(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板上方にシリコン薄膜を形成し、
前記シリコン薄膜上に絶縁膜を形成し、
前記絶縁膜上にゲイト電極部を形成し、
前記ゲイト電極部をマスクとして用いて前記シリコン薄膜に燐を導入し、
前記導入をした後、前記ゲイト電極部をマスクとして用いて前記ゲイト電極部の下に存在するもの以外の前記絶縁膜をエッチングし、
前記エッチングした後、前記シリコン薄膜に前記シリコン薄膜を３００〜４５０℃に加熱した状態で、エネルギー密度が２００〜４００ｍＪ／ｃｍ２のＫｒＦエキシマレーザー光を上方から照射して、前記シリコン薄膜に導入された不純物を活性化する半導体装置の作製方法。
【請求項２】
請求項１において、前記ＫｒＦエキシマレーザー光は、波長２４８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃである半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ等の薄膜デバイスに用いられる結晶性半導体をレーザー光照射によって得るレーザーアニールをおこなうための方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、薄膜型の絶縁ゲイト型電界効果トランジスタ（ＴＦＴ）等の薄膜デバイス作製においては、ソース、ドレイン等の不純物領域を形成するために、イオン注入法、プラズマドーピング法等の高エネルギーイオンを利用して不純物をシリコン半導体薄膜中に導入し、この結果、結晶性が劣化し、不純物ドープされたシリコン膜をレーザーやランプ等の光エネルギーによって、再結晶化させ、不純物元素の活性化をおこなう方法が知られている。特にレーザーを用いる方法はレーザーアニール法として知られ、量産性にすぐれていることから、その実用化が求められている。特にパルスレーザーを使用したレーザーアニールは生産性に優れ、また、被照射物に対しても表面だけに効果的に熱エネルギーが与えられるため有望な技術とされてきた。
【０００３】
【発明が解決しようする課題】
しかしながら、従来のパルスレーザーアニール（レーザー活性化）工程においては、温度変化が急激なためレーザー照射の際に、十分な結晶化がおこなわれず、一部に結晶性の劣悪な部分が残存し、これが得られるＴＦＴの信頼性を劣化させていた。本発明は従来のこの問題点に鑑みてなされるものであり、レーザーアニールの際の結晶化が均一におこなわれ、全体的な結晶性を向上させ、よって、薄膜トランジスタの信頼性を高めることを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、不純物を有するシリコン膜を１００℃以上、好ましくは１００〜５００℃の温度に加熱し、これにパルスレーザー光を照射することによって、不純物原子の活性化をおこなうことを特徴とするレーザーアニール法である。ここで、不純物は燐もしくは硼素の双方、もしくは一方であり、また、パルスレーザー光のエネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ２  であることが好ましい。あまりに大きなエネルギーを照射することはシリコン膜にかえってダメージを与えるので好ましくない。
【０００５】
さらに本発明は、基板上に形成された島状の結晶性シリコン膜を覆って、ゲイト絶縁膜を形成する工程と、前記ゲイト絶縁膜上にゲイト電極部を形成する工程と、前記ゲイト電極部形成後、前記ゲイト電極部をマスクとして、燐もしくは硼素を前記結晶性シリコン膜に導入する工程と、基板を１００℃以上、好ましくは１００〜５００℃に加熱した状態でパルスレーザー光を照射することを特徴とする半導体装置の作製方法でもある。
【０００６】
レーザーとしては、量産性の観点からエキシマレーザーが好ましいが、本発明の構成がレーザーの種類を何ら限定するものではなく、どのようなレーザーを用いてもよいことはいうまでもない。
【０００７】
