專利名稱：一種制造半導體器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種制造具有晶態(tài)半導體的半導體器件的工藝。本發(fā)明還涉及用于集成電路，尤其是，用于電光裝置中的有源陣列電路的開關元件或者與有源陣列電路形成在同一襯底的驅動電路的薄膜晶體管。
非晶硅膜很容易用作TFT的薄膜半導體。然而，非晶硅膜的電特性要比晶態(tài)薄膜半導體，例如，多晶硅、單晶硅、以及微晶硅差得多。而晶態(tài)硅膜可以通過先形成非晶硅膜，再加熱處理晶化所獲得薄膜來制成。
晶化非晶硅膜的熱處理要求將該膜在溫度600℃或更高下加熱為期10小時或更長。這樣的熱處理有害于玻璃襯底。舉例來說，一種常用于有源陣列液晶顯示器襯底的Corning 7059玻璃，玻璃形變點為593℃，因而就不合乎要經受600℃溫度或更高的加熱溫度的大面積襯底使用。
根據本發(fā)明人的研究，發(fā)現由于采取在非晶硅膜表面供給微量鎳或鈀、或其他元素諸如鉛，將該膜在550℃加熱，時間為4小時，就可以有效地晶化非晶硅膜。
上述各元素(此后稱為“能促進非晶硅膜晶化的催化劑元素”，或簡稱為“催化元素”)可以用等離子處理法或汽相淀積法導入非晶硅膜表面，或者用離子注入法，將元素導入。等離子處理法是一種加工方法其中催化元素是通過在平行板型或陽極光柱型等離子CVD設備中，使用含催化元素的電極，在氣氛諸如氫氣或氮氣中產生等離子體而加入非晶硅膜。
但是，半導體內出現大量催化元素是不好的，因用這種半導體會大大損害用了這種半導體的器件的可靠性和電穩(wěn)定性。
這就是說，雖然晶化非晶硅膜時需要催化元素，但最好別摻入晶化了的硅中太多。為滿足此要求，這就需要選擇一種元素，在晶態(tài)硅中成為不活潑的元素作為催化元素，還要使加入硅膜的元素量減到最小。為此目的，一定得高精度控制待摻入膜內的催化元素量。
詳細研究了用鎳晶化的工藝過程。結果得到下面的結論(1)將鎳用等離子處理法摻入的非晶硅膜的情況，發(fā)現在薄膜經受熱處理之前，鎳能擠入薄膜到非晶硅膜相當的深度。
(2)最初成核發(fā)生在加鎳處的表面。
(3)當采用汽相淀積在非晶硅膜上形成鎳層時，非晶硅膜的晶化發(fā)生與進行等離子處理情況相同。
(4)當將很大量的鎳摻入非晶硅膜時，如果使激光輻照非晶硅膜用以晶化或在加熱晶化后將其輻照，則鎳就會在薄膜表面分凝，結果，此薄膜就不能用作有源半導體層。
由上所述，可以假設不是所有的由等離子處理法導入的鎳都起促進晶化硅的作用。就是說，如果導入大量鎳，會存在不起促進晶化的過量鎳。因此，發(fā)明人認為，正是鎳與硅接觸的點或面，在低溫下起到了促進硅晶化的作用。亦即，可以假定鎳必須以原子方式微細地分散在硅中。亦即，可以假定，鎳必須以原子方式分散在非晶硅表面附近，而鎳濃度應盡可能低，但應在能促進低溫晶化的足夠高的濃度范圍內。
微量鎳，即，可使硅晶化加速的催化元素可以用例如汽相淀積法，摻入非晶硅膜表面附近。但是，汽相淀積就薄膜的可控性來說是不利的，因而不宜用來精確控制待摻入非晶硅膜的催化元素量。
鑒于上述情況，本發(fā)明的主要特征是利用促進硅膜晶化的催化元素，在低于若不用催化元素所需的晶化溫度下，獲得結晶硅膜。特別是，最高的處理溫度應當為600℃或以下。本發(fā)明的另一個目的是控制(和減至最低)結晶硅膜中的催化元素濃度以及提高生產率。
本發(fā)明的又一個目的是制造有結晶硅半導體的半導體器件，例如，薄膜晶體管、二極管、光傳感器等等，其中至少形成一個電子結，如PN、PI或NI結。
為達到本發(fā)明的上述目的，根據本發(fā)明的最基本的觀點，本發(fā)明的主要特征，是將含有催化元素或其化合物的薄膜安排與硅膜接觸，借助于擴散到硅膜中的催化元素，使硅晶化。
提供催化劑的薄膜的典型例子是用旋涂法之類由溶液形成的氧化硅膜。氧化硅膜最適用作半導體器件的介電膜。這就是說，將催化劑材料加入其中含氧化硅的溶液中，接著，將該溶液涂敷在表面，形成加有少量催化元素的氧化硅膜。
參照附圖，通過本發(fā)明的最佳實施例，將進一步說明本發(fā)明的上述特點和其他特點，其中

圖1A～1C表示根據本發(fā)明的實施例1，為獲得結晶硅膜的工藝過程;
圖2A～2C表示根據本發(fā)明的實施例2，為獲得結晶硅膜的工藝過程;
圖3A和3B表示根據本發(fā)明的實施例3，為獲得結晶硅膜的工藝過程;
圖4A～4D表示根據本發(fā)明的實施例4，為獲得結晶硅膜的工藝過程;
圖5A～5E表示根據本發(fā)明的實施例5，制造TFT的工藝過程;
圖6A～6F表示根據本發(fā)明的實施例6，制造TFT的工藝過程;
圖7A～7D表示根據本發(fā)明的實施例7，制造TFT的工藝過程;
圖8是一個用于有源陣列液晶器件的集成電路襯底實施例。
根據本發(fā)明，將含原子形態(tài)或化合物形態(tài)催化劑的氧化硅膜，安排與硅膜相接觸，特別是配置在非晶硅膜上，通過熱退火，使硅膜在其與氧化硅膜接觸中被晶化。熱退火時，催化元素從氧化硅膜擴散進入非晶硅膜，促其晶化。
在本發(fā)明的最佳實施例中，此含催化元素的氧化硅膜是用形成氧化硅膜的溶液形成的。該催化元素或其化合物以預定濃度含在溶液中。采用氧化硅膜是有利的，因為易用涂覆法形成，加熱晶化時還能耐高溫。
