專利名稱：一種半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有結(jié)晶半導(dǎo)體材料的半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
利用在基片上形成的薄膜半導(dǎo)體制造的薄膜晶體管是公知的。這種薄膜晶體管(TFT)被用于集成電路中，特別在諸如有源矩陣型液晶器件一類電光器件中，作為每個象素的開關(guān)元件或者作為驅(qū)動有源矩陣元件的外圍電路中的驅(qū)動元件。
用于TFT的非晶硅膜是容易獲得的。然而非晶硅膜的電性質(zhì)是較差的。因此，人們希望使用具有結(jié)晶性的半導(dǎo)體膜，即多晶硅、微晶硅、單晶硅半導(dǎo)體或類似物。
作為一種用來形成具有結(jié)晶性的硅膜(以下稱結(jié)晶硅)的方法，首先淀積一層非晶硅膜，然后通過使用加熱或激光之類光能作用使其晶化的步驟是公知的。
然而，在使用熱能加熱情況下，需將基片加熱到600℃或更高的溫度保持10小時以上。例如，通常用作有源矩陣型液晶器件的基片的Corning 7059玻璃，其玻璃變形點為593℃。因此，通過在上述高溫下加熱處理進行結(jié)晶化對玻璃基片是不適用的。另一方面，例如受激準分子激光這樣的短脈沖激光雖然具有不使玻璃基片變形的優(yōu)點，但在使用激光情況下器件特性的一致性卻不太好。本發(fā)明人以為這是由于激光束的溫度分布造成的。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上面討論的非晶硅結(jié)晶化方面的有關(guān)問題，本發(fā)明人研究出一種促進加熱晶化的方法，和一種減小激光結(jié)晶化離散不均勻的方法。
對于加熱結(jié)晶化方法，發(fā)明人已經(jīng)證明，通過在硅膜上淀積少量鎳，鈀，鉛或者類似物，可以使非晶硅膜在550℃溫度下經(jīng)4小時的熱處理被結(jié)晶化。
引入少量上述元素(即促進結(jié)晶的催化劑元素)的方法可以采用等離子處理，蒸發(fā)以及離子注入等。在等離子處理中，在平行板型或正圓柱型的等離子CVD(化學(xué)汽相淀積法)設(shè)備中，使用一個包含有催化劑元素的電極制備氮或氫的等離子，借此將催化劑元素加到非晶硅膜上。
然而，不希望在半導(dǎo)體中存在過多的上述元素，因為使用這種半導(dǎo)體會妨礙半導(dǎo)體器件的可靠性或者電穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)盡管對非晶硅的結(jié)晶化需要使用催化劑元素，但在結(jié)晶硅膜中的催化劑元素的濃度應(yīng)控制到最小。為達到這一目的，最好使用對結(jié)晶硅不活潑的催化劑元素，以及精確控制加到硅膜中的催化劑的用量，以使其中的催化劑元素的濃度減至最小。
使用等離子處理加鎳催化劑的晶化工藝已被詳細地研究，并獲得以下結(jié)果(1)通過等離子處理將鎳摻入非晶硅膜時，在膜經(jīng)受熱處理以前，鎳已滲透進入非晶硅膜一個可觀的深度；(2)在加鎳的硅膜表面產(chǎn)生初始成核；(3)當(dāng)通過汽相淀積在非晶硅膜上形成鎳層時，將以與等離子處理相同的方式發(fā)生非晶硅膜的結(jié)晶化。
據(jù)上所述，可以認為由等離子處理引入的鎳并非全部都起促進硅結(jié)晶化的作用。即若引入大量的鎳，必然會出現(xiàn)鎳過量，它們并不起促進結(jié)晶化的作用。由于這個原因，只有同鎳接觸的那些硅的點和面才能起到在低溫下促進硅結(jié)晶化的作用。此外，可以推斷鎳必須以原子的方式微小地散布在硅中。即，可以認為鎳必須以原子的方式散布在非晶硅膜的表面附近，并且鎳的濃度應(yīng)當(dāng)在足以促進低溫結(jié)晶化的范圍內(nèi)盡可能地低。
能夠促進硅結(jié)晶化的微量催化劑可以通過，例如汽相淀積摻入非晶硅膜表面附近。然而，就膜的可控性方面而言汽相淀積是較差的，因此，不適宜用來精確控制要摻入非晶硅膜中的催化劑的用量。
有關(guān)在激光結(jié)晶化中發(fā)生的特性離散，本發(fā)明人通過實驗發(fā)現(xiàn)，這是由下面兩個主要原因造成的，(1)由于激光輻照表面上溫度分布造成的結(jié)晶度不均勻，(2)由于偶然產(chǎn)生的晶核。特別，激光束一般具有高斯分布的強度分布。非晶硅膜的溫度也是符合這一分布。結(jié)果，在非晶硅膜通過熔化或部分熔化而結(jié)晶化的過程中，結(jié)晶化必然在比其它區(qū)域有較低或較高溫度離散度的區(qū)域開始，因為結(jié)晶是在一個區(qū)域從熔化條件向固態(tài)變化時發(fā)生的。然而實踐中，晶核不一定存在于這些區(qū)域，因此，有可能形成過冷的區(qū)域。若這種過冷區(qū)域同晶核接觸，那么結(jié)晶化將爆發(fā)性地發(fā)生。還有，因為晶核易于在有氧化硅界面的表面粗糙處形成，因而可以認為結(jié)晶的均勻性是極困難的。
