TWI261900B - Ion doping apparatus, ion doping method and semiconductor device - Google Patents

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1261900 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係，關於向對象物植入或摻 置。又，關於利用離子摻雜裝置所制、;^子之料推雜裝 【先前技術】 < 置所…半導體裝置。 一近年，為實現大型且高解析度的液晶顯示裝置 咼解析度的黏著型影像感測器、二 、 好， 一、、、算化寺，於玻璃等絕绦 基板上形成高性能的半導體元件被嘗試。 、、 為形！如此之半導體元件，需要形成薄膜狀的半導體 層’先前已知利用非⑭半導體㈣)所成之半導體薄膜， 或者，多晶石夕及微結晶石夕等之結晶性石夕所之半導體薄膜於 絕緣性基板上形成半導體元件。 、 非晶石夕半導體薄膜，由於利用氣相法可以相對低溫形 成’優於置產性’ -般最常使用。但是，非晶石夕半導體薄 膜在導電性等物性之點差。因此，對半導體元件要求高性 能之上述裝置等，非晶矽半導體薄膜並不適。 另一方面，結晶性矽半導體薄膜優於導電性，為用於上 述裝置等，進行種種研究及開發。作為得到薄膜狀結晶性 石夕半導體之方法，習知下列方法。 (1) 於成膜時直接形成具有結晶性之矽半導體膜。 (2) 形成非晶矽半導體薄膜，照射強光藉由該能量，將非 晶矽結晶化。 (3) 开> 成非晶石夕半導體薄膜，藉由施加熱能，將非晶矽妗 化 曰曰 93705.doc 1261900 於⑴之方法，由於與成膜㈣同時進切之結晶化，不 Γ形成之膜之厚度充分大則，無法得到結晶粒徑大之結 二生石夕。因此’错由該方法，於具有大面積之基板全面上， 1成具有良好的半導體转料少纟士 s 〜 之結日日性梦半導體薄膜，於技 =困難。又’由於需要以⑽代以上之溫度成膜，無法使 用权化點低之低價玻璃基板作為絕緣基板，於製造成本之 點有問題。 於⑺之方法則，由於利用融溶固化步驟之結晶化現象， 可良好地處理結晶粒徑小之粒界，可得高品質之結晶性石夕 +導體。但是，難以確保於大面積照射強光之實用手段。 例如’使用現在最常传用 進八 ^ 取吊使用之準分子雷射之情形，由於雷射 光之安定性並不充分’難以將大面積之基板全面均勾地處 理得到結晶性石夕臈。因此’難以於同一基板上形成具有均 勾特性之複數半導體元件。又，由於雷射光之照射面積小， 生產效率差。 、 於⑺之方法則，相較於⑴及⑺之方法較有容易得到大面積 的結晶性石夕半導體膜之優點。但是，於結晶化需要以嶋。c以 上之高溫加熱處理數十小時。因此，為使用低價的玻璃基 板降低加熱溫度之情形，有需要將加熱時間加更長，降低 產能。又’於該方法，由於利用固相結晶化現象，結晶粒 係平行於平板面擴大，其結晶粒徑可達數_。然而，由於 所成長之結晶粒互相相撞形成粒界，該粒界對載子有陷阱 位準作用，成降低電子遷移率之原因。 上述3種方法之中，（3)之方法作為有望的方法特別受到 93705.doc 1261900 注目’應用（3)之方法，以更低溫且短時間的熱處理，形成 高品質而均勾性高的結晶性碎膜之方法，*示於例如特開 明6-333824號公報，特開平卜333825號公報及特開平 8-330602號公報。 揭不於該等專利文獻之方法表示，藉由於非晶破膜表面 導入微量的鎳等金屬元素，進行熱處理，可以6⑼。c以下之 低溫且數小時左右的處理時間進行結晶化。 根據本方法係料，首先將導人之金屬元素作為核之結 晶核產生於熱處理之較早階段發生，其後’金屬元素成觸 媒促㈣之結晶成長，急據地進行結晶化者。因此，所導 入之金屬元素稱為觸媒元素。相對於以通常之固相成長法 結晶化之矽膜具有雙晶構造’以該方法所得結晶性矽膜 係，以彡支柱狀結晶構《，各個柱狀結晶内部具有成接近 單晶之狀態之特徵。 以該方法，若觸媒元素殘存於石夕膜中則，無法得到正常 的半導體元件特性。因此，如於特開平6-333824號公報或 特開平8-236471 5虎公報所揭示’利用磷離子等進行觸媒元 素捕捉。具體地為，將藉由導人觸媒元素，進行熱處理所 得之結晶㈣„案化後，於其表面上設閘極絕緣膜，進 -步設閘極。