JPH06232069A - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

半導体装置の作製方法

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JPH06232069A
JPH06232069A JP5040572A JP4057293A JPH06232069A JP H06232069 A JPH06232069 A JP H06232069A JP 5040572 A JP5040572 A JP 5040572A JP 4057293 A JP4057293 A JP 4057293A JP H06232069 A JPH06232069 A JP H06232069A
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silicon film
semiconductor device
film
gate electrode
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Akira Takeuchi
晃 武内
Atsunori Suzuki
敦則 鈴木
Hideto Onuma
英人 大沼
Kouyuu Chiyou
宏勇 張
Shunpei Yamazaki
舜平 山崎
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高エネルギーのイオンを照射することによっ
て導入された不純物を有するシリコン半導体膜にパルス
レーザー光を照射することによって、活性化をおこなう
方法において、得られるシリコン膜の信頼性を向上させ
る方法を提供する。 【構成】 不純物のドーピングされたシリコン膜を１０
０〜５００℃の温度に保持して、レーザーを照射するこ
とによって、レーザー照射に伴う温度の変動を抑制し、
活性化の効率を高める。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】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】
【発明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１００〜５０
０℃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２００〜４００ｍ
Ｊ／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１
００〜５００℃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、Ｘｅ
Ｃｌ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、４０
０〜６５０ｎｍ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３０
ｎｓｅｃ）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４
５０℃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７
０５９）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Ｃ
ＶＤ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５
０００Å堆積し、これをパターニングしてゲイト電極１
５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２５００
Å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３００〜５００
Ω／□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／ｃ
ｍ2 、基板温度：室温、他は同一条件）で作製したＴＦ
Ｔ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０．１
Ｖ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７
０５９）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（〜２
０Ｗ）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３
０〜６０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５
０００Å堆積し、これをパターニングしてゲイト電極２
５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２５００
Å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
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 張 宏勇 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内 (72)発明者 山崎 舜平 神奈川県厚木市長谷398番地 株式会社半 導体エネルギー研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 不純物を有するシリコン膜を１００℃以
    上の温度に加熱し、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
    徴とする半導体装置の作製方法
  2. 【請求項２】 請求項１において、不純物は燐もしくは
    硼素の少なくとも一方を含有することを特徴とする半導
    体装置の作製方法
  3. 【請求項３】 請求項１において、パルスレーザー光の
    エネルギー密度は２００〜４００ｍＪ／ｃｍ2 であるこ
    とを特徴とする半導体装置の作製方法
  4. 【請求項４】 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。
  5. 【請求項５】 請求項４において、パルスレーザー光の
    波長は４００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装
    置の作製方法
  6. 【請求項６】 請求項４において、基板は主としてホウ
    珪酸を材料とするガラスであることを特徴とする半導体
    装置の作製方法
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