上述本發(fā)明的方法有以下優(yōu)點(a)溶液中催化劑濃度可以精確控制;
(b)如果溶液與硅膜表面接觸，則待摻入硅膜的催化元素量可以由該溶液中催化元素的濃度決定。
(c)被非晶硅膜表面吸收的催化元素主要起催化作用，促進晶化，因此，硅中催化劑的量應盡可能少。
制作含催化元素的二氧化硅膜的一種最典型溶液實例是TokyoOhka Co.Ltd.制造的OCD(Ohka擴散源(Diffusion Source))溶液。該OCD包括溶解在有機溶劑，諸如醇或酮的硅醇系單體或低聚物。該OCD還含適量添加劑，如有機粘合劑。還可以使用其他溶液，其中將氧化硅細顆粒溶入或分散在有機溶劑中。舉例說，由Nissan Kaga Ku Kogyo Kabushikigaisha命名的商品NT-L6008、NHCAT-732、NHC AT-741R、以及NHCCT～3301都可以用作氧化硅膜制造的原料。
例如，當用OCD液，鎳為催化元素時，就可以應用下列方法。
(1)直接把鎳化合物加進OCD液，或者(2)把鎳化合物溶在溶劑里，再將該溶劑加入OCD液。
按上述方法(1)時，鎳化合物必須被溶解在OCD的溶劑中。例如，可以用乙酰丙酮鎳或2-乙基已酸鎳。
按上述方法(2)時，能用來溶解鎳化合物的溶劑，例如是水、醇、酯類、或酮。但是，最好還是用與OCD液組分相同的溶劑。
可以用乙醇作溶劑的鎳化合物例是溴化鎳、乙酸鎳、草酸鎳、氯化鎳、碘化鎳、硝酸鎳、硫酸鎳、甲酸鎳、乙酰丙酮鎳以及4-環(huán)已基丁酸鎳。
還有，可以把界面活化劑加入含催化劑的溶液中。此外，為增加其間的粘著力，可以將粘合力增強劑，諸如HMDS(六甲基硅氮烷)，例如Tokyo Ohka Kogyo生產的OAP施加到待用含催化劑元素溶液涂敷的表面上。
以上各例，鎳化合物都能完全溶于溶液中。然而，還可以用諸如乳劑這樣的溶液，其中元素鎳或鎳化合物被均勻地分散，再將此溶液加入OCD。
鎳以外的其他催化元素也可按上述說明的相同方法加以應用。
待加入溶液的催化劑量雖然與要用的溶液種類有關，但對含二氧化硅濃度2.0wt%的OCD液，應當約為20-5000ppm，最好為200～2000ppm。
還有，可以通過將含催化元素的OCD液施加于硅膜的選定部分，有選擇地進行非晶硅膜晶化。尤其是，此晶化作用從其上形成了氧化硅膜的區(qū)域，推進到其上未加氧化硅膜的區(qū)域。此時，晶體大致與硅膜表面平行地生長，本發(fā)明的發(fā)明人以下把此區(qū)域叫做橫向生長區(qū)。
晶膜的橫向生長區(qū)與其上直接提供含催化劑的氧化硅的區(qū)域比較，傾向于含低濃催化元素。所以，這種橫向生長區(qū)更有利于作半導體器件有源區(qū)，因為有源區(qū)的雜質濃度往往應低些。于是，用橫向生長區(qū)做器件的有源區(qū)來制造半導體器件是有利的。
本發(fā)明已披露了鎳，作為最佳催化元素。然而，應知道，其他催化元素也可以以類似的方法加以使用。這些元素的例子是Pd.Pt.Cu、Ag、Au、In、Sn、Pb、P、As和Sb。還可以選用選自日本元素周期表的Ⅷ、Ⅲb、Ⅳb和Ⅴb族的一種或更多的元素。
用Fe的情況下，可以使用鐵鹽，例如，FeBr26H2O、FeBr36H2O、Fe(C2H3O2)3×H2O、FeCl24H2O、FeCI36H2O、FeF33H2O、Fe(NO3)9H2O、Fe3(PO4)8H2O以及FePO42H2O。
用Co的情況下，可以使用鈷鹽，例如，CoBr6H2O、Co(C2H3O2)24H2O、CoCl26H2O、CoF2×H2O以及Co(NO3)26H2O。
用Ru的情況下，可以使用釕鹽，例如，RuCl3H2O。
用Rh的情況下，可以使用銠鹽，例如，RhCl33H2O。
用Pd的情況下，可以使用鈀鹽，例如，PdCL22H2O。
用Os的情況下，可以使用鋨鹽，例如，OsCL3。
用Ir的情況下，可以使用銥鹽，例如，IrCL33H2O和IrCL4。
用Pt的情況下，可以使用鉑鹽，例如，PtCI45H2O。
用Cu的情況下，可以使用銅化合物，諸如Cu(CH3COO)2、CuCl22H2O、以及Cu(NO3)23H2O。
用Au的情況下，可以使用金化合物，諸如AuCL3×H2O、AuHCL44H2O，以及AuNaCL42H2O。
含在形成在非晶硅膜上的氧化硅膜中的催化元素經熱處理，擴散到非晶硅膜內，結果，促使硅膜晶化。應當注意到，氧化硅膜內的催化元素的擴散系數比非晶硅膜內的擴散系數小得多。由于此緣故，實際起促進晶化作用的催化元素僅只是存在于氧化硅膜與非晶硅膜附近的一部分催化元素。換言之，只有存在于氧化硅膜與硅膜接觸的界面區(qū)的催化劑材料才擴散到硅膜中。因此，利用氧化硅膜的優(yōu)點在于，即使氧化硅膜的厚度不勻，要摻入硅膜催化劑的量也能均勻。
還有，可以通過控制加熱時間或其溫度而控制催化劑材料擴散進入非晶硅膜的量。本實施例中，將其中含催化劑材料的OCD溶液涂敷在非晶硅膜上，形成氧化硅，然后進行晶化處理。
參照圖1A，襯底11是尺寸為100mm×100mm的Corning 7059玻璃。最初，采用公知的等離子CVD或LPCVD法，形成非晶硅膜12，厚度為100～1500 ，例如，1000 。