然後，將閘極作為掩膜圖案化之結晶石夕膜換 雜碌離子。藉此，閑極正下之區域以外之區域(源極·没極 區域）摻料。將此藉由熱能，或者雷射光活化，閘極正下 之區域之觸媒元素被源極.汲極區域捕捉（吸集雜質），形成 閘極正下區域作為通道區域之薄膜電晶體。 93705.doc 1261900 上述磷離子之摻雜係，需要 此，使用可對大 積之結晶性矽膜。因 積照射離子東之離子走壯 離子束裝置，為將大量的離子產生置，此之 以乙硼烷或磷化氣作 積之離子束， 子束，不經質旦2原科，以離子源將該等分解生成離 離子束照射裝置將雜羋古土 了於先則之 作 、 束之束電流密度成一定的方式杵制 每 衣置，對結晶性矽膜摻雜離子。 疋進仃如此之控制H _ 之全電荷為一宁也 』< 早位面積 准所生成離子之離子種 根據離子種_之^料 h有所雙動。 裝置胖曰i 特性相異，故使用先前之離子束 、、σ aa矽膜摻雜離子，製作半導體元件之情形，有 2半¥體7L件之特性離散大之問題。又，由於特性之離 ，有產生滿足特定規格之半導體裝置之良率降低之問 題0 【發明内容】 么本發明纟’解決如此之先前問題，生成之離子種比率之 變動少之離子束摻雜裝置及提供離子摻雜裝置為目的。 又，本發明係，關於使用離子摻雜裝置製造之半導體裝置 及其製造方法。 本發明之離子摻雜裝置係，具備··反應室；排氣部，其 將反應室内之氣體排出；離子源，其設於反應室，且包含 導入含有應摻雜元素之氣體之導入口、射出熱電子之燈 絲、及於與燈絲之間進行電弧放電之陽極，藉由電弧放電 將氣體刀解’生成含有應摻雜元素之離子·，及加速部，其 93705.doc 1261900 ^將在離子源所生成之離子由離子源弓丨出，向 t，使流於燈絲與陽極間之電弧電流成一定' σ 孤放電。 式控制電 於一良好的實施形 表真’疋一^步呈供 , 、糸二源’其係、為對w述燈絲施加電壓；及電狐電源係 燈絲與前述陽極間施加電壓，使流於前述燈絲與前 述％極間之電弧電流成一定的 式控制刚迷燈絲電源及/ 或刚述電弧電源。 上於u的實施形態’進—步具備：電流計，其係為側 計測前述電弧電流’使以前述電流計所計側之值成一定的 方式，控制前述電弧電源之輸出電壓。 於-良好的實施形態’藉由前述電弧放電，由前述氣體 生成複數之離子種，前述離子種之生成比成一定。 又，本發明之半導體裝置係，具備：基板，其具有絕緣 性表面；及結晶性矽膜，其設於前述基板上，且包含利用 上述之任所3己載之離子掺雜裝置將前述應摻雜之元素作 為雜質導入前述結晶性矽膜，於前述結晶矽膜中形成源極 區域、汲極區域及通道區域之複數半導體元件。 於一良好的實施形態，於前述複數半導體元件之前述通 道區域之雜質濃度之平均值作為Ave，標準差為σ時，滿足 0.05 — 3 σ /Ave之關係。 於一良好的實施形態，於前述複數半導體元件之前述源 極區域及汲極區域之雜質濃度之平均值作為Ave，標準差為 σ時，滿足〇.〇5 — 3 σ /Ave之關係。 93705.doc -10- 1261900 曰：r:好的實施形態，前述結晶性矽膜係，#由助長非 曰曰夕 結晶性之觸媒元素結晶化。 於一良好的實施形態’前述非晶矽膜具有25 nm以上80 nm 以下之厚度。 前述觸媒元素係，鎳、鈷、鈀、 、鋁及銻所成之群所選之至少一 於一良好的實施形態， 翻、銅、銀、金、銦、锡 種元素。 於一良好的實施形'態，前述觸媒元素係鎳。 於一良好的實施形態，前述結晶性碎膜係，導入前述觸 媒兀素後’藉由爐熱處理、燈退火及雷射照射之一種以上 之方法進行。 本發明之摻雜方法具備·脾冬古 /、侑·將3有應摻雜之元素之氣體藉 由私弧放電分解之步驟；及將藉由前述分解步驟所產生之 離子以特定電壓加速，使前述離子向對象物衝撞之步驟， 於前述分解步驟，使前述電弧放電之電流成的方式控 制前述電弧放電。 於一良好的實施形態，應摻雜之元素為硼或磷。 本發明之半導體裳置之製造方法係，包含：於具有絕緣 性表面之基板上形成非晶矽膜之步驟（A);於前述非晶石夕膜 添加觸媒元素之步驟（B);藉由將添加有前述觸媒元素之非 曰曰矽膜熱處理，進行結晶化，由前述非晶矽膜得到結晶性 膜之步驟（C);使電弧電流成一定的方式進行電弧放電，將 含有雜質元素之氣體分解，藉由前述分解所產生之離子加 93705.doc -11 - 1261900 及將前述結晶性;5夕膜 速9導入前述結晶性矽臈之步驟（D) 熱處理之步驟（E)。 