(57)【要約】【課題】フィラメント１５から放出された熱電子を、ボロン元素を含有する材料ガスの分子に衝突させてボロンイオンを生成する際に、フィラメント１５の劣化を抑制して寿命を長くし、劣化したフィラメント１５の交換に起因する稼働ロスを低減できるようにする。【解決手段】フィラメント１５を加熱手段１６，２７によりボロンの融点よりも高い温度に加熱する。これにより、フィラメント１５上にボロンが固相となって堆積するのを未然に防止することができるので、ボロンとフィラメント材料との間の化学反応を抑制してフィラメント１５の化学的劣化を抑えることができ、よって、ボロンイオンとの関係において熱による物理的劣化よりも化学的劣化の方が支配的なフィラメント１５の寿命を長くする。【選択図】図１
2006310161.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アークチャンバと、ボロン元素を含有する材料ガスを前記アークチャンバ内に供給するガス供給手段と、前記アークチャンバ内に配置され、電流の供給を受けて熱電子を放出するフィラメントと、前記フィラメントに電流を供給するフィラメント電源と、前記アークチャンバ内において前記フィラメントに対向配置されたアノード電極と、前記フィラメントから放出された熱電子が前記ガス供給手段により前記アークチャンバ内に供給された前記材料ガスの分子に衝突してボロンイオンが生成するように該フィラメントと前記アノード電極との間にアーク電圧を印加するアーク電源とを備えたイオン源であって、
前記フィラメントの温度が前記ボロンの融点よりも高くなるように該フィラメントを加熱する加熱手段を備えていることを特徴とするイオン源。
【請求項２】
請求項１に記載のイオン源において、
前記加熱手段は、前記フィラメントの温度が３０００℃以上になるように該フィラメントを加熱する構成とされていることを特徴とするイオン源。
【請求項３】
請求項１に記載のイオン源において、
前記加熱手段は、前記フィラメントの温度が６０００℃を超えないように該フィラメントを加熱する構成とされていることを特徴とするイオン源。
【請求項４】
請求項１に記載のイオン源において、
前記加熱手段は、前記フィラメント電源と、該フィラメント電源から供給されるフィラメント電流により前記フィラメントの温度が前記ボロンの融点よりも高くなるように前記フィラメント電源を制御する制御手段とを有してなることを特徴とするイオン源。
【請求項５】
請求項１に記載のイオン源と、
前記イオン源により生成したボロンイオンを、イオンビームに形成するビーム形成手段と、
前記ビーム形成手段により形成されたイオンビームが照射される被照射体を保持する保持手段とを備えていることを特徴とするイオンドーピング装置。
【請求項６】
請求項５に記載のイオンドーピング装置を用いて、絶縁表面を有する基板上の結晶性シリコン膜にボロンイオンを注入することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置の製造方法において、
アモルファスシリコン膜を結晶化して、前記結晶性シリコン膜を得ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記アモルファスシリコン膜を、２０ｎｍ以上でかつ８０ｎｍ以上の厚さに成膜することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項９】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記アモルファスシリコン膜の結晶化処理を、加熱炉による熱処理，ランプアニール，レーザ照射のうちの少なくとも１つにより行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶化処理に先立ち、前記アモルファスシリコン膜に該アモルファスシリコン膜の結晶化を促進する触媒元素を添加することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記触媒元素として、ニッケル，コバルト，パラジウム，白金，銅，銀，金，インジウムおよびアンチモンのうち、少なくとも１種の元素を用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の半導体装置の製造方法において、
前記触媒元素として、少なくともニッケルを用いることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の半導体装置の製造方法において、
前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域での触媒元素濃度を、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
複数の画素電極と、
前記各画素電極毎に設けられ、該画素電極に対するスイッチング動作を行うスイッチング素子とを備えた液晶表示装置であって、
