(57)【要約】金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）デバイスのドーピングされたポリシリコンゲートを形成する方法。この方法は、絶縁層１１４を結晶シリコン基板１０６の上部表面に形成することを含む。次に、アモルファスシリコン層２００を、絶縁層１１４上に絶縁層１１４に接触させて形成し、ドーパントをアモルファスシリコン層２００の上部表面層に導入する。アモルファスシリコン層２００の上部表面層２２０にレーザビーム２３０を照射し、放射線の熱によって上部表面層２２０が溶融し、アモルファスシリコン層２００のエクスプローシブ再結晶化（ＸＲＣ）が開始する。ＸＲＣプロセスによって、アモルファスシリコン層２００はポリシリコンゲートに変態し、ドーパントはポリシリコンゲート全体に均一に分布する。
2005502203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶シリコン基板の上部表面に形成された金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）デバイスのドーピングされたポリシリコンゲートを形成する方法であって、
ａ）前記シリコン基板の前記上部表面に絶縁層を形成すること、
ｂ）前記絶縁層の上部に前記絶縁層に接触させてアモルファスシリコン層を形成すること、
ｃ）前記アモルファスシリコン層の上部表面層にドーパントを注入すること、
ｄ）前記アモルファスシリコン層の前記上部表面に放射線ビームを照射し、前記上部表面を加熱して、前記アモルファスシリコン層のエクスプローシブ再結晶化を開始させ、それによって前記アモルファスシリコン層をポリシリコンゲートに変態させ、前記ドーパントを前記ポリシリコンゲート全体に分布させること、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ドーパントは、イオン注入法によって前記アモルファスシリコン層の前記上部層に注入される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記放射線ビームはレーザービームである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記レーザービームは、０．１〜２．０ミクロンの波長、１ミリ秒未満のパルス幅、０．１〜１０００Ｊ／ｃｍ２のパルス当たりの放射照度を有するパルスレーザーである、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザービームは、２００〜４００Ｈｚの繰返し数で３〜１０パルスを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程ｄ）の後に、前記ポリシリコンゲート上に金属コンタクトを成膜することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記金属コンタクトは、タングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステン、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、白金の少なくともひとつを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記絶縁層は二酸化シリコンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記ドーパントは、ボロン、ＢＦ２＋、インジウム、砒素、リン、アンチモンの少なくともひとつを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ポリシリコンゲートは５００ｎｍ未満の高さを有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
結晶シリコン基板の上部表面に形成された金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）デバイスのドーピングされたポリシリコンゲートを形成する方法であって、
ａ）前記シリコン基板の前記上部表面に絶縁層を形成すること、
ｂ）前記絶縁層上に前記絶縁層に接触させてアモルファスシリコン層を形成すること、
ｃ）前記アモルファスシリコン層上に前記アモルファスシリコン層に接触させてドーパント層を形成すること、
