專利名稱：離子摻雜裝置、離子摻雜方法以及半導(dǎo)體裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及向?qū)ο笪镒⑷牖驌诫s離子的離子摻雜裝置。另外，還涉及使用離子摻雜裝置而制造的半導(dǎo)體裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)大型的高清晰度液晶顯示裝置、高速的高清晰度的密合型圖像傳感器、三維IC等，正在嘗試在玻璃等絕緣基板上形成高性能的半導(dǎo)體元件的方式。
在形成這樣的半導(dǎo)體元件時(shí)，必須形成薄膜狀的半導(dǎo)體層，目前公知有使用由非晶硅半導(dǎo)體(a-Si)構(gòu)成的半導(dǎo)體薄膜或由多結(jié)晶硅及微結(jié)晶硅等結(jié)晶性硅半導(dǎo)體構(gòu)成的半導(dǎo)體薄膜，在絕緣性基板上形成半導(dǎo)體元件。
非晶硅半導(dǎo)體薄膜由于能夠使用氣相法以比較低的溫度形成，故批量生產(chǎn)性好，最為普遍使用。但是，非晶硅半導(dǎo)體薄膜在導(dǎo)電性等物理特性方面不好。因此，在要求半導(dǎo)體元件高性能的上述裝置等中非晶硅半導(dǎo)體薄膜不適用。
另一方面，結(jié)晶性硅半導(dǎo)體薄膜導(dǎo)電性優(yōu)良，為了使用于上述裝置等中，而進(jìn)行了各種研究和開發(fā)。作為得到薄膜狀的結(jié)晶性硅半導(dǎo)體的方法，公知有如下方法。
(1)在成膜時(shí)直接形成具有結(jié)晶性的硅半導(dǎo)體膜。
(2)形成非晶硅半導(dǎo)體膜，照射強(qiáng)光，通過(guò)其能量而使非晶硅結(jié)晶化。
(3)形成非晶硅半導(dǎo)體膜，通過(guò)施加熱能而使非晶硅結(jié)晶化。
在(1)的方法中，由于與成膜工序同時(shí)進(jìn)行硅的結(jié)晶化，故如果沒(méi)有充分增大形成的膜的厚度，就不能得到結(jié)晶粒徑大的結(jié)晶性硅。因此，通過(guò)該方法，在具有大面積的基板的整個(gè)面上形成具有良好的半導(dǎo)體特性的結(jié)晶性硅半導(dǎo)體膜，在技術(shù)上是困難的。另外，由于必須以大于或等于600℃的溫度成膜，故作為絕緣性基板不能使用軟化點(diǎn)低的便宜的玻璃基板，在制造成本方向具有問(wèn)題。
在(2)的方法中，由于利用溶融固化過(guò)程的結(jié)晶化現(xiàn)象，故良好地處理結(jié)晶粒徑小的粒界，可得到高品質(zhì)的結(jié)晶性硅半導(dǎo)體。但是，難以確保大面積照射強(qiáng)光的實(shí)用的方法。例如，在使用目前最常用的準(zhǔn)分子激光器時(shí)，由于激光的穩(wěn)定性不充分，故難以均勻地處理大面積基板的整個(gè)面而得到結(jié)晶性硅膜。因此，在同一基板上形成具有均一特性的多個(gè)半導(dǎo)體元件是困難的。另外，由于激光的照射面積小，生產(chǎn)效率差。
在(3)的方法中，與(1)、(2)方法相比，具有容易得到大面積的結(jié)晶性硅半導(dǎo)體膜的優(yōu)點(diǎn)。但是，在結(jié)晶化時(shí)必須在大于或等于600℃的高溫下進(jìn)行數(shù)十小時(shí)的加熱處理。因此，在使用便宜的玻璃基板而降低加熱溫度的情況下，必須進(jìn)一步增長(zhǎng)加熱時(shí)間，生產(chǎn)量降低。另外，在這種方法中，由于利用固相結(jié)晶化現(xiàn)象，故結(jié)晶粒會(huì)在基板面上平行地?cái)U(kuò)展，其結(jié)晶粒徑也有可能達(dá)到數(shù)μm。但是，由于生長(zhǎng)的結(jié)晶粒相互撞合而形成粒界，故其粒界成為作為相對(duì)載流子的阱位(トラツプ準(zhǔn)位)而工作并使電子移動(dòng)度降低的原因。
在上述三個(gè)方法中，(3)方法作為有希望的方法而特別受到注目，應(yīng)用(3)方法，通過(guò)在更低溫度下進(jìn)行短時(shí)間加熱處理，形成高品質(zhì)的、均一性高的結(jié)晶性硅膜的方法，例如公開在特開平6-333824號(hào)公報(bào)、特開平6-333825號(hào)公報(bào)以及特開平8-330602號(hào)公報(bào)。
在所述專利文獻(xiàn)所公開的方法中公開有如下內(nèi)容向非晶硅膜表面導(dǎo)入微量的鎳等金屬元素，進(jìn)行熱處理，由此能夠在小于或等于600℃的低溫下以數(shù)小時(shí)左右的處理時(shí)間進(jìn)行結(jié)晶化。
根據(jù)該方法，首先在熱處理時(shí)的早期階段產(chǎn)生以導(dǎo)入的金屬元素作為核的結(jié)晶核，然后，金屬元素成為催化劑而促進(jìn)硅的結(jié)晶生長(zhǎng)，急劇進(jìn)行結(jié)晶核。因此，將導(dǎo)入的金屬元素稱為催化劑元素。雖然通過(guò)通常的固相生長(zhǎng)法而結(jié)晶化了的硅膜具有雙晶結(jié)構(gòu)，但由該方法得到的結(jié)晶性硅膜由多根柱狀結(jié)晶構(gòu)成，各自的柱狀結(jié)晶內(nèi)部成為接近單結(jié)晶的狀態(tài)。