前記スイッチング素子として、請求項６，７，８，９，１０，１１，１２，１３のうちの何れか１項に記載の半導体装置の製造方法により得られた半導体装置を備えていることを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントから放出された熱電子をボロン元素含有の材料ガスに衝突させてボロンイオンを生成するようにしたイオン源に関し、詳しくは、フィラメント寿命を長くして稼働ロスを低減する対策に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、薄膜状のシリコン半導体として結晶性シリコン膜を用いて薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor。以下、ＴＦＴという）を製造する際に、基板上の結晶性シリコン膜に対し、Ｎ型のソース領域およびドレイン領域となる領域を形成する場合には、リンイオンをＮ型の不純物イオンとしてドーピングし、Ｐ型のソース領域およびドレイン領域となる領域を形成する場合には、ボロンイオンをＰ型の不純物イオンとしてドーピングすることは、特許文献１などに記載されているように広く知られており、また、そのようなドーピングを行うために、一般的に、イオンドーピング装置が用いられることも知られている。
【０００３】
具体的には、イオンドーピング装置では、例えばリンイオンの場合にはホスフィン（ＰＨ3 ）を、また、ボロンイオンの場合にはジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）などの材料ガスをイオン源のアークチャンバ内に導入する一方、フィラメントに電流を流すことによりアーク放電させ、フィラメントから放出した熱電子を前記材料ガスの分子に衝突させてプラズマを生成する。そして、引出電極および加速電極などによりイオンビームを形成し、そのイオンビームを、被照射体に照射することで、該被照射体にイオンをドーピングするようになされる。
【０００４】
ところで、イオンドーピング装置を用いてイオン注入を行う際に、イオン源のフィラメントとして、その材料にタングステンないしタングステン合金などの高融点金属が用いられているものの、劣化により切れることは避けられない。具体的に説明すると、一般的に、フィラメント電流が高くなってフィラメント温度が高いほど、フィラメントの物理的劣化が進行するとされている。すなわち、フィラメント電流の総合計が大きいほど、フィラメント寿命が短くなるとされている。
【０００５】
したがって、劣化したフィラメントを交換すること自体は必須であるが、その交換周期が短いと製造工程上の稼働ロスが大きくなることになる。
【０００６】
そこで、従来の場合には、フィラメント寿命が短くなるのを回避すべく、フィラメント電流をできるだけ小さくするようになされている。
【特許文献１】特開平８−３３０６０２号公報（第６および７頁，図２（Ｃ）および同図（Ｄ））
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、実際には、リンイオンの場合には、確かに上記の論理に従ってフィラメント寿命が決まってくるものの、ボロンイオンの場合には、必ずしも、この考え方は当てはまらない。
【０００８】
これは、フィラメント材料の劣化には、熱による物理的な劣化の他、材料ガスとの化学反応による化学的な劣化があり、これら２つの劣化は、フィラメント電流の大きさに対し、相反する挙動を示すことに関係している。
【０００９】
つまり、フィラメント電流が高くてフィラメント温度が高いほど、熱による物理的劣化が進行する一方、化学的な劣化が抑制される。逆に、フィラメント電流が低くてフィラメント温度が低いほど、熱による物理的劣化の進行が遅くなる一方、化学的な劣化が促進されるのである。
【００１０】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、フィラメントから放出された熱電子を、ボロン元素を含有する材料ガスに衝突させてボロンイオンを生成する際に、フィラメントの早期劣化を抑えて、製造工程上の稼働ロスを低減できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成すべく、本発明では、ボロンイオン生成の場合には、フィラメント劣化についての物理的劣化および化学的劣化の２つのモードのうち、その影響度としては化学的劣化の方が大きく、フィラメント寿命に対し化学的要因の方が支配的であるという知見に基づき、フィラメント温度をボロンの融点よりも高くしてフィラメント上におけるボロンの堆積を抑えることで、化学的劣化を抑制するようにした。
【００１２】
具体的には、本発明では、アークチャンバと、ボロン元素を含有する材料ガスを前記アークチャンバ内に供給するガス供給手段と、前記アークチャンバ内に配置されていて、電流の供給を受けて熱電子を放出するフィラメントと、このフィラメントに電流を供給するフィラメント電源と、前記アークチャンバ内において前記フィラメントに対向配置されたアノード電極と、前記フィラメントから放出された熱電子が前記ガス供給手段により前記アークチャンバ内に供給された前記材料ガスの分子に衝突してボロンイオンが生成するように該フィラメントと前記アノード電極との間にアーク電圧を印加するアーク電源とを備えたイオン源を前提としている。
【００１３】
そして、前記フィラメントの温度が前記ボロンの融点（２３００℃）よりも高くなるように該フィラメントを加熱する加熱手段を備えるようにする。
【００１４】
尚、上記の構成において、前記加熱手段を、前記フィラメントの温度が３０００〜６０００℃の範囲に収まるように該フィラメントを加熱する構成とすると好適である。
