JPH0822964A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、イオン注入法による多結晶シリコ
ン膜の非晶質化、その後の熱処理による非晶質層の再結
晶化によって、所望の抵抗値を得る。 【構成】 第１工程で、基体11上に多結晶シリコン層12
を形成した後、イオン注入法によって多結晶シリコン層
12に選択的に不純物イオン61を注入する。その際にイオ
ン注入エネルギーを制御して不純物イオン61の注入深さ
を設定することで、多結晶シリコン層12の上層にイオン
注入深さに対応した非晶質層13を形成する。そして第２
工程で、熱処理による再結晶化によって、非晶質層13下
方の多結晶シリコン層12の厚さに対応した結晶粒径の多
結晶シリコン層14を形成する。上記イオン注入エネルギ
ーの制御は、不純物イオン61を透過するもので多結晶シ
リコン層12を選択的に覆う被覆層（図示省略）の厚さを
制御することによっても行える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の抵抗、配
線、拡散層等に利用する半導体装置の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置における多結晶シリコン膜
は、ゲート電極、拡散源、コンタクト開口部、配線、抵
抗、薄膜トランジスタ〔ＴＦＴ（Thin Film Transist
or）〕等、多くに用いられている。そして用途に応じ
て、多結晶シリコン膜を成膜した後、イオン注入法、拡
散法等によって、多結晶シリコン膜に不純物をドーピン
グしていた。または不純物イオンを含む状態で多結晶シ
リコン膜を成膜していた。例えば、ＣＶＤ法によって行
っていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記多
結晶シリコン膜にイオン注入を行う場合、多結晶シリコ
ン膜の結晶粒径を精密に制御した状態にはなっていな
い。そのため、多結晶シリコン膜の抵抗値が設計値通り
にならない。例えば、拡散源としてＤＯＰＯＳ（ドープ
ト多結晶シリコン）を用いる代わりにイオン注入を行っ
た多結晶シリコンを用いるプロセスを開発しても、その
後の熱処理によって、イオン注入した不純物イオンの拡
散と多結晶シリコン膜の結晶化が同時に起こる。そのた
め、ＤＯＰＯＳを用いた場合と異なった特性（例えば抵
抗値）の多結晶シリコンが形成される。このような多結
晶シリコン膜を電極材料として用いた場合には、設計値
通りの特性が得られないことになる。さらに、結晶化に
よって形成される結晶の粒径によって、多結晶シリコン
膜の抵抗値が異なる。このため、所望の抵抗値を有する
多結晶シリコン膜を形成することができない。

【０００４】本発明は、部分的に多結晶シリコン膜の結
晶粒径を制御することによって部分的に所望の抵抗値を
有する多結晶シリコン膜が得られる半導体装置の製造方
法を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされた半導体装置の製造方法である。す
なわち、第１の方法は、まず第１工程で、基体上に多結
晶シリコン層を形成した後、イオン注入法によって、多
結晶シリコン層に対して選択的に不純物イオンを注入す
る。その際に、イオン注入エネルギーを制御して不純物
イオンの注入深さを設定することで、多結晶シリコン層
の少なくとも上層にイオン注入深さに対応した非晶質層
を形成する。そして第２工程で、熱処理を行って、非晶
質層の下方に残した多結晶シリコン層の厚さに対応させ
てその非晶質層を結晶化して、初めの多結晶シリコン層
とは異なる結晶粒径を有する多結晶シリコン層を形成す
る。

【０００６】第２の方法は、第１工程で、基体上に多結
晶シリコン層を形成した後、その多結晶シリコン層を選
択的に覆う被覆層を形成する。次いで第２工程で、イオ
ン注入法によって、被覆層を通して多結晶シリコン層に
不純物イオンを注入する。それとともに被覆層に覆われ
ていない部分の多結晶シリコン層に不純物イオンを注入
する。そして被覆層で覆われている部分の多結晶シリコ
ン層の上層に第１非晶質層を形成し、被覆層に覆われて
いない部分の多結晶シリコン層の上層に第１非晶質層よ
りも厚い第２非晶質層を形成する。その後第３工程で、
熱処理を行って、第１非晶質層と第２非晶質層とを結晶
化して、第１非晶質層側に第１多結晶シリコン層を形成
する。それとともに、第２非晶質層側に第１多結晶シリ
コン層よりも結晶粒径の大きい第２多結晶シリコン層形
成する。

【０００７】第３の方法は、第１工程で、半導体基体上
に多結晶シリコン層を形成した後、イオン注入法によっ
て多結晶シリコン層に対して選択的に不純物イオンを注
入する際に、イオン注入エネルギーを制御して不純物イ
オンの注入深さを設定することで、その多結晶シリコン
層の少なくとも上層にイオン注入深さに対応した非晶質
層を形成する。次いで第２工程で、熱処理を行って、非
晶質層の下方に残した多結晶シリコン層の厚さに対応さ
せて、その非晶質層を結晶化して、初めに形成した多結
晶シリコン層とは異なる結晶粒径の多結晶シリコン層を
形成する。それとともに、多結晶シリコン層中に注入さ
れた不純物イオンを半導体基体の表層に拡散して不純物
拡散層を形成する。

【０００８】第４の方法は、第１工程で、半導体基体上
に多結晶シリコン層を形成した後、イオン注入法によっ
て、選択的にかつ多結晶シリコン層の膜厚方向の全域に
不純物イオンを注入して、不純物イオンを注入した領域
を非晶質層に改質する。そして第２工程で、熱処理を行
って、非晶質層を単結晶的シリコン層に改質する。それ
とともに、非晶質層中の不純物イオンを半導体基体の表
層に拡散して不純物拡散層を形成する。

