(57)【要約】【課題】  チャンバー解放後におけるイオン注入装置のダウンタイムを短縮化し、スループットの向上を図ることができる、イオン注入方法及び半導体装置の作製方法の提供を課題とする。特に、Ｂのイオン注入工程におけるスループットを高めることができるイオン注入方法及び半導体装置の作製方法の提供を課題とする。【解決手段】  ｐ型を付与する不純物とＨ2Ｏとをイオン源内に導入し、前記ｐ型を付与する不純物をイオン化し、半導体膜に注入することを特徴とするイオン注入方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型を付与する不純物とＨ2Ｏとをイオン源内に導入し、前記ｐ型を付与する不純物をイオン化し、半導体膜に注入することを特徴とするイオン注入方法。
【請求項２】
ｐ型を付与する不純物とＨ2Ｏが添加された不活性ガスとをイオン源内に導入し、前記ｐ型を付与する不純物をイオン化し、半導体膜に注入することを特徴とするイオン注入方法。
【請求項３】
請求項２において、前記不活性ガスは、窒素またはアルゴンであることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記ｐ型を付与する不純物は、ボロンを含むことを特徴とするイオン注入方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項において、前記ｐ型を付与する不純物はジボランであることを特徴とするイオン注入方法。
【請求項６】
ｐ型を付与する不純物とＨ2Ｏとをイオン源内に導入し、前記ｐ型を付与する不純物をイオン化し、半導体膜に注入することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項７】
ｐ型を付与する不純物とＨ2Ｏが添加された不活性ガスとをイオン源内に導入し、前記ｐ型を付与する不純物をイオン化し、半導体膜に注入することを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項８】
請求項７において、前記不活性ガスは、窒素またはアルゴンであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項９】
請求項６乃至請求項８のいずれか１項において、前記ｐ型を付与する不純物は、ボロンを含むことを特徴とする半導体装置の作製方法。
【請求項１０】
請求項６乃至請求項９のいずれか１項において、前記ｐ型を付与する不純物はジボランであることを特徴とする半導体装置の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入方法に関し、さらに該イオン注入方法を用いた半導体装置の作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオン注入法は不純物のドーピング法の一つであり、成膜時にドーピングする方法や熱拡散法等の他のドーピング法に比べて、イオン注入法はイオンの注入量と注入深さのコントロールの精度が圧倒的に高く、低濃度の制御が可能であるというメリットを有している。半導体装置に用いられるドーパントは、ｎ型ドーパントとｐ型ドーパントに大まかに分類することができる。ｎ型を付与する不純物元素は、ドナーとして機能するリン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の５族元素や硫黄（Ｓ）、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）等の６族元素等が知られており、工業的にはＰが主に用いられる。またｐ型を付与する不純物元素は、アクセプターとして機能するボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）等の３族元素や、亜鉛（Ｚｎ）等の２族元素等が知られており、工業的にはＢが主に用いられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
イオン注入は、チャンバー内において、イオン源によりイオンを生成し、電界を加えてイオン引き出し、分析マグネットで必要なイオンを分離して、必要な加速エネルギーまで静電的にイオン加速し、基板に成膜されている半導体膜にイオンを注入することで行なわれる。
【０００４】
通常、イオン注入装置におけるチャンバーへの基板の出し入れは、ロードロック室を介して行なわれるため、チャンバーを大気開放しないで装置を稼動させることが可能である。しかし、例えばメンテナンスなどのために定期的にチャンバーを大気開放する必要がある。この場合、チャンバーを大気開放した後にドーピングガスでチャンバー内を置換するのだが、大気開放によってチャンバー内に付着した水などの成分が、装置稼動後においてある程度の期間残留してしまう。そのため、イオン種の割合が安定化されるまで基板への処理を見合わせなくてはならず、エージングに４０〜５０時間もの長いダウンタイムを要するという問題があった。
【０００５】
また、ＢはＰに比べてイオン注入時におけるイオン種の割合が一般的に低いため、スループットの面で劣っている。ドーパントとなるガスの流量や濃度を高めることで、Ｂのイオン種の割合をある程度高めることは可能であるが、Ｐと同程度のスループットを得るためにはそれでも不十分であった。そして、ＢはＰに比べてイオン種の割合が低いのでよりばらつきの影響が出やすく、そのためチャンバーを大気開放した後、イオン種の割合を一定にするためにより長いダウンタイムを要するという問題があった。