因此，人們期望一個同其它區(qū)域相比其溫度首先低于熔化點的區(qū)域同存在晶核的區(qū)域正好相符。
本發(fā)明的目的是要獲得一種具有高均勻性的結(jié)晶半導(dǎo)體膜。更具體地說，鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是要控制硅膜中晶核的形成。
按照本發(fā)明的一個方面，是將晶核引入非晶硅膜的預(yù)定區(qū)域，以便接著進行激光結(jié)晶化處理。當(dāng)晶核對于激光比非晶硅有較高的傳導(dǎo)率和較高的熱傳導(dǎo)率時，膜的溫度在晶核處首先低于熔化點，因此結(jié)晶在那里開始，并且可以獲得均勻的結(jié)晶膜。作為晶核，要求采用允許硅外延生長的材料，例如，硅的微晶或通過在非晶膜中加鎳然后加熱而形成的硅化鎳。
此外，在硅膜中不均勻地，即只在膜的上、下表面加晶核也是合乎要求的。之所以在硅膜的表面上添加晶核是適宜的，是因為在膜的厚度方向結(jié)晶化是充分進行的。同時，這被認為有助于增大每個晶體的尺寸。
從加有晶核的硅膜側(cè)輻照激光也是可取的。通過這樣做，同不形成晶核而僅用激光輻照的情況相比，有可能顯著地減少激光輻照以后的表面粗糙度。本發(fā)明人認為，這是因為晶核(即結(jié)晶硅)對激光的吸收效率小于非晶硅，結(jié)果使這一部分不易熔化。這樣形成的表面的粗糙度可同僅用固相生長法的情形相比。一般來說，表面粗糙度對諸如TFT之類半導(dǎo)體器件是有害的，例如，它造成載流子的耗散。
按照本發(fā)明的一個實施例，制造半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟形成非晶硅膜；把晶核引入所述的非晶硅膜；并且由所述的晶核生長晶體，由此獲得結(jié)晶硅膜。
通過在非晶硅膜表面上添加催化劑包括諸如鎳之類催化劑元素來形成晶核，然后通過加熱或光輻照(IR光輻照)施加能量。進一步，通過從形成晶核的一側(cè)輻照激光或相當(dāng)于激光的光，由引入的晶核生長晶體。晶體的生長是外延的。
作為加催化劑元素的方法，適宜于用含有催化劑元素的溶液涂敷在非晶硅膜上。具體地說，催化劑元素應(yīng)當(dāng)通過與非晶硅膜表面接觸而被添加。對于精確控制摻入到膜中的催化劑元素的用量，這是重要的。
催化劑元素既可從非晶硅膜的上表面，也可從下表面添加。在前一種情況下，溶液應(yīng)當(dāng)在非晶硅膜淀積以后施加到其上表面。在后一種情況下，溶液應(yīng)當(dāng)施加在基片表面，然后在其上形成非晶硅。
按照本發(fā)明的結(jié)晶硅膜適于作為至少具有諸如PN，PI，NI或類似的一種電結(jié)的半導(dǎo)體器件的有源區(qū)域。例如可以制造薄膜晶體管，二極管，光敏探測器。
本發(fā)明具有下述優(yōu)點(a)可以精確地控制和減少硅膜中催化劑元素的濃度。
(b)若使溶液與非晶硅膜表面接觸，被摻入到硅膜中的催化劑元素的量，由溶液中催化劑元素的濃度決定。
(c)可以最低的密度將催化劑元素引入非晶硅膜，因為非晶硅膜表面吸收的催化劑元素起促進晶化的作用。
(d)不需高溫處理，可以獲得具有良好結(jié)晶度的結(jié)晶硅膜。
由溶液提供的催化劑可以是化合物的形式或原子的形式。同時，它可以溶解在溶液中，或者以彌散在溶液中替代。
在使用諸如水，酒精，酸或氨之類的極性溶劑的情況下，可以使用下述化合物來添加鎳，即溴化鎳，醋酸鎳，草酸鎳，碳酸鎳，氯化鎳，碘化鎳，硝酸鎳，硫酸鎳，甲酸鎳，乙酰丙酮鎳，4-環(huán)己基丁酸鎳，氧化鎳，和氫氧化鎳。
苯，甲苯，二甲苯，四氯化碳，三氯甲烷或醚可以用作非極性溶劑。適用于非極性溶劑的鎳化合物的例子有乙酰丙酮鎳和二乙基己酸鎳。
此外，還可以在包含催化劑元素的溶液中加入界面活性劑。這樣，溶液可以被表面以較高的效率粘附或吸附。界面活性劑可以在涂敷溶液以前先涂敷到表面上。
當(dāng)使用單質(zhì)鎳(金屬)時，需要用酸將其溶解。
在前述的例子中，鎳可以被溶劑完全溶解。然而，即使鎳不完全溶解，也可以使用乳劑材料，其中單質(zhì)鎳或鎳的化合物均勻地彌散在彌散介質(zhì)中。也可以使用一種溶液用來形成氧化硅膜。這種溶液的一個例子是OCD(Ohka Diffusion Source)它是由東京OhkaKogyo Kabushiki Kaisha生產(chǎn)的。通過在表面上涂敷OCD，然后在大約200℃溫度下烘烤，可以容易地形成一層氧化硅，還可以在氧化硅膜中加入所需的雜質(zhì)。
當(dāng)使用極性溶劑例如水來溶解鎳時，非晶硅膜常常排斥它。在這種情況下，最好在非晶硅膜上形成一層薄的氧化膜，以便能均勻地接觸溶液。氧化膜的厚度最好在100以下。為了提高浸潤性質(zhì)，溶液中也可以加入界面活性劑。
