JPS63194326A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 近年００ム化・情報化にともない民生用あるいは産業用
を問わず情報の入力装置および表示装置の大型化が必須
となりつつある。特に入力装置としての密着型薄膜イメ
ージセンサや表示装置としての液晶ディスプレイ等では
、情報量の増加に伴なって大面積化や高速処理が要望さ
れるようになってきた。これらの装置は光センサ及び薄
膜トランジスタなどから構成され、これらの大面積およ
び低コストプロセスの開発が強く望まれる。

従来の技術 上述の光センサの構成材料としては主として非晶質シリ
コンが用いられ、また薄膜トランジスタの構成材料とし
ては非晶質シリコンとともに多結晶シリコンが用いられ
ている。非晶質シリコンを用いた光センサや薄膜トラン
ジスタの電極コンタクト部やソース・ドレイン領域の形
成には高濃度で低抵抗の浅い（〜２００人）不純物導入
層の形成が不可欠で、従来はこれをプラズマ化学的気相
成長法（Ｐ−ＣＶＤ　）ｔ−用いて形成していたが不純
物を導入した薄膜の堆積後に不必要な領域を写真蝕刻法
により除去する必要があり、加えて通常行われる有機感
光材料を用いた選択的な不純物導入層の形成は不可能で
あった。

第９図に従来のｐ−ｃｖｐ法を用いて大面積用の逆スタ
ガ構造の非晶質シリコン薄膜トランジスタを作製するプ
ロセスを示す。絶縁基板１ｏｏ上に、Ｏｒ等の金属ゲー
ト電極１ｏ１．ゲート絶縁膜である窒化シリコン膜１０
２．能動層となる非晶質シＩＪ　＝＋ン膜１０３．パッ
シペーシヲンとナル窒化シリコン１０４を第９図人に示
す如く形成した後、全面にソース・ドレイン領域形成用
のｎ＋非非晶質シリコ模膜１０ｇ全面に堆積した後（第
９図Ｂ）、ソース・ドレイン領域を残し、写真蝕刻法で
層１０５を選択的にエツチング除去するＣ第９図Ｇの構
造を形成するプロセスとして第９図人の構成を形成する
かわりにゲート絶縁膜１ｏ２゜非晶質ソリコン１０３．
パツジベージクン［１０４を連続的に形成した後、パッ
シベーション膜１０４を第９図人の如く形成した後第９
図Ｂの如く全面にｐ−ｃｖｐ法でｎ　非晶質シリコンを
形成し、写真蝕刻法で第９図Ｃの如くパターン形成する
事もある。しかる後金属電極６を形成する事により、非
晶質シリコン薄膜トランジスタが形成される。

（第９図Ｄ） 発明が解決しようとする問題点 一般に単結晶シリコン基板を用いた通常の半導体集積回
路におけるＭＯＳ　）ランジスタのソース・ドレインの
形成にはイオン注入法が適用されるが、大面積基板上へ
の形成が容易な非晶質シリコンは、通常のイオン注入で
必要な熱処理を行うことができず、第７図のととくｎ＋
非晶質シリコン層１０６の形成および選択除去という手
間のいる工程が必要となり、工程の増加をもたらしてい
る。すなわち、非晶質シリコンを用いた薄膜トランジス
タの形成には、イオン注入法は不純物導入後の活性化と
欠陥除去のため高温の熱処理を必要とする等のため不適
当である。また、第７図の方法では、ソース・ドレイン
用のｎ　膜１０５は膜１０３上に堆積されるため、ゲー
ト絶縁膜１ｏ２と能動層となるシリコン膜１０３界面の
チャンネル領域１０７とソース・ドレイン間の距離が大
きくこの間の抵抗が大きく、トランジスタ特性が悪くな
る欠点があった。

問題点を解決するための手段 本発明は、このような問題を解決することのできる半導
体装置の製造方法を提供するものであって、シリコン薄
膜を形成した基板を、磁場印加下誘起された周期律表第
■族元素イオンと水素イオンもしくは周期律表第Ｖ族元
素イオンと水素イオンを含むプラズマ空間から離れた位
置に設置し、前記プラズマ空間中からのイオンを加速し
前記シリコン薄膜上に形成したマスクを用いて選択的に
水素及び■族又はＶ族元素を導入する方法である。