於一良好的實施形態，上述半 於乂、+、止 < 千V體I置之製造方法係， 於則述步驟（C)之後，進一步包 维绪P 於則述結晶性矽膜上形成 緣賊之步驟；前述步驟（D)，淮半4人 ^ )進一步包含：藉由使電弧電 "&的方式進行電弧放電，分解前述含有前述雜質元 π之“’將藉由前述分解所產生之離子加速，經由前述 、、巴緣前述結晶性碎膜之步驟（Di);於前述結晶性石夕 膜上形成由具有導電性之材料所成之圖案之步驟（d2);及 猎由使電弧電流成-定的方式進行電弧放電，分解含有前 述:質元素之氣體，„由前述分解所產生之離子加速， I述圖木作為掩膜導入前述結晶性石夕膜之步驟（D2) 一於—良好的實施形態，前述步驟（D1)之雜質元素為硼， 前述步驟（D2)之雜質元素為磷。 於一良好的實施形態，前述觸媒元素係，鎳、鈷、鈀、 鉑銅、銀、金、銦、錫、鋁及銻所成之群所選之至少一 種元素。 【實施方式】 圖ί係表示本發明之離子摻雜裝置之一實施形態。於圖】 所示離子摻雜裝置10，具備：反應室11、排氣部13、離子 源12及加速部23。 排氣部13係，以習知之幫浦等構成，將反應室11内之氣 體排氣’可維持反應室内之壓力於適當之值。雖未圖示， 於排氣部13連接有將用於離子摻雜裝置之種種氣體為無害 93705.doc -12- 1261900 者之除害裝置。 於離子源12，藉由電狐放電分解含有應換雜元素之氣 體，生成電漿，生成含有應摻雜元素之離子。離子源⑽ 設於反應室㈣，包含電弧反應室3〇、氣體導入口 Μ及燈 絲15。氣體導入口 14係，設於電弧反應室3〇 ’經由氣體導 入口 U將含有應摻雜元素之氣體導入離子源⑴之電弧反應 室30。燈絲15係，設於電弧反應室3〇之屋頂部。於請示 3個燈絲15’惟可因應電孤反應室3()之形狀或所需離子束之 形狀及大小，選擇適當的數量及配置。陽極口係，設於電 弧反應室3G側面。於電狐反應室3()之周圍設有將生成於電 弧反應室30内之電漿封住之環狀磁鐵31。 、 於燈絲15，分別連接有燈絲電源16。離子摻雜裝置丨〇具 備微電腦等控制裝置27’控制燈絲電源16之輸出電壓或流 於燈絲15之電流。 又，燈絲15與陽極π之間連接有電弧電源2〇。燈絲μ與 電弧電源20之間設有電流計19為佳。電流計⑺所計測之 值，將輸入控制裝置27。電弧電源2〇亦以控制裝置27控制。 加速部23係，將於離子源12生成之離子由離子源a引 出，將離子向對象物加速。於離子源12所生成之離子不經 貝里分離器分離，全以加速部23加速。因此，加速部Μ包 含。弓1出電極18、引出用電源21及加速用電源22。引出電 極18包含：第1引出電極18a及第2引出電極18b，設於電弧 反應至30之開口。第！引出電極18a係位於與電弧反應室如 開口最近之位置，於第！引出電極i8a與電弧電極ί7之間連 93705.doc -13- 1261900 接弓1出用電源21。又，第1引出電極18a與第2引出電極18b 之間連接有加速用電源22。 夾著引出電極18於與電弧反應室30之開口相對之位置有 導^離子之對象物之基板25以基板座28保持。由離子源12 所得之離子束33之形狀為，無法—次照射基板以之情形， 亦可叹使離子束33掃描基板25上的方式移動基板25之機 構。於基板25之下方有計測由離子束33之電流之束電流計 測器26。 其-人祝明離子摻雜裝置1〇之動作及使用離子摻雜裝置 之離子摻雜方法。將基板25於反應室11内照射離子束33之 置以基板座28固定後，將反應室丨丨内排氣至到達特定之 真空度。於基板25表面，形成有例如應導入雜質離子之半 導體膜。 由氣體導入口 14導入含有成雜質離子元素之氣體。例 對矽半$體成N型摻雜質之磷作為雜質離子導入對象物 之=形，使用磷化氫（PH3)，成p型摻雜質之硼作為雜質離 :子象物之h幵》，使用乙侧烧（B2H6)。藉此，於電弧 反應至30内充滿含有成為雜質離子元素之低壓氣體。 六使用燈絲電源16對燈絲15施加特定電壓，於燈絲。