為除去沾污或其上自然形成的氧化物，用氫氟酸處理所形成的非晶硅膜12。隨后，待形成的含鎳作為催化元素的氧化膜13，按下列方式制作。
首先，準備OCD液(Tokyo Ohka產OCD 2型 si 59000)。此外，將乙酰丙酮鎳(Ⅱ)溶在乙酸甲酯中。以這種方式混合這些溶液，使SiO2濃度控制在2.0wt%，而Ni濃度為200～2000ppm。這意味著，薄膜中鎳對氧化硅的比例為1∶0.1到1∶0.01。
將10ml的上述混合液滴到非晶硅膜12表面，此后，借助于旋涂器15進行旋涂，使襯底以2000rpm旋轉15秒。然后，為獲得厚1300 含鎳的氧化硅膜13，在250℃經30分鐘預烘。預烘溫度可以根據所用鎳化合物分解溫度來決定。還有，該氧化硅膜厚度可以通過控制旋涂的轉速或氧化硅對溶液的濃度隨意確定。本發(fā)明人從各實驗認為，厚度為200～1300 是合適的。
隨后，在氮氣氛中，550℃的爐中，加熱上述結構4小時。結果，在襯底11上得到結晶性的硅膜12。此熱處理溫度優(yōu)選的是450℃或更高。要是低于450℃，熱處理時間要延長，就不能提高生產率。此外，當溫度高于550℃時，就得注意有關玻璃襯底的耐熱性。
應知道，也可以在非晶硅膜底下形成含催化元素的氧化硅膜。此時，要將溶液滴在襯底上，以便形成氧化硅膜，此后，其上形成非晶硅膜。這種情況下，玻璃襯底上的氧化硅膜就會有阻擋層的功能。
還有，OCD液的鎳濃度應隨該溶液中SiO2濃度來決定。應該考慮到，從氧化硅膜擴散到硅中的鎳量會受熱退火的時間及溫度影響。本實施例，含鎳的氧化硅膜選擇地形成在非晶硅膜上。
參照圖2A，用10厘米見方的Corning 7059玻璃做襯底21。非晶硅膜22則是通過公知的等離子CVD法，形成在襯底21上，厚為1000 。
用氫氟酸處理非晶硅膜22，除去沾污或其上自然形成的氧化物后，按下列方式，使含鎳的氧化硅膜23形成在薄膜的選定部分。
首先，將乙酰丙酮鎳(Ⅱ)直接混合在OCD液(Tokyo Ohka產OCD2型 Si 20000)。OCD液中的鎳元素濃度要控制在200～2000ppm。
將10ml上述溶液滴在非晶硅膜22表面，此后，用旋涂器以2000rpm進行15秒旋涂。經250℃，30分鐘預烘，形成了300 厚含鎳的氧化硅膜23。該預烘溫度事實上是由完全分解乙酰丙酮鎳(Ⅱ)的溫度約為235℃來決定。但是，如果預烘溫度太高，預烘時鎳元素會擴散到非晶硅膜中去。
接著，將氧化硅膜23通過公知的光刻工藝，刻成所要求的圖形。用1/100HF刻成圖形是容易辦到的，因為由OCD液形成的氧化硅膜23的腐蝕速率快到每秒幾十埃。所以，該氧化硅膜能夠刻成圖形，而不會危及非晶硅膜22。結果，將氧化硅膜23的圖形形成在要導入鎳的選擇的非晶硅膜部分，如圖2B所示。此外，如想要獲得更優(yōu)良的圖形，還可采用干法刻蝕法。
接著，將用于上述刻圖的光刻膠(未示出)除去，再用極稀的氫氟酸溶液(低于1/100)漂一下表面。該氫氟酸溶液的濃度必須足夠稀，以不危及氧化硅膜23為度。
接著，為使硅膜22晶化，按與實施例1相同的方法，在氮氣氛中、550℃中，使上述結構經4小時的爐退火。但是，本實施例的晶體生長不同于實施例1，是在于晶體自區(qū)域24橫向長到區(qū)域25，如圖2C箭頭所示。該區(qū)域24表明的是鎳直接從其上形成的氧化硅膜導入的區(qū)域。而區(qū)域25表示鎳不是直接導入的一個區(qū)域。橫向生長區(qū)的體生長方向基本上與[111]晶軸一致。
區(qū)域4里的鎳濃度，通過控制溶液濃度、熱處理溫度及時間，可以控制在1×1016～1×1019原子/cm3范圍內。區(qū)域25里的鎳濃度則小于上述濃度。此外，應當注意到，如果氧化硅膜的厚度大于一定值硅膜中的鎳濃度很難受氧化硅膜厚影響。這是由于氧化硅內的鎳擴散系數很小，以致只有與硅膜22的界面附近幾十埃范圍的氧化膜部分中的鎳，可以成為催化劑擴散到硅膜中。
這樣獲得的結晶硅膜比之通過等離子處理法導入鎳的情況，具有更高的耐氫氟酸性。例如，當需要將蓋在結晶硅膜上形成的氧化硅膜，作為層間絕緣物或柵絕緣物，刻成圖形而形成接觸孔時，往往用緩沖氫氟酸作為刻蝕劑。如果結晶硅膜沒有足夠耐氫氟酸能力，就難以選擇地只除去氧化硅膜而不危害硅膜。然而，在本發(fā)明的情況，能夠達到大的選擇比(即，氧化硅膜和結晶硅膜刻蝕速率的差異)，為的是只除去氧化硅膜。
如上所述，晶體橫向生長區(qū)有著較小的催化元素濃度，有優(yōu)越的結晶性。因此，這種區(qū)域可以用作半導體器件，諸如薄膜晶體管之類器件的有源區(qū)。本實施例將介紹選擇性地導入催化元素的另一個實施例。參照圖3A，通過公知等離子CVD法，在玻璃襯底31上，形成厚度為1000 非晶硅膜32。接著，再形成氧化硅膜33，厚度為1000 ，此后，將它刻成圖形，構成掩模。
用氫氟酸從表面除去沾污或自然氧化物之后，按下述方式形成含鎳作為催化劑的氧化硅膜34。
首先，將2-乙基已酸鎳溶液以此方式混入OCD液(Tokyo Ohka產OCD 2型 Si 59000)，使該溶液中SiO2的濃度為4.0wt%，而Ni為200～2000ppm。