さらに本発明は、特に絶縁基板上に形成された非晶質シ
リコンを用いた逆スタガ構造のＭＯ５型電界効果ソース
及びドレイン領域となるべき領域を上記方法を用いる。

作用 本発明のプロセス技術は、大面積に集積された非晶質シ
リコン及び多結晶シリコン等への不純物注入を容易かつ
確実に行うものである。本発明に用いる技術は高純度ガ
スを用い、生成したプラズマからイオンを引き出して、
これを低電圧加速により所定の温度に加熱した基板にイ
オンをシャワー状に照射して不純物導入（ドーピング）
を行う新規なプラズマプロセス技術（イオンシャワード
−ピング技術）であり、この技術により半導体ＬＳＩプ
ロセスで使用されている自己整合技術が大面積に対して
も応用でき、素子を高性能化し、かつプロセスを簡略化
することが可能となり、多結晶シリコン制御、非晶質シ
リコン薄膜トランジスタのソース・ドレイン形成、浅い
電極領域の形成、Ｐ、ｎ任意の選択ドーピング等が容易
に行え、非晶質シリコンを用いた光センサの製造にも好
適となる。そして、非晶質シリコンの場合、非晶質シリ
コンへの不純物注入と同時に水素イオンも注入され、不
純物注入時に誘起される欠陥を補償することができるた
め、良質な不純物導入層や接合の形成が可能となる。

実施例 まず、本発明に用いる技術の概略を述べる。第１図はこ
のイオンシャワードーピング技術の概念図である。例え
ば石英管よりなる真空容器１．外部に印加した高周波電
圧用電極２．電磁石３にて形成される外部磁場を備え、
真空容器１中に導入された例えばＨ２希釈ＰＨ，ガスを
電磁界励起し、発生したリンイオン４．水素イオン６を
加速し、基板台６におかれた試料１０にマスク７を用い
て選択ドーピングする。

なお試料１ｏは絶縁基板８上に形成された非晶質シリコ
ン半導体層９である。１０は中性分子を示す０ イオンシャワードーピングのための装置は第２図に示す
ように、１３．６６メガヘルツ（１メガ＝１０６　）の
高周波と磁場を放電室に印加して、励起したプラズマ中
のイオンを１〜１０キロボルトの電圧で処理室に引き出
し、所定の温度に加熱した大面積集積素子１０（第１図
の試料）にイオンをシャワー状に照射するものである。

この装置は大面積にわたって一括処理することが可能で
あり、例えば処理時間も非晶質シリコンを用いたＡ４サ
イズに集積した薄膜トランジスタへの不純物注入の場合
に、およそ１分程度で処理することが可能となる。

また装置構成もイオン注入装置と比較して非常に簡便な
ものとなっている。１は真空容器を構成する石英管で、
ガス導入管１２から導入された例えば水素希釈で２％の
ＰＨ，ガスを真空ポンプで排気しつつ例えば１０Ｔｏｒ
ｒ　台に維持し、石英管１の外部に設置された高周波電
極２及び電磁石３により励起放電し少なくともリンイオ
ン４及び水素イオン６を含むプラズマを形成する。１３
は塩化ビニルを用い放電室と基板台１４を含むチャンバ
ー１６とを絶縁する絶縁体７ランジである。電極１６は
石英管を真空シールするとともに直流電圧（１〜１０Ｋ
Ｖ）　　印加される。１７は別の電極で現装置では、電
極１６と同電位に保たれているがもちろん電極１６に対
し正電圧を印加してもよい０１８は基板台１４を加熱す
る交流電源で、基板台１４上に大面積集積素子１０を形
成すべき試料を置く。１９は真空フランジ、２０はヒー
ター、２１は開口部、２２は電離真空計である。

この装置の特長は、 １）Ａ４サイズのような大面積集積素子へのドーピング
が可能である。

２）装置構成は極めて簡単で低価格である。（イオン注
入装置の約晃以下） ３）磁場を印加した高効率イオン化方式を用いているた
め、大電流イオンビームが得られ、ドーピングをＡ４サ
イズで約１分と短時間で行うことが可能である。