ｄ）前記アモルファスシリコン層に放射線ビームを照射し、前記ドーパント層および前記アモルファスシリコン層の上部表面層を加熱・溶融させ、それによって前記ドーパントの前記アモルファスシリコン層の前記上部表面層への拡散と前記アモルファスシリコン層のエクスプローシブ再結晶化を生じさせ、それによって前記アモルファスシリコン層をポリシリコンゲートに変態させ、前記ポリシリコンゲート全体に前記ドーパントを均一に分布させること、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記ドーパント層はスパッタリングによって形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ドーパント層は化学気相成長法によって形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ドーパント層は蒸着によって形成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記放射線ビームはレーザービームである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記レーザービームは、０．１〜２．０ミクロンの波長、１ミリ秒未満のパルス幅、０．１〜１０００Ｊ／ｃｍ２のパルス当たりの放射照度を有するパルスレーザーである請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記レーザービームは、２００〜４００Ｈｚの繰返し数で３〜１０パルスを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ｄ）の後に、前記ポリシリコンゲート上に金属コンタクトを成膜することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
前記金属コンタクトは、タングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステン、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、白金の少なくともひとつを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁層は二酸化シリコンを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２１】
前記ドーパントは、ボロン、ＢＦ２＋、インジウム、砒素、リン、アンチモンの少なくともひとつを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２２】
前記ポリシリコンゲートは５００ｎｍ未満の高さを有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ドーパントは、ボロン、砒素、リンの少なくともひとつを、それぞれ３×１０２０イオン／ｃｍ３以下、５×１０２０イオン／ｃｍ３以下、１×１０２１イオン／ｃｍ３以下の濃度で含む、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ゲートのドーピングに関する。さらに詳細には、本発明は、半導体デバイスのゲートのドーピングのためのレーザー熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体技術および半導体製造方法の改良によって、コンピュータのコスト削減と高速化が進んできた。半導体デバイスでは、コンピュータの速度と性能を向上させるために、集積回路（チップ）のパッケージング、チップ上のデバイスの配線、デバイス本体の設計などにわたって数多くの改良が行なわれてきた。
【０００３】
半導体技術においては、デバイス構造が小型化する傾向にある。サブミクロンあるいは１００〜２５０ｎｍのゲート長を有する金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の開発が行われている。このような小さなゲート長を有するデバイスの性能改善は、デバイスの物理的構造やデバイスに使用される材料を変更し、デバイスを製造するための新しいプロセスを創案したり、既存のプロセスを改良することによって通常は達成される。
【０００４】
例えば、ポリシリコンゲートにドーピングする方法は、ドーパントの低エネルギーイオン注入と、それに続くドーパントの活性化のための熱アニールとを含む。ポリシリコンゲートに使用されるドーパントの例としては、ボロン、ＢＦ２＋、砒素、リンが挙げられる。図１に示すように、従来の熱アニールプロセスで得られるシリコン中のボロンドーパントのプロファイル（横断面分布）は、広い深さ範囲にわたって緩やかに減少する。図１に示す例では、この範囲は約１００ｎｍであり、１００〜２５０ｎｍのサブミクロンゲート長に相当する。
【０００５】