本発明によって得られる効果の第１はシリコン半導体の結晶性を改善し、信頼性を高めることである。前述の通り、シリコン半導体に高エネルギーイオン照射等の手段によって不純物を導入した後、レーザー活性化をおこなった場合には、特にパルスレーザーの場合には、光の吸収に伴う温度上昇と、放熱に伴う温度下降が急激であり、それゆえ、ドーピングされた不純物が移動して、半導体に導電性を付与するに必要な位置に達する前に温度が下降して、不純物の動きが凍結されてしまった。その結果、シリコン半導体中に無理に不純物が入り込んだための欠陥が多量に存在し、これが経時変化や不均一性をもたらし、信頼性を著しく低下させる原因となっていた。
【０００８】
レーザーアニール時に、本発明のように適切な温度に加熱することの効果は、このような急激な温度変化を和らげることにある。すなわち、基板を１００〜５００℃に加熱することによって、レーザー照射に伴うエネルギーの出入りは一部吸収され、加熱されない場合に比較して、ゆるやかな温度変化（特に下降の場合）となる。このため、不純物のシリコン結晶中における位置は安定なものとなり、欠陥が減少する。
【０００９】
このことはまた、必要とするシリコン半導体の特性（例えば、導電率、シート抵抗等）を得るために、従来に比してより少量のドーピングで済ますことができることでもある。このため、ドーピング時間の短縮が可能となり、生産性が向上する。また、ドーピング量が少ないということは、シリコン半導体に対するダメージが少ないということでもあり、このことからもシリコンの信頼性を向上させる。
【００１０】
本発明の第２の効果は、レーザーアニールのエネルギー密度を低下させる効果である。これは、予め加熱した状態にレーザーを照射することによって、その温度にまでシリコン半導体の温度を上昇させることが不要になるからである。この効果によって、レーザーアニールの量産性が向上する。すなわち、使用するレーザーのエネルギー密度が低下することによって、同じエネルギーのレーザーを用いるのであれば、より広い面積を同時に処理できるためである。
【００１１】
本発明の第３の効果は、特に、ＴＦＴ等の薄膜半導体装置の作製において顕著であるが、セルフアライン（自己整合）的に不純物を導入したのち、レーザーアニールをおこなった場合において、該半導体装置の信頼性を向上させるとである。すなわち、通常、トップゲートＴＦＴ等では、シリコン半導体の上にゲイト絶縁膜を設け、さらにゲイト電極もしくはゲイト電極を含む構造物（これらをゲイト電極部と称する）を設け、これをマスクとして高エネルギーイオン照射等の手段によって不純物導入をおこなう。その後、レーザーを上方から照射することによって、活性化をおこなう。しかしながら、この場合にはゲイト電極部が影となるので、レーザーの照射される部分と、ゲイト電極部の下部とでは著しく温度が異なり、熱膨張の違いや、活性化の違い等の理由によって、不純物領域とチャネル形成領域の境界付近には様々なストレスが生じ、それとともに欠陥が生じる。このようにして生じた欠陥は半導体装置の信頼性を低下させる原因となるとは言うまでもない。
【００１２】
これに対しては、レーザー光を上方から照射するのではなく、基板側から照射させる方法によって解決できる。しかしながら、そのためにはレーザー光と基板が制約される。例えば、基板を石英とすれば、ＸｅＣｌエキシマーレーザー（波長３０８ｎｍ）やＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）の光は十分に透過できる。しかし、石英基板は高価であり、コストの低いコーニング７０５９のようなホウ珪酸を主成分とするガラス基板はこれらのレーザー光を吸収してしまう。ホウ珪酸を主成分とするガラス基板を使用するにはレーザーの波長を４００ｎｍ以上とすることが望ましいが、４００〜６５０ｎｍの波長のレーザーでは、生産性に優れたものは少ない。また、波長が赤外以上であれば、シリコン膜における吸収が十分でなく、熱が基板にまで達し、レーザーエネルギーの無駄が生じ、また、熱膨張の違い等の理由により膜がはがれる恐れもある。