４）加速エネルギーが１０ＫｅＶ以下でイオンの照射を
行うことができ、高濃度の浅いドーピング層（〜２ｏｎ
ｍ）　　を形成することが可能である。

５）有機感光材料等のマスクを用いた選択的なドーピン
グが可能なため、特に非晶質シリコンデバイスにおける
プロセスの簡略化や新規構造デバイスの製造が可能であ
る。

この新規プラズマプロセス技術により、薄膜トランジス
ター及びセンサを集積化した大面積長尺デバイスの量産
化が容易となり、ＯＡ機器・画像処理端末機器等の入力
及び表示用のキーデバイスを作成するための重要な基本
技術になる。

次表にドーピング技術比較衣を示す０ さらに第３図に示すように任意の領域にｐ型・ｎ型の任
意の伝導層を形成する選択ドーピングが浅く行えるため
、非晶質シリコンデバイスの応用領域を補備的に拡大す
ることが可能となります。

第３図ムはイオン注入法、同Ｂは本発明のイオンシャワ
一方式を示す。そして、第３図に示すように非晶質シリ
コンへの不純物注入と同時に水素イオンも注入され、不
純物注入時に誘起される欠陥を補償することができるた
め、良質な不純物導入層や接合の形成が可能となる。な
お、第３図ムのイオン注入法は薄膜９が非晶質シリコン
の場合は適用不可能である。

次に、上記装置を使用して、非晶質シリコンを用いた薄
膜トランジスタの作成に応用する場合について説明する
。

第４図ムに於いて８はガラス基板で３０はＣｒ等の金属
ゲート電極で例えばチャネル長１０μである。３１はゲ
ート絶縁膜で５ｉｎ４ガスとＮＨ３ガスの混合ガスを用
いてＰ−ＣＶＤ法で基板温度３００℃で約３０００人ノ
ｓｉＮ膜を形成する。９はトランジスタの能動層すなわ
ちチャンネル部とソース・ドレイン部となる非晶質シリ
コンで基板温度２５０℃で約１０ｏＯ人形成する。３２
はパッシベーション膜で同様にＰ−ＣＶＤで基板温度２
５０℃で約３０００人のＳｉＮ膜を形成する。しかる後
感光性樹脂被膜を塗布した後、第４図Ｂに示すようにパ
ッシベーション膜３２を写真蝕刻し一部を残す。このと
きのチャネル長方向の寸法は例えばＳμとする。

しかる後桟された膜３２をマスクとして、前述のイオン
シャワードーピング技術を用いて非晶質シリコンに不純
物導入をする。まずｎ型の不純物導入の場合について述
べる。放電室に水素希釈のＰＨ，ガスを導入放電する。

このときの放電条件の例として外部高周波電力は２〜１
ｏＷ外部磁場５０ガウス、真空度は５　Ｘ　１０　　Ｔ
ｏｒｒであった（又水素希釈のＰＨ３濃度として０．５
％の場合、放電室の出口から約１６備離れた位置で、３
．５　ＫｅＶで加速されたイオンシャワー３２を非晶質
シリコン９に基板温度３ｏｏ℃で照射したとき不純物の
導入と同時に非晶質シリコンのエツチングが生じた。

ＰＨ，濃度が２％のときにはドーピングが主でエツチン
グはほとんど観測されなかった。又ＰＨ３濃度が、１０
％では非晶質シリコン膜上にＰの堆積が生じた。非晶質
シリコン９の厚さが１０００人のときイオン加速エネル
ギーが３．６　ＫｅＶのときはＰのドーピング深さく投
影飛程）が約６０人のため分布の広がりを考えてもソー
ス・ドレイン領域部の非晶質シリコン膜の表面領域にの
み高濃度層３４（点線より上）が形成されることになる
。非晶質シリコンの厚さを薄く例えばＳＯＯ人としイオ
ンの加速エネルギーを１０　ＫｅＶ　、ピーク濃度を１
０”／ｃｏｔとしたとき、非晶質シリコン９の深さ５０
０人のところでの濃度は１０１５／ｃｕｔとなる。