在該方法中，若催化劑元素殘留在硅膜中，則不能得到正常的半導(dǎo)體元件特性。因此，如特開平6-333824號(hào)公報(bào)或特開平8-236471號(hào)公報(bào)所公開的，使用磷離子來(lái)捕捉催化劑元素。具體地，導(dǎo)入催化劑元素，對(duì)熱處理中得到的結(jié)晶性硅膜進(jìn)行構(gòu)圖后，在其表面上設(shè)置柵極絕緣膜，再設(shè)置柵電極。以柵電極為掩模向構(gòu)圖后的結(jié)晶性硅膜中摻雜磷離子。由此，在柵電極正下方的區(qū)域以外的區(qū)域(源極、漏極區(qū)域)摻雜磷。利用熱能或激光使其有源化，從而柵電極正下方的區(qū)域的催化劑元素被捕捉(收氣gettering)到源極漏極區(qū)域，形成以柵極正下方的區(qū)域作為溝道區(qū)域的薄膜晶體管。
上述的磷離子的摻雜必須相對(duì)大面積的結(jié)晶性硅膜形成。因此，使用能夠照射大面積的離子束的離子束裝置。在這樣的離子束裝置中，為了產(chǎn)生大量的離子，形成大面積的離子束，而以乙硼烷和磷化氫為原料，在離子源將所述原料分解而生成離子束，該離子束不通過(guò)質(zhì)量分離器而照射結(jié)晶性硅膜。此時(shí)，在現(xiàn)有的離子束裝置中，使離子束的射束電流密度一定而控制離子束裝置，將離子摻雜到結(jié)晶性硅膜中。
但是，在進(jìn)行這種控制時(shí)，所摻雜的離子每單位面積的全部電荷一定，生成的離子的離子種能夠改變。所摻雜的半導(dǎo)體的特性由于離子種的不同而不同，所以使用目前的離子束裝置向結(jié)晶性硅膜摻雜離子，制作半導(dǎo)體元件時(shí)，產(chǎn)生半導(dǎo)體元件的特性波動(dòng)大的問(wèn)題。另外，由于特性的波動(dòng)大，故產(chǎn)生滿足規(guī)定規(guī)格的半導(dǎo)體裝置的成品率降低的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，解決上述現(xiàn)有問(wèn)題，提供生成的離子種比率的變動(dòng)少的離子摻雜裝置和離子摻雜裝置。另外，本發(fā)明也涉及使用離子摻雜裝置制造的半導(dǎo)體裝置及其制造方法。
本發(fā)明的離子摻雜裝置包括腔室；排氣部，其排出所述腔室內(nèi)的氣體；離子源，其設(shè)置在所述腔室內(nèi)，具有導(dǎo)入含要摻雜的元素的氣體的導(dǎo)入口、放出熱電子的燈絲以及用于在與所述燈絲之間進(jìn)行電弧放電的陽(yáng)極電極，通過(guò)所述電弧放電分解所述氣體，生成含有所述要摻雜的元素的離子；加速部，其從離子源引出在所述離子源生成的離子并且朝向?qū)ο笪锛铀?，控制所述電弧放電，以使在所述燈絲和所述陽(yáng)極電極之間流動(dòng)的電弧電流一定。
在理想的實(shí)施方式中，離子摻雜裝置還具有向所述燈絲施加電壓的燈絲電源和向所述燈絲與所述陽(yáng)極電極之間施加電壓的電弧電源，控制所述燈絲電源及/或所述電弧電源，使在所述燈絲和所述陽(yáng)極電極之間流過(guò)的電弧電流成為一定。
在理想的實(shí)施方式中，還具有用于測(cè)定所述電弧電流的電流計(jì)，控制所述電弧電源的輸出電壓，使由所述電流計(jì)測(cè)定的值成為一定。
在理想的實(shí)施方式中，通過(guò)所述電弧放電從所述氣體生成多個(gè)離子種，所述離子種的生成比成為一定。
另外，本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置包括具有絕緣性表面的基板和設(shè)置在所述基板上的結(jié)晶性硅膜，并且具有多個(gè)半導(dǎo)體元件，其使用所述任一實(shí)施方式所述的離子摻雜裝置，以所述要摻雜的元素作為雜質(zhì)向所述結(jié)晶性硅膜導(dǎo)入，由此，在所述結(jié)晶性硅膜中形成源極區(qū)域、漏極區(qū)域以及溝道區(qū)域。
在理想的實(shí)施方式中，將所述多個(gè)半導(dǎo)體元件中的所述溝道區(qū)域的雜質(zhì)濃度平均值設(shè)為Ave，將標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)為σ，此時(shí)滿足0.05≥3σ/Ave的關(guān)系。
在理想的實(shí)施方式中，將所述多個(gè)半導(dǎo)體元件中的所述源極區(qū)域和漏極區(qū)域的雜質(zhì)濃度平均值設(shè)為Ave，將標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)為σ，此時(shí)滿足0.05≥3σ/Ave的關(guān)系。
在理想的實(shí)施方式中，所述結(jié)晶性硅膜通過(guò)促進(jìn)非晶硅膜的結(jié)晶性生長(zhǎng)的催化劑元素而結(jié)晶化。
在理想的實(shí)施方式中，所述非晶硅膜具有大于或等于25nm小于或等于80nm的厚度。
在理想的實(shí)施方式中，所述結(jié)晶性硅膜以小于或等于1×1016atoms/cm3的濃度含有所述催化劑元素。
在理想的實(shí)施方式中，所述催化劑元素是從鎳、鈷、鈀、白金、銅、銀、金、銦、錫、鋁以及銻構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素。
在理想的實(shí)施方式中，所述催化劑元素是鎳。
在理想的實(shí)施方式中，所述結(jié)晶性硅膜在導(dǎo)入所述催化劑元素后，通過(guò)爐的熱處理、燈泡的退火處理以及激光照射中的大于或等于一個(gè)的方法來(lái)進(jìn)行。
本發(fā)明的離子摻雜方法包含通過(guò)電弧放電分解含有要摻雜的元素的氣體的步驟、通過(guò)以規(guī)定電壓加速由所述分解步驟產(chǎn)生的離子而使所述離子沖撞對(duì)象物的步驟，在所述分解步驟中，控制所述電弧放電，使所述電弧放電產(chǎn)生的電流成為一定。