【００１５】
また、前記加熱手段の具体例としては、前記フィラメント電源と、このフィラメント電源から供給されるフィラメント電流によりフィラメントの温度が前記ボロンの融点よりも高くなるように前記フィラメント電源を制御する制御手段とを有してなるものが挙げられる。
【００１６】
さらに、上記構成のイオン源は、このイオン源により生成したボロンイオンをイオンビームに形成するビーム形成手段と、このビーム形成手段により形成されたイオンビームが照射される被照射体を保持する保持手段とを備えたイオンドーピング装置に適用することができる。
【００１７】
上記構成のイオンドーピング装置を用いて行う半導体装置の製造方法としては、絶縁表面を有する基板上の結晶性シリコン膜にボロンイオンを注入することが挙げられる。
【００１８】
その際に、前記結晶性シリコン膜としては、アモルファスシリコン膜を結晶化してなるものを用いると好適であり、さらに、そのアモルファスシリコン膜としては、２０ｎｍ以上でかつ８０ｎｍ以上の厚さに成膜したものが好適である。このようなアモルファスシリコン膜の結晶化処理については、加熱炉による熱処理，ランプアニール，レーザ照射のうちの少なくとも１つにより行うことが望ましい。
【００１９】
また、前記結晶化処理に先立ち、前記アモルファスシリコン膜に該アモルファスシリコン膜の結晶化を促進する触媒元素を添加すると好適である。また、そのような触媒元素としては、ニッケル，コバルト，パラジウム，白金，銅，銀，金，インジウムおよびアンチモンのうち、少なくとも１種の元素を用いることが挙げられるが、それらのうちでも、ニッケルを用いると好適である。このような触媒元素を添加する場合には、前記結晶性シリコン膜においてチャネル領域となる領域での触媒元素濃度を、１×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にすると好適である。
【００２０】
さらに、上記の製造方法により得られた半導体装置の使用例としては、複数の画素電極と、これら各画素電極毎に設けられていて、該画素電極に対するスイッチング動作を行うスイッチング素子とを備えた液晶表示装置における前記スイッチング素子として使用することが挙げられる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、フィラメントから放出した熱電子を、ボロン元素を含有する材料ガスの分子に衝突させてボロンイオンを生成する際に、フィラメントをボロンの融点よりも高い温度に加熱することで、該フィラメント上にボロンが固相となって堆積するのを未然に防止することができ、これにより、ボロンとフィラメント材料との間の化学反応を抑制してフィラメントの化学的劣化を抑えることができるので、ボロンイオンとの関係において熱による物理的劣化よりも化学的劣化の方が支配的なフィラメントにおいて、その寿命を長くすることができる。よって、ボロンイオンが用いられる製造工程において、劣化したフィラメントの交換に起因する稼働ロスを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係るイオンドーピング装置の全体構成を模式的に示す縦断面図であり、このイオンドーピング装置１０は、液晶表示装置における画素電極に対するスイッチング素子としてのＴＦＴの製造時に、シリコン半導体に対し、ボロンイオンをＰ型ドーパントとしてドーピングするために用いられる他、リンイオンをＮ型ドーパントとしてドーピングするためにも用いられる。
【００２３】
本イオンドーピング装置１０は、非質量分離型のものであって、チャンバ１１と、このチャンバ１１内の気体を外部に排出する排気部１３と、ボロンイオンなどのイオンを生成するイオン源１２と、イオン源１２のボロンイオンなどのイオンをイオンビーム３３に形成するビーム形成部１９と、イオンビームが照射される被照射体としての基板２５を収容するための処理室３２と、これら排気部１３，イオン源１２，ビーム形成部１９などの各作動を制御する制御部２７とを備える。尚、ここでは、「基板２５」とは、実際にイオンビームが照射される半導体膜などの被照射体のみならず、その被照射体が配置されているところの、いわゆる基板（一般に、ガラス基板などの絶縁性基板）を含むものを指しており、「基板２５にイオンビームを照射する」とは、前記基板上の被照射体にイオンビームを照射することを意味する。
【００２４】
排気部１３は、公知の真空ポンプなどからなっていて、チャンバ１１内の圧力を適正な値に維持すべく、チャンバ１１内の気体を排出するようになっている。図示していないが、排気部１３には、排出時にガスを無害なものにするための除害装置が接続されている。
【００２５】
イオン源１２は、例えばジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）のようにボロン元素を含有する材料ガスをアーク放電により分解し、そのボロンイオンを含むプラズマを生成するようになっている。具体的には、イオン源１２は、チャンバ１１内に設けられており、アークチャンバ３０と、このアークチャンバ３０内に前記材料ガスを導入するためのガス導入口１４と、材料ガスに衝突させるための熱電子を放出する複数（図示する例では、３つ）のフィラメント１５とを有する。フィラメント１５は、アークチャンバ３０の天井部に配置されている。アークチャンバ３０の側面部には、フィラメント１５との間にアーク放電を発生させるためのアノード電極１７が設けられている。アークチャンバ３０の周囲には、アークチャンバ３０内に生成したプラズマを該アークチャンバ３０内に閉じ込めるための環状磁石３１が設けられている。尚、図１に示す例では、フィラメント１５を３つとして天井部に配置するようにしているが、アークチャンバ３０の形状や必要とされるイオンビーム３３の形状および大きさに応じて、適正な数および配置が選択される。