將上述溶液，量為10ml，滴到非晶硅膜32表面，此后，用旋涂器以2000rpm旋涂15秒。結果，由掩模33臺階造成的臺階就幾乎從表面消去。接著，為形成含鎳的氧化硅膜34，要在350℃下進行預烘60分鐘。預烘時，鎳便從區(qū)域35擴散進入非晶硅膜32。所以，擴到硅膜的鎳量可以通過改變預烘時間與溫度來控制。
前述預烘之后，如需留下硅膜部分35，就除去氧化硅膜34，如圖3B所示。還有，該區(qū)35含鎳濃度很高。由OCD液形成的氧化硅膜34，如上所述，能夠容易地除去。
接著，將非晶硅膜32，在氮氣氛中，550℃下加熱4小時，進行晶化。此時，晶體從區(qū)域36生長到區(qū)域37，如圖中箭頭所示。區(qū)域36是直接導入鎳的區(qū)域，而區(qū)域37則是未直接導入鎳的區(qū)域。
結晶硅膜的區(qū)域37表面為｛111｝晶面。這是由于晶體生長發(fā)生在其表面蓋著氧化硅膜的區(qū)域37的緣故。另一方面，實施例2的橫向生長區(qū)25就沒有｛111｝晶面。這是由于晶體生長發(fā)生在其現面沒有覆蓋，亦即此表面為一自由表面的區(qū)域25中的緣故。本實施例中，根據本發(fā)明形成的晶化硅膜，進一步用激光輻照以改進結晶度。參照圖4A，用公知的等離子CVD法，在10cm2的Corning 7059玻璃襯底41上，形成厚為1000 的非晶硅膜42。
用氫氟酸除去其上的沾污或自然形成的氧化物，處理了非晶硅膜42之后，按下列方式，在薄膜的選定部位，形成含鎳的氧化硅膜43。
首先，將乙酰丙酮鎳(Ⅱ)直接混入OCD液(Tokyo Ohka產OCD 2型Si 20000)。OCD液的鎳元素濃度控制在200～2000ppm范圍。
將上述量為10ml的溶液，滴到非晶硅膜42的表面上，此后，用旋涂器，以2000rpm進行15秒旋涂。通過在250℃預烘30分鐘，形成厚1300 的含鎳氧化硅膜43。預烘溫度的決定，是基于使乙酰丙酮鎳(Ⅱ)完全的分解的溫度約為235℃。但是，若預烘溫度太高，則預烘時，該鎳元素會擴到非晶硅膜內。
接著，將氧化硅膜43，通過公知的光刻工藝，刻制成所需要的圖形。使用1/100HF容易刻成圖形，因為OCD液所形成的氧化硅膜43的刻蝕速率快到每秒幾十埃。所以，能將氧化硅膜刻成圖形，而不至損害非晶硅膜42。結果，使氧化硅膜43的圖形，形成在要導入鎳的所選擇的非晶硅膜部位，如圖4B所示。
接著，除去上述刻制圖形步驟用的光刻膠，再用很稀氫氟酸溶液(稀于1/100)漂洗該表面。氫氟酸溶液的濃度應足夠稀，以不致?lián)p害氧化硅膜43為度。
接著，為使硅膜42晶化，在550℃的爐中，氮氣氛下，將上述結構退火4小時。晶體從區(qū)域44橫向生長到區(qū)域45，如圖4C箭頭所示。該區(qū)域44表示由其上形成的氧化硅膜直接導入鎳的區(qū)域，而區(qū)域45表示未直接導入鎳的區(qū)域。橫向生長區(qū)的晶體生長方向，基本上與[111]晶軸對準。
區(qū)域44的鎳濃度，通過控制溶液濃度，熱處理溫度和時間，就可以控制在1×1016～1×1019原子/cm3范圍。區(qū)域45的鎳濃度能使之低于上述濃度。還有，應當注意到，如果膜厚大于一定值，硅膜中的鎳濃度就很難受氧化硅膜厚度的影響。
在本實施例中，如此獲得的晶化了的整個硅膜表面還用激光46輻照，如圖4D所示，以便進一步提高結晶度。舉例說，使用KrF準分子激光器(波長248nm)，能量密度為200mJ/cm2到350mJ/cm2，例如350mJ/cm2。
此輻照下，因直接導入鎳的區(qū)域44耐激光輻照方面比區(qū)域45差得多，所以，氧化硅膜43起阻擋激光層的作用。
此外，在其上形成有氧化硅膜的情況下進行激光輻照時，就不需要加熱襯底溫度太高，以防止鎳從氧化硅膜43擴到硅膜中。舉例來說，襯底應保持在不高于300℃的溫度。反之，如果在激光輻照之前先除去氧化硅膜43，該襯底受激光輻照時則可以加熱至較高的溫度。然而，激光束的強度卻必須加以控制，以便不致?lián)p傷區(qū)域44。
這樣，與僅用激光輻照用于晶化的情況比較，還可以提高硅膜的結晶度。
還有，除激光外，也可以使用其他強光源諸如閃光燈，特別是，紅外線輻射。由于紅外線為玻璃襯底所吸收不多，所以能夠只加熱硅膜。此輻照法通常稱之為快速熱退火(RTA)或快速熱處理(RTP)。此實施例，將描述根據本發(fā)明制造TFT，作為象素TFT的例子。此TFT可用作開關元件，供有源陣列液晶裝置的每個象素使用。此外，此種TFT也可以用于所謂薄膜集成電路中。
參照圖5A，先制備具有2000 氧化硅層(未示出)作為雜質阻擋層的玻璃襯底11。在該襯底之上，用公知的等離子CVD法，形成1000 厚的非晶硅膜104。再在非晶硅膜104上，按實施例1所述的方式，形成含鎳的氧化硅膜100。
將其上形成了氧化硅膜100的非晶硅膜104加熱退火晶化。晶化之后，用緩沖氫氟酸除去氧化硅膜100，此后，將結晶硅膜刻制成硅島106，如圖5B所示。源、漏和溝道區(qū)都待形成在硅島之內。