【０００６】
本発明は上述した問題に鑑み、チャンバー解放後におけるイオン注入装置のダウンタイムを短縮化し、スループットの向上を図ることができる、イオン注入方法及び半導体装置の作製方法の提供を課題とする。特に、本発明はＢのイオン注入工程におけるスループットを高めることができるイオン注入方法及び半導体装置の作製方法の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、チャンバー内におけるイオン種の割合と、水分の濃度の経時変化が、互いに密接な関係を有することを見出した。図１に、マススペクトルから得られた、イオン注入装置のイオン源が有するフィラメントの使用時間に対する、Ｈ2Ｏの割合と、Ｂのイオン種の割合とを示す。なおドーパントとしてＢ2Ｈ6を用い、Ｈ2ＯはＨ3+に対する割合、Ｂのイオン種はＨ+、Ｈ2+、Ｈ3+、ＢＨx+、Ｂ2Ｈy+の和に対するＢ2Ｈy+の割合として示す。
【０００８】
図１から、フィラメントの使用時間が長くなるにつれ、多少上下の変動は見られるものの、チャンバー内のＨ2Ｏの割合が低下しており、４０時間後には限りなく０に近い値にまで収束している。一方、Ｂのイオン種の割合は、Ｈ2Ｏの割合が低下するのと同様に多少上下に変動しつつ低下しており、なおかつその上下の変動のタイミングが、Ｈ2Ｏの変動するタイミングと一致している。このことから、Ｈ2Ｏの割合とＢのイオン種の割合には何らかの相関関係があり、Ｈ2Ｏの存在によってＢのイオン種の生成が促進されていると予測される。
【０００９】
本発明のイオン注入方法及び半導体装置の作製方法では、上記現象を逆手に取り、ドーパントとして用いるガスと共に、チャンバー内にＨ2Ｏを継続的または連続的に供給し、チャンバー内における該Ｈ2Ｏの割合を一定に保つ。具体的な供給の仕方としては、Ｈ2Ｏを含む不活性ガスをチャンバー内に供給しても良いし、Ｈ2Ｏそのものを直接チャンバー内に供給することも可能である。
【００１０】
なお本発明の範疇に含まれる半導体装置には、マイクロプロセッサ、画像処理回路などの集積回路や、半導体表示装置等、ありとあらゆる半導体装置が含まれる。半導体表示装置には、液晶表示装置、有機発光素子（ＯＬＥＤ）に代表される発光素子を各画素に備えた発光装置、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐａｎｅｌ）、ＦＥＤ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙ）等や、半導体膜を用いた回路素子を駆動回路に有しているその他の表示装置がその範疇に含まれる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は上記構成によって、大気開放の有無に関わらずチャンバー内におけるＢのイオン種の割合を一定に保つことができる。よって、チャンバーを大気開放した後におけるイオン注入装置のダウンタイムを縮小化することができ、スループットを向上させることができる。また、チャンバー内にＨ2Ｏを供給することで、Ｈ2Ｏの濃度が限りなく０に収束しているときに比べて、Ｂのイオン種の割合を高めることができ、Ｂのイオン注入工程におけるスループットを高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、本発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
【００１３】
図２に、本発明のイオン注入方法及び半導体装置の作製方法で用いる、イオン注入装置の構成を示す。図２において、１０１はイオン源、１０２はチャンバー、１０３は基板１０４を載置するステージ、１０５はチャンバー１０２と真空排気系との間の弁として機能するバルブ、１０６はファラデーカップ、１０７は電流積算計に相当する。またチャンバー１０２にはロードロック室１０８が併設されており、ロードロック室１０８内にはチャンバー１０２へ基板１０４を搬送するための搬送手段１０９が設けられている。
【００１４】
チャンバー１０２へのドーパントとして用いるガスの供給は、ドーパント供給手段１１０、１１１によって行なうことができる。またチャンバー１０２への不活性ガスの供給は、不活性ガス供給手段１１２によって行なうことができる。そして、ドーパント供給手段１１０、１１１からチャンバー１０２に供給されるドーパントの流量は、流量制御手段１１３、１１４によって制御することができる。また、不活性ガス供給手段１１２からチャンバー１０２に供給される不活性ガスの流量は、流量制御手段１１５によって制御することができる。
【００１５】
なお図２では、２つのドーパント供給手段１１０、１１１を用いる形態を示しているが、ドーパント供給手段の数はこれに限定されず、実施者がその数を適宜決めることができる。ドーパントは、ｐ型を付与する不純物元素を用いることができ、例えばＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｚｎ等を用いることができる。ここではＢをドーパントとして用いると仮定する。
【００１６】