在理想的實(shí)施方式中，要摻雜的元素是硼或磷。
本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法包含在具有絕緣性表面的基板上形成非晶硅膜的步驟(A)；向所述非晶硅膜添加催化劑元素的步驟(B)；通過(guò)對(duì)添加有所述催化劑元素的非晶硅膜進(jìn)行熱處理，進(jìn)行結(jié)晶化，從所述非晶硅膜得到結(jié)晶性硅膜的步驟(C)；通過(guò)使電弧電流成為一定而進(jìn)行電弧放電，分解含雜質(zhì)元素的氣體，加速由所述分解產(chǎn)生的離子，導(dǎo)入到所述所述結(jié)晶性硅膜中的步驟(D)；對(duì)所述結(jié)晶性硅膜進(jìn)行熱處理的步驟(E)。
在理想的實(shí)施方式中，所述半導(dǎo)體裝置的制造方法在所述步驟(C)之后，還具有在所述結(jié)晶性硅膜上形成絕緣膜的工序，所述步驟(D)包含通過(guò)使電弧電流一定而進(jìn)行電弧放電，從而分解所述含雜質(zhì)元素的氣體，加速由所述分解產(chǎn)生的離子，經(jīng)由所述絕緣膜導(dǎo)入到所述結(jié)晶性硅膜中的步驟(D1)；在所述結(jié)晶性硅膜上形成由具有導(dǎo)電性的材料構(gòu)成的圖案的工序(D2)；通過(guò)使電弧電流一定而進(jìn)行電弧放電，從而分解所述含雜質(zhì)元素的氣體，加速由所述分解產(chǎn)生的離子，以所述圖案為掩模而導(dǎo)入到所述結(jié)晶性硅膜中的步驟(D3)。
在理想的實(shí)施方式中，所述步驟(D1)的雜質(zhì)元素是硼，所述步驟(D2)的雜質(zhì)元素是磷。
在理想的實(shí)施方式中，所述催化劑元素是從鎳、鈷、鈀、白金、銅、銀、金、銦、錫、鋁以及銻構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素。


圖1是表示本發(fā)明的離子摻雜裝置的一實(shí)施方式的模式圖；圖2是表示電弧電流變化時(shí)的離子種比率的曲線圖；圖3(a)～(e)是說(shuō)明本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造工序的模式剖面圖；圖4是表示本發(fā)明的離子摻雜裝置的其他方式的模式圖。
具體實(shí)施例方式
圖1表示本發(fā)明的離子摻雜裝置的一實(shí)施方式。圖1所示的離子摻雜裝置10具有腔室11、排氣部13、離子源12以及加速部23。
排氣部13由公知的泵等構(gòu)成，能夠?qū)η皇?1內(nèi)的氣體進(jìn)行排氣，將腔室內(nèi)的壓力維持在適當(dāng)?shù)闹?。雖然未作圖示，在排氣部13上連接有用于對(duì)離子摻雜裝置所使用的各種氣體進(jìn)行無(wú)害處理的除害裝置。
離子源12通過(guò)電弧放電來(lái)分解含有要摻雜的元素的氣體，生成等離子體，并且生成含有要摻雜的元素的離子。離子源12設(shè)置在腔室11內(nèi)，包含電弧腔室30、氣體導(dǎo)入口14以及燈絲15。氣體導(dǎo)入口14設(shè)置在電弧腔室30內(nèi)，經(jīng)由氣體導(dǎo)入口14將含有要摻雜的元素的氣體導(dǎo)入到離子源12的電弧腔室30中。燈絲15設(shè)置在電弧腔室30的頂部。在圖1中，表示有三個(gè)燈絲15，但根據(jù)電弧腔室30的形狀和所必須的離子束的形狀以及大小，可選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)量以及配置。陽(yáng)極電極17設(shè)置在電弧腔室30的側(cè)面。在電弧腔室30的周圍設(shè)置有用于將生成的等離子體封入到電弧腔室30內(nèi)的環(huán)狀磁鐵31。
在燈絲15上分別連接有燈絲電源16。離子摻雜裝置10具有微型處理器等控制裝置27，控制燈絲電源16的輸出電壓和燈絲15中流動(dòng)的電流。
另外，在燈絲15與電弧電極15之間連接有電弧電源20。最好在燈絲15與電弧電源20之間設(shè)有電流計(jì)19。由電流計(jì)19測(cè)定的值輸入到控制裝置27中。電弧電源20也由控制翟裝置27來(lái)控制。
加速部23從離子源12引出由離子源12生成的離子，朝向?qū)ο笪锛铀匐x子。由離子源12生成的離子不由質(zhì)量分離器分離，而全部被加速部23加速。因此，加速部23包含引出電極18、引出用電源21和加速用電源22。引出電極18具有第一引出電極18a和第二引出電極18b，設(shè)置于電弧腔室30的開口。第一引出電極18a最接近電弧腔室30的開口而定位，在第一引出電極18a和電弧電極17之間連接有引出用電源21。另外，在第一引出電極18a和第二引出電極18b之間連接有加速用電源22。
在夾著引出電極18而與電弧腔室30的開口相對(duì)的位置上，通過(guò)基板支架28保持作為導(dǎo)入離子的對(duì)象物的基板25。在從離子源12得到的離子束33的形狀，當(dāng)不能夠一次照射基板25的情況下，可以設(shè)置使離子束33在基板25上掃描而使基板25移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。在基板25的下方設(shè)有用于測(cè)定離子束33的電流的射束電流測(cè)定器26。