接著，參照圖5B，形成氧化硅膜105，厚度為200～1500 ，例如1000 作為柵絕緣膜。該氧化硅膜105用TEOS(四乙氧硅烷)，借助于RF等離子CVD工藝來淀積。這就是說，與氧一起，襯底溫度在150～600℃下，較好在300～450℃范圍，使TEOS分解而后淀積成氧化硅膜。TEOS與O2的氣壓比為1∶1至1∶3，而總氣壓為0.05至0.5Torr。RF功率為100至250W。另一種方法，使用TEOS與臭氧一起作為原料氣體，用減壓CVD或常壓CVD法，也可形成氧化硅膜，而襯底溫度保持在350至600℃范圍，較好在400至550℃范圍。這樣淀積的膜，要在氧中或在臭氧下，溫度在400～600℃范圍。期間為30至60分鐘，予以退火。
接著，隨意地選用，KrF準分子激光(波長248nm，脈寬20nsec)或與其等效的強光來輻照，以便改善結晶度。特別是，用紅外輻射的RTA(快速熱退火)是很有效的，因為能選擇性地加熱硅膜而不會使玻璃襯底變熱。況且，RTA在制造絕緣柵場效應半導體器件中尤其有利，因為RTA減小硅層與氧化硅膜之間的界面態(tài)密度。
隨后，通過電子束蒸發(fā)，淀積厚度為2000 至1μm的鋁膜，并刻成圖形，形成柵電極106。該鋁膜可含鈧0.15～0.2wt%。然后將該襯底浸入PH調到約7的含1到3%酒石酸的乙二醇溶液，用鉑做陰極而鋁柵電極為陽極，進行陽極氧化。進行陽極氧化時，先以恒定速率把電壓升到220V，把電壓在220V維持1小時，以完成陽極氧化。維持恒定電流條件下，該電壓以2～5伏/分的速率上升為好。所形成的陽極氧化膜109厚度為1500～3500 ，例如2000 。
接著，參照圖5C，將磷離子導入硅島的一部分，這是利用柵電極部分為柵模，以自對準方式，由離子摻雜法(也稱為等離子摻雜法)導入的。磷化氫(PH3)用作摻雜氣體。劑量為1～4×1015原子/cm2。另外，為恢復由于離子摻雜損傷了的結晶度，用KrF準分子激光(波長248nm，脈寬20nsec)輻照摻雜區(qū)。激光的能量密度為150～400mJ/cm2，優(yōu)選為200～250mJ/cm2。這樣，就形成了n-型摻雜區(qū)108和109。這些區(qū)的表面電阻是200-800歐姆/平方。
此激光退火步驟可用RTA工藝，亦即用閃光燈，它包括迅速將硅膜溫度升至1000～1200℃范圍(根據硅監(jiān)測到的)的快速熱退火工藝來代替。
參照圖5D，此后，用TEOS與氧借助于等離子CVD法，或用TEOS與臭氧借助于減壓CVD或常壓CVD法淀積厚3000 的氧化硅膜，作為中間絕緣層110。這時的襯底溫度在250～450℃范圍，例如，350℃。經過將所得氧化硅膜機械拋光之后，就獲得平滑的表面。其上濺射淀積ITO涂層，再刻成圖形，提供象素電極111。
刻蝕該中間絕緣層110，形成源/漏區(qū)的接觸孔，如圖5E所示，采用鉻或氮化鈦形成互連線112和113，將互連線113連到象素電極111。
由于本發(fā)明所形成的結晶硅膜具有足夠的耐氫氟酸能力，所以就可以用10ppm的氫氟酸水溶液來形成可靠性好的接觸孔。
最后，在氫氣中，溫度在300～400℃范圍內進行0.1至2小時，使該結構退火，讓硅膜氫化。于是，制成了TFT。為了形成液晶裝置的有源陣列電路，就要同時在同一襯底上形成相同結構的多個TFT。圖5E所示TFT有源區(qū)108，漏區(qū)109以及溝區(qū)114。此外，標號115表示NI結。
根據本實施例，有源層所含的鎳濃度范圍為1×1016～3×1018原子/cm3。本實施例中，利用晶體橫向生長(即平行于襯底表面)的結晶硅膜區(qū)，來形成半導體器件的有源區(qū)。通過利用這種區(qū)域，能夠降低有源區(qū)的催化元素濃度。于是，可以改善器件的電特性和可靠性。
本實施例特別針對制造用于控制有源陣列器件的象素TFT。圖6A-6F是用來表示根據本實施例制造的TFT的剖面圖。
參照圖6A，先沖洗襯底201，再在其表面制備氧化硅膜202。該氧化硅膜202是以氧和四乙氧硅烷為原料氣體，通過等離子CVD法形成的。氧化硅膜厚度例如是2000 。接著，在氧化硅膜202上形成本征型、厚500～1500 ，例如1000 的非晶硅膜203，此后繼續(xù)在非晶硅膜上形成氧化硅膜205，厚500～2000 ，例如1000 。另外，為形成窗口206以露出此處的非晶硅膜，對氧化硅膜205進行選擇性刻蝕。
接著，按實施例3相同的方式，形成促進硅晶化的含鎳氧化硅膜207。
在如實施例3討論的預烘之后，除去氧化硅膜207，再讓襯底在氮氣氛中，500-620℃下退火4小時，使硅膜203晶化。晶化從窗口206下與含鎳氧化硅直接接觸的硅膜的區(qū)域開始，再沿與襯底平行的方向推進。圖中的標號204表示直接加鎳的并被晶化的硅膜區(qū)，而標號203是表示晶體沿橫向生長的部分。橫向生長的晶體長度約為25μm。另外，晶體生長的方向大致沿[111]晶軸。
晶化之后，除去氧化硅膜205。此時，窗口206內硅膜上存在的氧化膜也同時被除去。還有，用干法刻蝕，將硅膜刻成圖形，形成島狀有源層208，如圖6B所示。應當注意的是，硅膜內含鎳，不僅直接加鎳的窗口下的，而且晶體端部的硅膜都存在高濃鎳。硅膜刻成圖形應這樣做，所刻成圖形的硅膜208不應包括高濃含鎳的這種區(qū)域。