第４図Ｂに続き第４図Ｃに示す如く非晶質シリ：　　コ
ンを９のトランジスタ部以外除去した後、ソース・ドレ
イン電極３５．３６を形成する。

以上の方法により、プロセス工程の著しい簡略化、大面
積化が容易になるだけでなく、第６図に示すごとくソー
ス及びドレイン高濃度領域層３４とチャネル３７間の非
晶質シリコンの高抵抗領域が少なくなる。すなわち、非
晶質シリコン９にｌ。

の深さのソース領域が形成され、ソース、チャンネル間
距離が１２と短くでき、抵抗Ｒｉ小さくできる。従来は
シリコン９の上にソースを堆積形成する必要があったた
め、Ｒが小さくできなかった。

さらに、非晶質シリコン９の膜厚、イオン加速エネルギ
ー、基板温度等のパラメータを最適化することにより、
ソース・ドレイン領域を非晶質シリコン厚さ全体に形成
できるため入力信号の損失を緩和したり、非晶質薄膜ト
ランジスタのスイッチング速度の向上等の効果も生じる
。又不純物イオンのドーピングとともに水素イオンも同
時に注入され、不純物のドーピング時に生ずる欠陥によ
る電気的特性を補償することになり、水素含有が必要な
非晶質シリコンに好適となる。この時水素イオンの量に
は最適値がある。ＰＨ３を用いた不純物導入では、水素
中０．６〜１ｏチが最適であるが、例えばＰＨ，ガスｉ
Ｈｅガス中で希釈するような場合はＰのドーピングとは
別に水素イオンをドーピングしてもよい。ＰＦ、ガスを
用いる場合でも同様である。もちろん水素希釈のＰＨ，
ガスの場合でも別工程の水素イオンのドーピングや水素
或いは水素を含むプラズマ放電中で処理してもよいこと
はいうまでもない。

この技術を多結晶シリコンや非晶質シリコンを用いて自
己整合的にソース・ドレイン領域を形成する場合の実施
例を第６図に示す。第６図８は例えば石英ガラス基板で
、６０は減圧ＣＶＤ法で形成した約２０００人の多結晶
シリコン、５１は〜１００ｏ人熱酸化膜のゲート絶縁膜
、５３は約３０００人のゲート多結晶シリコンである。

第６図に示すようにパターン形成後、自己整合的例えば
水素希釈で２％のＰＨ５ガスのプラズマ放電中がうｅ　
ＫｅＶでイオン加速し、矢印のごとくイオンシャワーと
して不純物導入する。しかる後９００℃。

３０分間Ｎ２ガス中で、アニールする。その後通常の方
法でトランジスタを作成する。この方法では、大面積基
板においてもイオンシャワーの走査を必要とすることな
く均一かつ全体に同時にドーピングが可能となる。

多結晶シリコンでなく非晶質シリコンを能動層に用いる
場合はゲート絶縁膜として、光ＣＶＤ法やＫＣＲプラズ
マＣＶＤ法による絶縁膜を熱酸化膜の代りに用いアルミ
ニウムや他の金属、金属シリサイドをゲート電極として
第６図の如くパターン形成した後、基板’ｊｚ２００〜
３００℃で昇温し、イオンシャワードーピングすること
により簡単にトランジスタを作成することが可能である
。

本発明の技術を多結晶シリコンを用いた薄膜トランジス
タの製造に適用する場合、第３図に示したようにソース
・ドレイン領域の形成や水素ガスのプラズマ放電から引
き出したイオンシャワーによる多結晶シリコンの粒界（
注２）制御に応用することが可能です。薄膜トランジス
タの電気特性の一例を第７図に示す。

さらに、本発明のプラズマプロセス技術の有用性を確認
するため、非晶質シリコンを用いた光センサと多結晶シ
リコンを用いた薄膜トランジスタを、石英基板上に一体
化して集積化ラインセンサ全試作した。トランジスタに
ついては６桁以上のオン／オフ特性が得られ、このトラ
ンジスタによる駆動回路とセンサを一体化し、２桁以上
の光電流／暗電流比が得られました。この素子の構成お
よび特性を第８図に示す。