ドーパントプロファイルとドーパント濃度の特徴は、チップの性能に影響を与える。緩やかなドーパントプロファイルを有する接合は、サブスレッショルド・リークを生じやすい。一方、ドーパント濃度が低下すると、ソースまたはドレインのシート抵抗が必要以上に高くなる。階段接合（例えば、シャープなドーパントプロファイル）を形成することによってオーバーラップ容量と広がり抵抗を低下させることができ、ドーパント濃度を上げることによってシート抵抗を低下させることができる。これらの効果は、チップの高速化と性能の向上に役立つものである。
【０００６】
浅いポリシリコンゲートをアニールするときに発生する問題としては、ゲート空乏化（すなわち、ドーパント濃度の低下）、ドーパントの不均一な分布、ゲート絶縁酸化薄膜を介したドーパントの拡散（ゲートリーク）がある。ゲート空乏化は、ゲート絶縁酸化薄膜を介したドーパントの拡散を回避するために行う低温アニールの結果として生じる。ドーパント濃度が低下すると、デバイスの性能が低下する。ドーパントの十分な活性化と分布は、高温アニールによって達成される。しかしながら、ドーパントの拡散係数は、ポリシリコンゲートの結晶内よりも結晶粒界に沿った方が大きいため、ドーパントの不均一な分布やゲート絶縁酸化膜を介したドーパントの浸透という結果を招き、リーク電流の増加とデバイスの性能低下が発生する。
【０００７】
したがって、ゲート空乏化とリーク電流を防ぎ、デバイスの性能を改善することのできる、ポリシリコンゲートのドーピングおよび活性化のための熱アニールプロセスの開発が望まれている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施態様において、本発明は、結晶シリコン基板の上部表面に形成された金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）デバイスのドーピングされたポリシリコンゲートを形成する方法を提供する。この方法は、シリコン基板の上部表面に絶縁層を形成すること、次に絶縁層の上部に絶縁層に接触させてアモルファスシリコン層を形成することを含む。次に、ドーパントをアモルファスシリコンの上部表面層に導入し、アモルファスシリコンの上部表面層に放射線ビームを照射する。放射線ビームによってアモルファスシリコンの上部表面層は加熱され、アモルファスシリコン層の溶融とエクスプローシブ再結晶化（ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ  ｒｅｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ；ＸＲＣ）が起こる。ＸＲＣによってアモルファスシリコン層はポリシリコンゲートに変態し、ドーパントはポリシリコンゲート全体に均一に分布する。
【０００９】
本発明は、以下の態様の少なくともひとつを含んでもよい。ドーパントは、イオン注入法によってアモルファスシリコン層の上部層に導入されてもよい。放射線ビームはレーザービームであってもよい。レーザービームは、０．１〜２．０ミクロンの波長、１ミリ秒未満のパルス幅、０．１〜１０００Ｊ／ｃｍ２のパルス当たりの放射照度を有するパルスレーザーであってもよい。レーザービームは、２００〜４００Ｈｚの繰返し数で３〜１０パルスを含んでいてもよい。ＸＲＣプロセスに続いて、ポリシリコンゲート上に金属コンタクトを形成してもよい。金属コンタクトは、タングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステン、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、白金の少なくともひとつを含んでいてもよい。絶縁層は、二酸化ケイ素を含んでいてもよい。ドーパントは、少なくともボロン、ＢＦ２＋、砒素、リンの少なくともひとつを含んでいてもよい。多結晶ゲートは、５００ｎｍ未満の高さを有していてもよい。
【００１０】
別の実施態様において、本発明は、結晶シリコン基板の上部表面に形成された金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）デバイスのドーピングされたポリシリコンゲートを形成する別の方法を提供する。この方法は、シリコン基板の上部表面に絶縁層を形成すること、次に絶縁層上に絶縁層に接触させてアモルファスシリコン層を形成することを含む。次に、ドーパント層をアモルファスシリコン層上にアモルファスシリコン層に接触させて形成し、アモルファスシリコンの上部表面層に放射線ビームを照射する。放射線ビームによってドーパント層およびアモルファスシリコンの上部表面層が加熱・溶融され、ドーパントのアモルファスシリコンの上部表面層への拡散とアモルファスシリコン層のエクスプローシブ再結晶化（ＸＲＣ）が起こる。ＸＲＣによってアモルファスシリコン層はポリシリコンゲートに変態し、ドーパントはポリシリコンゲートに均一に分布する。