參照圖6B，隨后，將刻成圖形的有源層208曝露于10個大氣壓，含100%水蒸汽的氣氛中，在500-600℃一般為550℃下，經過1小時，使其表面氧化，于是形成1000 的氧化硅膜209。氧化后，將襯底保持在400℃的氨氣氛(latm，100%)內。在此條件下，用光強峰波長為0.6～4μm范圍例如，0.8～1.4μm的紅外光照射該氧化硅膜209，經30～180秒，使氧化硅膜209氮化?？梢詫?.1～10%HCL加到氣氛中。也可用鹵素燈作為紅外光光源。應控制IR光光強，以便使監(jiān)控單晶硅圓片的表面上溫度處于900～1200℃之間。更具體地說，借助于插入單晶硅圓片中的熱電偶來監(jiān)控溫度，再回送給IR光源(反饋)。在本實施例中，升溫速率在50～200℃/sec范圍內，保持不變，而且自然冷卻襯底速率為20～100℃/sec。由于IR光能夠有選擇地加熱硅膜，就可以使對玻璃襯底的加熱減至最小。
參照圖6C，用濺射法形成鋁膜，厚度為3000～8000 ，例如6000 而后刻制成柵電極210。該鋁膜可含0.01～0.2%鈧。
接著，如圖6D所示，使鋁電極表面陽極氧化，形成陽極氧化膜211。此陽極氧化在含酒石酸1～5%的乙二醇溶液中進行。陽極氧化膜厚度為2000 。該陽極氧化膜厚度將決定柵區(qū)偏移的厚度，討論如下。
參照圖6E，利用柵電極及其周圍的陽極氧化膜作為掩模，把N-型導電雜質(此處為磷)，用離子摻雜法，以自對準方式導入有源層，以便形成雜質區(qū)212和213。采用磷化氫(PH3)為摻雜劑氣體。加速電壓是60-90kv，例如，80kv。劑量是1×1015～8×1015cm-2，例如，4×1015cm-2。由附圖可以知道，該雜質區(qū)212和213偏離柵電極為距離“X”。此結構對減小給柵極加反偏壓(即，對NTFT的情形為負電壓)時產生的漏電流(截止電流)是有利的。特別是，為了獲得優(yōu)良的顯示器，由于要求存儲在象素電極內的電荷必須保持不會泄漏，所以，當將TFT用于開關有源陣列象素時，這種偏移結構是特別有用的，這也正是本實施例的情況。
此后，用激光輻射進行退火?？梢杂眉す?，如KrF準分子激光(波長248nm，脈寬20nsec)或其它激光。激光輻射的條件，對KrF準分子激光的情況是能量密度是200～400mJ/cm2，例如，250mJ/cm2，投射次數是每一位置2～10次，例如，2次。較優(yōu)的是，將襯底加熱到200～450℃，以增強輻照的效果。
參照圖6F，通過等離子CVD法，形成厚度6000 氧化硅的中間絕緣膜214。另外，用旋涂法形成透明的聚酰亞胺膜215，以達到平整的表面。接著，用濺射法，在平整的表面上形成例如由氧化銦錫制成的透明導電膜，厚度為800 ，再刻成象素電極216。
中間絕緣膜214和215設有貫通的接觸孔，經過各接觸孔形成與TFT雜質區(qū)接觸的電極/布線217和218。該電極/布線217和218由金屬材料，例如，多層的氮化鈦和鋁構成。最后，在latm的氫氣氛中，350℃下，進行30分鐘退火，便完成TFT有源陣列電路的象素電路。本實施例是指制造TFT，并參照圖7A～7D將予以說明。
參照圖7A，首先用濺射法，將氧化硅底膜502形成在Corning 7059襯底501上，其厚度為2000 。該襯底較好地是在比襯底變形點還高的溫度下進行退火，然后，以0.1～1.0℃/min速率使玻璃冷卻至低于變形點溫度。從而，能夠減小因此后要加熱(例如，熱氧化、熱退火)產生的襯底收縮，結果是會使掩模對準工藝簡便了。此步驟可在底膜502形成前或過后進行，或者在底膜502形成前后都進行退火。用Corning 7059襯底時，襯底加熱到620～660℃，經1～4小時，此后，以每分鐘0.1～0.3℃加以冷卻，溫度降到400～500℃時從爐中取出。
接著，通過公知的等離子CVD法，形成本征(I-型)非晶硅膜，厚500～1500 ，例如1000 。按實施例1相同的方式，使非晶硅膜晶化。因此，省去冗長的說明。晶化之后，將硅膜刻成10～1000μm2的島狀。于是，形成島狀的結晶硅膜503，作為TFT的有源層，如圖7A所示。
參照圖7B，使硅膜表面氧化，是將該表面曝露于氧化氣氛而形成氧化膜504。氧化氣氛含有70～90%的水蒸汽。壓力和氣溫各為latm和500～750℃，一般為600℃。該氣氛是由氧和氫氣以氫/氧比為1.5～1.9的生熱反應產生的。使硅膜曝露于這樣形成的氣氛中3～5小時。結果，形成了厚500～1500 例如，1000 的氧化膜504。由于氧化，使硅膜表面減薄了(吃進)50 以上，硅膜頂面沾污的影響就不會伸延到硅/氧化硅界面。換言之，經過氧化，可以獲得潔凈的硅/氧化硅界面。另外，由于氧化硅膜的厚度是被氧化了的硅膜部分厚度的兩倍，當硅膜原來為1000 厚，而所得的氧化硅膜為1000 厚時，則氧化后留下來的硅膜厚度是500 。
一般來說，氧化硅膜(柵絕緣膜)和有源層越薄，遷移率就越高而截止電流越小。另一方面，當非晶硅膜較厚時，初步晶化較容易。所以，晶化工藝和電特性在有源層厚度方面有矛盾。本實施例就是解決此問題。這就是說，最初要形成較厚的非晶硅膜，以便能夠獲得較好的結晶硅膜，隨后，通過氧化將硅膜厚度減薄，結果提高了有TFT有源層的特性。況且，結晶硅膜所含的非晶元胞或晶粒界在熱氧化時會被氧化，結果，減少了有源層所含的復合中心?？傊?，也能提高產品成品率。