流電 版的同日守”藉由電弧電源2〇於燈絲丨5與電弧電極口間施加 特疋之私壓則，以燈絲15所加熱之熱電子由燈絲Μ向電弧 反=室3G内射出，到達電孤電極17。㈣子之射出成電弧 放電。射出之熱電子，貞電弧反應室3〇内之磷化氫或乙硼 烷衝撞，分解該等分子之同時，離子化，生成電漿。 93705.doc 14 1261900 =雜裝置丨。之控制裝置27係’使流於燈絲15與電狐 間之電弧電流成-定的方式，控制電弧放電。呈體 地為’根據電流計19所計測之電流值，使電弧電流成一定 的方式’控制燈絲電源20及電弧電源2卜藉此，調整流於 燈絲15之電流量及/或燈絲15及電弧電極η間之電弧電 壓’保持由燈絲所射出之每單位時間之熱電子量為—定。 由於對以一定的比例由氧體莫 ^ b j田轧骽V入口 14導入之氣體供給之熱 電子量亦成一定，故生成之離子種之比率成一定。 生成之電漿中之陽離子係，藉由引出用電源21於電弧電 極17與第1引出電極18a間施加之電壓，由電弧反應室3〇之 開口向外引出。引出之陽離子係，藉由加速用電源22於第工 引出電極18a與第2引出電極18b間施加之電壓加速。加速之 陽離子成離子束33照射基板25。離子束33所搬運之電荷， 藉由束電流計測器26計測，求得離子束33之電流或電流密 度0 圖2係表示，於使用離子摻雜裝置1〇分解乙硼烷之情形， 變化電弧電流時所生成之各離子種比率。橫軸係表示每一 燈絲之電弧電流，縱軸係將生成之離子種之比例以百分比 表示。於圖2 ’「B1系」、「B2系」及「H系」係表示含一個 石朋之化學種（BH+、BH2+等），含兩個调之化學種 等）及僅含氫之化學種（H+、Η/等）。由圖可明瞭地，當電弧 電流增大則，「Β1系」及「Η系」之化學種增加，而「Β2系_ 之化學種減少。即，藉由變化電弧電流，生成之該等離子 種之比例將變化。 93705.doc 15 1261900 :此’如先前之離子摻雜裝置’控制離子束電流密度成 -疋的方式控制之情形，由於電弧電流會變化，生成之離 子種之比率將變化，意味著雜f離子之植人量_& 1 如，即使離子束電流密度相同，當 田^丘、乐母條之電弧電流 由1 mA變動為2 mA之情形，作Α 位咖， #為删植入之量將減少為0·84 L((14x2+14)/(2〇x2+l〇))。又，因生 ^ A 风之離子種之比率於籬 子掺雜令變化，電弧反應室内之離 、 ?里 < 刀I變化，離子 束中之離子種之分布成不均句者。因此，以_定 流密度對對象物捧雜離子之情电 成不均勻。 作貝離子於面内之分布 對此，使用本發明之離子摻雜 ^ . ^ ^ b雜衣置使電弧電流一定摻雜 離子之情形，所生成之雜 义〇雜 斤生成之離子種之比例保持-定。因此，带 弧反應室内之離子種之分布保 电 八右士 離子束中離子種之 刀布成均勻。即，使電弧電流 情形，雜皙^ J β 疋對對象物摻雜離子之 Γ月小布隹貝離子之面内分布成均勻。 再者，使電弧電流為一定的 所得^ ^扛制电弧放電之情形， 尸/Γ伃之離子束之束電流密度將 電流密；#之找纟 ^ 一疋，根據實驗，束 私机山度之艾動小，藉由 不 轮，跆士古士 植入k間可調和總劑量。Μ 此，雖植入時間產生多少變動 ^猎 比例成-定，χ，接弁細 植入對象物之離子種之 性。 離子種面内均勻 因此，例如使用本發明 -定㈣a @ -子摻雜裝置，使電孤電流a 疋對液日日顯示裝置用結晶性 兒爪為 形成於美柘而咖 夕勝植入雜質離子之情形， 小风於基板面内之複數薄 ^ 包日日體之限值電壓及 93705.doc -16, 1261900 極間之電阻等半導體特性之離散成極小。 其次，說明使用本發明之離子摻雜裝置，製造半導體裝 置之製造順序。於以下說明，於玻璃基板上形成作為像= 7開關元件之複數之_TFT(薄膜電晶體），製造液晶顯示 1置用主動矩陣基板之順序。如此之T F τ於基板上形成數十 萬至數百萬’特別是特性需要對齊，惟本發明之離子摻雜 叙置’可適用於如此之液晶顯示裝置用主動矩陣之製造。 像素用開關TG件之外’本發明之離子摻雜裝置亦可適用於 製作主動矩陣型之驅動電路或構成薄膜積體電路之元件 等。 圖3(a)〜(e)係以步驟順序表示包含複數^^型11?丁之本發明 之半$體I置之製造步驟者。實際上係製作數十萬個以上 之TFT ’惟於以下說明將例示1個TFT。 