【００１１】
本発明は、以下の態様の少なくともひとつを含んでもよい。ドーパントは、スパッタリング、蒸着法、または化学気相成長法によって堆積させてもよい。放射線ビームは、レーザービームであってもよい。レーザービームは、０．１〜２．０ミクロンの波長、１ミリ秒未満のパルス幅、０．１〜１０００Ｊ／ｃｍ２のパルス当たりの放射照度を有するパルスレーザーであってもよい。レーザービームは、２００〜４００Ｈｚの繰返し数で３〜１０パルスを含んでいてもよい。ＸＲＣプロセスに続いて、ポリシリコンゲート上に金属コンタクトを形成してもよい。金属コンタクトは、タングステン、ケイ化タングステン、窒化タングステン、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、白金の少なくともひとつを含んでいてもよい。絶縁層は、二酸化ケイ素を含んでいてもよい。ドーパントは、ボロン、ＢＦ２＋、砒素、リン少なくともひとつを含んでいてもよい。ポリシリコンゲートは、５００ｎｍ未満の高さを有していてもよい。ドーパントは、ボロンの場合には３×１０２０イオン／ｃｍ３、砒素の場合には５×１０２０イオン／ｃｍ３、リンの場合には１×１０２１イオン／ｃｍ３の濃度で含まれていてもよい。
【００１２】
本発明の利点は、以下に記載する利点の少なくともひとつである。レーザー誘導ＸＲＣプロセスによる熱収支および処理時間の減少によって、結晶粒内および結晶粒界内にドーパントが均一に分布したシリコンゲート内に微細なミクロ結晶粒構造を形成することができる。このプロセスは、既存のＣＭＯＳプロセス技術に容易に組み込むことができ、ゲート空乏化やゲートリークの影響のないポリシリコンゲートを製造することによってデバイスの性能を改善することができる。
【００１３】
図面および以下の説明において、本発明の少なくともひとつの実施形態の詳細について述べる。本発明のその他の特徴、目的、利点は、以下の好ましい実施形態、図面、請求項の説明から明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図２Ａに示すように、アモルファスシリコン（α−Ｓｉ）層２００をシリコン結晶基板（ｃ−Ｓｉ）２１０上に形成する。レーザービーム２３０を、アモルファスシリコン層２００の上部表面２０２に照射する。レーザービーム２３０は、ネオジムＹＡＧレーザーによって発生したパルス放射線であって、５３２ｎｍの波長を有する。レーザービーム２３０からの熱によって、アモルファスシリコン２００の上部表面２０２の近傍に位置する第１の薄層２２０が溶融する。例えば、エネルギーフルエンスは０．４Ｊ／ｃｍ２であり、好ましくは３〜１０Ｈｚの繰返し数で１６ナノ秒の幅のパルスを３〜１０個連続して発生させる。溶融層２２０はレーザービーム２３０のパルス間に室温まで冷却され、アモルファスシリコン２００のエクスプローシブ再結晶化（ＸＲＣ）が起こる。ＸＲＣは当業界では周知であり、米国特許第６，２７４，４８８号や、「長パルス幅のレーザー照射によって開始するアモルファスシリコンのエクスプローシブ再結晶化（Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  Ｓｉ  Ｉｎｉｔｉａｔｅｄ  ｂｙ  Ｌｏｎｇ  Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｌａｓｅｒ  Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ）」，Ｐ．Ｓ．Ｐｅｅｒｃｙ，  Ｊ．Ｙ．Ｔｓａｏ，Ｓ．Ｒ．Ｓｔｉｆｆｌｅｒ  ａｎｄ  Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｏ．  Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，  Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  ５４（３），  １８  Ｊａｎｕａｒｙ  １９８８に記載されている。
【００１５】
図２Ｂに示すように、エクスプローシブ再結晶化は溶融層２２０が冷却されて再結晶化するときに起こり、それによってポリシリコン層２１２が形成される。再結晶化プロセス中に放出された結晶化潜熱は、結晶化層２１２の上部と下部にそれぞれ形成されたアモルファスシリコン層２２０ａ，２２０ｂに伝達され、これらの層が溶融する。ＸＲＣによって、溶融層２２０は、結晶化層２１２の上部の外部溶融層２２０ａと、多結晶層２１２の下部の内部溶融層２２０ｂとに分割される。外部溶融層２２０ａが上部表面２０２に戻る間に、ポリシリコン層２１２の下部の内部溶融層２２０ｂは、液面Ｉ１（図２Ｃを参照）を維持しながら、ポリシリコン層２１２から離れてアモルファスシリコン２００の内部に拡がっていく。ＸＲＣプロセスは、放出された結晶化熱がアモルファスシリコンを溶融させるために必要な熱よりも小さくなった時、または物質の界面、すなわちアモルファスシリコン２００と結晶シリコン基板２１０の界面Ｉ２（図２Ｃを参照）に到達した時に終了する。
