおいて、不
純物をドーピングする方法としてはイオン注入法が良く
用いられる。イオン注入法は不純物濃度、注入深さを制
御でき、かつ比較的低温プロセスであるため、最近では
不純物ドーピング技術の主流となっている。

【０００４】このイオン注入に用いる装置には大別して
２種類あり、一つはイオン質量分離を行って特定の質量
イオンのみを注入するイオン注入装置と、もう一つはイ
オン質量分離を行わずに各種質量イオンを同時に注入す
るイオン注入装置である。

【０００５】前者のイオン注入装置は、イオンビーム幅
が数ｍｍと小さいため、ディスプレイ用ＴＦＴの様な大
面積にイオン注入するためには基板の機械的走査または
イオンビームの電気的走査が必要で、装置は複雑化、大
型化、高価格化してしまうという問題があった。

【０００６】後者のイオン注入装置は、イオン質量分離
を行わず、生成したプラズマからイオンを引き出し、こ
れを低電圧加速して、所定の温度に加熱した基板にイオ
ンシャワー状に照射してイオン注入するもので、この装
置で利用される方法はイオンシャワードーピング法とも
呼ばれ、機械的電気的走査なしに容易に大面積領域にイ
オン注入できる方法として、例えば特開昭６３ー１９４
３２６号に開示されている。ここには、絶縁基板上に形
成された非晶質シリコン膜または多結晶シリコン膜中に
上記イオンシャワードーピング法を用いて、低加速エネ
ルギーで水素イオンとともに周期律表第III族または第
Ｖ族元素の不純物イオンを注入した後、非晶質シリコン
の場合には２００〜３００℃で、多結晶シリコンの場合
には６００〜９００℃で、それぞれ熱処理工程を実施す
る製造方法が開示されている。また、多結晶シリコンを
用いたＴＦＴに応用する場合、不純物注入によるソー
ス、ドレインの形成工程以外に、水素注入による粒界制
御にも適用できることが述べられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】多結晶シリコン薄膜に
イオンシャワードーピング法を用いて不純物元素のイオ
ン注入を行うと、そのままでは不純物イオンは活性化さ
れずドーパントとして有効に働かないため、多結晶シリ
コン膜の抵抗値が高く、例えばｐｏｌｙ−ＳｉＴＦＴの
ソース、ドレインとして使用する上で好ましくないとい
う問題があった。そのために注入後に、６００℃以上の
高温でアニールして活性化する必要があり、耐熱性の点
から通常、基板には石英が用いられていた。しかし、石
英基板は高価でまた大面積化が困難という問題があっ
た。

【０００８】一方、低コストで大面積化の容易なガラス
基板を用いるには６００℃以下の低温プロセスで処理す
ることが望ましいが、イオン注入後の活性化を仮に６０
０℃で行うと２０時間程度のアニールが必要となり、さ
らに低温化を図るためにはもっと長時間のアニールが必
要となる。そのため従来は、ガラス基板を用いると、基
板の熱収縮および反りの問題が発生したり、工程が非常
に長くなってしまうという問題があった。

【０００９】この問題の解決方法として、特願平４ー３
０７３５０号において、多結晶シリコン膜中にイオンシ
ャワードーピング法を用いて、原料ガスの水素濃度を高
くして不純物イオンを注入すると、水素イオンのアシス
ト効果により注入と同時に多結晶シリコン膜中の不純物
イオンが活性化される自己活性化の作用によって、アニ
ール無しでも低抵抗膜が得られ、イオン注入後の活性化
のためのアニールが不要になること、またこの際、原料
ガス中の水素濃度は８０％以上で、不純物元素の注入ド
ーズ量は５×１０¹⁴個／ｃｍ²以上、５×１０¹⁶個／ｃ
ｍ²以下が好ましいことが述べられている。

【００１０】しかし、上記の自己活性化による低抵抗化
の効果が顕著に現れるのは、不純物イオンとしてリンイ
オンを用いるＮ型半導体膜の場合であり、ボロンイオン
を用いるＰ型半導体膜の場合には十分に低抵抗の半導体
膜が得られないという問題が残った。図３に、リンイオ
ンまたはボロンイオンを多量の水素イオンと共に多結晶
シリコン膜中に注入した場合の、抵抗の全イオンドーズ
量依存性を示す。横軸は全イオンドーズ量、縦軸は多結
晶シリコン膜のシート抵抗値である。全イオンドーズ量
が増加するにつれて、高抵抗であった膜が低抵抗化する
傾向はどちらも同じであるが、リンイオンと水素イオン
を注入した場合に比べて、ボロンイオンと水素イオンを
注入した場合には抵抗が高い。例えば、全イオンドーズ
量１×１０¹⁶個／ｃｍ² の点で比較すると、リンイオン
と水素イオンを注入した場合には約１×１０³ Ω／□ま
で低下するのに対して、ボロンイオンと水素イオンの場
合には約５×１０³ Ω／□までしか下がらない。