當(dāng)采用非極性溶劑例如甲苯獲得2-乙基己酸鎳時，可以在非晶硅膜表面上直接形成溶液。然而，可以在非晶硅膜和溶液之間插入一種材料，用于增強兩者之間的粘度，例如OAP(包含六甲基二硅氮烷)作為主要組分，由Tokyo Oka Kogyo生產(chǎn))，它被用來增強抗蝕劑的粘度。
溶液中催化劑元素的濃度由溶液的種類決定，然而，粗粗地說，催化劑元素例如鎳在溶液中的重量濃度應(yīng)當(dāng)在0.01-10ppm，最好為0.01-1ppm。濃度測量是在晶化完成以后，以在硅膜中的鎳濃度為基礎(chǔ)進行的。
在加有催化劑元素的非晶硅膜上進行熱處理形成晶核以后，通過激光輻照硅膜可以被均勻地結(jié)晶成結(jié)晶硅膜。
當(dāng)在非晶硅膜上沒有晶核的情況下進行激光晶化時，晶化需要的激光功率比在膜上預(yù)先形成晶核進行激光晶化要大得多。通常認為，具有微晶的非晶硅膜結(jié)晶所需的激光功率，比沒有結(jié)晶度的硅膜結(jié)晶所需的功率要高(因為兩種硅膜對激光的吸收率不同)。然而，本發(fā)明完全與此相反，因為較低的激光功率足以使其中形成有晶核的硅膜被結(jié)晶。
在本發(fā)明中，晶化過程中成為晶核的硅膜區(qū)域可以通過控制摻入膜的催化劑元素的量而加以控制。膜可以被看作是在非晶結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)的混合狀態(tài)。結(jié)晶組分占膜的全部平面的比例，典型地是0.01到20％。在這種狀態(tài)下應(yīng)用激光，晶體可以從有結(jié)晶度的區(qū)域存在的晶核上生長。因此，可能獲得較高的結(jié)晶度。換言之，小晶粒長成大的晶粒，由于這些原因，晶體生長的長度，和晶粒的數(shù)量和尺寸或其它類似參數(shù)可以通過控制催化劑元素的量和激光功率來加以控制。
也可以使用強光來代替激光，特別可將紅外線用于結(jié)晶化。因為紅外線不大為玻璃基片吸收，所以可以用來僅加熱硅膜。這種輻照通常稱作快速熱退火(RTA)或快速熱處理(RTP)。
在本發(fā)明中，鎳被公開為最佳催化劑元素。然而，應(yīng)當(dāng)說明，其它催化劑元素可以相似的方式使用。作為例子這些元素是鈀，鉑，銅，銀，金，銦，錫，鉛，磷，砷和銻。也可以從元素周期表中的VIII、IIIb、IVb和Vb族中選取一個或多個元素。
使用的水或酒精之類溶液也可以用其它材料替代，這些材料包含有催化劑材料，例如金屬化合物或氧化物。


下面對附圖作簡要說明。
圖1A-1D表示依據(jù)本發(fā)明制造工藝；圖2A-2C表示依據(jù)本發(fā)明的制造工藝；圖3A-3E表示依據(jù)本發(fā)明的實施例3的TFT制造工藝；圖4表示依據(jù)本發(fā)明實施例6的TFT的制造工藝；圖5表示依據(jù)本發(fā)明的有源矩陣液晶器件的一個例子的框圖；圖6是與圖2A的橫截面相對應(yīng)的照片。
具體實施例方式
以下將舉例對本發(fā)明加以說明。
實施例1在這個實施例中，將參照圖1A-1D討論在由含有催化劑的水溶液形成的半導(dǎo)體膜上，進行加熱晶化后，再通過激光輻照進行晶化的過程。
在進行激光晶化以前，非晶硅膜中包含的氫濃度應(yīng)當(dāng)盡可能地小，例如，從0.01-10百分大氣壓。因此，為了使氫從硅膜中泄出，最好在低于結(jié)晶溫度的溫度下加熱非晶硅膜。在替代辦法中，使用100-500標(biāo)準立方厘米的Si2H6硅烷和500標(biāo)準立方厘米的氦，在相對較高的溫度下，例如430-500℃通過低壓化學(xué)汽相淀積方法形成非晶硅膜，其中氫的濃度處于上述的范圍內(nèi)。
在圖1A中，參考數(shù)字11表示100mm×100mm的Corning 7059玻璃基片。起始，通過已知的等離子化學(xué)汽相淀積或低壓化學(xué)汽相淀積在基片11上淀積一層厚度為100-1500的非晶硅膜12。例如，使用等離子化學(xué)汽相淀積(CVD)，膜的厚度為1000。
為了去除非晶硅膜表面上的污染物或自然氧化物，用氫氟酸溶液處理所形成的膜面，接著在表面形成一層10-50的氧化膜13。如果能夠忽略污染物的話，可用自然氧化物層代替氧化膜13。氧化膜13應(yīng)當(dāng)非常薄，例如大約為20。氧化膜13是在氧化氣氛中，例如氧氣中用紫外線輻照5分鐘形成的。氧化膜13也可以通過熱氧化作用或用過氧化氫處理形成。氧化膜13用于改善表面的濕潤性質(zhì)，即通過氧化膜13的設(shè)置，可以使在以后的步驟中用來施加催化劑元素的醋酸鎳溶液能夠被均勻地涂敷到硅膜整個表面。如果在非晶硅膜上沒有氧化膜，則醋酸溶液易于受到非晶硅膜的排斥，以致不可能在上面均勻地添加鎳，因此不可能實現(xiàn)均勻的晶化。
然而假如采用非極性溶劑，例如2-乙基己酸鎳的甲苯溶液，就不必要氧化膜13，溶液可以在膜13上直接形成。