【００１３】
これに対し、本発明は予めシリコン膜を加熱しておくことによって、レーザー照射を上方からおこなっても，その際の不純物領域とチャネル形成領域（ゲイト電極部の下部）の温度勾配を緩やかにすることができる。そのため、従来に比べてストレスが低減し、欠陥が減少し、信頼性が向上する。それ以外に、上記で指摘した結晶性の向上やドーズ量の減少、レーザーエネルギー密度の減少にともなう効果も加算される。以下に実施例を示し、より詳細に本発明を説明する。
【００１４】
【実施例】
〔実施例１〕  図３に本発明の１実施例を示す。基板はコーニング７０５９を用いた。基板上に厚さ２０００Åの下地の酸化珪素膜をスパッタ法によって堆積し、さらに、プラズマＣＶＤ法によって、アモルファスシリコン膜を厚さ１２００Å堆積した。そして、これをパターニングした後、再び、スパッタ法によって厚さ１０００Åの酸化珪素膜を堆積した。
【００１５】
その後、プラズマドーピング法によって、燐（Ｐ）およびホウ素（Ｂ）のドーピングをおこなった。ドーピングガスとしては、それぞれフォスフィン（ＰＨ３  ）、ジボラン（Ｂ２  Ｈ６  ）を用いた。加速電圧は、それぞれ、８０ｋＶ、６５ｋＶとした。また、ドーズ量はいずれも４×１０１５ｃｍ−２とした。
【００１６】
その後、試料を室温〜４５０℃まで加熱し、窒素雰囲気で２００〜３５０ｍＪ／ｃｍ２  のＫｒＦエキシマーレーザー光（波長２４８ｎｍ、パルス幅３０ｎｓｅｃ）を２ショット照射してシリコン膜の活性化をおこなった。このようにして得られたシリコン膜に電極を形成し、シート抵抗を測定したところ、図３に示す結果が得られた。
【００１７】
図３から明らかに、試料を加熱し、好ましくは３００℃以上にすることによって著しいシート抵抗の低下が観測された。例えば、燐のドープされたシリコン膜を活性化する場合、３００Ω／□以下のシート抵抗を得るためには、室温では、２５０ｍＪ／ｃｍ２  以上のエネルギー密度のレーザーが必要であったが、試料を４５０℃に加熱することによって２００ｍＪ／ｃｍ２  のエネルギー密度で十分に達成することができた。実に２０％もレーザーエネルギー密度を削減することができた。
【００１８】
また、ホウ素のドープされたシリコン膜を活性化する場合にも同様に、４００Ω／□以下のシート抵抗を得るためには、室温では、２５０ｍＪ／ｃｍ２  程度のエネルギー密度のレーザーが必要であったが、試料を３００〜３５０℃に加熱することによって２００ｍＪ／ｃｍ２  のエネルギー密度で十分に達成することができた。
【００１９】
同様な実験の結果を図４、図５に示す。ここでは、基板温度を３００℃に保持し、ドーズ量を１〜４×１０１５ｃｍ−２に変化させて、そのシート抵抗を調べた。図４はシリコン膜の厚さが５００Åのもの、図５は１５００Åのものである。図４、図５から明らかに、ドーズ量が増加するにしたがって、シート抵抗は減少し、また、シリコン膜の厚いほうがシート抵抗が低いことが明らかになった。
【００２０】
ＴＦＴの特性を向上させるには、シート抵抗は５００Ω／□以下であることが望まれるが、シリコン膜を厚さ１５００Åとし、基板温度を３００℃、レーザーエネルギー密度を３００ｍＪ／ｃｍ２  とすれば、１×１０１５ｃｍ−２のドーズ量でこの条件を達成できることが明らかになった。
【００２１】
〔実施例２〕  本発明を用いてＴＦＴを作製する例を図１を用いて説明する。基板（コーニング７０５９）１１上にプラズマＣＶＤ法によって下地の酸化珪素膜１２を５００〜２５００Å堆積した。プラズマＣＶＤの原料ガスとしては、テトラ・エトキシ・シラン（ＴＥＯＳ）と酸素を用いた。ついで、プラズマＣＶＤ法によって、実質的に真性なアモルファスシリコン膜を１５００Å堆積した。この下地酸化珪素膜とアモルファスシリコン膜の形成は、２つ以上のチャンバーを有する成膜装置において、基板を大気にさらすことなく連続的におこなうことが好ましい。その後、４３０℃で３０〜６０分の脱水素処理の後、６００℃で２４〜４８時間アニールすることによって、アモルファスシリコン膜を結晶性のシリコン膜に変化させた。そして、このシリコン膜をパターニングして、島状シリコン領域１３とし、さらに、プラズマＣＶＤ法によって、ゲイト絶縁膜として機能する厚さ１０００Åの酸化珪素膜１４を堆積した。さらに、真空蒸着法によって、アルミニウム膜を厚さ５０００Å堆積し、これをパターニングしてゲイト電極１５を形成した。（図１（Ａ））