【０００９】上記イオン注入の際の非晶質層の深さｔの
制御は、ＬＳＳ（Lindhard,Scharff,Schiott）理論に基
づいて，イオンの投影飛程Ｒｐとその投影飛程分散ΔＲ
ｐを用いて、ｔ＝Ｒｐ＋κ・ΔＲｐ、２≦κ≦５なる式
によって設定されるイオン注入エネルギーによって行
う。

【００１０】また、上記イオン注入は、不純物イオンの
入射角を所定の角度に設定した斜めイオン注入法で行
う。

【００１１】上記不純物イオンには、シリコンおよびシ
リコンよりも重い元素のうちの少なくとも一種以上のイ
オンを用いる。

【００１２】

【作用】第１の方法では、イオン注入法によって、多結
晶シリコン層に対して選択的に不純物イオンを注入する
際に、イオン注入エネルギーを制御して不純物イオンの
注入深さを設定することから、多結晶シリコン層の少な
くとも上層にはイオン注入深さに対応した非晶質層が形
成される。そして、熱処理を行うことから、非晶質層
は、その下層に残した多結晶シリコン層の厚さに対応し
て、初めに形成した多結晶シリコン層とは異なる結晶粒
径を有する多結晶シリコン層になる。

【００１３】第２の方法では、多結晶シリコン層を選択
的に覆う被覆層を形成した後、イオン注入法によって被
覆層で覆われている部分を含む多結晶シリコン層に不純
物イオンを注入することから、被覆層で覆われている多
結晶シリコン層の上層には、不純物イオンが浅く注入さ
れて浅い第１非晶質層が形成される。一方、被覆層に覆
われていない部分の多結晶シリコン層の上層には不純物
イオンが深く注入されて、第１非晶質層よりも厚い第２
非晶質層が形成される。その後熱処理を行うことから、
第１，第２非晶質層は、各下面側に残っている多結晶シ
リコン層の結晶を引き継いで結晶化される。その際、残
っている多結晶シリコン層の厚さに対応して、結晶粒径
の大きさが決まるため、より多くの多結晶シリコン層が
残っている第１非晶質層側に形成される第１多結晶シリ
コン層のほうが第２非晶質層側に形成される第２多結晶
シリコン層よりも結晶粒径が小さくなる。

【００１４】第３の方法では、多結晶シリコン層に対し
て選択的に不純物イオンを注入する際のイオン注入エネ
ルギーを制御することから、不純物イオンの注入深さが
変わる。このため、多結晶シリコン層にはイオン注入深
さに対応した非晶質層が形成される。そして熱処理を行
うことによって、非晶質層は結晶化される。それととも
に、多結晶シリコン層中に注入された不純物イオンが半
導体基体に拡散することから、この半導体基体の表層に
不純物拡散層が形成される。

【００１５】第４の方法では、半導体基体上に多結晶シ
リコン層を形成した後、イオン注入法によって、選択的
にかつ多結晶シリコン層の膜厚方向の全域に不純物イオ
ンを注入することから、不純物イオンを注入した多結晶
シリコン層の膜厚方向の全域が非晶質層になる。そして
熱処理を行うことから、非晶質層は半導体基体の結晶を
引き継いで、例えば半導体基体が単結晶で結晶されてい
れば単結晶的シリコン層になる。それとともに、非晶質
層中の不純物イオンは半導体基体の表層に拡散して不純
物拡散層を形成する。

【００１６】上記イオン注入で形成される非晶質層の深
さｔの制御は、ＬＳＳ理論に基づいてイオンの投影飛程
Ｒｐとその投影飛程分散ΔＲｐを用いて、ｔ＝Ｒｐ＋κ
・ΔＲｐ、４≦κ≦５なる式によって設定されるイオン
注入エネルギーによって行うことから、ほぼ正確に、不
純物イオンの注入深さが設定される。したがって、非晶
質化されないで多結晶シリコン層の状態で残す膜厚も設
定される。

【００１７】また、上記イオン注入は、不純物イオンの
入射角を所定の角度に設定した斜めイオン注入法で行う
ことから、多結晶シリコン層が段差部に形成されていて
も、不純物イオンが注入される。

【００１８】上記不純物イオンには、シリコンおよびシ
リコンよりも重い元素のうちの少なくとも一種以上のイ
オンを用いることから、この不純物イオンが注入された
多結晶シリコン層の部分は非晶質層になる。

【００１９】

【実施例】第１の発明の実施例を図１の製造工程図によ
って説明する。

【００２０】図１の（１）に示すように、第１工程で
は、まずＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法等の成膜技術に
よって基体１１上に多結晶シリコン膜（図示省略）を成
膜した後、リソグラフィー技術とエッチングとによって
多結晶シリコン膜をパターニングし、多結晶シリコン層
１２を形成する。

【００２１】続いて図１の（２）に示すように、ＣＶＤ
法、蒸着法、スパッタ法等の成膜技術によって、上記多
結晶シリコン層１２を覆うマスク形成膜（図示省略）
を、例えば酸化シリコンで成膜する。その後リソグラフ
ィー技術とエッチングとによって上記マスク形成膜をパ
ターニングして、多結晶シリコン層１２を選択的に覆う
マスク５１を形成する。次いで上記マスク５１を用いた
イオン注入法によって、上記多結晶シリコン層１２に対
して選択的に不純物イオン６１を注入する。その際、イ
オン注入エネルギーを制御して不純物イオン６１の注入
深さを変えることで、多結晶シリコン層１２の少なくと
も上層にイオン注入深さに対応した非晶質層１３を形成
する。この図では、膜厚方向の全域に不純物イオン６１
を注入して、その領域を非晶質化した場合を示す。