【００１１】この理由について調べるために、これら多
結晶シリコン膜の結晶化率をＵＶ反射光強度測定法を用
いて評価した。測定方法は以下の通りである。

【００１２】重水素ランプから出た紫外線を多結晶シリ
コン膜表面に入射角５゜で入射させ、その反射光強度を
分光器で測定すると、非晶質シリコン膜には無く結晶シ
リコン膜特有のＥ₂バンド（バンドギャップ４．３１ｅ
Ｖ）の吸収により、波長２８０ｎｍに反射光強度のピー
クが現れる。このピークの高さは、シリコン膜表面にお
いて結晶シリコン粒子が占める面積の割合、すなわち結
晶化率に比例するので、波長２８０ｎｍの反射光強度を
測定比較することにより、膜の結晶化率を求めることが
できる。

【００１３】以上のようにして求めた結晶化率と全イオ
ンドーズ量との関係を、図４に示す。図４より、リンイ
オンと水素イオンを注入した場合には、注入初期に一旦
非晶質化してから、注入量が増加するにつれ再び結晶化
が進み、それと共に活性化され、結晶化と活性化により
抵抗が下がっている。これに対し、ボロンイオンと水素
イオンを注入した場合には、非晶質への変化が少なくそ
の後の結晶化もあまり進まず、したがって、リンイオン
と水素イオンの注入の場合のようには抵抗が低くならな
い。このように、抵抗の十分に低いＰ型シリコン膜を得
ることができないという問題が残った。

【００１４】本発明の目的は、上記問題点を解決し、抵
抗の十分低いＰ型半導体膜を、低温プロセスで生産性良
く製造でき、低コストで大面積化の容易なガラス基板の
使用を可能にするような製造方法を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明のＰ型半導体膜の
製造方法は、周期律表第III族元素イオンおよび第IV族
元素イオンおよび水素イオンを含むプラズマ源からのイ
オンを加速して、水素イオンと共に前記第III族元素イ
オンおよび前記第IV族元素イオンを、基板上に形成され
た周期律表第IV族元素から成る多結晶半導体膜に注入す
ることを特徴とする。

【００１６】

【作用】多結晶半導体膜に周期律表第III族元素イオン
および水素イオンと共に、第IV族元素イオンを注入する
ことにより、水素イオンのアシスト効果に加えて第IV族
元素イオンのアシスト効果が加わり、第III族元素イオ
ンの活性化と半導体膜の結晶化とを同時に促進する。そ
の結果、注入初期に一旦非晶質化した半導体膜は、その
後再び結晶化が進み、それと共に活性化され、この結晶
化と活性化により十分に抵抗が下がる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を、その実施例を示す図面に基
づいて具体的に説明する。

【００１８】図１に、本発明に用いるイオン注入装置の
概略図を示す。１はガス導入口、２はプラズマ源を生成
するプラズマ室を構成するチャンバー、３はプラズマ源
を励起するための高周波電源、４はプラズマ源に高周波
電力を供給するための高周波電極、５はイオン化効率を
上げプラズマ形成を整えるための磁石であり、これらに
よってプラズマ源が形成される。６はプラズマ源からイ
オンを引き出すための１段目のイオン加速用電源、７は
引き出されたイオンを追加速するための２段目のイオン
加速用電源、８は２次電子抑制用の減速電源、９はメッ
シュ状の電極板、１０はそれぞれの電極板を絶縁するた
めの絶縁体であり、これらによってイオン加速部が構成
される。１１は注入されるべき基板１２を装着する基板
ホルダであり、ここでは均一性向上のため回転機構を有
している。

【００１９】ガス導入口１より原料ガスを導入し、高周
波電極４に高周波電力５０〜３００Ｗを印加することに
より励起したプラズマ源を形成し、加速電極板９間で加
速した後、基板ホルダ１１に装着した基板１２にイオン
注入する。以上のような構成にすることで、試料基板の
機械的走査やイオンビームの電気的走査なしで大面積基
板へのイオン注入が可能となる。

【００２０】つぎに、本発明の一実施例である半導体膜
の製造方法について説明する。

【００２１】まず、ガラス基板２０１上に、ＬＰＣＶＤ
法でＳｉＨ₄ ガスを１Ｔｏｒｒ導入し基板温度５３０℃
で、膜厚１００ｎｍの多結晶シリコン膜を形成する。

【００２２】この多結晶シリコン膜を形成した基板を図
１に示すイオン注入装置の基板ホルダ１１に装着し、図
２に示すように、ボロンイオンおよびシリコンイオンお
よび水素イオンからなるイオン２０４を照射しイオン注
入する。イオン注入のプラズマ源形成のために使用した
原料ガスは、水素希釈の５％Ｂ₂Ｈ₆ガスと水素希釈の５
％ＳｉＨ₄ガスを１対１に混合したものを用いた。高周
波電極４に印加する高周波電力は１００Ｗ、プラズマ室
２の真空度は１×１０^-3Ｔｏｒｒ、全イオン電流密度は
５μＡ／ｃｍ² 、イオン加速電圧は８０ｋＶであった。