また１１６は、不活性ガス供給手段１１２からチャンバー１０２に供給される不活性ガスに、Ｈ2Ｏを添加するための手段（Ｈ2Ｏ供給手段）に相当する。なお図２では、Ｈ2Ｏを添加した不活性ガスをチャンバー１０２に供給する形態について示しているが、Ｈ2Ｏのチャンバー１０２への供給は、これに限定されない。Ｈ2Ｏを直接チャンバー１０２内に供給するようにしても良い。Ｈ2Ｏを供給するために用いる不活性ガスとして、例えば窒素、アルゴンなどを用いることができる。
【００１７】
なお図２では、ドーパントのガスとＨ2Ｏが添加された不活性ガスが、イオン源１０１に設けられたガスの導入口からチャンバー１０２に導入されている様子を示しているが、これらガスの導入口は図２に示す形態には限定されない。またイオン源１０１は、プラズマ生成の方法によって、高周波放電型と、直流アーク放電型とに分類されるが、本発明ではどちらのイオン源でも用いることが可能である。高周波放電型のイオン源１０１の構成を図４に、直流アーク放電型のイオン源１０１の構成を図５に示す。
【００１８】
図４に示す高周波放電型のイオン源１０１は、プラズマが生成されるプラズマソース１３０と、発生したイオンを引き出し、加速するための複数の電極を有する引出・加速電極系１３１と、該引出・加速電極系に加速電圧を印加するための複数の電源を有する加速電圧用電源系１３２と、プラズマの生成を制御するための高周波電源１３３と、マッチングボックス１３４とを有する。
【００１９】
図５に示す直流アーク放電型のイオン源１０１は、プラズマが生成されるプラズマソース１４０と、発生したイオンを引き出し、加速するための複数の電極を有する引出・加速電極系１４１と、該引出・加速電極系に加速電圧を印加するための複数の電源を有する加速電圧用電源系１４２と、プラズマの生成を制御するための直流電源１４３と、プラズマを発生させるためのフィラメント１４４及びアノードリング１４５と、フィラメント１４４の電位を制御するためのフィラメント電源１４６とを有している。
【００２０】
図４、図５に示すように、イオン源のガス導入口から導入された、Ｈ2Ｏが添加されたドーパントは、プラズマソース１３０、１４０においてイオン化される。なお図４、図５では、２段加速タイプのイオン源を示したが、本発明で用いることができるイオン源はこれに限定されず、一段加速タイプであっても良い。
【００２１】
なおチャンバー１０２に供給されるＨ2Ｏの量は、不活性ガスの流量、Ｈ2Ｏ供給手段１１６において供給されるＨ2Ｏの蒸気圧などによって制御することが可能である。また、実際にチャンバー１０２内におけるＨ2Ｏの濃度は、ＱＭＳなどの質量分析によって把握することができる。
【００２２】
図３に、Ｈ2Ｏ供給手段１１６の一形態を示す。図３に示すＨ2Ｏ供給手段は、Ｈ2Ｏが収容されたタンク１２０と、該タンク１２０に不活性ガスを供給するための導管１２１と、該タンク１２０から不活性ガスを排出するための導管１２３とが備えられている。導管１２１からタンク１２０内に供給された不活性ガスは、タンク１２０内に収容されているＨ2Ｏの中を潜ってから、導管１２３を介して排出されるため、導管１２３から排出される不活性ガスはＨ2Ｏが添加される。
【００２３】
また１２４は、タンク１２０内の温度を調節するための手段（温度調節手段）に相当する。温度調節手段１２４によりタンク１２０内の温度を調節することで、タンク１２０内の水の蒸気圧を制御することができる。導管１２３から排出される不活性ガス中のＨ2Ｏの量は、不活性ガスの流量、タンク１２０内の水の蒸気圧によって決まる。
【００２４】
本発明は上記構成によって、大気開放の有無に関わらずチャンバー内におけるＨ2Ｏの濃度を一定に保つことができ、よってＢのイオン種の割合を安定化させることができる。したがって、チャンバーを大気開放した後におけるイオン注入装置のダウンタイムを縮小化することができ、スループットを向上させることができる。また、チャンバー内にＨ2Ｏを供給することで、Ｈ2Ｏの濃度が限りなく０に収束しているときに比べて、Ｂのイオン種の割合を高めることができ、Ｂのイオン注入工程におけるスループットを高めることができる。
【実施例１】
【００２５】
次に、本発明の半導体装置の具体的な作製方法について説明する。なお本実施例では、ｎチャネル型ＴＦＴと、ｐチャネル型ＴＦＴとを同一基板上に作製する場合を例に挙げて説明する。
【００２６】
まず図６（Ａ）に示すように、基板５０１の絶縁表面上に、下地膜５０２を成膜する。基板５０１には、例えばバリウムホウケイ酸ガラスや、アルミノホウケイ酸ガラスなどのガラス基板、石英基板、セラミック基板等を用いることができる。また、ステンレス基板を含む金属基板、またはシリコン基板の表面に絶縁膜を形成したものを用いても良い。プラスチック等の可撓性を有する合成樹脂からなる基板は、一般的に上記基板と比較して耐熱温度が低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
【００２７】
下地膜５０２は基板５０１中に含まれるＮａなどのアルカリ金属やアルカリ土類金属が、半導体膜中に拡散し、半導体素子の特性に悪影響を及ぼすのを防ぐために設ける。よってアルカリ金属やアルカリ土類金属の半導体膜への拡散を抑えることができる酸化珪素や、窒化珪素、窒化酸化珪素などの絶縁膜を用いて下地膜５０２を形成する。本実施例では、プラズマＣＶＤ法を用いて窒化酸化珪素膜を１０〜４００ｎｍ（好ましくは５０〜３００ｎｍ）の膜厚になるように成膜した。