然后，說(shuō)明離子摻雜裝置10的動(dòng)作以及使用了離子摻雜裝置10的離子摻雜方法。通過(guò)基板支架28將基板25固定在腔室11內(nèi)的離子束33照射的位置上后，對(duì)腔室11內(nèi)進(jìn)行排氣，直到達(dá)到規(guī)定的真空度。在基板25的表面上形成有例如要導(dǎo)入雜質(zhì)離子的半導(dǎo)體膜。
從氣體導(dǎo)入口14導(dǎo)入含有成為雜質(zhì)離子的元素的氣體。例如，相對(duì)硅半導(dǎo)體將成為N型摻雜劑的磷作為雜質(zhì)離子向?qū)ο笪飳?dǎo)入時(shí)，使用磷化氫(PH3)，在將成為P型摻雜劑的硼作為雜質(zhì)離子向?qū)ο笪飳?dǎo)入時(shí)，使用乙硼烷(B2H6)。由此，能夠以含有成為雜質(zhì)離子的元素的低壓氣體充滿電弧腔室30內(nèi)。
使用燈絲電源16向燈絲15施加規(guī)定電源并且電流在燈絲15上流動(dòng)，同時(shí)，通過(guò)電弧電源20在燈絲15與電弧電極17之間施加規(guī)定的電壓時(shí)，由燈絲15加熱的熱電子從燈絲15向電弧腔室30內(nèi)放出，到達(dá)電弧電極17。該電子放出成為電弧放電。放出的熱電子與電弧腔室30內(nèi)的磷化氫及乙硼烷沖撞，使得這些分子分解并且離子化，生成等離子體。
離子摻雜裝置10的控制裝置27控制電弧放電，使得在燈絲15和電極17之間流動(dòng)的電弧電流成為一定。具體地說(shuō)，根據(jù)電流計(jì)19測(cè)定的電流值來(lái)控制燈絲電源20和電弧電源21，使電弧電流成為一定。由此，調(diào)節(jié)在燈絲15中流動(dòng)的電流量及/或燈絲15及電弧電極17之間的電弧電壓，使從燈絲放出的每單位時(shí)間的熱電子量保持一定。由于對(duì)以一定比例從氣體導(dǎo)入口14導(dǎo)入的氣體供給的熱電子量也是一定的，故氣體分解保持成一定的狀態(tài)，生成的離子種的比率成為一定。
生成的等離子體中的陽(yáng)離子通過(guò)利用引出用電源21施加在電弧電極17和第一引出電極18a之間的電壓，從電弧腔室30的開口向外引出。引出的陽(yáng)離子通過(guò)利用加速用電源22而施加在第一引出電極18a和第二引出電極18b之間的電壓而被加速。加速了的陽(yáng)離子成為離子束33并向基板25照射。由離子束33運(yùn)送的電荷由射束電流測(cè)定器26測(cè)定，求出離子束33的電流或電流密度。
圖2表示在使用離子摻雜10分解乙硼烷的情況下，在使電弧電流變化時(shí)生成的各離子種的比例。橫軸表示每根燈絲的電弧電流，縱軸以百分比表示生成的離子種的比例。在圖2中，“B1類”、“B2類”以及“H類”分別含有一個(gè)硼元素的化學(xué)種(BH+、BH2+等)、含有兩個(gè)硼元素的化學(xué)種(B2H+、B2H2+等)以及僅含有氫元素的化學(xué)種(H+、H2+等)。由圖可知，電弧電流增大，則“B1類”和“H類”的化學(xué)種增加，“B2類”的化學(xué)種減少。即，通過(guò)改變電弧電流，所生成的這些離子種的比例變化。
因此，如同現(xiàn)有的離子摻雜裝置，在使離子束電流密度成為一定而進(jìn)行控制時(shí)，由于電弧電流變動(dòng)，生成的離子種的比率變化。這意味著，即使一邊進(jìn)行控制使離子電流密度一定一邊進(jìn)行離子摻雜，生成的離子種的比例也變化，雜質(zhì)離子的注入離改變。例如，離子束電流密度即使相同，每一根燈絲的電弧電流從1mA向2mA改變時(shí)，作為硼而注入的量減少到0.84倍((14×2+14)/(20×2+10))。另外，由于生成的離子種的比率在離子摻雜中改變，電弧腔內(nèi)的離子種的分布改變，離子束中的離子種的分布不均勻。因此，離子摻雜電流密度一定而向?qū)ο笪飺诫s離子時(shí)，雜質(zhì)離子的面內(nèi)分布變得不均勻。
對(duì)此，使用本發(fā)明的離子摻雜裝置使電弧電流成為一定而摻雜離子時(shí)，生成的離子種的比例保持為一定。因此，電弧腔室內(nèi)的離子種的分布保持為一定，離子束中離子種的分布變得均勻。即，電弧電流成為一定而向?qū)ο笪镏袚诫s離子時(shí)，雜質(zhì)離子的面內(nèi)分布變得均勻。
另外，在控制電弧放電以使電弧電流一定時(shí)，得到的離子束的射束電流密度改變。但是，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，射束電流密度的變動(dòng)減小，通過(guò)調(diào)整注入時(shí)間而能夠與總劑量一致。由此，雖然在注入時(shí)間內(nèi)多少會(huì)產(chǎn)生變動(dòng)，但注入到對(duì)象物中的離子種的比例成為一定，另外，提高對(duì)象物中摻雜的離子種的面內(nèi)均一性。
因此，例如使用本發(fā)明的離子摻雜裝置，電弧電流一定而向液晶顯示裝置用的結(jié)晶性硅膜注入雜質(zhì)離子時(shí)，形成在基板面內(nèi)的多個(gè)薄膜晶體管的閾值電壓及漏極、源極間的電阻等半導(dǎo)體特性的波動(dòng)變得極小。
接下來(lái)使用本發(fā)明的離子摻雜裝置來(lái)說(shuō)明制造半導(dǎo)體裝置的順序。以下說(shuō)明作為像素用開關(guān)元件在玻璃基板上形成多個(gè)N型TFT(薄膜晶體管)，制造液晶顯示裝置用有源矩陣基板的順序。這樣的TFT需要在基板上形成數(shù)十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)個(gè)，特別是需要特性一致，但本發(fā)明的離子摻雜裝置能夠適合制造這樣的液晶顯示裝置用有源矩陣。除了像素用開關(guān)元件之外，構(gòu)成有源矩陣型的驅(qū)動(dòng)電路及薄膜集成電路的元件等可適合使用本發(fā)明的離子摻雜裝置而進(jìn)行制作。