【００１６】
ＸＲＣの持続時間は約５０ナノ秒であり、その間に液面は５〜１５ｍ／秒の速度で移動する。
【００１７】
ＸＲＣを開始させるために十分な温度範囲は、約１１５０〜１４１０℃である。温度範囲の上限は結晶シリコンの溶融温度で決定され、下限はアモルファスシリコンの溶融温度である。アモルファスシリコンは準安定であるため、原子的により配列化された結晶シリコンよりも低温で溶融・再結晶化する。上述したように、ＸＲＣにおいて、アモルファス層２００が再結晶化するにつれて、界面Ｉ１で蓄積された熱は界面Ｉ２に向かって伝達される。
【００１８】
アモルファスシリコン層２００への放射線の照射は、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性雰囲気に維持されたチャンバー内で行なうのが好ましい。好適に使用されるチャンバーとしては、カリフォルニア州サンノゼのウルトラテック・ステッパー（Ｕｌｔｒａｔｅｃｈ  Ｓｔｅｐｐｅｒ）社から市販されているＰ−ＧＩＬＡＴＭがある。
【００１９】
図３に示すように、上述したＸＲＣプロセスは、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）１０４のポリシリコンゲート１１２を形成し、ドーピングするために使用される。ＭＯＳＦＥＴ１０４はシリコン基板１００上に形成され、絶縁部１０２によってシリコン基板１００上に形成される他のデバイスとは絶縁されている。ＭＯＳＦＥＴ１０４は、ゲート１１２に加えて、Ｎウェル１０６、Ｐ＋ソース１０８、Ｐ＋ドレイン１１０を含む。ゲート１１２は基板１００の上部表面１０１ａに形成され、ゲート絶縁層１１４によってウェル１０６とは絶縁されている。コンタクト１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃが、ゲート１１２、Ｐ＋ソース１０８、Ｐ＋ドレイン１１０上にそれぞれ形成されている。サイドウォールスペーサ１１６はコンタクトの位置の自己整合に寄与し、ゲート１１２への水平方向の拡散を防ぐ。Ｐ＋ソース１０８とＰ＋ドレイン１１０は、浅いエクステンション接合（ｓｈａｌｌｏｗ  ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）１１８ａ、１１８ｂを介してゲート１１２の下のチャネル領域に連結されている。
【００２０】
例えば、ゲート１１２は約２００ｎｍの高さを有し、ゲート絶縁層１１４は５０〜１０ｎｍの高さを有し、浅いエクステンション接合１１８ａ、１１８ｂは約２０〜３０ｎｍの深さを有し、ソース・ドレイン領域は８０ｎｍの深さを有する。
【００２１】
図４Ａに示すように、図３で説明したＭＯＳＦＥＴ１０４の製造プロセスは、浅い絶縁部１０２を間隔を空けて形成し、ＭＯＳＦＥＴ素子が形成されるシリコン基板１００の部分を電気的に絶縁する工程を含む。絶縁部１０２は、間隔を空けて形成されたトレンチをエッチングによってシリコン基板１００の上部表面１０１ａに形成し、トレンチに絶縁材料を埋め込むことによって形成される。例えば、絶縁材料は二酸化ケイ素などの酸化物である。次に、シリコン基板１００の上部表面１０１ａを化学機械的に研磨し、平坦化された上部表面を得る。
【００２２】
絶縁部１０２の形成後、絶縁部１０２間の領域において、シリコン基板１００の上部表面１０１ａ上にゲート絶縁層１１４を形成する。ゲート絶縁層１１４上に、ゲート層１１２を成膜する。例えば、ゲート絶縁層はＳｉＯ２であり、ゲート層１１２は減圧化学気相成長法（ＣＶＤ）によって成膜されたアモルファスシリコン２００である。ドーパント２２２をアモルファスシリコン２００の上部層２２０に注入する。例えば、ドーパント２２２は５０ｎｍの深さまで注入されたボロンである。
【００２３】
上述したＸＲＣプロセスによれば、図４Ｂに示すように、レーザービーム２３０をアモルファスシリコン（α−Ｓｉ）２００の上部表面２０２に照射すると、レーザービーム２３０からの熱によって上部層２２０が溶融し、ドーパント２２２は溶融したシリコン層２２０中に分散する。液体シリコン中のドーパント拡散率は固体シリコンに比べて約８桁のオーダーで大きいため、ドーパント２２２は溶融シリコン層２２０中にほぼ均一に分散し、拡散は液／固界面Ｉ１で停止する。図４Ｃに示すように、レーザービーム２３０のパルス間において、溶融層２２０は室温まで冷却されて結晶化し、ポリシリコン２１２およびポリシリコン２１２の下の伝搬（ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ）溶融層２２０ｂを形成する。伝搬溶融層２２０ｂはドーパント２２２を輸送し、溶融層が凝固するにつれて、溶融層に存在するドーパントの一部が凝固した多結晶層２１２中に取り込まれる。伝搬溶融層２２０ｂ中に残ったドーパント２２２の一部は溶融層とともに移動し、凝固層全体に均一に分散する。