接著制備其中加有鎳的醋酸溶液。鎳在溶液中的濃度為5ppm。將2毫升這種溶液，滴到硅膜12上形成的氧化膜13的表面。這一條件保持1-5分鐘。然后，用每分2000轉(zhuǎn)的旋涂器進行旋轉(zhuǎn)干燥達60分鐘。如果需要，這一涂敷步驟可以多次重復(fù)。結(jié)果，可以在非晶硅膜12上形成一層均勻的厚度從數(shù)到數(shù)百的含鎳層14。這一層中的鎳在熱處理期間將擴散到非晶硅膜中，并起催化劑作用促進結(jié)晶化。而且，這一層不必是完全的膜，即它可以是不連續(xù)的膜。
在非晶硅膜上施加溶液后應(yīng)保持1-5分鐘。進入硅膜的鎳的濃度將取決于這一時間的長短。然而決定濃度的主要因素是溶液中含鎳濃度。
接著，將基片在氮氣氛中在550℃溫度下加熱處理1小時。這一步的結(jié)果是在硅膜12中產(chǎn)生部分結(jié)晶，即形成如圖2A所示的晶核。參考數(shù)字21表示非晶硅膜12中形成的晶核。
上述熱處理的溫度不應(yīng)低于450℃。若溫度低于450℃，熱處理的時間應(yīng)延長，這樣使產(chǎn)率降低。此外，若溫度高于550℃，玻璃基片的耐熱性將成為問題。
可以理解，含鎳溶液可以在非晶硅膜13形成以前施加到基片上。在這種情況下，晶核從非晶硅膜的底表面被引入。
在上述熱處理以后，用KrF準分子激光20(波長248納米，脈寬30毫微秒)在氮氣氛下輻照數(shù)次，硅膜12就被完全晶化。激光的功率強度為200-350毫焦耳/cm2。也可以使用紅外線代替激光。在本發(fā)明中，重要的是激光應(yīng)從已經(jīng)形成晶核的非晶硅膜的上表面發(fā)射。圖2A-2C表示在激光輻照下如何由晶核21長成晶體。通過這種晶體生長過程，形成多晶膜23。圖6是與圖2A相對應(yīng)的一張照片。從圖6的這張照片中可以看到從晶核長成的小晶體。在基片和硅膜之間盡管存在一層氧化硅膜，但在圖6中不可能被看到。
實施例2本實施例除溶液中鎳的濃度被變?yōu)?ppm以外，同上一實施例是完全一樣的。
在熱處理以后用顯微鏡觀察本實施例中的硅膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)非晶硅膜部分比上例增大，而晶核減少。
進一步，在激光晶化以后，對樣品進行斷面控制腐蝕(Secco-etched)并用掃描電子顯微鏡觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每一個晶體的尺寸要比上一實施例中獲得的大。
實施例3本實施例涉及用按照本發(fā)明的工藝制造的結(jié)晶硅膜制造TFT的工藝，這種TFT用于有源矩陣液晶顯示器件的多個象素或用于驅(qū)動電路。TFT不但可以用于液晶顯示器件，而且能用于一般稱作薄膜集成電路(IC)廣泛領(lǐng)域。
參見圖3A-3E，按照本實施例制造TFT的工藝將在下面描述。在玻璃基片上淀積一層厚度為2000的氧化硅膜(圖中未示出)作為基層。這一氧化硅層是用來防止雜質(zhì)從玻璃基片滲入器件的。
然后，以與實施例1中相同的方式淀積一層厚度為500的非晶硅膜。在用氫氟酸處理去除自然氧化物膜以后，通過在氧氣氛中以紫外線輻照形成一層厚度為20的氧化物薄膜。
在所形成的其上具有氧化膜的非晶硅膜上涂敷含有濃度為10ppm的鎳的醋酸水溶液。將所得結(jié)構(gòu)保持5分鐘，然后用旋涂機將其旋轉(zhuǎn)干燥。然后采用緩沖的氫氟酸去除氧化硅膜，并通過在550℃下對所得結(jié)構(gòu)加熱1小時，使硅膜部分結(jié)晶。這樣獲得一種非晶組分和結(jié)晶組分混合的硅膜。結(jié)晶部分就起晶核的作用。
然后，用KrF準分子激光從硅膜上表面以200-300毫焦?fàn)枏姸葘枘みM行輻照。在激光輻照期間，對基片在400℃下進行加熱。這樣在前面步驟中生成的晶核就生長成晶體。
把這樣結(jié)晶的硅膜刻成如圖3A中所示的島狀區(qū)域104。這種島狀區(qū)域104起到TFT中的有源層的作用。在其后形成氧化硅膜105，其厚度從200-1500，例如1000。這一氧化硅膜起柵絕緣膜的作用。
氧化硅膜105是采用四乙氧硅烷(TEOS)借助射頻等離子化學(xué)汽相淀積方法形成的。即在基片溫度為150℃-600℃，最好為300-450℃范圍內(nèi)，使四乙氧硅烷分解，然后同氧一起淀積。四乙氧硅烷和氧是在分壓比為1∶1-1∶3，總壓力為0.05-0.5乇，同時采用的射頻功率為100至250W的條件下被引入的。氧化硅膜也可以采用四乙氧硅烷和臭氧一起作為起始氣體，同時維持基片溫度在350℃-600℃，最好在400-550℃的范圍內(nèi)，通過減壓CVD或常壓CVD方法制得。這樣制得的膜要在氧氣或臭氧中，在400-600℃溫度范圍內(nèi)進行30-60分鐘退火處理。