圖3(a)～(e)是以工序順序表示含有多個(gè)N型TFT的本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制作工序。實(shí)際上，制作了大于或等于數(shù)十萬(wàn)個(gè)TFT，但在以下的說(shuō)明中示例一個(gè)TFT。
首先，如圖3(a)所示，通過(guò)等離子體CVD法在玻璃基板等絕緣性基板101上形成厚度1～20nm的氧化硅的底膜102。然后，通過(guò)等離子體CVD法，形成厚度25～80nm，例如40nm的本征非晶硅膜103。
然后，通過(guò)濺射法，在本征非晶硅膜103上作為催化劑元素添加Ni，使表面濃度成為1×1013～1×1015atoms/cm2(例如，7×1013atoms/cm2)。然后，使用熱處理爐、噴燈退火等，在不活潑環(huán)境下，以540℃～620℃的溫度對(duì)基板101實(shí)施數(shù)小時(shí)的加熱處理。通過(guò)該加熱處理，進(jìn)行本征非晶硅膜103的結(jié)晶化。在本實(shí)施方式中，使用熱處理爐，在氮元素的氣體環(huán)境下在580℃進(jìn)行一小時(shí)的熱處理。Ni的添加方法不限定于濺射法，也可以使用含有Ni化合物的涂敷液，在本征非晶硅膜103上形成涂敷膜，通過(guò)進(jìn)行熱處理而使Ni從涂敷膜向本征非晶硅膜103擴(kuò)散，進(jìn)而促使本征非晶硅的結(jié)晶化。另外，作為催化劑元素，除了Ni以外，也可以使用鈷、鈀、白金、銅、銀、金、銦、錫、鋁或銻，也可以從這些金屬中選擇多個(gè)金屬。
然后，如圖3(b)所示，通過(guò)照射激光而進(jìn)行結(jié)晶化。作為激光，例如使用波長(zhǎng)248nm、脈沖寬度20nsec的KrF準(zhǔn)分子激光器。也可以使用其他波長(zhǎng)的激光。激光的照射條件為，能量密度200～400mJ/cm2，例如250mJ/Gm2，一處2～10發(fā)(shot)，例如2發(fā)。照射激光時(shí)，可以以200～450℃左右的溫度加熱基板。這樣，通過(guò)在照射激光時(shí)進(jìn)行基板的加熱，能夠更加有效地促進(jìn)非晶硅的結(jié)晶化。
在上述的兩階段的熱處理中，催化劑元素通過(guò)硅化而促使非晶硅膜的結(jié)晶生長(zhǎng)。特別是，作為鎳的硅化合物的NiSi2的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，在各種催化劑的硅化合物中，與單晶硅的結(jié)晶結(jié)構(gòu)最為類似，其晶格常數(shù)也與結(jié)晶硅的晶格常數(shù)非常相近。因此，NiSi2在非晶硅膜的結(jié)晶化中作為最佳的鑄模而起作用，促進(jìn)非晶硅膜的結(jié)晶化。此時(shí)，通過(guò)使非晶硅膜103的厚度大于或等于25nm，能夠充分地進(jìn)行結(jié)晶生長(zhǎng)，通過(guò)使厚度小于或等于80nm，能夠防止在厚度方向上生長(zhǎng)兩層或兩層以上的結(jié)晶。由此，防止結(jié)晶性惡化及催化劑元素殘留這樣的問(wèn)題，從非晶硅膜103得到具有高電子移動(dòng)度的高品質(zhì)的結(jié)晶性硅膜103′。用于結(jié)晶化的熱處理也可以由一個(gè)階段進(jìn)行，但是最好使用熱處理爐或噴燈退火的加熱和激光照射的加熱的組合。通過(guò)兩個(gè)階段的熱處理，得到的TFT的晶體管特性質(zhì)地提高。
然后，如圖3(c)所示，去除結(jié)晶性硅膜103′的不需要的部分，進(jìn)行元件間分離，薄膜晶體管的含有源極、漏極區(qū)域以及溝道區(qū)域的島狀的元件形成區(qū)域115。在基板101整體上矩陣狀地配置多個(gè)元件形成區(qū)域115。
如圖3(c)所示，通過(guò)等離子體CVD法作為柵極絕緣膜而形成厚度50nm～250nm(例如150nm)的氧化硅膜104后，使用圖1所示的離子摻雜裝置101，經(jīng)由氧化硅膜104在元件形成區(qū)域115上摻雜硼離子。在本實(shí)施例中，離子摻雜裝置101具有四根燈絲15，從一根燈絲中流出的電流維持在1.5～2.5mA之間的定值上，并且進(jìn)行摻雜。例如，控制離子摻雜裝置101，使每一根的電弧電流成為2.0mA，向元件形成區(qū)域115摻雜5×1011～5×1013cm-2的硼離子。作為硼源，使用乙硼烷。
如圖3(d)所示，通過(guò)濺射法形成厚度10～100nm(例如60nm)的氮化鉭(TaN)和厚度100～500nm(例如300nm)的鎢(W)。對(duì)形成的這些膜進(jìn)行構(gòu)圖，形成由TaN/W構(gòu)成的柵極電極105。
然后，使用離子摻雜裝置101，以柵極電極105為掩模在元件形成區(qū)域115上摻雜磷離子。作為摻雜氣體，使用磷化氫(PH3)，將加速電壓設(shè)定為60～90kV(例如80kV)。劑量設(shè)為1×1015～8×1015cm-2(例如2×1015cm-2)。摻雜磷離子時(shí)控制摻雜裝置101，使電弧電流在400～500mA(例如450mA)的范圍內(nèi)成為一定值。