百先，如圖3(a)所示，於玻璃基板等絕緣性基板1〇1上藉 由電漿CVD法形成厚丨〜汕nm之氧化矽形成底層膜1〇2。其 次藉由電漿CVD法，形成厚度25〜8〇nm，例如4〇nm之真性 非晶石夕膜1 〇 3。 其次，藉由濺鍍法，使表面濃度成1><1〇13〜1><1〇15 at〇ms/cm2 (例如’ 7xl〇13 atoms/cm2)的方式，於真性非晶矽膜ι〇3添加 作為觸媒兀素之Ni。其後，使用熱處理爐、燈退火等於惰 性氣氛下，以54(TC〜62(TC之溫度，對基板1〇1施以數小時 之加熱處理。藉由該加熱處理，進行真性非晶矽膜1〇3之結 晶化。於本實施形態，使用熱處理爐，於氮氣氣氛下以58() C進行一小時熱處理。Νι之添加方法並非限定於濺鍍法， 93705.doc -17- 1261900 使用含有Νι化合物之塗布液，於真性非晶矽膜103上形成塗 布膜，藉由熱處理，使Ni由塗布膜向真性非晶矽膜103擴 散，亦可進一步，促進真性非晶矽膜之結晶化。又，作為 觸媒元素，Ni之外5亦可使用姑、纪、始、銅、銀、金、 銦、錫、鋁及銻，亦可由該等金屬中選擇之複數金屬。 接著，如圖3(b)所示，藉由雷射照射進行結晶化。作為 雷射，使用例如波長248 nm，脈衝寬度20 nsec之KrF準分子 雷射。亦可使用其他波長之雷射。雷射光之照射條件係， 能量密度為200〜400 mJ/cm2，例如以250 mJ/cm2，對一處照 射2〜10發，例如2發。照射雷射光之際，亦可將基板以 200〜450°C左右之溫度加熱。如此地藉由於照射雷射光時進 行基板之加熱，更有效率地促進非晶石夕之結晶化。 上述二階段之熱處理中，觸媒元素係藉由矽化物化助長 非晶矽膜之結晶成長。特別是，鎳之矽化合物之NiSi2之結 晶構造係，於種種觸媒元素之石夕化物化合物中，與單晶石夕 之結晶構造最類似，該晶格常數亦與結晶矽之晶格常數非 常接近。因此，NiSi2於非晶矽膜之結晶化作為最佳的模子 作用，促進非晶矽膜之結晶化。此時，藉由使非晶矽膜103 之厚度為25 nm以上，可進行充分的結晶成長，藉由使非晶 矽膜103之厚度為80 nm以下，可防止於厚度方向2層以上之 結晶成長。藉此可防止結晶性之惡化或觸媒元素之殘留之 問題，可由非晶矽膜103得到具備高電子遷移度之高品質之 結晶性矽膜103’。結晶化之熱處理可以一階段進行，惟組合 熱處理爐或燈退火之加熱與雷射照射之加熱為佳。藉由二 93705.doc -18- 1261900 階段之熱處理，可飛耀地提升所得tft之電晶體特性。 其後，如圖3⑷所示，去除結晶性石夕膜1〇3,之不要的部分 進行元件隔離，形成包含薄膜電晶體之源極、汲極及通道 區域之島狀之元件形成區域115。於基板ι〇ι之全體，複數 凡件形成區域115配置為矩陣狀。 如圖3⑷所示，藉由電漿cVD法形成厚度5〇請〜25〇 _(例 W5〇nm)之氧切㈣續為閘極絕緣職，使關^所示 離子摻雜裝置ΗΠ，經由氧化梦膜1〇4將娜子推雜於元件形 ^區域115。於本實施形態，離子摻雜裝置如係具備&條燈 絲15，邊將由一條燈絲所射出之電弧電流維持於mA 之間之一定之值進行摻雜。例如每一條之電弧電流成2 〇mA 、方式控制離子摻雜裝置1 〇 1，於元件形成區域i丨5摻雜 kl〇"〜5xl〇13cm-2之硼離子。作為硼源使用乙硼烷。 圖3(d)所示，藉由濺鍍法，形成厚度1〇〜1〇〇 nm(例如6〇 之氮化鈕（TaN)，及厚度1〇〇〜500 nm(例如300 nm)之鎢（W)。 蝕刻該等形成之膜，形成由TaN/w所成之閘極1〇5。 其次，使用離子摻雜裝置1〇1，以閘極1〇5作為掩膜，將 磷離子摻雜於元件形成區域115。作為摻雜氣體，使用磷化 氯（pH3) ’將加速電壓設定為6〇〜9〇 kv(例如80 kV)。劑量為 1χ1〇15〜8xl〇15cm·2(例如2xl〇i5 cm-2)。摻雜磷離子之際，使 電弧電流成400〜500 mA(例如450 mA)之範圍之某一定值的 方式9控制離子摻雜裝置1 〇 1。 捧雜磷離子後，於氮氣氛中，以550°C之溫度進行4小時 熱處理，進行摻雜雜質之活化。此時，同時位於元件形成 93705.doc -19- 1261900 區域Π5之閘極105之下方之區域（於後將成通道區域1〇7)中 之鎳被元件形成區域115之換雜了鱗離子之區域（於後成為 源極區域106及汲極區域1 〇8)中之磷捕捉。