一種KrF準分子激光(波長為248納米，脈寬為20毫微秒)或相當(dāng)?shù)膹姽庠谶@一條件下進行輻照，可以有助于硅島104的結(jié)晶化。特別，采用紅外輻射進行快速熱退火(RTA)是很有效的，因為它可以選擇性地加熱硅膜而不加熱玻璃基片。而且，RTA在制造絕緣柵場效應(yīng)半導(dǎo)體器件方向是特別有用的，因為它能降低硅層和氧化硅層之間的界面能級。
緊接著，通過電子束汽相淀積，形成一層厚度從2000到1微米的鋁膜，并且刻成柵電極106。鋁膜可以含有0.15-0.2％重量的鈧作為摻雜劑。然后將基片浸入濃度為1-3％的酒石酸乙二醇溶液，該溶液的pH值被控制在7左右，由此進行陽極氧化，這里采用鉑作為陰極，鋁柵電極作為陽極。陽極氧化是這樣實現(xiàn)的，首先以恒定的速度將電壓提高到220伏，然后將電壓穩(wěn)定在220伏1小時以完成氧化。在施加恒定電流的條件下，電壓最好以每分鐘2-5伏的速率增加。這樣將形成一層1500-3500厚的陽極氧化物109，例如圖6B中為2000。
使用柵電極部分作為掩膜，通過離子摻雜(等離子摻雜)使雜質(zhì)(磷)以自對準方式注入TFT的島狀硅膜中。磷化氫(PH3)被用作摻雜氣體。劑量為1×1015-4×1015cm-2。
由于引入雜質(zhì)其結(jié)晶度受到損壞的那部分，其結(jié)晶度此后通過用KrF準分子激光(波長248納米，脈寬20毫微秒)輻照而得以恢復(fù)，情況如圖3C所示。該激光功率強度是150-400毫焦耳/cm2，最好在200-250mJ/cm2內(nèi)。結(jié)果形成N型雜質(zhì)(磷)區(qū)域108和109。該區(qū)域的表面電阻被發(fā)現(xiàn)在200到800Ω/平方的范圍內(nèi)。
這一激光退火步驟可以用RT處理來替代，即用閃光燈的快速熱退火處理來替代，其中硅膜的溫度被迅速地升到1000-1200℃的范圍(在硅監(jiān)視器上測量到的)。
接著，使用四乙氧硅烷(TEOS)和氧通過等離子CVD，或使用TEOS和臭氧通過減壓CVD或常壓CVD淀積一層厚3000的氧化硅膜作為層間絕緣110。這時基片溫度被保持在250-450℃的范圍內(nèi)，例如在350℃。此后，對所得氧化硅膜進行機械拋光，從而獲得平滑的表面(圖3D)。
對層間電介質(zhì)110進行腐蝕，以在源/漏上形成如圖3E所示的接觸孔，內(nèi)連接112和113是采用鉻或鈦的氮化物形成的。
在現(xiàn)有技術(shù)中鎳是通過等離子處理引入的，所以要選擇地僅腐蝕氧化硅膜而不腐蝕硅膜是困難的。然而在本發(fā)明中，鎳是采用濃度為10ppm如此低的含鎳水溶液摻入到硅膜中的，因此，能形成對氫氟酸有強耐受力的硅膜和具有高的可再現(xiàn)性的接觸孔。
最后，該結(jié)構(gòu)在氫氣中在300-400℃的溫度下進行0.1到2小時的退火，以使硅膜氫化。這樣TFT的制造就結(jié)束，它具有源漏區(qū)域108和109，溝道區(qū)域114和一個NI結(jié)115。按照前述的工藝在同一個基片上同時形成的多個TFT被安排成矩陣，就形成一個有源矩陣液晶顯示器件。
按照本實施例，包含在有源層中的鎳的濃度被設(shè)定在3×1018個原子/cm3或更低，例如在每立方厘米1×1016到3×1018個原子的范圍內(nèi)。
在本實施例中制造的N型溝道TFT具有200cm2/vs或更高的遷移率。同時，該TFT的閾電壓是小的。此外，可以確信其遷移率的變化在±10％以內(nèi)?？梢哉J為，這是因為通過熱處理均勻地引入晶核，然后用激光輻照進行結(jié)晶而形成了均勻的晶體的緣故。假如僅用激光輻照，盡管能夠容易地獲得具有150cm2/vs高的遷移率的N型溝道TFT。但在這種情況下，其均勻性不可能如在本發(fā)明中一樣得到改善。
實施例4在本實施例中，晶核被從基片側(cè)面引入非晶硅膜，然后也從基片側(cè)面進行激光輻照使其結(jié)晶化。
在本實施例中要制造的TFT的結(jié)構(gòu)可能與前面實施例中公開的結(jié)構(gòu)是相同的。由于基片應(yīng)當(dāng)傳送激光，所以在使用KrF準分子激光(波長248納米)的情況下采用石英基片。然而在使用波長為353納米的XeF準分子激光或其它長波長激光時，仍可以使用玻璃基片(Corning 7059玻璃)。
開始用氫氟酸處理石英基片表面，接著在氧化氣氛下將基片表面暴露在紫外光下20分鐘。由于污染，石英基片表面有疏水趨向，為使其表面更加親水并借此能更均勻地形成含催化劑的溶液，執(zhí)行這些步驟是符合需要的。
在基片表面涂敷含有濃度為10ppm的鎳的醋酸溶液，并保持5分鐘，接著用旋涂機使其旋轉(zhuǎn)干燥。此后，通過等離子CVD或低壓熱CVD形成厚度為500的非晶硅膜。
然后，在550℃下加熱處理1小時，使該硅膜部分結(jié)晶。借此在下表面上(硅膜同基片接觸的表面)形成晶核。這些晶核在緊接著的激光晶化步驟中將起晶核的作用。通過這一步，將獲得一種非晶組分和晶體組分混合的硅膜。
接著，為了得到結(jié)晶硅膜，用KrF準分子激光從基片側(cè)面以200-300毫焦耳強度進行輻照。在激光輻照期間，用紅外燈對基片在400℃下加熱。通過這一步，晶體以晶核為核心進行生長。