【００２８】
なお本明細書において酸化窒化珪素は、ＳｉＯｘＮｙ（ｘ＞ｙ）で表される絶縁膜であり、ＳｉＮｘＯｙ（ｘ＞ｙ）で表される窒化酸化珪素とは区別する。
【００２９】
なお下地膜５０２は単層であっても複数の絶縁膜を積層したものであっても良い。またガラス基板、ステンレス基板またはプラスチック基板のように、アルカリ金属やアルカリ土類金属が多少なりとも含まれている基板を用いる場合、不純物の拡散を防ぐという観点から下地膜を設けることは有効であるが、石英基板など不純物の拡散がさして問題とならない場合は、必ずしも下地膜を設ける必要はない。
【００３０】
次に下地膜５０２上に、活性層として用いる島状の半導体膜５０３、５０４を形成する。島状の半導体膜５０３、５０４の膜厚は２５〜１００ｎｍ（好ましくは３０〜６０ｎｍ）とする。なお島状の半導体膜５０３、５０４は、非晶質半導体であっても良いし、セミアモルファス半導体（微結晶半導体）または多結晶半導体であっても良い。また半導体は珪素だけではなくシリコンゲルマニウムも用いることができる。シリコンゲルマニウムを用いる場合、ゲルマニウムの濃度は０．０１〜４．５ａｔｏｍｉｃ％程度であることが好ましい。
【００３１】
多結晶半導体を用いる場合、まず非晶質半導体膜を成膜して、該非晶質半導体膜を公知の結晶化方法を用いて結晶化すれば良い。公知の結晶化方法としては、加熱器による加熱で結晶化を行なう方法、レーザー光の照射で結晶化を行なう方法、触媒金属を用いて結晶化を行なう方法、赤外光を用いて結晶化を行なう方法等が挙げられる。
【００３２】
例えばレーザ光を用いて結晶化する場合、パルス発振型または連続発振型のエキシマレーザー、ＹＡＧレーザー、ＹＶＯ4レーザー等を用いる。例えばＹＡＧレーザーを用いる場合、半導体膜に吸収されやすい第２高調波の波長を用いる。そして発振周波数３０〜３００ｋＨｚ、エネルギー密度を３００〜６００ｍＪ／ｃｍ2（代表的には３５０〜５００ｍＪ／ｃｍ2）とし、任意のポイントに数ショットずつ照射できるように走査速度を設定すると良い。
【００３３】
次に、図６（Ｂ）に示すように、島状の半導体膜５０３、５０４を覆うようにゲート絶縁膜５０６を成膜する。ゲート絶縁膜５０６は、後のゲート電極を形成するために行なうドライエッチングにおいて、その膜厚が１０〜２０ｎｍ程度減少するので、その減少分を考慮に入れて膜厚を設定するのが望ましい。具体的には４０〜１５０ｎｍ（より好ましくは６０〜１２０ｎｍ）程度の厚さにゲート絶縁膜を成膜する。
【００３４】
ゲート絶縁膜５０６には、例えば酸化珪素、窒化珪素または窒化酸化珪素等を用いることができる。また成膜方法は、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などを用いることができる。例えば、酸化珪素を用いたゲート絶縁膜をプラズマＣＶＤ法で成膜する場合、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｙｌ  Ｏｒｔｈｏｓｉｌｉｃａｔｅ）とＯ2を混合したガスを用い、反応圧力４０Ｐａ、基板温度３００〜４００℃、高周波（１３．５６ＭＨｚ）電力密度０．５〜０．８Ｗ／ｃｍ2とし、成膜する。
【００３５】
また窒化アルミニウムをゲート絶縁膜５０６として用いることができる。窒化アルミニウムは熱伝導率が比較的高く、ＴＦＴで発生した熱を効率的に発散させることができる。またアルミニウムの含まれない酸化珪素や酸化窒化珪素等を形成した後、窒化アルミニウムを積層したものをゲート絶縁膜として用いても良い。
【００３６】
次に図６（Ｃ）に示すように、ゲート絶縁膜５０６上に導電膜５０７を成膜する。導電膜５０７は、単層で形成しても良いし、必要に応じて二層あるいは三層といった複数の層から成る積層構造としても良い。本実施例では、Ｗを用い、膜厚３００ｎｍとなるように、導電膜５０７を形成する。
【００３７】
具体的に各導電膜には、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｕから選ばれた元素、または前記元素を主成分とする合金もしくは化合物で形成することができる。例えば１層目がＴａで２層目がＷ、または１層目がＴａＮで２層目がＡｌ、１層目がＴａＮで２層目がＣｕといった組み合わせも考えられる。また１層目と２層目のいずれか一方にＡｇＰｄＣｕ合金を用いても良い。Ｗ、ＡｌとＳｉの合金（Ａｌ−Ｓｉ）、ＴｉＮを順次積層した３層構造としてもよい。Ｗの代わりに窒化タングステンを用いてもよいし、ＡｌとＳｉの合金（Ａｌ−Ｓｉ）に代えてＡｌとＴｉの合金膜（Ａｌ−Ｔｉ）を用いてもよいし、ＴｉＮに代えてＴｉを用いてもよい。ただし、複数の導電膜を成膜する場合、エッチング後に各層の導電膜の、チャネル長方向における幅に差を持たせたいならば、互いにエッチングの選択比のとれる材料を用いる。
【００３８】
例えば、２０〜１００ｎｍの厚さのＴａＮからなる導電膜と、１００〜４００ｎｍの厚さのＷからなる導電膜とを積層することで、導電膜５０７を形成しても良い。この場合、ＴａＮは、ターゲットに純度９９．９９％のＴａを用い、チャンバー内の温度を室温、Ａｒの流量を５０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｎ2の流量を１０ｍｌ／ｍｉｎ、チャンバー内の圧力０．６Ｐａ、成膜電力１ｋＷとし、成膜速度約４０ｎｍ／ｍｉｎで成膜することができる。またＷは、ターゲットに純度９９．９９％のＷを用い、チャンバー内の温度を２３０℃、Ａｒの流量を１００ｍｌ／ｍｉｎ、チャンバー内の圧力１．５Ｐａ、成膜電力６ｋＷとし、成膜速度約３９０ｎｍ／ｍｉｎで成膜することができる。