【００２６】
各フィラメント１５には、該フィラメント１５にフィラメント電流を供給するフィラメント電源１６がそれぞれ接続されている。また、フィラメント１５の正極側およびアノード電極１７には、それぞれ、アーク電源１８の負極および正極が接続されている。
【００２７】
ビーム形成部１９は、プラズマ電極２０ａ，引出電極２０ｂ，加速電極２０ｃ，減速電極２０ｄからなる電極部２０と、この電極部２０に給電する引出用電源２１および加速用電源２２とを有しており、イオン源１２で生成したイオンを該イオン源１２から引き出すとともに、引き出されたイオンを処理室３２内の基板２５に向けて加速するようになされている。プラズマ電極２０ａは、アークチャンバ３０の開口部においてアノード電極１７に最も近い位置に配置されており、引出電極２０ｂは、そのプラズマ電極２０ａよりもアノード電極１７から離れた位置に配置されている。加速電極２０ｃは、引出電極２０ｂよりもアノード電極１７から離れた位置に配置されており、減速電極２０ｄは、アノード電極１７から最も離れた位置に配置されている。また、これらプラズマ電極２０ａ，引出電極２０ｂ，加速電極２０ｃおよび減速電極２０ｄは、この順番で電位が段階的に低くなるように引出用電源２１および加速用電源２２に接続されている。
【００２８】
処理室３２は、ビーム形成部１９の電極部２０を挟んでアークチャンバ３０の開口に対向する位置に設けられており、この処理室３２内には、基板２５を保持するための基板ホルダ２８が設けられている。また、イオンビーム３３が照射される位置（照射位置）に必要なときのみ基板２５が配置されるよう、基板ホルダ２８を移動させる移動機構２９が設けられている。このような移動機構２９は、イオン源１２から得られるイオンビーム３３の形状が、基板２５を一度に照射できないものである場合に、イオンビーム３３が基板２５を走査するように基板ホルダ２８を移動させるときにも使用される。
【００２９】
基板２５が照射位置に位置付けられたときに該基板２５の下方に位置することになる部位には、イオンビーム３３による電流密度（以下、ビーム電流密度という）を測定するためのビーム電流計測器２６が設けられている。尚、本発明では、「ビーム電流密度」は「ビーム電流」に包含される概念である。
【００３０】
制御部２７は、ビーム電流計測器２６の出力信号を受けつつ、ガス導入口１４からアークチャンバ３０内に導入される材料ガスの流量と、フィラメント電源１６のフィラメント電流量と、アーク電源１８のアーク電流量と、引出用電源２１の引出電圧と、加速用電源２２の加速電圧と、移動機構２９とをそれぞれ制御する。また、制御部２７は、以下において詳細に説明するように、ビーム電流計測器２６により得られる測定値であるビーム電流密度を複数回測定し、測定されたビーム電流密度が所定の範囲内に入ったときに、基板２５へのイオン注入を自動的に開始するようになされている。
【００３１】
そして、本実施形態では、制御部２７は、各フィラメント電源１６からそれぞれ供給されるフィラメント電流により各フィラメント１５の温度Ｔｆがボロンの融点Ｔｂよりも高く（Ｔｆ＞Ｔｂ）なるように各フィラメント電源１６を制御するようになされている。具体的には、制御部２７は、各フィラメント１５の温度Ｔｆが３０００℃以上でかつ６０００℃以下（３０００℃≦Ｔｆ≦６０００℃）となるように各フィラメント電源１６を制御する。
【００３２】
詳しく説明すると、予め、フィラメント電流とフィラメント温度Ｔｆとの間の相関に関するデータ取りを行い、そのデータに基づいて、フィラメント温度Ｔｆが３０００〜６０００℃となるフィラメント電流範囲を求めておき、そのフィラメント電流範囲を制御部２７に入力する。そして、制御部２７では、要求されるビーム電流密度に対しアーク電流量を決定し、そのアーク電流量に対してフィラメント電流を決定する際に、そのフィラメント電流が前記フィラメント電流範囲外であれば、範囲内に入るようにビーム電流密度にフィードバックをかける制御を行う。すなわち、フィラメント温度Ｔｆが前記範囲の下限値を下回る場合（Ｔｆ＜３０００℃）には、ビーム電流密度が高くなるようにアーク電源１８を制御する。一方、フィラメント電流Ｔｆが前記範囲の上限値を上回る場合（Ｔｆ＞６０００℃）には、ビーム電流密度が低くなるようにアーク電源１８を制御する。
【００３３】
つまり、ボロンの融点は２０８０℃であるので、フィラメント温度が３０００℃以上に保持されることで、フィラメント１５上にボロンが固相となって堆積するという事態が回避されることになり、このように堆積が防止されることで、ボロンとフィラメント材料（例えば、タングステン）の化学反応は抑制されることとなる。また、高温の方が、タングステンのボロン化合物の還元反応が進行する方向となるので、タングステンのボロン化合物自体も低減されることとなる。一方、６０００℃を超える高温になると、熱による物理的劣化の方が激しくなるので、６０００℃以下に抑えられることになる。