【００２２】上記不純物イオン６１には、多結晶シリコ
ン層１２を非晶質化するために、シリコンおよびそれよ
りも重い元素のうちのすくなくとの一種以上のイオンを
用いる。例えば上記イオンとしては、シリコンイオン
（Ｓｉ⁺ ），ヒ素イオン（Ａｓ⁺ ），リンイオン
（Ｐ⁺ ），アンチモンイオン（Ｓｂ⁺ ）等がある。

【００２３】なお、上記同様のイオン注入法によって、
多結晶シリコン膜を選択的に非晶質化した後、多結晶シ
リコン膜をパターニングして非晶質化した部分を含む多
結晶シリコン層１２を形成してもよい。

【００２４】その後、上記マスク５１をエッチングによ
って除去してもよい。なお、上記マスク５１がレジスト
で形成されている場合には、例えばアッシング処理およ
びウェット処理のうちの少なくともいずれか一方を行っ
て、このマスク５１を除去する。

【００２５】続いて図１の（３）に示す第２工程を行
う。なお、この図ではマスク（５１）を除去した後の状
態を示す。この工程では、熱処理を行って、非晶質層
（１３）を多結晶化する。そして非晶質層（１３）は、
その下層に残した多結晶シリコン層１２の厚さに対応し
て、上記多結晶シリコン層１２とは異なる結晶粒径を有
する多結晶シリコン層１４になる。また、マスク（５
１）に覆われていた部分の多結晶シリコン層１２の結晶
粒径は変化しない。

【００２６】上記図１により説明した実施例では、イオ
ン注入エネルギーを制御して不純物イオン６１の注入深
さを設定することから、イオン注入エネルギーによって
イオン注入深さが決定される。そしてイオン注入深さに
対応して非晶質層１３の深さが決定される。すなわち、
非晶質層１３の下方に残した多結晶シリコン層１２の厚
さも決定される。そして熱処理を行うことから、非晶質
層１３は結晶化する。その際、残っている多結晶シリコ
ン層１２の厚さが薄くなるほど、形成される結晶粒径が
大きくなる。したがって、非晶質層１３が再結晶化して
形成される多結晶シリコン層１４は、不純物イオン６１
を注入していない多結晶シリコン層１２よりも結晶粒径
が大きくなるので、低抵抗なものになる。また、上記不
純物イオン６１には、シリコンおよびシリコンよりも重
い元素のイオンを用いることから、不純物イオン６１が
注入された多結晶シリコン層１２の領域は非晶質化され
る。

【００２７】次に上記第１の発明を用いて配線と抵抗と
を同時に形成する具体的な方法の一例を説明する。なお
説明では上記図１を用いる。

【００２８】まず第１工程を行う。低圧ＣＶＤ法（成膜
温度が６２０℃）によって、基体１１上に膜厚が１１０
ｎｍの多結晶シリコン膜を成膜する。その後リソグラフ
ィー技術とエッチングとによって、上記多結晶シリコン
膜をパターニングして多結晶シリコン層１２を形成す
る。続いてＣＶＤ法によって上記多結晶シリコン層１２
を覆うマスク形成膜（図示省略）を、例えば１５０ｎｍ
の膜厚の酸化シリコンで形成した後、リソグラフィー技
術とエッチングとによって上記マスク形成膜で多結晶シ
リコン層１２を選択的に覆うマスク５１を形成する。

【００２９】そして上記マスク５１を用いたイオン注入
法によって、上記多結晶シリコン層１２に対して選択的
に不純物イオン（例えばシリコンイオン）６１を注入す
る。このイオン注入では、イオン注入エネルギーは２５
ｋｅＶ、ドーズ量は３Ｐ（ｐｅｔａ）ｉｏｎｓ／ｃｍ²
に設定する。このようにしてイオン注入を行うと、シリ
コンイオンが注入された多結晶シリコン層１２は膜厚方
向に全て非晶質化して非晶質層１３になる。またマスク
５１に覆われていた部分の多結晶シリコン層１２は、当
初の結晶粒径（およそ５０ｎｍ）を保つ。

【００３０】続いて第２工程を行う。すなわち、再結晶
化のための熱処理（例えば６００℃で８０時間の加熱）
を行って非晶質層１３を結晶化する。結晶化によって形
成した多結晶シリコン層１４は、非晶質化していない多
結晶シリコン層１２よりも大きな結晶粒径を有する。そ
してこの多結晶シリコン層１４の抵抗値はおよそ２００
Ω／□になった。一方、非晶質化していない多結晶シリ
コン層１２の結晶粒径はおよそ５０ｎｍであって、その
抵抗値はおよそ９００Ω／□になった。

【００３１】次に第２の発明の実施例を図２の製造工程
図によって説明する。上記図１で説明したのと同様の構
成部品には同一符号を付す。

【００３２】図２の（１）に示すように、第１工程で
は、まずＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法等の成膜技術に
よって、基体１１上に多結晶シリコン膜（図示省略）を
成膜する。その後リソグラフィー技術とエッチングとに
よって、上記多結晶シリコン膜をパターニングして、多
結晶シリコン層１２を形成する。次いでＣＶＤ法、蒸着
法、スパッタ法等の成膜技術によって、上記多結晶シリ
コン層１２を覆う被覆層形成膜２１を、例えば酸化シリ
コンで成膜する。その後リソグラフィー技術とエッチン
グとによって、上記被覆層形成膜２１の２点鎖線で示す
部分を除去して、多結晶シリコン層１２を選択的に覆う
被覆層２２を形成する。