用與實施例3中相同的方式處理這樣形成的結(jié)晶硅膜來制造TFT。在本實施例中制造的TFT的電特性，同實施例3中獲得的TFT幾乎相同。
比較例通過用具有波長為1.2微米的紅外光輻照形成晶核的步驟，代替在實施例3和4中加熱處理形成晶核的步驟。作為光源可以使用鹵素?zé)?。紅外光的強度應(yīng)予控制以便作為監(jiān)視器的單晶硅晶片的溫度保持在900-1200℃范圍內(nèi)。更具體地說，在硅晶片中埋有熱電偶，熱電偶的輸出被監(jiān)視并反饋到光源。溫度以每秒50-200℃的恒定速度上升。膜的冷卻是以每秒20-100℃的速率自然進行。因為用這種紅外光輻照，硅膜是被有選擇地加熱，所以對玻璃基片的損壞能夠被抑制。
實施例6首先參見圖4A，在Corning 7059基片501上通過濺射形成一層2000厚的氧化硅基膜502。將該基片在高于其變形點的溫度下按要求退火，接著該玻璃基片被以每分鐘0.1-1.0℃的速率冷卻到變形點溫度以下。借此，可以減小基片以后的加熱(例如熱氧化，熱退火)引起的收縮，因此將使掩膜對準工藝更加方便。這一步驟既可在基膜502形成前也可在形成后進行，甚至可以在形成前后都進行。在使用7059基片的情況下，可將該基片在620-660℃下加熱1-4小時。隨后以每分鐘0.1-0.3℃的冷卻速率冷卻，當(dāng)溫度降到400-500℃時將其從加熱爐中取出。
然后，通過等離子CVD形成一層500-1500厚的本征(I型)非晶硅膜，例如，形成1000厚的膜。通過實施例1中描述的方法，在非晶硅膜表面上為其提供鎳作為催化劑促進其晶化。然后為了將晶核引入硅膜表面，在氮氣氛下(大氣壓)在550℃溫度下對基片進行1小時熱處理。進一步，通過輻照KrF準分子激光使膜結(jié)晶化。在晶化以后，硅膜被刻成具有10-1000平方微米尺寸的島狀區(qū)。因此，如圖4A所示，形成島狀結(jié)晶硅膜503作為TFT的有源層。
參見圖4B，該硅膜表面通過暴露在氧化氣氛中發(fā)生氧化而形成一層氧化膜504。該氧化氣氛含有70-90％的水蒸汽。該氣氛的壓力和溫度分別為1個大氣壓和500-750℃，典型的為600℃。該氣氛是通過氫氣和氧氣的放熱反應(yīng)產(chǎn)生的。反應(yīng)中氫氣/氧氣的比率為1.5-1.9。硅膜暴露在這樣形成的氣氛中3-5小時。結(jié)果，形成具有500-1500厚度，例如1000厚度的氧化膜504。由于氧化作用硅膜表面被減少(吃去)50?；蚋?，所以硅膜最上表面的污染影響不會延伸到硅和氧化硅界面上。換言之，通過氧化，可以獲得一個干凈的硅-氧化硅界面。因為氧化硅膜504的厚度是硅膜被氧化部分厚度的兩倍，當(dāng)原始硅膜是1000厚并且獲得的氧化硅膜是1000時，那么氧化以后留下的硅膜厚度是500。
一般來說，氧化硅膜(柵絕緣膜)和有源層越薄，遷移率越高并且截止電流越小。在另一方面，它的厚度較厚時，非晶硅膜的初步結(jié)晶更容易。況且，包含在結(jié)晶硅膜中的非晶組分或晶界在熱氧化期間有被氧化的傾向，導(dǎo)致有源層中包含的重組合中心減少。因此，產(chǎn)率能夠得到改善。
在通過熱氧化形成氧化硅膜504以后，將基片置于100％的一氧化二氮氣氛下在一個大氣壓和600℃溫度下退火2小時。
參見圖4C，通過低壓CVD淀積一層含有0.01-0.2％磷的多晶硅，其厚度為3000-8000，例如6000，然后刻成柵電極505。進而，以柵電極505作為掩摸，通過離子摻雜(也稱等離子摻雜)將N型雜質(zhì)以自對準的方式加入有源層的部位。磷化氫被用作摻雜氣體。加速電壓是60-90千伏，例如80千伏。劑量是例如5×1015cm-2。由此形成N型雜質(zhì)區(qū)域506和507。
此后，用KrF準分子激光(波長248納米，脈寬20毫微秒)進行退火。激光輻照的能量密度是200-400毫焦耳/cm2，例如250mJ/cm2。激光照射的次數(shù)對一個位置是2-10次，例如2次。此外，在激光輻照期間，基片可在200-450℃下被加熱。
激光退火可以用具有近紅外線的燈照退火代替。由于結(jié)晶硅吸收近紅外線的效率比非晶硅更高，因此，用近紅外線的退火可與在1000℃或更高溫度下的熱退火相比擬。另一方面，由于玻璃基片不太吸收近紅外線，所以可以防止玻璃基片被有損害加熱。即，盡管玻璃基片能夠吸收遠紅外線，但對波長為0.5-4微米的可見光或近紅外線卻不太吸收。
參照圖4D，通過等離子CVD形成一層6000厚的氧化硅層間絕緣膜508。也可以用聚酰亞胺代替氧化硅。此外，通過這一絕緣膜還形成若干接觸孔。采用多層氮化鈦和鋁膜穿過接觸孔形成電極/連線509和510。最后，在氫氣中在350℃和1個大氣壓下退火30分鐘。這樣，制成TFT。