【００２２】
その後、基板を３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸し、白金電極を負極、アルミニウムのゲイト電極１５を陽極として、電流を通じ、陽極酸化をおこなった。このとき、電流を一定に保ったまま、電圧を２２０Ｖまで上昇させた。その結果、厚さ約２５００Åの陽極酸化物１６がゲイト電極の回りに形成された。以下では、この陽極酸化物とゲイト電極を併せてゲイト電極部という。（図１（Ｂ））
【００２３】
そして、プラズマドーピング法によって、不純物元素、例えば燐、をシリコン領域にゲイト電極部をマスクとして導入した。プラズマドーピングの条件は、以下のようにおこなった。
ドーズ量：１×１０１５ｃｍ−２
加速電圧：８０ｋＶ
ＲＦプラズマパワー：１０〜２０Ｗ
この結果、ソース、ドレイン領域（不純物領域）１７が形成された。（図１（Ｃ））
【００２４】
次に、フッ化水素酸でエッチングして、ゲイト電極部の下に存在するもの以外の酸化珪素膜１４を除去した。そして、この状態でＫｒＦエキシマーレーザーを照射して、レーザー活性化をおこなった。レーザー活性化の条件は以下の通り。
レーザーエネルギー密度：２００ｍＪ／ｃｍ２  
ショット数：５
基板温度：３００℃
雰囲気：窒素１００％
レーザーのエネルギー密度は２００ｍＪ／ｃｍ２  と小さめであったが、シリコン膜が露出していたために十分に活性化をおこなうことができた。ドーズ量が従来の１／４以下であるにも関わらず、典型的には３００〜５００Ω／□のシート抵抗が得られた。（図１（Ｄ））
【００２５】
その後、層間絶縁物１８として、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０００〜３０００Åの酸化珪素膜を堆積し、これにコンタクトホールを設けて、ソース、ドレインの電極１９を形成した。このようにして、ＴＦＴが完成した。（図１（Ｅ））
【００２６】
得られたＴＦＴ（Ｎチャネル）の典型的な移動度は５０〜９０ｃｍ２  ／Ｖｓであった。また、このようにして作製したＴＦＴと従来の方法（ドーズ量：４×１０１５ｃｍ−２、レーザーエネルギー：２５０ｍＪ／ｃｍ２  、基板温度：室温、他は同一条件）で作製したＴＦＴとの信頼性を比較する目的で、それぞれのＴＦＴのソースを接地し、ドレインとゲイトに２５Ｖの電圧を１時間印加したところ、従来のものでは、ＴＦＴのしきい値の変動は１．６Ｖであり、また、ＯＮ電流の減少も６０％程度であったが、本実施例のものでは、前者は０．１Ｖ以下、後者も１０％以下であり、信頼性が向上したことが確かめられた。
【００２７】
〔実施例３〕  本発明を用いてＴＦＴを作製する例を図２を用いて説明する。基板（コーニング７０５９）２１上にスパッタ法によって下地の酸化珪素膜２２を５００〜２５００Å堆積した。スパッタ雰囲気は、酸素とアルゴンとし、酸素の濃度を５０％以上とした。さらに、ニッケルをターゲットとして、弱い（〜２０Ｗ）窒素プラズマによってスパッタリングを１〜５分おこない、ついで、プラズマＣＶＤ法によって、実質的に真性なアモルファスシリコン膜を１５００Å堆積した。この一連の工程においては、３つ以上のチャンバーを有する装置において、基板を大気にさらすことなく連続的におこなうことが好ましい。その後、４３０℃で３０〜６０分の脱水素処理の後、５５０℃で２〜４時間アニールすることによって、アモルファスシリコン膜を結晶性のシリコン膜に変化させた。そして、このシリコン膜をパターニングして、島状シリコン領域２３とし、さらに、プラズマＣＶＤ法によって、ゲイト絶縁膜として機能する厚さ１０００Åの酸化珪素膜２４を堆積した。さらに、真空蒸着法によって、アルミニウム膜を厚さ５０００Å堆積し、これをパターニングしてゲイト電極２５を形成した。（図２（Ａ））