摻雜磷離子后，在氮元素的氣體環(huán)境中，以550℃的溫度進(jìn)行4小時(shí)熱處理，使摻雜了的雜質(zhì)有源化。此時(shí)，同時(shí)在位于元件形成區(qū)域115的柵極電極105下方的區(qū)域(之后成為溝道區(qū)域107)中的鎳被元件形成區(qū)域115的摻雜有磷離子的區(qū)域(之后成為源極區(qū)域106和漏極區(qū)域108)中的磷捕捉。因此，位于柵極電極105下方的區(qū)域中的鎳的濃度降低到1×1016atoms/cm3左右。
由此，如圖3(d)所示，在柵極電極105下的元件形成區(qū)域115上形成P型的溝道區(qū)域107，夾著溝道區(qū)域107在元件形成區(qū)域115上形成N型的源極區(qū)域106和漏極區(qū)域108。即，完成含有柵極電極105、溝道區(qū)域107、源極區(qū)域106以及漏極區(qū)域108的N型TFT116的形成。如上所述，由于溝道區(qū)域107的鎳濃度小于或等于1×1016atmos/cm3，故在TFT116中溝道區(qū)域107的漏電流減小、結(jié)晶性高，因此接通電流大。
在形成由N型TFT和P型TFT構(gòu)成的補(bǔ)型電路的情況，向結(jié)晶性硅膜103′摻雜硼和磷，使用適當(dāng)?shù)难谀?，選擇地?fù)诫s硼和磷，由此分開制作N型區(qū)域和P型區(qū)域，能夠在相同的基板上形成N型TFT和P型TFT。
如圖3(e)所示，將厚度600nm的氧化硅膜109作為層間絕緣膜而通過(guò)等離子體CVD法形成，在其上形成連通孔，通過(guò)金屬材料、例如氮化鉭和鋁的多層膜形成薄膜晶體管的電極110。另外，形成由ITO構(gòu)成的像素電極111。最后，在一個(gè)大氣壓的氫元素的氣體環(huán)境以350℃進(jìn)行30分的加熱處理，制成具有多個(gè)TFT116的半導(dǎo)體裝置。
以下所示的表1表示由上述方法制作的有源矩陣基板和在上述制作過(guò)程中以目前的使離子束電流一定的控制進(jìn)行硼及/或磷的注入而制成的有源矩陣基板的TFT的特性波動(dòng)。作為TFT的特性波動(dòng)，測(cè)定閾值電壓和源極、漏極間電阻的基板內(nèi)的平均值(Ave)和標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)，計(jì)算3σ/Ave并用百分率來(lái)表示。另外，還表示所得到的有源矩陣基板中，TFT的特性的波動(dòng)滿足規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的比率。有源矩陣基板為60mm×80mm，含有100萬(wàn)個(gè)TFT。
表1

由表1的試料序號(hào)1的結(jié)果可知，在注入硼和磷時(shí)控制離子摻雜裝置，使電弧電流都成為一定，在該情況下，閾值電壓和源極、漏極間電阻的基板內(nèi)的波動(dòng)(3σ/Ave)減小到小于或等于5％，因此，基板的成品率也提高到98％。根據(jù)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)可知，通過(guò)使用本發(fā)明的離子摻雜裝置，相對(duì)小于或等于1000mm×1000mm的面積，可使雜質(zhì)濃度的波動(dòng)(測(cè)定雜質(zhì)濃度的平均值(Ave)及標(biāo)準(zhǔn)偏差(σ)情況的3σ/Ave)小于或等于5％。
對(duì)此，注入硼或注入磷時(shí)，通過(guò)與以往相同的方法控制摻雜裝置以使射束電流成為一定的情況下，閾值電壓或源極、漏極間電阻的波動(dòng)增大到大約7％，成品率也降低。特別是，通過(guò)以往的方法控制硼和磷的注入，使得射束電流成為一定的情況下，閾值電壓和源極、漏極間電阻的任意波動(dòng)也增大。結(jié)果，成品率降低到80％。
這樣根據(jù)本實(shí)施方式，在使用離子摻雜裝置向半導(dǎo)體膜導(dǎo)入雜質(zhì)時(shí)，控制離子摻雜裝置，以使用于在離子源產(chǎn)生等離子體的電弧放電的電弧電流成為一定。因此，在離子源生成的離子種的比率成為一定，能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行離子摻雜的控制。
特別是，在制作使用有通過(guò)催化劑元件使非晶硅膜結(jié)晶化而得到的結(jié)晶性硅膜的TFT時(shí)，導(dǎo)入到源極、漏極區(qū)域的磷離子的濃度對(duì)TFT特性有很大影響。具體地說(shuō)，磷離子的濃度小于設(shè)定值時(shí)，載流子濃度降低，源極、漏極區(qū)域的電阻增加。另外，由于不能得到足夠的捕捉用于促進(jìn)非晶硅結(jié)晶化的催化劑元素的磷濃度，故催化劑元素多殘留在溝道區(qū)域，電弧電流增大等TFT特性惡化，也有可能會(huì)引起TFT動(dòng)作不良。另一方面，在磷離子的濃度大于設(shè)定值時(shí)，由于注入過(guò)剩，使得結(jié)晶化了的硅的結(jié)晶結(jié)構(gòu)被破壞，結(jié)晶化硅被非晶硅化。因此，源極、漏極區(qū)域的電阻增加。
本發(fā)明的離子摻雜裝置如上所述，由于離子摻雜時(shí)的離子種的生成比的穩(wěn)定性優(yōu)良，故能夠在基板整體上均勻地分布所注入的離子種，另外，能夠?qū)㈦x子摻雜中的離子種的生成比保持一定。因此，使用本發(fā)明的離子摻雜裝置來(lái)?yè)诫s磷離子，通過(guò)由射束電流測(cè)定器來(lái)測(cè)定注入量而能夠準(zhǔn)確地控制磷離子的注入量，能夠制作使用有由催化劑源極使非晶硅膜結(jié)晶化而得到的結(jié)晶硅膜的TFT。