這樣形成的TFT的遷移率是110-150cm2/vs。S值是0.2-0.5v/digit。通過在源和漏區(qū)摻入硼可以形成P溝道型TFT，其遷移率為90-120cm2/vs，S值為0.4-0.6v/digit。同用已知的PVD或CVD形成柵絕緣膜相比，按照本實施例，可使遷移率增加20％或更多，使S值減少20％或更多。
而且，按照本實施例完成的TFT的可靠性可與通過溫度高達1000℃的熱氧化制成的TFT相比擬。
實施例7本實施例表示一個電光集成器件的例子，(典型地，一個液晶器件)它具有一個玻璃基片，上面集成安裝有所有的顯示器，CPU和存貯器。圖6表示一個具有本發(fā)明的TFT的電光器件的方框圖。
在圖中，輸入口從外部讀出輸入信號，并將其轉(zhuǎn)換成顯示信號。每一塊板所特有的校正存貯器，按照有源矩陣板的特殊特征去校正輸入信號或類似信號。為了對每一個象素進行校正，校正存貯器特別采用永久性存貯器，其中存貯有每一個象素的信息。即，若在電光器件中存在有缺陷的象素(點缺陷)，為了消除或克服缺陷象素，把校正信號提供給有缺陷的象素的周圍象素。再者，當(dāng)有一個象素的亮度低于其它的亮度時，要施加到該象素上的信號將被校正成較大的信號，借此，使該象素的亮度變成同它周圍的象素一樣。象素具備一塊液晶73和電容72以及TFT71。
這里的CPU和存貯器與通常的計算機中使用的是相同的。特別，存貯器使用RAM，其中存貯有同每個象素相對應(yīng)的圖象記錄。它還具有響應(yīng)圖象信息改變基片背側(cè)上背景光強度的功能。
盡管本發(fā)明的最佳實施例已經(jīng)被說明，但應(yīng)該了解，在本申請所附權(quán)利要求范圍內(nèi)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員仍可作出許多改進。例如在實施例中，催化劑是施加到非晶硅膜的整個表面上的，但顯然也可以僅把催化劑施加到半導(dǎo)體膜的被選定的區(qū)域上，從而在一塊基片上形成一個高結(jié)晶度的TFT和一個低結(jié)晶度的TFT，或在一個TFT內(nèi)形成一個高結(jié)晶度的區(qū)域和一個低結(jié)晶度的區(qū)域。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片之上以矩陣形式排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上形成的第二薄膜晶體管；包含多個在所述基片之上形成的第三薄膜晶體管的存儲器，其中所述第一、第二和第三薄膜晶體管中的每一個包含溝道，所述溝道含有沿平行于所述基片的方向延伸的結(jié)晶硅。
2.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片之上以矩陣形式排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上形成的第二薄膜晶體管；包含多個在所述基片之上形成的第三薄膜晶體管的校正存儲器，其中所述第一、第二、第三和第四薄膜晶體管中的每一個包含溝道，所述溝道含有沿平行于所述基片的方向延伸的結(jié)晶硅。
3.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片上以矩陣形式排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上形成的第二薄膜晶體管；中央處理器，其包含多個在所述基片之上的第三薄膜晶體管，操作上與所述驅(qū)動電路連接，其中所述第一、第二、第三和第四薄膜晶體管中的每一個包含溝道，所述溝道含有沿平行于所述基片的方向延伸的結(jié)晶硅。
4.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片之上以矩陣形式排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上形成的第二薄膜晶體管；輸入端，其包含多個在所述基片之上的第三薄膜晶體管，操作上與所述驅(qū)動電路連接，其中所述第一、第二、第三和第四薄膜晶體管中的每一個包含溝道，所述溝道含有沿平行于所述基片的方向延伸的結(jié)晶硅。
5.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片之上以矩陣形式排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上的第二薄膜晶體管；存儲器，其包含多個在所述基片之上的第三薄膜晶體管，其中所述第一、第二、第三和第四薄膜晶體管中的每一個包含結(jié)晶硅，所述結(jié)晶硅是通過下列步驟形成的在所述基片之上形成非晶硅膜；通過施加到所述非晶硅的第一能量，形成與所述非晶硅接觸或在所述非晶硅之內(nèi)的晶核；通過施加到所述基片的第二能量，沿平行于所述基片的方向由所述晶核生長晶體。