【００３３】次いで図２の（２）に示す第２工程を行
う。この工程では、イオン注入法によって、上記被覆層
２２を通して多結晶シリコン層１２に不純物イオン６２
を注入する。それとともに、上記被覆層２２に覆われて
いない多結晶シリコン層１２にも不純物イオン６２を注
入する。その結果、上記不純物イオン６２を注入した多
結晶シリコン層１２は非晶質化され、上記被覆層２２で
覆われている多結晶シリコン層１２の上層には第１非晶
質層２３が形成され、上記被覆層２２で覆われていない
多結晶シリコン層１２の上層には第２非晶質層２４が形
成される。ここでは、第１非晶質層２３を多結晶シリコ
ン層１２の上層に形成し、第２非晶質層２４を多結晶シ
リコン層の膜厚方向の全域に形成した場合を示す。

【００３４】なお、上記多結晶シリコン膜を選択的に被
覆層で覆った後、上記同様のイオン注入法によって、多
結晶シリコン膜を非晶質化する。次いで、この多結晶シ
リコン膜をパターニングして非晶質化した部分を有する
多結晶シリコン層１２を形成してもよい。また上記不純
物イオン６２には、上記第１の発明の実施例で説明した
のと同様のイオンを用いる。

【００３５】その後、上記被覆層２２を、例えばエッチ
ングによって除去してもよい。そして図２の（３）に示
す第３工程を行う。この図では被覆層（２２）を除去し
た後の状態を示す。この工程では、熱処理を行って、上
記第１，第２非晶質層（２３），（２４）を結晶化す
る。そして被覆層（２２）に覆われていた部分に第１多
結晶シリコン層２５が形成され、被覆層（２２）に覆わ
れていなかった部分に第１多結晶シリコン層２５よりも
結晶粒径が大きい第２多結晶シリコン層２６を形成す
る。

【００３６】上記第２の発明では、多結晶シリコン層１
２を選択的に被覆層２２で覆ってから、不純物イオン６
２を注入することから、被覆層２２の厚さによって不純
物イオン６２の注入深さが制御される。このため、被覆
層２２で覆われている部分よりもそれで覆われていない
多結晶シリコン層１２に不純物イオン６２が深く注入さ
れる。このように不純物イオン６２の深さを制御するこ
とによって、形成される非晶質層の厚さを制御する。す
なわち、被覆層２２で覆われていない多結晶シリコン層
１２には、被覆層２２で覆われている多結晶シリコン層
１２の上層に形成される第１非晶質層２３よりも厚い第
２非晶質層２４が形成される。したがって、第１非晶質
層２３の下方には第２非晶質層２４の下方よりも厚く多
結晶シリコン層１２が残っていることになる。そして熱
処理を行うことから、第１，第２非晶質層２３，２４
は、その下方に残っている多結晶シリコン層１２の結晶
を引き継いで結晶化される。そのため、多結晶シリコン
層１２が多く残っている第１非晶質層２３側が結晶化し
た形成される第１多結晶シリコン層２５は、第２非晶質
層２４側が結晶化して形成される第２多結晶シリコン層
２６よりも結晶粒径が小さくなる。したがって、第１多
結晶シリコン層２５は第２多結晶シリコン層２６よりも
高抵抗になる。

【００３７】次に上記第２の発明を用いて配線と抵抗と
を同時に形成する具体的な方法の一例を説明する。なお
説明では上記図２を用いる。

【００３８】まず第１工程を行う。低圧ＣＶＤ法（成膜
温度が６２０℃）によって、基体１１上に膜厚が１１０
ｎｍの多結晶シリコン膜を成膜する。その後リソグラフ
ィー技術とエッチングとによって、上記多結晶シリコン
膜をパターニングして多結晶シリコン層１２を形成す
る。続いてＣＶＤ法によって上記多結晶シリコン層１２
を覆う被覆層形成膜２１を、例えば４０ｎｍの膜厚の酸
化シリコンで形成した後、リソグラフィー技術とエッチ
ングとによって上記被覆層形成膜２１で多結晶シリコン
層１２を選択的に覆う被覆層２２を形成する。

【００３９】そして上記被覆層２２を用いたイオン注入
法によって、上記多結晶シリコン層１２に対して選択的
に不純物イオン（例えばヒ素イオン）６１の注入深さを
制御する。このイオン注入では、例えば、イオン注入エ
ネルギーを７０ｋｅＶ、ドーズ量を３Ｐ（ｐｅｔａ）ｉ
ｏｎｓ／ｃｍ² に設定する。このようにしてイオン注入
を行うと、被覆層２２に覆われている部分の多結晶シリ
コン層１２の上層にはヒ素イオンが注入され、表面から
７０ｎｍの深さの領域は非晶質化して第１非晶質層２３
が形成される。その下層には多結晶シリコン層１２が４
０ｎｍの厚さに残る。また被覆層２２で覆われていない
部分の多結晶シリコン層１２には、膜厚方向の全域にヒ
素イオンが注入されて、膜厚方向の全ての領域が非晶質
化して第２非晶質層２４が形成される。

【００４０】続いて第２工程を行う。すなわち、再結晶
化のための熱処理（例えば７００℃で２時間の加熱と９
００℃で２０分の加熱）を行って第１，第２非晶質層２
３，２４を結晶化する。被覆層２２で覆われている部分
は小粒径の第１多結晶シリコン層２５になり、被覆層２
２に覆われていない部分の第２非晶質層２４は大粒径の
第２多結晶シリコン層２６になる。そして第１多結晶シ
リコン層２５の抵抗値はおよそ６５０Ω／□になり、一
方の第２多結晶シリコン層２６の抵抗値はおよそ４５０
Ω／□になった。