【００３４】
さらに、本実施形態のイオンドーピング装置１０では、イオンビーム３３が安定した後に基板２５へのイオンドーピングを開始するように制御部２７が作動する。具体的には、注入開始の前に、まず、ビーム電流計測器２６によって、ビーム電流密度の測定を所定回数に亘り所定の測定間隔をおいて行う。尚、このとき、イオンビーム３３が基板２５に照射されないよう、基板ホルダ２８をイオンビーム３３の照射範囲外の位置にあることが好ましい。
【００３５】
ビーム電流密度の測定に掛ける１回当りの測定時間は、５０ミリ秒から１秒の範囲であることが好ましい。つまり、５０ミリ秒よりも短い場合、設定するビーム電流密度によっては、測定時間内に検出する電荷の量が少な過ぎて測定精度が悪くなる可能性がある。また、測定間隔によっては、制御部２７のデータ処理に要する時間が相対的に長過ぎることになり、適正なデータ処理が行われない可能性がある。一方、１秒よりも長いと測定に要する時間が掛かり過ぎ、特に、半導体装置を量産する場合には適さない。よって、測定時間を５０ミリ秒から１秒の間に設定することにより、測定精度を保ちながら量産設備として実用的な処理能力を備えることができる。
【００３６】
測定回数は、３回から１０回の範囲が好ましい。つまり、３回よりも少ないと、サンプリング回数が少な過ぎ、安定性を評価するのに適さない。一方、１０回よりも多い場合、測定に要する時間が掛かり過ぎ、特に半導体装置を量産する場合には適さない。よって、測定回数を上述の範囲に設定することにより、イオンビーム電流の安定性を正しく評価し、かつ、量産設備として実用的な処理能力を備えることができる。
【００３７】
測定間隔は、１００ミリ秒から１秒の範囲であることが好ましい。つまり、１００ミリ秒よりも短い場合、測定間隔が短か過ぎ、イオンビーム電流の安定性を評価するのに適さない。一方、１秒よりも長い場合、測定に要する時間が掛かり過ぎ、イオンドーピング装置１０を用いて半導体装置を量産する場合には適さない。よって、測定間隔を１００ミリ秒から１秒の間に設定することにより、イオンビーム電流の安定性を正しく評価し、かつ、量産設備として実用的な処理能力を備えることができる。
【００３８】
次に、制御部２７では、イオンビーム電流が安定しているかどうかの判断を行う。この判断の基準は、測定値が目標としている設定範囲内であるかどうかにおく。設定範囲は、目標値に対して±１０％など設定範囲の上限および下限を所定の値で定めてもよいし、ばらつきを標準偏差で管理してもよい。例えば、上述の測定時間，測定回数および測定間隔で計測したビーム電流密度の平均値をＡｖｅとし、標準偏差をσとして、３σ／Ａｖｅ（３×標準偏差／平均値）の値を求め、３σ／Ａｖｅの値で管理を行ってもよい。この場合には、３σ／Ａｖｅの値が１０％以下であることが好ましく、さらには、５％以下であることがより好ましい。
【００３９】
このようにして、制御部２７は、ビーム電流密度の測定値に基づいて、イオンビーム電流が安定しているかどうかを判断する。そして、ビーム電流密度が所定の範囲内である場合に、基板ホルダ２８が照射位置に移動するように移動機構２９を制御する。これにより、基板２５にイオンビーム３３が照射されることによるイオンドーピングが自動的に開始されることとなる。
【００４０】
尚、ビーム電流密度の測定が終了してからイオンドーピングを開始するまでの時間は、短いほうが好ましい。つまり、その理由は、単に時間のロスを少なくするためのみならず、実際に照射される直前の値に基づいて制御する方が、より正確にドーピング量を制御できるからである。具体的には、測定終了からドーピング開始までの好ましい時間は、イオンドーピング装置１０の大きさや、取り扱う基板２５の大きさ、移動機構２９の性能などに依存するので一概にはいえないが、例えば、１秒以内の時間であることが好ましい。
【００４１】
また、基板２５へのイオンビーム３３の照射時間は、制御部２７が、例えば目標値又は上述の測定で得られた平均値に基づいて計算し、その計算結果に基づいて、基板２５がイオンビーム３３に所定の時間照射されるよう移動機構２９を制御する。
【００４２】
ここで、上記のように構成されたイオンドーピング装置１０におけるボロンイオンのドーピングを行う際の作用を説明する。
【００４３】
初めに、ボロンイオンをドーピングすべき半導体膜が形成されてなる基板２５を基板ホルダ２８に固定し、移動機構２９によって、イオンビーム３３が照射されない位置に基板２５を配置する。チャンバ１１内は所定の真空度に達するまで排気しておく。
【００４４】
まず、ガス導入口１４から、ボロン元素を含有する材料ガスをアークチャンバ３０内に導入する。これにより、アークチャンバ３０内は前記材料ガスで満たされる。その際の材料ガスとしては、例えば、シリコン半導体に対し、Ｐ型ドーパントとしてボロンイオンをドーピングする場合には、ジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）を用いる。尚、本イオンドーピング装置１０は、ボロンイオン以外のイオンのドーピングにも用いることができるので、例えば、シリコン半導体に対し、Ｎ型ドーパントとしてリンイオンをドーピングする場合には、ホスフィン（ＰＨ3 ）などを用いればよい。