經熱氧化形成硅氧化膜504后，將襯底在100%一氧化二氮氣氛中，latm和600℃下，退火2小時。
參照圖7C，采用低壓CVD淀積含0.01～0.2%磷的硅，厚度為3000～8000 ，例如，6000 ，再刻制成柵電極505。另外，用柵電極505為掩模，用離子摻雜法以自對準方式將N-型導電雜質加入到有源層部位內。用磷化氫作為摻雜劑氣體。加速電壓是60～90kv，例如，80kv。劑量是1×1015原子～8×1015原子/cm2，例如，5×1015cm-2。于是，形成N-型雜質區(qū)506和507。還有，同時由自對準方法形成溝道區(qū)511。
此后，用KrF準分子激光(波長248mm，脈寬20nsec)進行退火。該激光退火也可由近紅外線退火取代。近紅外線為結晶硅所吸收，比非晶硅更有效。所以，應用近紅外線可以與1000℃或更高的熱退火相當。另一方面，可以防止玻璃襯底受加熱損害，因為近紅線不會被玻璃襯底吸收太多。就是說，雖然遠紅外線會被玻璃襯底吸收，但可見或近紅外線波長在0.5～4μm范圍不會被吸收太多。所以，可以短時間給硅膜退火，而不會加熱玻璃襯底和引起收縮。
參照圖7D，用等離子CVD法形成厚6000 的氧化硅中間絕緣膜508。還可以用聚酰亞胺代替氧化硅。此外，形成穿透絕緣膜的接觸孔。用氮化鈦和鋁的多層膜，經過接觸孔形成電極/布線509和510。最后，在氫氣氛中，在latn和350℃下進行30分鐘退火。從而制成TFT。
如此形成的TFT的遷移率是110～150cm2/VS。該S值為0.2～0.5V/數位。另外，對將硼摻入源和漏區(qū)形成P-溝型TFT的情形，遷移率則為90～120cm2/VS，而S值為0.4～0.6V/數位。與公知PVD或CVD法形成柵絕緣膜的情形比較，根據本實施例的遷移率可以增大20%以上，而S值可以減小20%以上。
另外，根據本實施例的TFT的可靠性卻與通過高至1000℃溫度熱氧化生產的TFT可靠性相當。圖8表示根據本實施例的有源陣列型液晶裝置的一個實例。
圖中，標號61表示玻璃襯底，而63表示象素區(qū)，該區(qū)有陣列形的幾百×幾百的許多象素，每個陣列都用TFT作為開關元件制成。標號62表示外圍驅動器區(qū)域，其中用TFT形成驅動電路和譯碼電路，用來驅動象素區(qū)的TFT。該象素區(qū)63和驅動器區(qū)62結合在同一襯底61上。
制作在驅動器區(qū)62的TFT必須有高遷移率，以便讓大量電流流過。另外，制作在象素區(qū)63的TFT必須具有較低漏電流特性，以便增大象素電極的電荷保存能力。舉例來說，用于外圍區(qū)的驅動電路的TFT可以按本發(fā)明來制造，而象素區(qū)的TFT就不強調加催化劑。亦即，最初在整個襯底表面上形成非晶硅膜。接著，只把鎳這樣的催化劑有選擇地導入根據本發(fā)明的外圍區(qū)半導體層。加熱晶化后，主要只使外圍區(qū)半導體層晶化，而象素區(qū)半導體層未被晶化。然而，有一些鎳從外圍區(qū)擴散到象素區(qū)，但此擴散量不大。接著，用激光輻照整個半導體層區(qū)，以增加結晶度，繼此，將半導體層刻制成各自的硅島以形成各晶體管。從而，能在一個襯底上制造驅動電路用的有較高結晶度的TFT以及有源陣列電路用的低結晶度的TFT。本實施例涉及改進形成薄膜的方法，使該薄膜能更均勻地把催化劑添加到非晶硅膜上。本發(fā)明人察覺到一個問題，就是當將含例如鎳或鎳化合物作為催化劑的溶液施于非晶硅時，有一種趨勢，非晶硅膜的表面推斥溶液，以致涂層的均勻性不怎么好。本發(fā)明人發(fā)現，當非晶硅膜上有一層很薄氧化膜時，就能改善表面的沾潤性，因此，溶液可以涂敷得更均勻。該氧化膜應當足夠薄，使鎳能穿透氧化膜。適當的厚度是，例如10 。此外，該氧化膜可以由UV氧化或熱氧化形成。
舉例說，對UV氧化的情形，使非晶硅膜表面在氧氣中，曝露于UV光下，經3～5分鐘。襯底的溫度可以是室溫。但是，也可能需要加熱襯底至臭氧開始分解，形成氧游離基的溫度，亦即約200℃。此種情況下，氧化所需的時間就短于室溫的情況，約為1分鐘。
另一個辦法，通過將其上已形成了非晶硅的襯底浸漬入過氧化氫溶液，在70℃下經5分鐘，也可以形成氧化膜。較好的是，為凈化表面起見，過氧化氫溶液中混以氨。還可以加硫酸或鹽酸而不用氨。
總之，通過薄氧化膜措施提高了硅膜的沾潤性。此方法不僅可應用于用溶液來形成氧化硅，諸如OCD，如實施例1到7公開的方法，而且也可應用于其他方法，其中將鎳或鎳化合物用溶劑，諸如水或乙醇溶解，再將此溶液加到非晶硅膜上。
雖然所披露的氧化硅膜是用作其中保持催化元素的最佳實施例，但是其它材料也可以用來替換氧化硅，只要它們能耐高溫，例如，可以用氧化鋁，通過將氧化鋁細顆粒溶解在有機溶劑中，形成氧化鋁膜，來代替氧化硅膜。此外，也可以用有機膜，例如光刻膠材料，而將催化元素懸浮其中。此外，雖然各實施例只是針對制造共平面型TFT，應知道，其他公知型晶體管，例如倒置柵型晶體管根據本發(fā)明也可以制造。
權利要求