【００３９】
なお、導電膜の材料によって、適宜最適なエッチングガスを選択することが重要である。また各導電層の材料は本実施例に示したものに限定されない。
【００４０】
次に図７（Ａ）に示すように、導電膜５０７をパターニングし、ゲート電極５０８、５０９を形成する。本実施例ではＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いて行なった。エッチングガスとしてＣｌ2とＣＦ4を混合したガスを用い、１Ｐａの圧力で３．２Ｗ／ｃｍ2のＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入してプラズマを形成してエッチングを行なう。基板側（試料ステージ）にも２２４ｍＷ／ｃｍ2のＲＦ（１３．５６ＭＨｚ）電力を投入し、これにより実質的に負の自己バイアス電圧が印加される。この条件でＷ膜のエッチング速度は約１００ｎｍ／ｍｉｎである。上記エッチングにより、ゲート電極５０８、５０９の側面がややテーパー状になる。また導電膜の残渣を残さないようにエッチングすると、ゲート電極５０８、５０９で覆われていないゲート絶縁膜５０６の表面が、５〜１０ｎｍ程度またはそれ以上エッチングされることがある。
【００４１】
次に図７（Ｂ）に示すように、ゲート電極５０８、５０９をマスクとして用い、島状の半導体膜５０３、５０４にｎ型の導電性を付与する不純物（ドーパント）を添加する（第１のドーピング処理）。ドーピングはイオン注入法で行なう。ドーピングは、ドーズ量を１×１０13〜１×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2、加速電圧を３０〜９０ｋＶとして行なう。ｎ型を付与する不純物元素は、ドナーとして機能するＰ、Ａｓ、Ｓｂ等の５族原子やＳ、Ｔｅ、Ｓｅ等の６族原子を用いるが、本実施例ではＰを用いる。第１のドーピング処理により、自己整合的に第１の不純物領域５１０〜５１３が形成される。第１の不純物領域５１０〜５１３には１×１０18〜１×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素が添加されている。
【００４２】
次に図７（Ｃ）に示すように、半導体膜５０４全体を覆うようにレジストマスク５２０を形成し、第２のドーピング処理を行なう。第２のドーピング処理は、第１のドーピング処理と同じｎ型の不純物元素をドーパントとして用い、加速電圧を５０〜１５０ｋＶとし、ドーズ量を１×１０15〜１×１０17ｉｏｎｓ／ｃｍ2とする。
【００４３】
第２のドーピング処理により、島状の半導体膜５０３には、レジストマスク５２０と重なる領域に第２の不純物領域５２１、５２２と、第１の不純物領域５１０、５１１に不純物がさらに添加されることで形成される第３の不純物領域５２３、５２４とが形成される。第２の不純物領域５２１、５２２には５×１０17〜５×１０19ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素を添加され、第３の不純物領域５２３、５２４には１×１０19〜５×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3の濃度範囲でｎ型を付与する不純物元素が添加される。第２の不純物領域５２１、５２２はＬｏｆｆ領域、第３の不純物領域５２３、５２４はソース領域またはドレイン領域に相当する。
【００４４】
なお、ｐチャネル型のＴＦＴが形成される島状の半導体膜５０４には、図７（Ｂ）に示した第１のドーピング処理によりｎ型の不純物をドーピングする必要はないため、第１のドーピングの際に、半導体膜５０４をレジストマスクで覆っておいても良い。また、レジストマスク数削減のために敢えてレジストマスクを設けず、ｐ型の導電型を付与する不純物の濃度を高くして、島状の半導体膜の極性をｐ型に反転させても良い。本実施例では、島状の半導体膜の極性をｐ型に反転させる場合について説明する。
【００４５】
次に図８（Ａ）に示すように、レジストからなるレジストマスク５３０でｎチャネル型の島状の半導体膜５０３を覆い、島状の半導体膜５０４にｐ型の導電型を付与する不純物をドーピングする（第３のドーピング処理）。この第３のドーピング処理において、ゲート電極５０９がマスクとして機能し、ｐチャネル型ＴＦＴに用いる島状の半導体膜５０４にｐ型を付与する不純物が添加された第４の不純物領域５３１が形成される。本実施例ではジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用いたイオン注入法で第４の不純物領域５３１を形成する。
【００４６】
なお本実施例ではｐ型を付与する不純物元素としてＢを用いているが、本発明はこれに限定されず、上述したｐ型を付与する不純物元素であれば他の不純物元素を用いることができる。また本実施例ではＢを含む不純物としてジボランを用いているが、本発明はこれに限定されず、Ｂを含む他の不純物、例えばＢＦ3等を用いても良い。