【００４１】次に第３の発明の実施例を図３の製造工程
図によって説明する。上記図１で説明したのと同様の構
成部品には同一符号を付す。

【００４２】図３の（１）に示すように、半導体基体３
１上には、絶縁膜３２が成膜されていて、この絶縁膜３
２には第１開口部３３が形成されている。まず第１工程
では、ＣＶＤ法、蒸着法、スパッタ法等の成膜技術によ
って、第１開口部３３の内部を含む上記絶縁膜３２上に
多結晶シリコン膜（図示省略）を成膜する。その後、リ
ソグラフィー技術とエッチングとによって、上記多結晶
シリコン膜をパターニングして多結晶シリコン層１２を
形成する。

【００４３】続いて図３の（２）に示すように、ＣＶＤ
法、蒸着法、スパッタ法等の成膜技術によって、上記多
結晶シリコン層１２を覆うマスク５３を、例えば酸化シ
リコンで成膜する。その後リソグラフィー技術とエッチ
ングとによって、上記マスク５３をパターニングして、
上記第１開口部３３上のマスク５３に第２開口部５４を
形成する。そして上記マスク５３を用いたイオン注入法
によって、上記多結晶シリコン層１２に対して選択的に
不純物イオン６３を注入する。その際、イオン注入エネ
ルギーを制御して不純物イオン６３の注入深さを設定す
る。このようにして、多結晶シリコン層１２の少なくと
も上層にイオン注入深さに対応した非晶質層１３を形成
する。上記不純物イオン６３には、上記第１の発明の実
施例で説明したのと同様のイオンを用いる。

【００４４】その後、上記マスク５３をエッチングによ
って除去してもよい。なお、上記マスク５３がレジスト
で形成されている場合には、例えばアッシング処理およ
びウェット処理のうちの少なくともいずれか一方を行っ
て、このマスク５３を除去する。

【００４５】続いて図３の（３）に示す第２工程を行
う。この図ではマスク５３を除去した後の状態を示す。
この工程では、熱処理を行って、非晶質層（１３）を多
結晶化して多結晶シリコン層１４を形成する。その際、
非晶質層（１３）中に注入されている上記不純物イオン
（６３）を上記半導体基体３１の表層に拡散して不純物
拡散層１６を形成する。

【００４６】上記第３の発明では、イオン注入エネルギ
ーを制御して不純物イオン６３の注入深さを設定するこ
とから、イオン注入エネルギーによってイオン注入深さ
が決定される。そしてイオン注入深さに対応して非晶質
層１３の深さが決定される。すなわち、非晶質層１３の
下方に残した多結晶シリコン層１２の厚さも決定され
る。そして熱処理を行うことから、非晶質層１３は結晶
化する。その際、残っている多結晶シリコン層１２の結
晶性を引き継いで多結晶シリコン層１４は形成される。
また、多結晶シリコン層１２中に注入された不純物イオ
ン６３は半導体基体３１中に拡散する。このため、半導
体基体３１の表層には不純物拡散層１６が形成される。

【００４７】上記説明したプロセスは、ｎｐｎ型バイポ
ーラトランジスタのエミッタを形成する際に適用するこ
とが可能である。その一例を図４のエミッタの形成方法
の説明図によって具体的に説明する。

【００４８】図４の（１）に示すように、通常のｎｐｎ
型バイポーラトランジスタプロセスによって、ｎ型エピ
タキシャル層３４とその下層にｎ⁺ 型埋込層３５とを有
する半導体基体３１の上層、すなわちｎ型エピタキシャ
ル層３４の上層の一部分にｐ⁺ 型ベース層３６が形成さ
れている。またこの半導体基体３１上には、絶縁膜３２
が成膜されていて、上記ｐ⁺ 型ベース層３６の一部分上
には第１開口部３３が形成されている。

【００４９】まず第１工程では、低圧ＣＶＤ法（成膜温
度が６２０℃）によって、第１開口部３３の内部を含む
上記絶縁膜３２上に多結晶シリコン膜（図示省略）を例
えば１１０ｎｍの膜厚に成膜する。その後リソグラフィ
ー技術とエッチングとによって、上記多結晶シリコン膜
をパターニングして、多結晶シリコン層１２を形成す
る。

【００５０】続いて図４の（２）に示すように、ＣＶＤ
法によって、上記多結晶シリコン層１２を覆うマスク５
３を、例えば１５０ｎｍの膜厚の酸化シリコンで成膜す
る。その後リソグラフィー技術とエッチングとによっ
て、上記マスク５３をパターニングして、上記第１開口
部３４上のマスク５３に第２開口部５４を形成する。そ
して上記マスク５３を用いたイオン注入法によって、上
記多結晶シリコン層１２に対して選択的に不純物イオン
（例えばヒ素イオン）６３を注入する。このイオン注入
では、例えば、イオン注入エネルギーは４０ｋｅＶ、ド
ーズ量は６Ｐ（ｐｅｔａ）ｉｏｎｓ／ｃｍ² に設定す
る。このようにしてイオン注入を行うと、マスク５３で
覆われていない部分の多結晶シリコン層１２は、膜厚方
向に表面から７６ｎｍの深さまで非晶質化する。そして
非晶質層１３を形成し、その下層には多結晶シリコン層
１２が３４ｎｍの厚さに残る。また、多結晶シリコン層
１２の膜厚が１００ｎｍの場合には、イオン注入エネル
ギーを３０ｋｅＶとすると、非晶質層１３の厚さは６２
ｎｍになり、その下層の多結晶シリコン層１２の厚さは
３８ｎｍになる。一方、マスク５３に覆われている部分
の多結晶シリコン層１２にはヒ素イオンは注入されな
い。その後、上記マスク５３を、例えばエッチングによ
って除去する。