另外，由于將離子摻雜中的離子種的比例保持為一定，故離子束中的離子種的分布均勻，所注入的離子的面內(nèi)均一性提高。因此，在本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置中，在半導(dǎo)體膜上摻雜的雜質(zhì)離子的比例和劑量均一，多個(gè)半導(dǎo)體元件的特性波動(dòng)變小。
另外，在本實(shí)施方式中，在使用有通過(guò)催化劑元素而使非晶硅膜結(jié)晶化得到的結(jié)晶性硅膜的TFT中，用于形成溝道的硼離子注入和用于形成源極、漏極區(qū)域的磷離子注入，使用本發(fā)明的離子摻雜裝置。但是，在其他的半導(dǎo)體裝置的雜質(zhì)導(dǎo)入工序中也可以使用本發(fā)明的離子摻雜裝置，例如，在有源矩陣基板的TFT具有LDD結(jié)構(gòu)的情況下，也可以在用于形成LDD結(jié)構(gòu)的雜質(zhì)導(dǎo)入中使用本發(fā)明的離子摻雜裝置。另外，在使用單結(jié)晶半導(dǎo)體基板制造的各種半導(dǎo)體裝置中也可以使用本發(fā)明的離子摻雜裝置。
另外，在圖1所示的離子注入裝置中，加速部23由兩個(gè)電極構(gòu)成，但電極也可以不為兩個(gè)。例如，在圖4的離子注入裝置10′中，加速部23具有電極18、引出用電極21、加速用電源22以及減速用電源32。另外，電極18具有第一電極18a、第二電極18b、第三電極18c以及第四電極18d，其設(shè)置在電弧腔室30的開口處。第一電極18a最接近電弧腔室30的開口，在第一電極18a和電弧電極17之間連接有引出電源21。
在第一電極18a和第二電極18b之間以及第二電極18b和第三電極18c之間分別連接有電源22a和22b，在第三電極18c和第四電極18d之間連接有減速電源32。電源22a在第一電極18a與第二電極18之間施加用于引出由離子源12生成的離子的電壓，電源22b在第二電極18b與第三電壓18c之間施加用于使引出的離子加速的電壓。此時(shí)，由電源22a和電源22b施加的合計(jì)電壓一般被稱為加速度電壓。另一方面，減速用電源32防止由向基板25沖撞或注入的離子生成的二次電子離子通過(guò)加速部23而向離子源12方向加速的情況。
另外，如圖4所示，在離子摻雜裝置上設(shè)置用于使基板支架28移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)29，為了使離子束33在基板25上掃描，移動(dòng)機(jī)構(gòu)29也可以使基板25移動(dòng)。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明，能夠得到所生成的離子種的比率的變動(dòng)減少，控制性高的離子摻雜裝置。該離子摻雜裝置特別適用于顯示裝置等大面積的半導(dǎo)體裝置的制造中。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以得到基板內(nèi)的元件特性的波動(dòng)小的半導(dǎo)體裝置。該半導(dǎo)體裝置適于各種用途，特別適合顯示裝置等具有大面積的半導(dǎo)體裝置。
權(quán)利要求
1.一種離子摻雜裝置，其中，包括腔室；排氣部，其排出所述腔室內(nèi)的氣體；離子源，其設(shè)置在所述腔室內(nèi)，具有對(duì)含有要摻雜的元素的氣體進(jìn)行導(dǎo)入的導(dǎo)入口、放出熱電子的燈絲以及用于在與所述燈絲之間進(jìn)行電弧放電的陽(yáng)極電極，通過(guò)所述電弧放電來(lái)分解所述氣體，生成含有所述要摻雜的元素的離子；加速部，其從所述離子源引出在所述離子源生成的離子，并且朝向?qū)ο笪锛铀?，控制所述電弧放電，使在所述燈絲和所述陽(yáng)極電極之間流動(dòng)的電弧電流成為一定。
2.如權(quán)利要求1所述的離子摻雜裝置，其中，還具有向所述燈絲施加電壓的燈絲電源；向所述燈絲與所述陽(yáng)極電極之間施加電壓的電弧電源，控制所述燈絲電源及/或所述電弧電源，使在所述燈絲和所述陽(yáng)極電極之間流動(dòng)的電孤電流成為一定。
3.如權(quán)利要求1所述的離子摻雜裝置，其中，還具有用于測(cè)定所述電弧電流的電流計(jì)，控制所述電弧電源的輸出電壓，使由所述電流計(jì)測(cè)定的值成為一定。
4.如權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的離子摻雜裝置，其中，通過(guò)所述電弧放電從所述氣體中生成多個(gè)離子種，所述離子種的生成比成為一定。
5.一種半導(dǎo)體裝置，其中，包括具有絕緣性表面的基板和設(shè)置在所述基板上的結(jié)晶性硅膜，并且含有多個(gè)半導(dǎo)體元件，其使用權(quán)利要求1～4中任一項(xiàng)所述的離子摻雜裝置，以所述要摻雜的元素作為雜質(zhì)向所述結(jié)晶性硅膜導(dǎo)入，由此，在所述結(jié)晶性硅膜中形成源極區(qū)域、漏極區(qū)域以及溝道區(qū)域。
6.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其中，將所述多個(gè)半導(dǎo)體元件中的所述溝道區(qū)域的雜質(zhì)濃度平均值設(shè)為Ave，將標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)為σ，此時(shí)滿足0.05≥3σ/Ave的關(guān)系。