因此，可將位於 閘極105下方之區域中之鎳之濃度降低為lxl〇16 ^〇咖化 左右。 藉此，如圖3(d)所示，，於閘極1〇5下之元件形成區域115 形成P型通道區域1〇7,夾著通道區域丨〇7於元件形成區域Η $ 形成Ν型之源極區域106及汲極區域1〇8。即，完成包含閘極 105、通道1〇7、源極1〇6及汲極1〇8之ν型TFT 116。如上述 地，由於在通道區域107之鎳濃度將成lxl〇16 at〇ms/cm·3以 下，於TFT 116通道區域1〇7之漏電流小，結晶性高，開電 流大。 形成由N型TFm_TFT所成之互補型電路之情形，將删 及磷對結晶性矽膜103,之摻雜時，使用適當的掩膜，藉由選 擇地摻雜硼及磷，區域及p型區域區分製作，可；N = TFT及P型TFT同時形成於同一基板上。 如圖3⑷所*，將厚度_麵之氧化石夕膜H)9作為層間絕 緣膜以電漿CVD法形&，對此形成接觸孔，藉由金屬材料， 例如，氮化鈦與紹之多層膜形成薄膜電晶體之電極110。又， ，成由IT〇所成之像素電極⑴。最後，於1大氣壓之氫氣氣 汉進订35GC、3G分鐘的加熱處理’完成具有複數了 之半導體奘詈。 以下所示表1係表示，藉 板及，於上述製造步驟中 由上述方法所製作之主動矩陣基 ，將硼及/或磷之植入以先前使離 93705.doc -20- 1261900 子束電流成一定的方式之控制進行製作之主動矩陣基板之 TFT之特性離散。作為TFT特性之離散，計測限值電壓及源 極*汲極間阻抗之基板内之平均值（Ave)及標準差（σ )，計 算3 σ /Ave以百分比表示。又，表示所得主動矩陣基板之 中，TFT特性之离隹散滿足特定基準者之比例。主動矩陣基板 為 60 mmx 80 mm，包含 100 萬個 TFT。 表1 樣口口 編號 控制方法 特性(離散） 硼摻雜(通道） 磷摻雜 (源極·沒極） 限值電壓 源極·汲極間阻 抗 3 σ /Ave 良率 No.l 電弧電流 控制 電弧電流 控制 3.8% 3.4% 98% No.2 電弧電流 控制 束電流 控制 3.9% 6.8% 94% No.3 束電流 控制 電弧電流 控制 7.3% 3.5% 92% No.4 束電流 控制 束電流 控制 7.4% 6.7% 80% 表1之樣品編號1之結果可明瞭地，植入硼及磷之際，均 將電弧電流成一定的方式控制摻雜裝置之情形，限值電壓 及源極·汲極間阻抗之基板内之離散（3 σ /Ave)為5%以下之 小，因此，基板之良率亦高達98%。根據詳細的實驗，使 用本發明之離子摻雜裝置，可使對10 0 0 mm X 10 0 0 mm以下 之面積，計測雜質濃度之離散（雜質濃度之平均值（Ave)及標 準差（σ)之情形之3 σ/Ave)為5%以下。 對此，植入硼或植入磷之際，藉由與先前同樣的方法， 使束電流成一定的方式控制摻雜裝置之情形，限值電壓或 源極·汲極間阻抗之離散（3 σ /Ave)增大為7%，良率亦降 93705.doc -21 - 1261900 特別是，將雙方之植人以先前之方法使束電流成—定 的方式控制進行之情形，限值電塵及源極4及極間 均增大離散。其結果，良率降低至8〇%。 几 如此地根據本實施形態，利用離子植入裝置將雜質導入 半導體膜之際，以離子源產生電漿之電弧放電之電孤電产 成一定的方式控制離子摻雜裝置。因此，於離子源生成離 子種之：率成一定’可正確地進行離子摻雜之控制。 斗寸别疋使用以觸媒兀素結晶化非晶石夕膜所得到之結曰 性矽膜製作TFT之情形，於源極.汲極區域導入之磷離；： f度對TFT之特性影響大。具體地為，當磷離子之濃度較設 疋值小之&形’載子濃度降低，源極.沒極間之阻抗變高。 又，由於無法充分得到捕捉促進非晶石夕膜之結晶化之觸回媒 凡素所需之麟濃度，於通道區域殘留多量的觸媒元素，使 漏電流增大等惡化TFT特性，產生引起m之動作不良之可 能性。另-方面，當麟之濃度較設定值大時，因成植入過 剩’破壞結晶化矽之結晶構造’將結晶化矽非晶化。因此， 源極·汲極間之阻抗變高。 本發明之離子摻雜裝置，由於如上所述於離子植入時， 離子種之生纽之安錢佳，植人之離子種之分布於基板 :體成均勾’ X，離子植入中之離子種之生成比亦保持一 定。