【００４７】
本実施例では、ジボランの濃度が３〜３０％程度となるように水素で希釈したガスと、Ｈ2Ｏが添加された不活性ガスとをイオン注入装置のチャンバー内に流し、Ｂのイオン注入を行なう。本実施例では、ジボランの濃度が５％となるように水素で希釈したガスを、９０ｓｃｃｍの流量となるようにチャンバー内に流す。また不活性ガスとして窒素を用い、Ｈ2Ｏを添加した窒素を、例えば５ｓｃｃｍの流量でチャンバー内に流す。添加するＨ2Ｏの量は、チャンバー内においてＨ3+に対するＨ2Ｏの成分比が、例えば０．１〜１となる程度である。なお添加するＨ2Ｏの量はこの値に限定されず、チャンバー内におけるＨ2Ｏの量がチャンバーの開閉に関わらず一定になるように、実施者が適宜Ｈ2Ｏの量を定めれば良い。
【００４８】
第４の不純物領域５３１では、ｐ型を付与する不純物元素の濃度が２×１０20〜２×１０21ａｔｏｍｓ／ｃｍ3となるようにドーピング処理することで、ｐ型が優勢となるため、第４の不純物領域５３１はｐチャネル型ＴＦＴのソース領域およびドレイン領域として機能する。
【００４９】
以上までの工程で島状の半導体膜５０３、５０４に不純物領域が形成される。
【００５０】
次に図８（Ｂ）に示すように、島状の半導体膜５０３、５０４と、ゲート絶縁膜５０６と、ゲート電極５０８、５０９と覆って、第１の層間絶縁膜５３２を成膜する。第１の層間絶縁膜５３２は、珪素を含む酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素などの絶縁膜を用いることができ、その厚さは１００〜２００ｎｍ程度とする。
【００５１】
次に、島状の半導体膜５０３、５０４に添加された不純物元素を活性化するために、熱処理を行なう。この工程はファーネスアニール炉を用いる熱アニール法、レーザーアニール法、またはラピッドサーマルアニール法（ＲＴＡ法）を用いることができる。例えば熱アニール法で活性化を行なう場合、酸素濃度が１ｐｐｍ以下、好ましくは０．１ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で、４００〜７００℃（好ましくは５００〜６００℃）で行なう。さらに、３〜１００％の水素を含む雰囲気中で、３００〜４５０℃で１〜１２時間の熱処理を行ない、島状の半導体膜を水素化する工程を行なう。この工程は、熱的に励起された水素によりダングリングボンドを終端する目的で行なわれる。水素化の他の手段として、プラズマ水素化（プラズマにより励起された水素を用いる）を行っても良い。また活性化処理は第１の層間絶縁膜５３２を成膜する前に行っても良い。
【００５２】
上記一連の工程によって、ｎチャネル型ＴＦＴ５３３と、ｐチャネル型ＴＦＴ５３４とを、同一基板上に形成することができる。
【００５３】
次に図８（Ｃ）に示すように、第１の層間絶縁膜５３２を覆うように、第２の層間絶縁膜５３７と第３の層間絶縁膜５３８を成膜する。第２の層間絶縁膜５３７として、有機樹脂膜、無機絶縁膜、有機ポリシロキサン等を用いることができる。本実施例では、第２の層間絶縁膜５３７を有機樹脂膜の一つである、非感光性のアクリルを用いて形成する。
【００５４】
次いで、ゲート絶縁膜５０６、第１の層間絶縁膜５３２、第２の層間絶縁膜５３７及び第３の層間絶縁膜５３８をエッチングし、コンタクトホールを形成する。そして、島状の半導体膜５０３、５０４とコンタクトを形成する配線５３９を形成する。
【００５５】
図８（Ｃ）に示した工程の後、半導体表示装置に用いられる液晶セル、発光素子など、電気信号に従って階調を表示することができる素子（表示素子）を作製する工程が行なわれる。
【００５６】
なお、閾値電圧を制御するためにチャネル形成領域に、導電型を付与する不純物を添加（チャネルドープ）する工程を設けても良い。例えば、ｐ型を付与する不純物をチャネルドープする場合、第３のドーピング処理と同様に、ジボランの濃度が１〜３０％程度となるように水素で希釈したガスと、Ｈ2Ｏが添加された不活性ガスとをイオン注入装置のチャンバー内に流し、Ｂのイオン注入を行なう。そして、ジボランの濃度が１％となるように水素で希釈したガスを、３０〜６０ｓｃｃｍの流量となるようにチャンバー内に流す。また不活性ガスとして窒素を用いる場合、Ｈ2Ｏを添加した窒素を、例えば５ｓｃｃｍの流量でチャンバー内に流す。添加するＨ2Ｏの量は、チャンバー内においてＨ3+に対するＨ2Ｏの成分比が、例えば０．１〜１となる程度である。なお添加するＨ2Ｏの量はこの値に限定されず、チャンバー内におけるＨ2Ｏの量がチャンバーの開閉に関わらず一定になるように、実施者が適宜Ｈ2Ｏの量を定めれば良い。
【００５７】
なお本実施例では、トップゲート型のＴＦＴを用いた半導体装置の作製方法について示しているが、本発明はこれに限定されない。ボトムゲート型のＴＦＴを用いた半導体装置の作製方法にも、本発明を適用させることが可能である。
【００５８】
本発明は、必ずしも本実施例に示す作製方法に限定されない。上述した作製方法は本発明の一実施形態について具体的に説明しただけであり、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
【実施例２】
【００５９】
本実施例では、チャンバーを大気開放した後に、チャンバー内の不純物を除去するためのエージングの時間と、エージング後にボロンのドーピングを行なった半導体膜中のボロン濃度、酸素濃度、水素濃度の関係について説明する。