6.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片之上以矩陣形式排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上的第二薄膜晶體管；校正存儲器，其包含多個在所述基片之上的第三薄膜晶體管，其中所述第一、第二、第三和第四薄膜晶體管中的每一個包含結(jié)晶硅，所述結(jié)晶硅是通過下列步驟形成的在所述基片之上形成非晶硅膜；通過施加到所述非晶硅的第一能量，形成與所述非晶硅接觸或在所述非晶硅之內(nèi)的晶核；通過施加到所述基片的第二能量，沿平行于所述基片的方向由所述晶核生長晶體。
7.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片之上以矩陣形式排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上的第二薄膜晶體管；中央處理器，其包含多個在所述基片之上的第三薄膜晶體管，操作上與所述驅(qū)動電路連接，其中所述第一、第二、第三和第四薄膜晶體管中的每一個包含結(jié)晶硅，所述結(jié)晶硅是通過下列步驟形成的在所述基片之上形成非晶硅膜；通過施加到所述非晶硅的第一能量，形成與所述非晶硅接觸或在所述非晶硅之內(nèi)的晶核；通過施加到所述基片的第二能量，沿平行于所述基片的方向由所述晶核生長晶體。
8.一種半導(dǎo)體器件，其包括基片；多個像素，每個像素包含在所述基片之上以矩陣形成排列的第一薄膜晶體管；至少一個用于驅(qū)動所述多個像素的驅(qū)動電路，其包含多個在所述基片之上的第二薄膜晶體管；輸入端，其包含多個在所述基片之上的第三薄膜晶體管，操作上與所述驅(qū)動電路連接，其中所述第一、第二、第三和第四薄膜晶體管中的每一個包含結(jié)晶硅，所述結(jié)晶硅是通過下列步驟形成的在所述基片之上形成非晶硅膜；通過施加到所述非晶硅的第一能量，形成與所述非晶硅接觸或在所述非晶硅之內(nèi)的晶核；通過施加到所述基片的第二能量，沿平行于所述基片的方向由所述晶核生長晶體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體膜是在絕緣膜上形成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述基片是玻璃。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述基片是石英。
12.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述非晶硅膜是通過等離子體化學(xué)汽相淀積形成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述非晶硅膜是通過低壓熱化學(xué)汽相淀積形成的。
14.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述晶核是結(jié)晶硅或金屬硅化物中的至少一種。
15.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述晶核是與所述非晶硅膜的上表面接觸地形成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述晶核是與所述非晶硅膜的下表面接觸地形成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述晶核具有相當(dāng)于硅的晶體的晶體結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述第一能量是通過加熱或強光中的至少一種施加到所述硅膜的。
19.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述第二能量是通過用激光輻照所述硅膜施加的。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件，其中所述光由燈發(fā)出。
21.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項的半導(dǎo)體器件，其中所述非晶硅膜包含0.01-10原子％的氫。
全文摘要
一種制造具有結(jié)晶硅膜的半導(dǎo)體器件的方法,它由在非晶硅膜的表面區(qū)域形成晶核和利用激光從晶核生長晶體兩個步驟組成。典型的晶核是硅晶體或具有與硅晶體相同結(jié)構(gòu)的金屬硅化物。
文檔編號H01L27/12GK1361551SQ01142960
公開日2002年7月31日 申請日期1995年2月3日 優(yōu)先權(quán)日1994年2月3日
發(fā)明者大谷久, 宮永昭治, 竹山順一 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所