【００４５】
次いで、フィラメント電源１６からフィラメント１５に所定のフィラメント電流が供給されるとともとに、アーク電源１８によりフィラメント１５とアノード電極１７との間に所定の電圧が印加される。これにより、フィラメント１５により加熱された熱電子がフィラメント１５からアークチャンバ３０内へ放出され、アノード電極１７へ到達する。この電子の放出はアーク放電となる。放出された熱電子は、アークチャンバ３０内の材料ガスの分子と衝突し、その結果、これらの分子が分解するとともにイオン化され、プラズマが生成する。
【００４６】
生成したプラズマ中のボロンイオン（陽イオン）は、引出用電源２１によってアノード電極１７とプラズマ電極２０ａとの間に印加された電圧により、アークチャンバ３０からその開口部を経由して外部空間へ向かう方向に引き出される。引き出されたボロンイオンは、加速用電源２２によって引出電極２０ｂと加速電極２０ｃとの間に印加された電圧により加速される。加速されたボロンイオンは、イオンビーム３３となってアークチャンバ３０の開口部から照射されることとなる。尚、加速電極２０ｃと減速電極２０ｄとの間には、減速電圧（抑制電圧）が印加されており、これにより、基板２５にボロンイオンが衝突する際に発生する二次電子の逆流は防止される。
【００４７】
ここで、液晶表示装置用のアクティブマトリックス基坂を製造する際に、上記構成のイオンドーピング装置１０を用いて、ガラス基板などの絶縁性透明基板上に画素用スイッチング素子としてのＮ型ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）を形成する手順について、その製造工程を工程順に示す模式断面図を参照しながら説明する。尚、実際には、数十万個以上のＴＦＴが同時に製造されるが、以下の説明では１個のＴＦＴに焦点を絞って説明する。
【００４８】
まず、図２（ａ）に示すように、ガラス基板などの絶縁性透明基板１０１上に、プラズマＣＶＤ法によって厚さが１〜２０ｎｍの酸化シリコン膜による下地膜１０２を形成する。次に、プラズマＣＶＤ法によって、厚さが２５〜８０ｎｍ（例えば、４０ｎｍ）の真性アモルファスシリコン膜１０３を形成する。
【００４９】
次いで、スパッタリング法によって、表面濃度がｌ×ｌ０13〜ｌ×ｌ０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 （例えば、７×ｌ０13ａｔｏｍｓ／ｃｍ2 ）になるよう、真性アモルファスシリコン膜１０３に、該真性アモルファスシリコン膜１０３の結晶化を促進する触媒元素としてのニッケル（Ｎｉ）を添加する。その後、第１段階の結晶化処理として、熱処理炉，ランプアニールなどを用いて、不活性雰囲気下で５４０〜６２０℃の温度により数時間に亘る加熱処理を施す。この第1段階の結晶化処理により、真性アモルファスシリコン膜１０３の結晶化が或る程度進行する。本実施形態においては、熱処理炉を用い、窒素雰囲気下で５８０℃の温度により１時間に亘る熱処理を行う。尚、ニッケルの添加方法はスパッタリング法に限定されず、ニッケル化合物を含む塗布液を用いてその塗布膜を真性アモルファスシリコン膜１０３上に形成し、熱処理により塗布膜から真性アモルファスシリコン膜１０３へニッケルを拡散させるようにしてもよい。また、触媒元素としては、ニッケル以外に、コバルト，パラジウム，白金，銅，銀，金，インジウム，スズ，アルミニウム又はアンチモンを用いてもよく、さらには、それらの金属のなかから選択した複数の金属を用いてもよい。
【００５０】
続いて、図２（ｂ）に示すように、第２段階の結晶化処理として、レーザ照射による処理を行う。レーザ光の一例としては、例えば、波長が２４８ｎｍ，パルス幅が２０ｎｓｅｃのＫｒＦエキシマレーザを用いることが挙げられるが、他の波長のレーザを用いてもよい。また、レーザ光の照射条件は、エネルギー密度を２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2 （例えば、２５０ｍＪ／ｃｍ2 ）とし、１箇所につき２〜１０ショット（例えば、２ショット）とする。尚、レーザ光を照射する際、アモルファスシリコン膜１０３を２００〜４５０℃程度の温度で加熱するようにしてもよく、このようにレーザ光の照射時に加熱するようにすれば、アモルファスシリコン膜１０３の結晶化を、より効率的に促進することができる。
【００５１】
上述の熱処理炉およびレーザ照射による２段階の結晶化処理中、ニッケルは、シリサイド化することによってアモルファスシリコン膜１０３の結晶成長を促進する。特に、ニッケルのシリサイド化合物である二珪化ニッケル（ＮｉＳｉ2 ）の結晶構造は、上述した種々の触媒元素のシリサイド化合物中、最も単結晶シリコンの結晶構造と類似しており、その格子定数も結晶シリコンの格子定数に非常に近い。したがって、ＮｉＳｉ2 はアモルファスシリコン膜１０３の結晶化において最適な鋳型として作用し、アモルファスシリコン膜１０３の結晶化を促進する。このとき、アモルファスシリコン膜１０３の厚さが２５ｎｍ以上であるので、十分な結晶成長が可能であり、一方、厚さが８０ｎｍ以下に抑えられることで、厚さ方向に２層以上の結晶が成長するという事態を防止することができる。これらにより、結晶性の悪化や触媒元素であるニッケルの残留という問題の発生を防ぎ、高い電子移動度を備えた高品質な結晶性シリコン膜１０３′がアモルファスシリコン膜１０３から得られる。尚、結晶化処理は１段階のみで済ましてもよいが、熱処理炉あるいはランプアニールによる処理とレーザ照射による処理との組合せを用いることが好ましい。そのような２段階の結晶化処理により、得られるＴＦＴのトランジスタ特性は飛躍的に向上する。