7.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其中，將所述多個(gè)半導(dǎo)體元件中的所述源極區(qū)域和漏極區(qū)域的雜質(zhì)濃度平均值設(shè)為Ave，將標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)為σ，此時(shí)滿足0.05≥3σ/Ave的關(guān)系。
8.如權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述結(jié)晶性硅膜通過(guò)促進(jìn)非晶硅膜的結(jié)晶性生長(zhǎng)的催化劑元素而結(jié)晶化。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述非晶硅膜具有大于或等于25nm小于或等于80nm的厚度。
10.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述結(jié)晶性硅膜以小于或等于1×1016atoms/cm3的濃度含有所述催化劑元素。
11.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述催化劑元素是從鎳、鈷、鈀、白金、銅、銀、金、銦、錫、鋁以及銻構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素。
12.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述催化劑元素是鎳。
13.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述結(jié)晶性硅膜在導(dǎo)入所述催化劑元素后，通過(guò)爐的熱處理、噴燈退火以及激光照射中的一種或一種以上的方法來(lái)進(jìn)行。
14.一種離子摻雜方法，其包含通過(guò)電弧放電分解含有要摻雜的元素的氣體的步驟；通過(guò)以規(guī)定電壓加速由所述分解步驟產(chǎn)生的離子而使所述離子沖撞對(duì)象物的步驟，其中，在所述分解步驟中，控制所述電弧放電，使所述電弧放電產(chǎn)生的電流成為一定。
15.如權(quán)利要求14所述的離子摻雜方法，其中，要摻雜的元素是硼或磷。
16.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中，包含在具有絕緣性表面的基板上形成非晶硅膜的步驟(A)；向所述非晶硅膜添加催化劑元素的步驟(B)；通過(guò)對(duì)添加有所述催化劑元素的非晶硅膜進(jìn)行熱處理，進(jìn)行結(jié)晶化，從所述非晶硅膜得到結(jié)晶性硅膜的步驟(C)；通過(guò)使電弧電流成為一定而進(jìn)行電弧放電，分解含雜質(zhì)元素的氣體，加速由所述分解產(chǎn)生的離子，導(dǎo)入到所述結(jié)晶性硅膜中的步驟(D)；對(duì)所述所述結(jié)晶性硅膜進(jìn)行熱處理的步驟(E)。
17.如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中，在所述步驟(C)之后，還具有在所述結(jié)晶性硅膜上形成絕緣膜的工序，所述步驟(D)包含通過(guò)使電弧電流一定而進(jìn)行電弧放電，從而分解所述含雜質(zhì)元素的氣體，加速由所述分解產(chǎn)生的離子，經(jīng)由所述絕緣膜導(dǎo)入到所述結(jié)晶性硅膜中的步驟(D1)；在所述結(jié)晶性硅膜上形成由具有導(dǎo)電性的材料構(gòu)成的圖案的工序(D2)；通過(guò)使電弧電流一定而進(jìn)行電弧放電，從而分解所述含雜質(zhì)元素的氣體，加速由所述分解產(chǎn)生的離子，以所述圖案為掩模而導(dǎo)入到所述結(jié)晶性硅膜中的步驟(D2)。
18.如權(quán)利要求17所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中，所述步驟(D1)的雜質(zhì)元素是硼，所述步驟(D2)的雜質(zhì)元素是磷。
19.如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中，所述催化劑元素是從鎳、鈷、鈀、白金、銅、銀、金、銦、錫、鋁以及銻構(gòu)成的組中選擇的至少一種元素。
全文摘要
一種離子摻雜裝置、離子摻雜方法以及半導(dǎo)體裝置。離子摻雜裝置包括腔室(11)；排氣部(13)，其排出腔室內(nèi)的氣體；離子源(12)，其設(shè)置在腔室內(nèi)，具有對(duì)含有要摻雜的元素的氣體進(jìn)行導(dǎo)入的導(dǎo)入口(14)、放出熱電子的燈絲(15)以及用于在與所述燈絲之間進(jìn)行電弧放電的陽(yáng)極電極(17)，通過(guò)電弧放電使氣體分解，生成含有要摻雜的元素的離子；加速部(23)，其從離子源(12)引出在離子源(12)生成的離子并且朝向?qū)ο笪锛铀?，控制電弧放電，使在燈絲和電弧電極之間流動(dòng)的電弧電流一定。
文檔編號(hào)H01J37/08GK1799124SQ200480015240
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
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