【００６０】
図９に、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）にて測定した、サンプルの深さ（ｎｍ）に対するボロンの濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を、６時間後、２０時間後、３６時間後、７０時間後の、各エージングの時間ごとに示す。なおＳＩＭＳ測定に用いたサンプルは、半導体膜にそのままボロンをドーピングしたものを用いている。実際に作製されるＴＦＴは、膜厚８０ｎｍ程度のゲート絶縁膜を膜厚５０ｎｍ程度の半導体膜上に成膜してからドーピングが行なわれていると仮定すると、ソース領域またはドレイン領域における濃度分布は、図９に示した深さ８０ｎｍ〜１３０ｎｍにおける濃度分布に相当すると予測される。
【００６１】
また、実際に作製されるＴＦＴで、ゲート絶縁膜上に形成されたゲート電極を透過するように半導体膜にドーピングが行なわれている場合、該ゲート絶縁膜を介してゲート電極と重なる不純物領域（Ｌｏｖ領域）が形成される。ゲート電極は半導体膜よりもイオン注入の際にイオンを透過しにくいので、ゲート電極の膜厚の２倍が半導体膜の膜厚に相当すると仮定する。よって、この場合、ゲート絶縁膜の膜厚を８０ｎｍ程度、半導体膜の膜厚５０ｎｍ程度、ゲート電極の膜厚を２５ｎｍ程度と仮定すると、Ｌｏｖ領域における濃度分布は、図９に示した深さ１６０ｎｍ〜２１０ｎｍにおける濃度分布に相当すると予測される。
【００６２】
図９に示すボロンの濃度分布から、エージングの時間が短いほど半導体膜中のボロンの濃度は高く、エージングの時間が長いほど半導体膜中のボロンの濃度は低くなっていることがわかる。
【００６３】
次に図１０に、ＳＩＭＳにて測定した、サンプルの深さ（ｎｍ）に対する酸素の濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を、６時間後、２０時間後、３６時間後、７０時間後の、各エージングの時間ごとに示す。ＳＩＭＳ測定に用いたサンプルは、図９の場合と同じである。図１０に示す酸素の濃度分布から、エージングの時間が短いほど半導体膜中の酸素の濃度は高く、エージングの時間が長いほど半導体膜中の酸素の濃度は低くなっていることがわかる。
【００６４】
次に図１１に、ＳＩＭＳにて測定した、サンプルの深さ（ｎｍ）に対する水素の濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ3）を、６時間後、２０時間後、３６時間後、７０時間後の、各エージングの時間ごとに示す。ＳＩＭＳ測定に用いたサンプルは、図９の場合と同じである。図１１に示す水素の濃度分布から、深さ１００ｎｍより浅い領域で、エージングの時間が短いほど半導体膜中の水素の濃度は高く、エージングの時間が長いほど半導体膜中の水素の濃度は低くなっていることがわかる。逆に深さ１００ｎｍよりも深い領域で、エージングの時間が短いほど半導体膜中の水素の濃度は低く、エージングの時間が長いほど半導体膜中の水素の濃度は高くなっていることがわかる。
【００６５】
次に、チャンバー内の不純物を除去するためのエージングの時間と、エージング後にドーピングを行なった半導体膜を用いて、ＴＦＴを形成し、該ＴＦＴのソースとドレイン間の抵抗値を測定した結果を、図１３に示す。まず、サンプルとして用いたＴＦＴの作製方法について、図１２を用いて説明する。
【００６６】
まず図１２（Ａ）に示すように、基板０７の絶縁表面上に半導体膜０８、０９を形成した。本実施例では、半導体膜０８、０９として多結晶半導体を用いている。そして半導体膜０８、０９の膜厚は５０ｎｍとした。次に酸化珪素を用いて、半導体膜０８、０９上に膜厚１１５ｎｍのゲート絶縁膜０６と、膜厚３０ｎｍのＴａＮと、膜厚３７０ｎｍのＷとを順に成膜した。そしてマスク１０を用いて上記ＴａＮと、Ｗをエッチングし、２層の導電膜１１（下層が１１ａ、上層が１１ｂ）、１２（下層が１２ａ、上層が１２ｂ）を形成する。
【００６７】
次に図１２（Ｂ）に示すように、上記エッチング処理で表面がエッチングされて幅が小さくなったマスク１０を用い、２層の導電膜１１、１２エッチングし、２層の導電膜からなるゲート電極１３（下層が１３ａ、上層が１３ｂ）、１４（下層が１４ａ、上層が１４ｂ）が形成された。なおゲート電極１３は、下層１３ａのチャネル長方向における幅が上層１３ｂよりも長くなるようにエッチングする。またゲート電極１４は、下層１４ａのチャネル長方向における幅が上層１４ｂよりも長くなるようにエッチングする。上述した２回のエッチング処理により、ゲート絶縁膜０６、ゲート電極１３、１４とは重ならずに露出した部分がエッチングされ、膜厚８０ｎｍとなる。
【００６８】
次に図１２（Ｃ）に示すように、ゲート電極１３、１４をマスクとして用い、半導体膜０８、０９にリンを添加した（第１のドーピング処理）。ドーピングはイオン注入法で行なった。ドーピングは、ドーズ量を７×１０13ｉｏｎｓ／ｃｍ2、加速電圧を５０ｋＶとして行なった。第１のドーピング処理により、自己整合的に第１の不純物領域１５、１６が形成された。
【００６９】