【００５１】そして図４の（３）に示すように、第２工
程を行う。すなわち、再結晶化のための熱処理（例えば
７００℃で２時間の加熱と９００℃で２０分の加熱）を
行って、上記非晶質層（１３）を初期の多結晶シリコン
層１２とほぼ同等の結晶粒径を有する多結晶シリコン層
１４に改質する。そのとき、多結晶シリコン層１２中に
注入された上記不純物イオン（６３）を上記ｐ⁺ 型ベー
ス層３６の表層の一部分に拡散してｎ⁺ 型エミッタ層３
７（不純物拡散層１６に対応）を形成する。なお、上記
多結晶シリコン層１４は、エミッタ電極として用いるこ
とが可能である。

【００５２】次に第４の発明の実施例を図５の製造工程
図によって説明する。上記図１で説明したのと同様の構
成部品には同一符号を付す。

【００５３】図５の（１）に示すように、上記図３の
（１）によって説明したのと同様に、半導体基体３１上
に絶縁膜３２を形成し、この絶縁膜３２に第１開口部３
３を形成する。そして第１開口部３３の内部を含む上記
絶縁膜３２上に多結晶シリコン層１２を形成する。

【００５４】続いて図５の（２）に示すように、前記図
３の（２）によって説明したのと同様にして、多結晶シ
リコン層１２を覆うマスク５３を酸化シリコンで形成し
た後、上記第１開口部３３上のマスク５３に第２開口部
５４を形成する。その後イオン注入法によって、上記第
２開口部５４から上記多結晶シリコン層１２に対して選
択的に、かつ多結晶シリコン層１２の厚さ方向の全域に
わたって不純物イオン６４を注入する。このように不純
物イオン６４を注入した領域は非晶質化され非晶質層１
３になる。上記不純物イオン６４には、上記第１の発明
で説明したのと同様のイオンを用いる。

【００５５】その後、上記マスク５１をエッチングによ
って除去してもよい。なお、上記マスク５１がレジスト
で形成されている場合には、例えばアッシング処理およ
びウェット処理のうちの少なくともいずれか一方を行っ
て、このマスク５３を除去する。

【００５６】そして図５の（３）に示す第２工程を行
う。なお、この図ではマスク５３を除去した場合を示
す。この工程では、熱処理を行って、非晶質層（１３）
を単結晶的シリコン層１７に改質する。その際、多結晶
シリコン層１２中に注入された上記不純物イオン（６
４）は上記半導体基体１１の表層の一部分に拡散して不
純物拡散層１６を形成する。

【００５７】上記第４の発明では、イオン注入法によっ
て選択的にかつ多結晶シリコン層１２の膜厚方向の全域
に不純物イオン６４を注入することから、それを注入し
た領域は非晶質層１３に改質される。そして非晶質層１
３は、半導体基体３１まで達する状態に形成されている
ので、熱処理を行うことによって、非晶質層１３は半導
体基体３１の単結晶性を引き継いで結晶化する。そのた
め、非晶質層１３は単結晶的シリコン層１７に改質され
る。それとともに、非晶質層１３中の不純物イオン６４
は半導体基体１１の表層に拡散するため、半導体基体３
１の表層に不純物拡散層１６が形成される。

【００５８】上記図５によって説明したプロセスは、ｎ
ｐｎ型バイポーラトランジスタのエミッタを形成する際
に適用することが可能である。その一例を説明する。

【００５９】このプロセスは、上記図４によって説明し
たプロセスとほぼ同様である。図４で説明したプロセス
と異なる点は、マスク５３を用いたイオン注入法の条件
である。すなわち、不純物イオン６４にはヒ素イオンを
用い、イオン注入エネルギーを７０ｋｅＶ、ドーズ量は
６Ｐ（ｐｅｔａ）ｉｏｎｓ／ｃｍ² に設定する。このよ
うにしてイオン注入を行うと、図６の（１）に示すよう
に、マスク５３で覆われていない部分の多結晶シリコン
層１２は、膜厚方向の全域にわたって不純物イオン６４
が注入されて非晶質化し、その領域は非晶質層１３にな
る。一方、マスク５３に覆われている部分の多結晶シリ
コン層１２には不純物イオンは注入されない。

【００６０】そして図６の（２）に示すように、再結晶
化のための熱処理（例えば５５０℃で２時間の加熱と９
００℃で２０分の加熱）を行って、上記非晶質層（１
３）を単結晶的シリコン層１７に改質する。このよう
に、熱処理によって、非晶質層（１３）は半導体基体３
１との間でエピタキシャル成長が起こるため、単結晶的
シリコン層１７になる。このため、半導体基体３１との
コンタクト抵抗が低減される。また熱処理の際には、多
結晶シリコン層１２中に注入された上記不純物イオン６
４がｐ⁺ 型ベースになる拡散層３６の表層の一部分に拡
散するため、ｎ⁺ 型エミッタ層３７（不純物拡散層１６
に対応）が形成される。

【００６１】上記第１〜第４に発明の各実施例で説明し
た非晶質層１３の深さｔの制御は、イオン注入における
不純物イオンの注入深さをＬＳＳ理論（Lindhard,Schar
ff,Schiottによって確率された固体中に打ち込まれた粒
子の飛程パラメータの算出に関する理論）に基づいて設
定することによって行う。すなわち、イオンの投影飛程
Ｒｐとその投影飛程分散ΔＲｐを用いて以下の式によっ
て導出されるイオン注入エネルギーによって行う。