本発明は、ＭＯＳトランジスタのソース・ドレインの形
成に応用するだけでなく、第３図に示したようにマスク
を用い任意の領域に極めて浅い高濃度の不純物層全形成
することができる。例えば半導体薄膜が非晶質シリコン
でマスク材料がシリコン窒化膜のときイオン加速エネル
ギー３．５　ＫａＶで、Ｐ原子で５ｘ１０　　／ｃｎｉ
、基板温度２５０℃でドーピングすることにより〜２０
ｏÅ以下で〜１０　　（Ω・ｃＮ）　　の伝導度を示す
層が形成できた。

比較としてイオン注入法で形成する場合通常０．１μｍ
以上となる。

また、本発明においては％　Ｐｌ　”任意の周期律表第
Ｖ族、第■族元素の導入に適用することができる。

発明の効果 これらプロセス技術、薄膜トランジスタ等の技術は、大
面積ンリコン薄膜等への均一かつ容易な不純物導入制御
が可能となり、今後のＯム機器。

情報機器の大面積用入力装置等の製造に大きな効を発揮
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いるイオンシャワ一方式による不純
物導入法の概念図、第２図はイオンシャワードーピング
装置の概略図、第３図（ム）はイオン注入法の状態図、
第３図（Ｂ）　ｉｊ：イオンシャワ一方式の状態図、第
４図（Ａ）〜（Ｃ）は本発明の一実施例の薄膜トランジ
スタの製造工程断面図、第６図は第３図（Ｃ）のトラン
ジスタの部分拡大断面図、第６図は多結晶ンリコントラ
ンジスタの製造工程断面図、第７図は薄膜トランジスタ
の電気特性図、第８図（Ａ＞はアモルファシシリコンセ
ンサと薄膜トランジスタの一体化平面図、第８図（Ｂ）
は同（ム）のＸ−Ｘ’線断面図、第８図（Ｃ）は同Ｃ人
）の特性図、第９図（ム）〜Φ）は従来の非晶質シリコ
ン薄膜トランジスタの工程断面図である。 ３・・・・・・電磁石、４・・・・・・リンイオン、５
・・・・・・水素イオン、８・・・・・・絶縁基板、９
・・・・・・非晶質ンリコン半導体層、１０・・・・・
・マスク、３４・・・・・・高濃度不純物導入層。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 水素イオン 第　２　図 第４図 Ｊυ　　　　　７ Ｎ５図 第７図 ０２、ｉ６　８ チート電圧　ＣＶ） 第８図 （Ａ） （Ｂ） 第８図 （Ｃ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン薄膜を形成した基板を、磁場印加下誘起
   された周期律表第III族元素イオンと水素イオンもしく
   は周期律表第Ｖ族元素イオンと水素イオンを含むプラズ
   マ空間から離れた位置に設置し、前記プラズマ空間中か
   らのイオンを加速し前記シリコン薄膜上に形成したマス
   クを用いて選択的に前記水素及びIII族又はＶ族元素を
   導入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. （２）シリコン薄膜が多結晶シリコンあるいは非晶質シ
   リコンであることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載の半導体装置の製造方法。
3. （３）シリコン薄膜が非晶質シリコンであり、第Ｖ族イ
   オンを発生するためのソースガスが水素ガス希釈のＰＨ
   ＿３でありその濃度が０．５％より大きく１０％より小
   さい範囲にあることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の半導体装置の製造方法。
4. （４）絶縁基板上に逆スタガ構造の絶縁ゲート型電界効
   果トランジスタを製造するに関し、ゲート電極、ゲート
   絶縁膜及び能動層となるべき非晶質シリコン及び絶縁膜
   を順次形成した後、前記非晶質シリコン上に形成した絶
   縁膜をマスクとして、ソース及びドレイン領域となるべ
   き領域に、磁場印加下誘起された周期律表第III族元素
   イオンと水素イオンもしくは周期律表第Ｖ族元素イオン
   と水素イオンをプラズマ空間中から加速して照射するこ
   とを特徴とする 半導体装置の製造方法。