【００５２】
その後、図２（ｃ）に示すように、結晶性シリコン膜１０３′の不要な部分を除去して素子間分離を行い、後にＴＦＴのソース領域１０６，ドレイン領域１０８およびチャネル領域１０７となる各領域を有する島状の素子形成領域１１５を形成する。これにより、全体としては、複数の素子形成領域１１５がマトリクス状に配置されることになる。
【００５３】
図２（ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜１０４として、プラズマＣＶＤ法によって厚さ５０〜２５０ｎｍ（例えば、１５０ｎｍ）の酸化シリコン膜を形成し、その後、イオンドーピング装置１０を用い、ゲート絶縁膜１０４を通して素子形成領域１１５にボロンイオンをドーピングする。イオン源１２の材料ガスにはジボラン（Ｂ2 Ｈ6 ）を使用する。本実施形態では、ドーピングの前に、ビーム電流密度を測定１回当り２００ミリ秒の測定時間でかつ６００ミリ秒の測定間隔でもって５回測定する。また、目標とするビーム電流密度を１μＡ／ｃｍ2 とし、５回の測定値の３σ／Ａｖｅ（３×標準偏差／平均値）が１０％以下になるまで、５回の測定を繰り返す。そして、５回の測定値の３σ／Ａｖｅが１０％以下となったときに、ドーピングを開始する。
【００５４】
図２（ｄ）に示すように、スパッタリング法によって、厚さ１０〜１００ｎｍ（例えば、６０ｎｍ）の窒化タンタル（ＴａＮ）の膜と、厚さ１００〜５００ｎｍ（例えば、３００ｎｍ）のタングステン（Ｗ）の膜とを順に形成する。形成したこれらの膜をパターニングして、ＴａＮ／Ｗからなるゲート電極１０５を形成する。
【００５５】
次に、素子形成領域１１５において後にチャネル領域１０７となる領域中の触媒元素をゲッタリングすべく、イオンドーピング装置１０を用い、ゲート電極１０５をマスクとして、素子形成領域１１５において後にソース領域１０６およびドレイン領域１０８となる領域に、不純物イオンとしてのリンイオンをドーピングする。材料ガスとしては、ホスフィン（ＰＨ3 ）を用い、加速電圧を６０〜９０ｋＶ（例えば、８０ｋＶ）に設定する。また、ドーズ量は１×１０15〜８×１０15ｃｍ-2（例えば、２×１０15ｃｍ-2）とする。そして、ボロンイオンのドーピングの場合と同じく、ビーム電流密度の５回の測定値の３σ／Ａｖｅが１０％以下となったときにドーピングを開始する。
【００５６】
リンイオンをドーピングした後、窒素雰囲気中で５５０℃の温度による４時間の熱処理を行い、リンイオンの活性化を行う。このとき、同時に、素子形成領域１１５のゲート電極１０５の下方に位置する領域（後にチャネル領域１０７となる領域）の中のニッケルが、素子形成領域１１５におけるリンイオンのドーピングされた領域中のリンに捕捉される。このため、前記ニッケルの濃度は、１×ｌ０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 程度ないしそれ以下に低下する。
【００５７】
これにより、図２（ｄ）に示すように、ゲート電極１０５直下の素子形成領域１１５の部位にＰ型のチャネル領域１０７が形成され、また、このチャネル領域１０７を挟んでＮ型のソース領域１０６およびドレイン領域１０８が素子形成領域１１５に形成されることとなる。
【００５８】
さらに、図２（ｅ）に示すように、層間絶縁膜１０９として、厚さ６００ｎｍの酸化シリコン膜をプラズマＣＶＤ法によって形成する。そして、この層間絶縁膜１０９およびゲート絶縁膜１０４にそれぞれソース領域１０６およびドレイン領域１０８に通じるコンタクトホールを形成した後、金属材料、例えば、窒化チタン（ＴｉＮ）とアルミニウム（Ａｌ）とからなる多層膜によって、ソース領域１０６に接続するようにソース電極１１０を形成する。また、ドレイン領域１０８に接続するようにＩＴＯ（酸化インジウム）からなるドレイン電極１１１を形成する。最後に、１気圧の水素雰囲気で３５０℃の温度による３０分間の加熱処理を行い、複数のＮ型ＴＦＴ１１６を有する液晶表示装置用のアクティブマトリックス基坂が完成する。
【００５９】
以上のようにして得られたＮ型ＴＦＴ１１６では、チャネル領域１０７におけるニッケルの濃度が１×ｌ０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下であるので、チャネル領域１０７のリーク電流が小さく、また、結晶性が高いために、オン電流が大きい。
【００６０】
また、このようなＴＦＴは基坂上に数十万から数百万形成され、特に特性が揃っている必要があるが、本実施形態に係るイオンドーピング装置１０は、このような液晶表示装置用アクティブマトリックス基板の製造に好適に用いることができる。
【００６１】