【００６２】

【数１】

【００６３】

【数２】

【００６４】上記イオン注入の際の非晶質層の深さｔの
制御は、ＬＳＳ理論に基づくイオンの投影飛程Ｒｐとそ
の投影飛程分散ΔＲｐを用いた（１）式および（２）式
によって設定されるイオン注入エネルギーによって行う
ことから、ほぼ正確に不純物イオンの注入深さが設定さ
れる。したがって、非晶質化されないで多結晶シリコン
層の状態で残す膜厚も設定される。このように、イオン
注入エネルギーを設定することによってイオン注入後に
残る多結晶シリコン膜の厚さを任意に制御する。それに
よって、再結晶化後の多結晶シリコン層の結晶粒径を制
御し、最終的には多結晶シリコン層に抵抗値を制御す
る。

【００６５】次に、上記多結晶シリコン層１２を配線と
して用いる場合の応用例を説明する。通常、多結晶シリ
コン層１２は平坦な領域に形成されることは少ない。例
えば図７に示すように、段差部４１を有する基体１１の
表面に形成されることが多い。このような場合には、上
記イオン注入は、いわゆる斜めイオン注入法によって行
う。すなわち、不純物イオン６１（６２〜６４）の入射
角θを所定の角度に設定し、基体１１を例えば矢印Ａ方
向に回転させながらイオン注入を行う。上記入射角θ
は、例えば３０°〜６０°程度の範囲内のある角度に設
定される。

【００６６】上記斜めイオン注入法によって、非晶質化
を行った例を以下に説明する。高さが２００ｎｍの段差
部４１の表面に低圧ＣＶＤ法によって成膜され、その後
リソグラフィー技術とエッチングとによって形成された
多結晶シリコン層１２に対して、シリコンイオンを入射
角６０°で斜めイオン注入する。この場合には、相対膜
厚が１２０ｎｍ〜２００ｎｍになる。そこで、シリコン
イオンの注入エネルギーを４５ｋｅＶに設定してイオン
注入を行うことで、多結晶シリコン層１２の全層を非晶
質化して非晶質層１４を形成することができる。このよ
うに全層非晶質化した膜を再結晶化熱処理（例えば６０
０℃で８０時間の加熱）を行うことにより、低抵抗（例
えば２００Ω／□）な膜になる。

【００６７】上記のように、不純物イオン６１（６２〜
６４）の入射角θを所定の角度に設定した斜めイオン注
入法を用いることから、多結晶シリコン層１２が段差部
４１に形成されていても、多結晶シリコン層１２の全域
に不純物イオン６１（６２〜６４）が注入される。

【００６８】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１の発明
によれば、選択的にイオン注入する際のイオン注入エネ
ルギーを制御し、不純物イオンの注入深さを決めて非晶
質層の厚さを決定する。そのため、非晶質層の下方に所
望の厚さの多結晶シリコン層を残すことができる。また
非晶質層は残した多結晶シリコン層に対応した結晶粒径
に再結晶化され、しかも多結晶シリコン層の抵抗値は結
晶粒径に対応するので、イオン注入エネルギーを制御す
ることによって、再結晶後の多結晶シリコン層の抵抗値
を制御することが可能になる。したがって、抵抗値の異
なる部分を選択的に有する多結晶シリコン層を形成する
ことができる。

【００６９】請求項２の発明によれば、被覆層で覆われ
ている多結晶シリコン層には不純物イオンが浅く注入さ
れ、被覆層で覆われていない多結晶シリコン層には不純
物イオンが深く注入される。このため、被覆層の有無に
よって非晶質層の厚さを変えることができるので、非晶
質層の下方に所望の厚さの多結晶シリコン層を残すこと
ができる。また非晶質層は残した多結晶シリコン層に対
応した結晶粒径に再結晶化され、しかも多結晶シリコン
層の抵抗値は結晶粒径に対応するので、被覆層の膜厚を
制御することによって、再結晶後の多結晶シリコン層の
抵抗値を制御することが可能になる。したがって、抵抗
値の異なる部分を選択的に有する多結晶シリコン層を形
成することができる。

【００７０】請求項３の発明によれば、請求項１の発明
と同様の効果が得られる。それとともに、多結晶シリコ
ン層中に注入された不純物イオンを半導体基体中に拡散
することができるので、半導体基体の表層に拡散層を形
成することが可能になる。

【００７１】請求項４の発明によれば、選択的にかつ多
結晶シリコン層の膜厚方向の全域に不純物イオンを注入
してその領域を非晶質層に改質した後、再結晶化を行う
ので、非晶質層は半導体基体の結晶性を引き継いだ状態
で結晶化する。このため、半導体基体が単結晶であれば
単結晶的シリコン層に改質することが可能なので、この
部分の抵抗値を低くすることができる。また熱処理によ
って、非晶質層中の不純物イオンを半導体基体の表層に
拡散することができるので、半導体基体の表層に拡散層
を形成することが可能になる。

【００７２】請求項５の発明によれば、上記イオン注入
の際の非晶質層の深さｔは、ＬＳＳ理論に基づくイオン
の投影飛程Ｒｐとその投影飛程分散ΔＲｐとの関係式、
ｔ＝Ｒｐ＋κ・ΔＲｐ、２≦κ≦５によって設定でき
る。したがって、イオン注入エネルギーによって、不純
物イオンの注入深さをほぼ正確に設定することができる
ので、非晶質層の厚さ、この非晶質層の下層に残した多
結晶シリコン層の厚さをほぼ正確に設定することができ
る。よって、再結晶化で得られる多結晶シリコン層の設
計が容易にできる。