【００２４】
図４Ｅに示すように、ポリシリコン層２１２は、シリコン結晶粒２１４と、結晶粒２１４および結晶粒界２１６全体に分布したドーパント２２２を含む。ドーパント２２２の濃度は固相中よりも液相中のほうが高いため、ドーパント２２２の大部分は伝搬溶融層２２０ｂ中に留まり、ごく一部が多結晶層２１２中に分布している。
【００２５】
ＸＲＣプロセスは、アモルファスシリコン２００とゲート絶縁層１１４の界面Ｉ２に到達するまで継続する。図４Ｄに示すように、ＸＲＣが終了すると、アモルファスシリコン２００は均一に分布したドーパント２２２の濃度を有するポリシリコン２１２に変態する。例えば、結晶粒のサイズは２０〜３０オングストロームであり、ドーパント濃度は、ボロンの場合には３×１０２０イオン／ｃｍ３、ヒ素の場合には５×１０２０イオン／ｃｍ３、リンの場合には１×１０２１イオン／ｃｍ３である。
【００２６】
レーザービーム２３０は、ネオジムＹＡＧレーザーによって発生するパルス放射線であり、５３２ｎｍの波長、１６ナノ秒のパルス幅、３〜１０Ｈｚの繰返し数、０．１〜０．３ジュール／ｃｍ２のエネルギーフルエンスを有する。
【００２７】
ポリシリコン層２１２の形成およびドーピング後、低温アニールを行なってドーパント２２２を活性化する。活性化アニール後、レジスト層を用いて層２１２およびゲート絶縁層１１４をパターニングすることによってポリシリコンゲートおよび絶縁層を選択的に形成あるいはエッチングし、ゲート本体（ゲート）１１２を形成する。ゲート形成後、エクステンション接合１１８ａ、１１８ｂをゲート１１２の両側の下部および近傍に形成する。その後のソース領域１０８およびドレイン領域１１０の形成と活性化は当業界では周知であり、米国特許第６，２７４，４８８号に記載されている。最後に、上述の引用文献に記載されているように金属コンタクト１１７ａ、１１７ｂ、１１７ｃを成膜する。
【００２８】
図５Ａに示すように、別の実施形態では、ゲート１１２は、図５Ｂに示すイオン注入法によりドーピングされたアモルファスシリコン２００を含む。ドーパント２２２は、アモルファスシリコン２００の上部層２２０に注入される。例えば、２００ｅＶから４００ＫｅＶのエネルギーおよび１×１０１４原子／ｃｍ２から１×１０１６原子／ｃｍ２のドーズ量を有するイオン注入ビームを、ドーパント２２２を注入するために使用する。シリコンゲートに使用されるドーパントの例としては、ボロン、ＢＦ２＋、ヒ素、リンなどが挙げられる。
【００２９】
イオン注入工程後、図５Ｃに示すように、レーザービーム２３０によってドーピングされたアモルファスシリコン２００の上部層２２０を溶融させる。図５Ｄに示すように、ＸＲＣによって、多結晶層２１２が形成され、溶融層２２０ｂが伝播する。注入されたドーパント２２２は、結晶粒２１４の内部および結晶層２１２の結晶粒界２１６の間に偏析するが、図４Ｅに示すように、ドーパントの大部分は溶融伝播層２２０ｂに留まる。ＸＲＣプロセスは、アモルファスシリコン２００とゲート絶縁層１１４の界面Ｉ２に到達するまで継続する。図５Ｅに示すように、ＸＲＣが終了すると、アモルファスシリコン２００はドーパント２２２の均一な濃度分布を有するポリシリコン２１２に変態する。
【００３０】
図６に示すように、レーザーアニール処理されたシリコン中に分布したボロンの二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）プロファイルでは、ボロン濃度は９０ｎｍまでの深さにわたって約１×１０２０イオン／ｃｍ３と一定であり、９０ｎｍから１１０ｎｍまでの２０ｎｍの範囲で急激にゼロまで減少している（曲線４）。曲線４のレーザーのエネルギーフルエンスは０．９Ｊ／ｃｍ２である。曲線１、２、３は、レーザーのエネルギーフルエンスが０．５５Ｊ／ｃｍ２、０．６０Ｊ／ｃｍ２、０．８０Ｊ／ｃｍ２の場合のＳＩＭＳプロファイルをそれぞれ示している。
【００３１】