次に図１２（Ｃ）に示すように、ゲート電極１３、１４のうち、上層１３ｂ、１４ｂのみをマスクとして用い、第２のドーピング処理を行なった。第２のドーピング処理では、下層１３ａ、１４ａを不純物が通過するように、加速電圧を６５ｋＶとし、ドーズ量を３×１０15ｉｏｎｓ／ｃｍ2としてドーピングを行った。第２のドーピング処理により、ゲート電極１３、１４と重ならずに露出している領域に、第２の不純物領域１８、２０が形成された。また、ゲート電極１３、１４のうち下層１３ａ、１４ａとのみ重なる領域に第３の不純物領域１７、１９が形成された。
【００７０】
続いて、図１２（Ｄ）に示すように、第３のドーピング処理を行なった。第３のドーピング処理は、ドーパントとしてジボラン（Ｂ2Ｈ6）を用い、半導体膜０８をマスク２１で覆って行なった。そして加速電圧を８０ｋＶとし、ドーズ量を２×１０16ｉｏｎｓ／ｃｍ2とした。第３のドーピング処理により、ゲート電極１４の上層１４ｂと重ならずに露出している領域に、第４の不純物領域２２、２３が形成される。なお第４の不純物領域２２、２３のうち、第４の不純物領域２２のみがゲート電極１４の下層１４ａと重なっている。
【００７１】
次に、図１２（Ｅ）に示すように、パッシベーション膜２４を成膜した。そして、半導体膜０８、０９に添加された不純物元素を活性化するために、水素を含む雰囲気中で熱処理を行なった。
【００７２】
上記一連の工程によって作製されたｐ型のＴＦＴ２５の、ソースとドレイン間の抵抗値を、図１３に示す。なお図１３では、第３のドーピング処理におけるソースドレイン間の抵抗値を、６時間後、２０時間後、３６時間後、７０時間後の、各エージングの時間ごとに示す。図１３から、エージング時間が短いほど、ソースとドレイン間の抵抗値が低くなっていることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】フィラメントの使用時間に対するＨ2Ｏの成分比と、Ｂイオン種の割合を示すグラフ。
【図２】本発明で用いるイオン注入装置の構成を示す図。
【図３】Ｈ2Ｏ供給手段の構成を示す図。
【図４】高周波放電型のイオン源の構成を示す図。
【図５】直流アーク放電型のイオン源の構成を示す図。
【図６】本発明の半導体装置の作製方法を示す図。
【図７】本発明の半導体装置の作製方法を示す図。
【図８】本発明の半導体装置の作製方法を示す図。
【図９】ＳＩＭＳ測定によるボロンの濃度分布を示すグラフ。
【図１０】ＳＩＭＳ測定によるボロンの濃度分布を示すグラフ。
【図１１】ＳＩＭＳ測定によるボロンの濃度分布を示すグラフ。
【図１２】実施例２においてソースとドレイン抵抗の測定に用いたサンプルの作製方法を示す図。
【図１３】エージング時間ごとのソースとドレイン抵抗の実測値。
【符号の説明】
【００７４】
０６    ゲート絶縁膜
０７    基板
０８    半導体膜
１０    マスク
１１    導電膜
１３    ゲート電極
１３ａ    下層
１３ｂ    上層
１４    ゲート電極
１４ａ    下層
１４ｂ    上層
１５    不純物領域
１７    不純物領域
１８    不純物領域
２１    マスク
２２    不純物領域
２４    パッシベーション膜
２５    ＴＦＴ
１０１    イオン源
１０２    チャンバー
１０４    基板
１０８    ロードロック室
１０９    搬送手段
１１０    ドーパント供給手段
１１２    不活性ガス供給手段
１１３    流量制御手段
１１５    流量制御手段
１１６    Ｈ2Ｏ供給手段
１３０    プラズマソース
１３１    引出・加速電極系
１３２    加速電圧用電源系
１３３    高周波電源
１３４    マッチングボックス
１４０    プラズマソース
１４１    引出・加速電極系
１４２    加速電圧用電源系
１４３    直流電源
１４４    フィラメント
１４５    アノードリング
１４６    フィラメント電源
１２０    タンク
１２１    導管
１２３    導管
１２４    温度調節手段
５０１    基板
５０２    下地膜
５０３    半導体膜
５０４    半導体膜
５０６    ゲート絶縁膜
５０７    導電膜
５０８    ゲート電極
５０９    ゲート電極
５１０    不純物領域
５２０    レジストマスク
５２１    不純物領域
５２３    不純物領域
５３０    レジストマスク
５３１    不純物領域
５３２    層間絶縁膜
５３３    ｎチャネル型ＴＦＴ
５３４    ｐチャネル型ＴＦＴ
５３７    層間絶縁膜
５３８    層間絶縁膜
５３９    配線
【図１】
2005101573.tif 000003
【図２】
2005101573.tif 000004
【図３】
2005101573.tif 000005
【図４】
2005101573.tif 000006
【図５】
2005101573.tif 000007
【図６】
2005101573.tif 000008
【図７】
2005101573.tif 000009
【図８】
2005101573.tif 000010
【図９】
2005101573.tif 000011
【図１０】
2005101573.tif 000012
【図１１】
2005101573.tif 000013
【図１２】
2005101573.tif 000014
【図１３】
2005101573.tif 000015