【００７３】請求項６の発明によれば、上記イオン注入
を斜めイオン注入法で行うので、多結晶シリコン層が段
差部に形成されていても、多結晶シリコン層の全表面か
ら不純物イオンを注入することが可能になる。

【００７４】請求項７の発明によれば、上記不純物イオ
ンには、シリコンおよびシリコンよりも重い元素のうち
の少なくとも一種以上のイオンを用いるので、この不純
物イオンが注入された多結晶シリコン層の部分を非晶質
化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の実施例を示す製造工程図である。

【図２】第２の発明の実施例を示す製造工程図である。

【図３】第３の発明の実施例を示す製造工程図である。

【図４】第３の発明によるエミッタの形成方法の説明図
である。

【図５】第４の発明の実施例を示す製造工程図である。

【図６】第４の発明によるエミッタの形成方法の説明図
である。

【図７】斜めイオン注入法による非晶質化の説明図であ
る。

【符号の説明】

１１ 基体 １２ 多結晶シリ
コン層 １３ 非晶質層 １４ 多結晶シリ
コン層 ２２ 被覆層 ２３ 第１非晶質
層 ２４ 第２非晶質層 ２５ 第１多結晶
シリコン層 ２６ 第２多結晶シリコン層 ３１ 半導体基体 １６ 不純物拡散層 １７ 単結晶的シ
リコン層 ６１ 不純物イオン ６２ 不純物イオ
ン ６３ 不純物イオン ６４ 不純物イオ
ン θ 入射角

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪田 康義 東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソニ ー株式会社内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基体上に多結晶シリコン層を形成した
   後、イオン注入法によって該多結晶シリコン層に対して
   選択的に不純物イオンを注入する際に、イオン注入エネ
   ルギーを制御して不純物イオンの注入深さを設定するこ
   とで、該多結晶シリコン層の少なくとも上層にイオン注
   入深さに対応した非晶質層を形成する第１工程と、 熱処理を行って、前記非晶質層の下方に残した多結晶シ
   リコン層の厚さに対応させて該非晶質層を結晶化して、
   前記多結晶シリコン層とは異なる結晶粒径を有する多結
   晶シリコン層を形成する第２工程とからなることを特徴
   とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 基体上に多結晶シリコン層を形成した
   後、該多結晶シリコン層を選択的に覆う被覆層を形成す
   る第１工程と、 イオン注入法によって、前記被覆層を通して多結晶シリ
   コン層に不純物イオンを注入するとともに前記被覆層に
   覆われていない部分の多結晶シリコン層に不純物イオン
   を注入することで、該被覆層で覆われている部分の多結
   晶シリコン層の上層に第１非晶質層を形成するとともに
   該被覆層に覆われていない部分の多結晶シリコン層の上
   層に第１非晶質層よりも厚い第２非晶質層を形成する第
   ２工程と、 熱処理を行って、前記第１非晶質層と前記第２非晶質層
   とを結晶化して該第１非晶質層側に第１多結晶シリコン
   層を形成するとともに該第２非晶質層側に該第１多結晶
   シリコン層よりも結晶粒径の大きい第２多結晶シリコン
   層を形成する第３工程とからなることを特徴とする半導
   体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 半導体基体上に多結晶シリコン層を形成
   した後、イオン注入法によって該多結晶シリコン層に対
   して選択的に不純物イオンを注入する際に、イオン注入
   エネルギーを制御して不純物イオンの注入深さを設定す
   ることで、該多結晶シリコン層の少なくとも上層にイオ
   ン注入深さに対応した非晶質層を形成する第１工程と、 熱処理を行って、前記非晶質層の下方に残した多結晶シ
   リコン層の厚さに対応させて該非晶質層を結晶化して、
   前記多結晶シリコン層とは異なる結晶粒径を有する多結
   晶シリコン層を形成するとともに、該多結晶シリコン層
   中に注入された不純物イオンを前記半導体基体の表層に
   拡散して不純物拡散層を形成する第２工程とからなるこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 半導体基体上に多結晶シリコン層を形成
   した後、イオン注入法によって該多結晶シリコン層に対
   して選択的にかつ該多結晶シリコン層の膜厚方向の全域
   に不純物イオンを注入して、該不純物イオンを注入した
   領域を非晶質層に改質する第１工程と、 熱処理を行って、前記非晶質層を単結晶的シリコン層に
   改質するとともに、該非晶質層中の不純物イオンを前記
   半導体基体の表層に拡散して不純物拡散層を形成する第
   ２工程とからなることを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
5. 【請求項５】 請求項１〜請求項４のうちの１項に記載
   の半導体装置の製造方法において、 前記イオン注入で形成される非晶質層の深さｔの制御
   は、ＬＳＳ理論に基づいてイオンの投影飛程Ｒｐとその
   投影飛程分散ΔＲｐを用いて、ｔ＝Ｒｐ＋κ・ΔＲｐ、
   ２≦κ≦５なる式によって設定されるイオン注入エネル
   ギーによって行うことを特徴とする半導体装置の製造方
   法。
6. 【請求項６】 請求項１〜請求項５のうちの１項に記載
   の半導体装置の製造方法において、 前記イオン注入は、不純物イオンの入射角を所定の角度
   に設定した斜めイオン注入法で行うことを特徴とする半
   導体装置の製造方法。
7. 【請求項７】 請求項１〜請求項６のうちの１項に記載
   の半導体装置の製造方法において、 前記不純物イオンには、シリコンおよびシリコンよりも
   重い元素のうちの少なくとも一種以上のイオンを用いる
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。