したがって、本実施形態によれば、液晶表示装置のアクティブマトリックス基板におけるＮ型ＴＦＴ１１６の製造時に、フィラメント１５から放出した熱電子を、ボロン元素を含有する材料ガスの分子に衝突させてボロンイオンを生成し、そのボロンイオンをＰ型ドーパントとして基板２５にドーピングするために用いるイオンドーピング装置１０では、フィラメント１５をボロンの融点よりも高い温度に加熱することで、該フィラメント１５上にボロンが固相となって堆積するのを未然に防止することができ、これにより、ボロンとフィラメント材料との間の化学反応を抑制してフィラメント１５の化学的劣化を抑えることができるので、フィラメント１５の寿命を長くすることができる。よって、ボロンイオンのドーピング工程を有するＴＦＴ１１６の製造過程において、フィラメント１５の交換に伴うイオンドーピング装置１０の稼働ロスを低減することができる。
【００６２】
尚、上記の実施形態において、例えば、図１において仮想線に囲まれた部分に示すように、アーク電流の流れる回路上に電流計４０を介設し、フィラメント１５とアノード電極１７との間を流れるアーク電流が一定となるよう、制御部２７によりアーク放電を制御するようにしてもよい。具体的には、電流計４０で計測した電流値に基づいて、アーク電流が一定となるよう、フィラメント電源１６およびアーク電源１８のうちの少なくとも一方を制御する。これにより、フィラメント１５から放出される単位時間当りの熱電子量が一定に保たれるので、ガス導入口１４から導入される材料ガスの分子の分解も一定の状態に保たれることになり、よって、生成するイオン種の比率をより安定して一定に保つことができる。
【００６３】
また、上記の実施形態では、移動機構２９を用いて必要なときのみイオンビーム３３が基板２５に照射されるようにしているが、イオン源１２と基板２５との間にシャッタなどを設け、そのシャッタをイオンビーム３３が遮断されるように開閉制御することによって、必要なときのみイオンビーム３３が基板２５に照射されるようにしてもよい。この場合には、シャッタが閉じられているときにもイオンビーム３３のビーム電流を計測できるよう、そのシャッタにもビーム電流計測器２６を設けることが好ましい。
【００６４】
また、上記の実施形態では、非質量分離型のイオンドーピング装置１０について説明したが、本発明は質量分離型のイオンドーピング装置についても適用することができる。
【００６５】
さらに、上記の実施形態では、Ｎ型ＴＦＴ１１６のみからなる回路を形成する場合について説明しているが、本発明に係るイオンドーピング装置は、Ｐ型ＴＦＴのみからなる回路を形成する場合にも用いることができる。また、Ｎ型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴからなる相補型の回路を形成する場合には、ボロンイオンおよびリンイオンを結晶性シリコン膜１０３′にドーピングする際、適正なマスクを用いて、選択的にボロンイオンおよびリンイオンをドーピングすればよい。これによって、Ｎ型領域およびＰ型領域を作り分け、Ｎ型ＴＦＴおよびＰ型ＴＦＴを同じ基板上に製造することができる。
【００６６】
また、上記の実施形態では、アモルファスシリコン膜１０３を結晶化させて得られる結晶性シリコン膜１０３′を備えた液晶表示装置用のＴＦＴ製造工程において、チャネル領域を形成するためのボロンイオンの注入およびソース・ドレイン領域を形成するためのリンイオンの注入の場合について説明しているが、本発明に係るイオンドーピング装置は、種々の半導体装置の不純物導入工程に用いることができる。例えば、アクティブマトリクス基板として、ＬＤＤ構造を有するＴＦＴを製造する場合には、そのＬＤＤ構造を形成するための不純物導入工程に用いてもよく、また、画素用スイッチング素子以外に、アクティブマトリックス型のドライバ回路や薄膜集積回路を構成する素子などを製造する場合にも用いることができ、さらには、単結晶半導体基板を使用して製造される種々の半導体装置に用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明に係るイオン源は、質量分離型および非質量分離型のイオンドーピング装置などに好適に用いることができる。特に、表示装置など大面積の基板上に多数の半導体装置を製造するための量産性に優れたイオンドーピング装置に好適に用いることができる。
【００６８】
また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、種々の半導体装置に用いることができ、特に、液晶表示装置などの大面積基板上に多数を一括して製造される半導体装置の製造などに好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の実施形態に係るイオンドーピング装置の全体構成を模式的に示す縦断面図である。
【図２】イオンドーピング装置を用いて行う液晶表示装置用ＴＦＴの製造工程（ａ）〜（ｅ）を工程順に模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７０】
１０  イオンドーピング装置
１２  イオン源
１５  フィラメント
１６  フィラメント電源（加熱手段）
１７  アノード電極
１８  アーク電源
１９  ビーム形成部（ビーム形成手段）
２５  基板（被照射体）
２７  制御部（制御手段，加熱手段）
２８  基板ホルダ（保持手段）
３０  アークチャンバ
１０３  アモルファスシリコン膜
１０３′  結晶性シリコン膜
１０７  チャネル領域
１１６  Ｎ型ＴＦＴ（半導体装置）
【図１】
2006310161.tif 000003
【図２】
2006310161.tif 000004