因此，使用本發明之離子摻雜裝置將磷離子摻雜，藉 由將植入量以束電流計’可正確地控制鱗離子之植入量，曰 可使用藉由觸媒元素將非晶矽膜結晶化所得之結晶矽膜製 作丁FT。 93705.doc -22- 1261900 種之比率保持一定，使離子 植入離子之面内均勻性亦提 裝置，摻雜於半導體膜之雜 複數之半導體元件之特性之 又，由於離子摻雜中之離子 束中之離子種之分布成均勻， 高。因此，於本發明之半導體 質離子之比率及劑量成均勻， 離散變小。 再者’於本實施形態’使用以觸媒元素結晶化非晶石夕膜 所得之結晶性石夕膜之了FT，於形成通道之删植入使用本發明 之離子摻雜裝置。但是，亦可於其他半導體褒置之雜質導 入步驟’使用本發明之離子摻雜裝置，例如亦可於主動矩 陣基板之TFT具備LDD構造之情形，於導人雜質使用本發明 :離^摻雜裝置。X ’於利用單晶半導體基板製造種種半 ‘體衣置，亦可使用本發明之離子摻雜裝置。 又，於所示離子注入裝置，加速部23係以2片電極構 成’惟電極可為2片以外。例如，於圖4所示離子植入裝置 10’則，加速部23，包含電極18、引出用電源21、加速用電 =22及減速用電源32。又，電極18，包含^電極m 電極18b、第3電極18c及第4電極18d，設於電弧反應室如之 ，口。第1電極18a係，位於最近電弧反應室3〇開口之位置， 第1電極18a與電弧電極17之間連接引出電源2ι。 於第1電極18a與第2電極18b之間及第2電極18b與第3電 才^^之間’分別連接電源^及^’於第^極^與第々 電極18d之間，連接減速電源32。電源22&係，於第丨電極“a 與第2電極18b之間施加為引出於離子源12生成之離子之電 壓，電源22b係，於第2電極l8b與第3電極18c之間施加為2 93705.doc -23- 1261900 速被引出之離子之電壓。於此情形，電源22a及電源22b所 施加之電壓之合計一般稱為加速電壓。另一方面，減速電 源32係，防止衝撞或植入於基板乃之離子所生成之二次電 子離子被加速部23向離子源12方向加速。 又，如圖4所不，亦可於離子摻雜裝置設移動基板座28 之移動機構29，使離子束33掃描基板25上的方式，移動機 構29將基板25移動。 產業上利用的可能性 根據本發明可得，生成離子種之比率變動小，控制性高 之離子摻雜裝置。該離子摻雜裝置係，特別是，適用於製 造顯示裝置等大面積之半導體裝置。x，根據本發明可得 於基板内之元件特性離散小之半導體裝置。該半導體裝置 係適用於種種用⑨’特別是，顯示裝置等具有大面積之 【圖式簡單說明】 圖 圖1係表示本發明之離子摻雜裝 置之一貫施形態之模式 圖2係表示電弧電流變化時之離子種比率之圖表。 圖3(a)至（e)係說明本發 半 ,十知π <干％篮衣置之製造步驟之相 式剖面圖。 、 之模式圖 圖4係表示本發明之離子摻雜裝置之其他形態 【主要元件符號說明】 匕 離子摻雜裝置 反應室 93705.doc -24- 離子源 排氣部 導入口 燈絲 燈絲電源 陽極 引出電極 第1引出電極 第2引出電極 第3電極 第4電極 電流計 電弧電源 引出用電源 加速用電源 電源 電源 加速部 基板 電流計測器 控制裝置 基板座 移動機構 電弧反應室 -25- 環狀磁鐵 減速電源 離子束 基板 底層膜 真性非晶矽膜 結晶性矽膜 氧化$夕膜 閘極 源極 通道 沒極 元件氧化矽膜 電極

像素電極 形成區域 TFT -26-

Claims (1)

1261900 十、申請專利範圍·· h —種離子摻雜裝置，其具備： 反應室； 排氣部’其將前述反應室内之氣體排出； 離子源，其設於前述反應室，且包含導入含有應摻雜 元素之氣體之導入口、放出熱電子之燈絲及於與前述燈 絲之間進行電弧放電之陽極，藉由前述電弧放電將前述 氣體分解，生成含有前述應摻雜元素之離子；及 加速部，其係將在前述離子源所生成之離子由離子源 引出’向對象物加速； 、以机經蚰述燈絲與前述陽極間之電弧電流成一定的方 式控制前述電弧放電。 2_如申請專利範圍第丨項之離子摻雜裝置，其中進一步具 備： k絲電源，其係為對前述燈絲施加電壓；及 包弧電源，其係於前述燈絲與前述陽極間施加電壓 沉經丽返燈絲與前述 式控制前述燈絲電源及/或前述電弧電源 3. 