【００２８】
その後、基板を３％の酒石酸のエチレングリコール溶液に浸し、白金電極を負極、アルミニウムのゲイト電極２５を陽極として、電流を通じ、陽極酸化をおこなった。このとき、電流を一定に保ったまま、電圧を２２０Ｖまで上昇させた。その結果、厚さ約２５００Åの陽極酸化物２６がゲイト電極の回りに形成された。以下では、この陽極酸化物とゲイト電極を併せてゲイト電極部という。（図２（Ｂ））
【００２９】
そして、プラズマドーピング法によって、不純物元素、例えば燐、をシリコン領域にゲイト電極部をマスクとして導入した。プラズマドーピングの条件は、以下のようにおこなった。
ドーズ量：２×１０１５ｃｍ−２
加速電圧：８０ｋＶ
ＲＦプラズマパワー：１０〜２０Ｗ
この結果、ソース、ドレイン領域（不純物領域）２７が形成された。（図２（Ｃ））
【００３０】
次に、ＫｒＦエキシマーレーザーを照射して、レーザー活性化をおこなった。レーザー活性化の条件は以下の通り。
レーザーエネルギー密度：２５０ｍＪ／ｃｍ２  
ショット数：５
基板温度：３００℃
雰囲気：窒素１００％
ドーズ量が従来の１／２以下であるにも関わらず、典型的には３００〜５００Ω／□のシート抵抗が得られた。（図２（Ｄ））
【００３１】
その後、層間絶縁物２８として、プラズマＣＶＤ法によって、厚さ２０００〜３０００Åの酸化珪素膜を堆積し、これにコンタクトホールを設けて、ソース、ドレインの電極２９を形成した。このようにして、ＴＦＴが完成した。（図２（Ｅ））
【００３２】
得られたＴＦＴ（Ｎチャネル）の典型的な移動度は７０〜１４０ｃｍ２  ／Ｖｓであった。実施例２の場合と同様に、本実施例によって作製したＴＦＴと従来の方法によって作製したＴＦＴとの信頼性試験をおこなったところ、本実施例のＴＦＴが優っていることが明らかになった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によって直接、間接にもたらされる効果は、
（１）高エネルギーイオン照射等の手段によって不純物を導入されたシリコン半導体のパルスレーザー活性化において、結晶の欠陥を減らし、信頼性を高めること、
（２）ドーズ量を減らすことによって、量産性が向上すること、
（３）ドーズ量を減らすことによって、信頼性が向上すること、
（４）レーザー活性化に必要なエネルギー密度を低下させることによって、量産性が向上すること、
（５）ＴＦＴ等の薄膜半導体装置の作製において、セルフアライン（自己整合）的に不純物を導入された部分のレーザー活性化に際して、ストレスを減少させ、よって信頼性を向上させること、
である。このように本発明は多くの効果を有し、工業的な価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２におけるＴＦＴの作製工程図（断面図）を示す。
【図２】実施例３におけるＴＦＴの作製工程図（断面図）を示す。
【図３】シリコン膜のシート抵抗の基板温度依存性を示す。
【図４】シリコン膜のシート抵抗のドーズ量依存性を示す。
【図５】シリコン膜のシート抵抗のドーズ量依存性を示す。
【符号の説明】
１１、２１・・・基板（コーニング７０５９）
１２、２２・・・下地膜（酸化珪素）
１３、２３・・・島状シリコン膜
１４、２４・・・ゲイト絶縁膜（酸化珪素）
１５、２５・・・ゲイト電極（アルミニウム）
１６、２６・・・陽極酸化物（酸化アルミニウム）
１７、２７・・・不純物領域（ソース、ドレイン）
１８、２８・・・層間絶縁物（酸化珪素）
１９、２９・・・ソース、ドレイン電極
【図１】
0003594866.tif 000002
【図２】
0003594866.tif 000003
【図３】
0003594866.tif 000004
【図４】
0003594866.tif 000005
【図５】
0003594866.tif 000006