【００２３】注入時間を変えることにより全イオン注入
量を変えて作製した、Ｐ型多結晶シリコン膜について抵
抗測定した結果を、図５に示す。横軸は全イオンドーズ
量、縦軸は多結晶シリコン膜のシート抵抗値である。ま
た、図５には比較のため、シリコンイオンを注入せずボ
ロンイオンと水素イオンのみを注入したＰ型多結晶シリ
コン膜の測定結果をも示した。図５より、本発明の製造
方法、すなわちシリコンイオンも同時に注入した場合の
方が、抵抗が低くなることが分かる。例えば、全イオン
ドーズ量１×１０¹⁶個／ｃｍ² の点で比較すると、シリ
コンイオンを注入しない場合には約５×１０³ Ω／□で
あったのが、シリコンイオンを同時に注入することによ
り約１．１×１０³ Ω／□まで低下する。なお、全イオ
ンドーズ量は、例えば、全イオン電流密度５μＡ／ｃｍ
² で５分間注入すれば、約１×１０¹⁶個／ｃｍ² にな
る。また、上記抵抗測定は、４探針法により行った。

【００２４】さらに、これらのＰ型多結晶シリコン膜の
結晶化率を波長２８０ｎｍのＵＶ反射光強度により測定
した結果を、図６に示す。横軸は全イオンドーズ量、縦
軸は結晶化率である。図６には比較のため、シリコンイ
オンを注入せずボロンイオンと水素イオンのみを注入し
た場合の結果をも示した。図６より、本発明の製造方法
の場合、全イオンドーズ量が増加するに伴い、一旦非晶
質化してから、その後結晶化が進んでいることが分か
る。そして、全イオンドーズ量が約１×１０¹⁶個／ｃｍ
² で結晶化率は飽和し、ほぼ結晶化が完了していること
を示している。この様子は、リンイオンと水素イオンを
注入した場合に似ている。

【００２５】以上のようにして、低温プロセスでも、低
抵抗のＰ型多結晶シリコン膜を作製することができる。

【００２６】なお、上記実施例のようにＢ₂Ｈ₆ガスとＳ
ｉＨ₄ ガスを用いる場合のイオン注入条件は、高周波電
力は１００〜２００Ｗ、真空度は２×１０^-4〜２×１０
^-3Ｔｏｒｒ、全イオン電流密度は１〜１０μＡ／ｃｍ
² 、イオン加速電圧は６０〜１１０ｋＶの範囲が好まし
い。

【００２７】本発明における多結晶半導体膜としては、
多結晶シリコン膜以外に、多結晶シリコンゲルマニウム
膜を用いることが可能である。多結晶シリコンゲルマニ
ウム膜の場合には第IV族元素イオンとしては、シリコン
イオン以外に、ゲルマニウムイオンを用いることが可能
である。この場合、イオン注入装置に導入するガスとし
ては、ＧｅＨ₄ ガスを用いることができる。また、注入
する第IV族元素イオンは半導体膜に悪影響を及ぼさない
ものを選ぶ必要があり、半導体膜に含まれる元素を用い
るのが好ましい。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、抵抗が十分に低いＰ型
多結晶半導体膜を、低温プロセスで生産性良く製造でき
る。これによって基板として低コストで大面積化の容易
なガラス基板を用いることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法に用いる、イオン注入装置の
概略図である。

【図２】本発明の製造方法のイオン注入工程の、一実施
例を示す断面図である。

【図３】シリコンイオンを注入しない場合の、Ｐ型およ
びＮ型半導体膜の抵抗と、全イオンドーズ量との関係を
示す図である。

【図４】シリコンイオンを注入しない場合の、Ｐ型およ
びＮ型半導体膜の結晶化率と、全イオンドーズ量との関
係を示す図である。

【図５】本発明の製造方法を用いたＰ型半導体膜の抵
抗、および、比較のためシリコンイオンを注入しない場
合のＰ型半導体膜の抵抗と、全イオンドーズ量との関係
を示す図である。

【図６】本発明の製造方法を用いたＰ型半導体膜の結晶
化率、および、比較のためシリコンイオンを注入しない
場合のＰ型半導体膜の結晶化率と、全イオンドーズ量と
の関係を示す図である。

【符号の説明】

１；ガス導入口２；プラズマ
室３；高周波電源４；高周波電
極５；磁石６；１段目イ
オン加速電源７；２段目イオン加速電源８；減速電源９；メッシュ電極１０；絶縁体１１；基板ホルダ１２，２０１；基板２０２；半導体膜２０３；絶縁膜２０４；注入イオン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期律表第III族元素イオンおよび第IV
族元素イオンおよび水素イオンを含むプラズマ源からの
イオンを加速して、水素イオンと共に前記第III族元素
イオンおよび前記第IV族元素イオンを、基板上に形成さ
れた周期律表第IV族元素から成る多結晶半導体膜に注入
することを特徴とするＰ型半導体膜の製造方法。