如申請專利範圍第1項之離子摻雜裝置，发中牛 備： ’、 v 電流計，其係為計測前述電弧 & 4 %，爪，以用W述電流計 源之輸出電 叶侧之值成一定的方式控制前述電弧電 壓。 ％ 項之離子摻雜裝置，其 4·如申請專利範圍第丨至3項中任 93705.doc 1261900 中藉由前述電弧放電，由前述氣體生成複數之離子種， 别述離子種之生成比成一定。 殳一種半導體裝置，其具備：基板，其具有絕緣性表面； 及結晶性矽膜，其設於前述基板上；包含藉由使用申請 ^利範圍第1至4項中任一項之離子摻雜裝置將前述應摻 雜之元素作為雜質導入前述結晶性矽臈，於前述結晶性 矽膜中形成源極區域、汲極區域及通道區域之複數半導 體元件。 ‘ 6·如申請專利範圍第5項之半導體裝置’其中以於前述複數 半導體元件之前述通道區域之雜質濃度之平均值為 Ave ’以標準偏差為σ時，滿足 ’久05 — 3 〇* /Ave 〇 7. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置，其中以於前述複數 半導體元件之前述源極區域及汲極區域之雜質濃产之平 均值為Ave，以標準偏差為σ時，滿足 爻 0 5 — 3 ο* / Α ν e 〇 8. 如申請專利範圍第5項之半導體裝置，其中前述結晶性矽 膜係藉由助長非晶石夕膜結晶性之觸媒元素結晶化。 9·如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中前述非晶矽膜 具有25 nm以上8〇 nm以下之厚度。 10·如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中前述結晶性矽 膜在1 X 1〇16 atoms/cm3以下之濃度含有前述觸媒元素。 11·如申請專利範圍第8項之半導體裝置，其中前述觸媒元素 係選自由鎳、鈷、鈀、鉑、銅、銀、金、銦、錫、叙及 93705.doc 1261900 銻構成之群之至少一種元素。 α如申請專利範圍第8項之半 係鎳。 直其令珂述觸媒元素 13.如申請專利範圍第8項之半導體裝置兑 膜係導入前述觸媒元素後 ”令則述結晶性矽 射昭射之锸 ^ 、盈熱處理、燈退火及雷 14c 耵.、、、射之一種以上之方法進行。 人汉田 一種離子摻雜方法，其包含： 將含有應摻雜之元素之氣體藉 驟；及 $狐放電分解之步 將藉由前述分解㈣所產生之料㈣ 使丽述離子向對象物衝撞之步驟； 力速， 於别述分解步驟，以前述電弧放電之、 式控制前述電弧放電。 "丨L 一疋的方 15. 如申請專利範圍第14項之離子 元素為删或鱗。 方去’其中應摻雜之 16。 一種半導體裝置之製造方法，其包含： 步驟⑷，其係於具有絕緣性表面之基板上形成非 膜； 步驟（B) ’其係於鈾述非晶石夕膜添加觸媒元素· 步驟(C) ’其係藉由將添加有前述觸媒元素之非晶矽臈 熱處理，進行結晶化，由前述非晶石夕膜得到結晶性石夕膜: 步驟（D )，其係藉由以電弧電流成一定的方式進行電弧 放電，將含有雜質元素之氣體分解，使藉由前述分= 產生之離子加速’導入前述結晶性石夕膜丨及 93705.doc 1261900 步驟（E)，其係將前述結晶性矽膜熱處理。 法，其中 性矽膜上 17,如申請專利範圍第16項之半導體裝置之製造方 於前述步驟（C)之後，進—步包含：於前述結晶 形成絕緣膜之步驟； 前述步驟（D)包含： 步驟（D 1 )，其係藉由以電 弧放電，分解含有前述雜質 解所產生之離子加速，經由 矽膜； 弧電流成一定的方式進行電 元素之氣體，使藉由前述= 前述絕緣膜導入前述結晶性 ό η'4 艾驟（D2)，其係 电 性之材料構成之圖案；及 步驟(D2) ’其係藉由以電弧電流成_定的方式進、 弧放電，分解含有前述雜質元素之氣體，使藉由前^ 解所產生之離子加速，以前述圖案作為掩模導入: 晶性石夕膜。 4、、告 18·如申請專利範圍第17項之半導體裝置之製造方法，敌 月述步驟（D1)之雜質元素為硼，前述步 、中 為磷。 之雜質元素 19. 如申凊專利範圍第16項之半導體裝置 則迷觸媒元素係選自由鎳、鈷、鈀、 鋼、锡、鋁及銻構成之群之至少一種 之製造方法 鉬、銅、銀 元素。 其中 金、 93705.doc