別の実施形態では、波長が０．１〜２．０ミクロン、パルス幅が１〜１００ナノ秒、繰返し数が１〜１０００Ｈｚ、放射線エネルギーフルエンスが０．１〜１０Ｊ／ｃｍ２のレーザーによってレーザービームを発生させる。例えば、エネルギーフルエンスは０．４Ｊ／ｃｍ２で、好ましくは２００〜４００Ｈｚの繰返し数で１０〜１００ナノ秒のパルスを３〜１０個連続して発生させる。本発明の方法におけるプロセスマージンの範囲で操業する場合に必要とされる正確なレーザーフルエンス、パルス数、パルス持続時間、繰返し数などは、放射線源の種類（例えば、レーザー）およびアモルファスシリコン層２００の厚みによって異なる。したがって、ほとんどの半導体プロセスと同様に、これらのパラメータは経験的に決める必要がある。レーザーの例としては、１９３ｎｍの波長を有するＡｒＦ、２４８ｎｍの波長を有するＫｒＦ、３５１ｎｍの波長を有するＸｅＦ、３０８ｎｍの波長を有するＸｅＣｌなどのエキシマレーザーや、１０６４ｎｍのＮＤ−ＹＡＧレーザー、５３２ｎｍの周波数二倍Ｎｄ−ＹＡＧレーザー、約８００ｎｍのＡｌＧａＡｓダイオードレーザー、約８００ｎｍのＴｉ−サファイアレーザーなどの固体レーザーが挙げられる。ドーパント２２２は、ボロン、アルミニウム、ガリウム、インジウムなどのＰ型ドーパント、ヒ素、リン、アンチモンなどのＮ型ドーパントのいずれかであってもよい。
【００３２】
本発明の利点は次の通りである。レーザー誘導ＸＲＣプロセスによる熱収支および処理時間の減少によって、結晶粒内および結晶粒界にドーパントが均一に分布した微細なミクロ結晶粒構造がシリコンゲート内に形成される。ポリシリコンのエッチング速度は、活性ドーパント濃度に依存する。ＸＲＣ後のドーパントは活性化されておらず、均一に分布しているため、Ｎ型、Ｐ型ゲートのエッチングを同時に行うと、Ｎ型、Ｐ型ゲートに対して同じエッチング速度を有することになり、ドーズ量に依存しないエッチング速度が得られる。ドーパントは、ゲートエッチング後に低温アニールを使用して活性化することができる。このプロセスは、既存のＣＭＯＳプロセス技術に容易に組み込むことができ、ゲート空乏化やゲートリークの影響のないポリシリコンゲートを製造することによってデバイスの性能を改善することができる。
【００３３】
本発明の多くの特徴および利点は本明細書の詳細から明らかであり、したがって、本発明の精神と範囲に従って説明した装置に関するすべての特徴および利点を添付の請求の範囲によって網羅するものである。また、種々の変形や変更は当業者に容易に想到されるであろうため、本発明を本明細書で説明した構成と実施形態のみに限定すべきではない。したがって、他の実施形態は請求の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の熱アニールを施したときの、ポリシリコン中のボロンの二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）プロファイルを示す。
【図２Ａ】シリコン結晶基板の最上部に形成されたアモルファスシリコン層に対するレーザー照射を示す断面概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａのアモルファスシリコンのエクスプローシブ再結晶化（ＸＲＣ）の開始を示す断面概略図である。
【図２Ｃ】図２Ｂのアモルファスシリコンの中に埋め込まれた溶融層の伝播を示す断面概略図である。
【図３】金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の概略図である。
【図４Ａ】ドーピングされたアモルファスシリコンゲートを有するシリコン基板の断面概略図である。
【図４Ｂ】図４Ａのアモルファスシリコンゲートに対するレーザー照射を示す断面概略図である。
【図４Ｃ】図４ＢのアモルファスシリコンゲートのＸＲＣを示す断面概略図である。
【図４Ｄ】図４ＣのＸＲＣプロセスで形成されたドーピングされたポリシリコンゲートを示す断面概略図である。
【図４Ｅ】図４ＣのエリアＡを拡大した断面概略図である。
【図５Ａ】アモルファスシリコンゲートを有するシリコン基板の断面概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａのアモルファスシリコンゲートに対するイオン注入ドーピングを示す断面概略図である。
【図５Ｃ】図５Ｂのドーピングされたアモルファスシリコンゲートに対するレーザー照射を示す断面概略図である。
【図５Ｄ】図５ＣのアモルファスシリコンゲートのＸＲＣを示す断面概略図である。
【図５Ｅ】図５ＤのＸＲＣプロセスで形成されたドーピングされたポリシリコンゲートを示す断面概略図である。
【図６】異なるエネルギーフルエンスでレーザーアニールされたアモルファスシリコン中のボロンの二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）プロファイルを示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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