1.一種在襯底上制造半導體器件的方法，包括下列各步驟配置與包括硅的半導體層接觸的一層含能促進所述半導體層晶化的金屬或金屬化合物的薄膜；通過加熱，使所述金屬或金屬化合物擴散到所述半導體膜；將所述半導體層退火，以便使所述半導體層晶化。
2.根據權利要求1的方法，其中所述金屬選自包括Pd，Pt，Cu，Ag，Au、In、Sn、Pb、P、As、Sb和Ni的組。
3.根據權利要求1的方法，其中所述半導體層是非晶的。
4.根據權利要求1的方法，其中所述薄膜配置在所述襯底和所述半導體層之間。
5.根據權利要求1的方法，其中所述退火在不高于500℃的溫度下進行。
6.根據權利要求1的方法，其中所述薄膜形成在所述半導體膜上。
7.根據權利要求1的方法，其中所述薄膜包括氧化硅。
8.一種在襯底上制造半導體器件的方法，包括下列各步驟配置一層與包括硅的半導體層接觸的含能促進所述半導體層晶化的金屬或金屬化合物的薄膜。退火所述半導體層，以便使所述半導體層晶化，其中所述金屬或金屬化合物在晶化時，擴散入所述半導體膜內。
9.根據權利要求8的方法，其中所述金屬選自包括Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In，、Sn、Pb、P、As、Sb和Ni的組。
10.根據權利要求8的方法，其中所述半導體層是非晶的。
11.根據權利要求8的方法，其中所述薄膜配置在所述襯底和所述半導體層之間。
12.根據權利要求8的方法，其中所述退火在不高于500℃的溫度下進行。
13.根據權利要求8的方法，其中所述薄膜形成在所述半導體膜上。
14.一種半導體器件的制造方法，包括下列各步驟在襯底上形成包括硅的半導體層;用液體前體物涂敷所述半導體層來形成氧化硅，其中所述前體物是加了能促進所述半導體層晶化的金屬或金屬化合物的;預烘所述襯底，以便由所述前體物形成一層包括氧化硅的薄膜;退火所述半導體層，以便使所述半導體層晶化，其中所述金屬或金屬化合物在晶化時擴散入所述半導體膜。
15.根據權利要求14的方法，其中所述液體前體物包括有機溶劑。
16.根據權利要求14的方法，其中所述液體前體物通過旋涂法涂敷在所述半導體層上。
17.根據權利要求14的方法，還包括所述退火后，用輻射光增加所述半導體結晶度的步驟。
18.一種半導體器件的制造方法，包括下列步驟在襯底上形成包括硅的半導體層，所述半導體層至少具有相互鄰接的第1區(qū)和第2區(qū);只在所述半導體層的第1區(qū)上形成含有促進所述半導體膜晶化的催化劑的薄膜;使所述催化劑擴散入所述半導體層的第1區(qū);加熱所述半導體層，使所述催化劑從所述半導體層的第1區(qū)擴散入與其鄰接的所述半導體層的第2區(qū)，從而晶化所述半導體層的第2區(qū)。
19.根據權利要求18的方法，其中所述薄膜主要包括氧化硅。
20.根據權利要求18的方法，其中所述第2區(qū)的晶體基本上沿與所述襯底表面平行的方向生長。
21.根據權利要求18的方法，還包括，在其晶化之后，除去所述第1區(qū)的步驟，以便在所述第2區(qū)內留下所述半導體器件的有源區(qū)。
22.一種半導體器件的制造方法，包括下列步驟制備用來形成氧化硅的液體前體物，其中所述前體物加了能促進硅晶化的金屬或金屬化合物;在襯底上形成包括硅的半導體膜;將所述前體物涂到所述半導體膜上;預烘所述襯底，在所述半導體膜上形成含所述金屬或金屬化合物的氧化硅膜;將所述氧化硅膜刻成圖形，為的是僅給所述半導體的選定區(qū)提供所述氧化硅膜;將所述半導體層加熱使之晶化，其中所述金屬或金屬化合物在所述加熱時擴散入所述半導體層。
23.根據權利要求22的方法，其中所述預烘在這樣的低溫度下進行，以致所述金屬或金屬化合物實際上沒有擴散入所述半導體導。
24.根據權利要求22的方法，還包括在所述加熱后用光輻照所述半導體層的步驟，以增加其結晶度。
25.一種半導體器件的制造方法，包括下列步驟在襯底上形成包括硅的半導體膜，所述半導體膜至少有相互鄰接的第1區(qū)和第2區(qū);在所述半導體膜的第2區(qū)上形成包括氧化硅的掩模，而露出第1區(qū);選擇地將催化劑導入所述半導體層的第1區(qū);加熱使所述半導體層晶化，其中當所述加熱晶化時所述催化劑在所述半導體層，從所述第1區(qū)遷移到所述第2區(qū)，使所述第2區(qū)晶化。
26.根據權利要求25的方法，其中所述半導體層的第2區(qū)具有｛111｝晶面。
27.根據權利要求25的方法，其中所述催化劑由包括下列步驟的方法導入制備用來形成氧化硅的前體物，其中所述前體物加進了能促進硅晶化的所述催化劑;將所述前體物施加在設有所述掩模的所述半導體膜上，其中所述掩模阻擋所述催化劑擴散入所述第2區(qū);預烘所述前體物，以便在所述半導體層上形成其中含所述催化劑的氧化硅膜。
28.一種半導體器件的制造方法，包括下列步驟在襯底上形成包括硅的半導體膜;氧化所述半導體膜的表面，在所述半導體膜上形成氧化硅膜;將含金屬或金屬化合物的溶液施加在所述氧化硅膜上，所述金屬或金屬化合物能夠促進所述半導體膜晶化;使所述金屬或金屬化合物通過所述氧化硅膜擴散入所述半導體膜，其中所述氧化硅膜足夠薄，容許所述金屬或金屬化合物穿透此膜;加熱使所述半導體膜晶化。
29.根據權利要求28的方法，其中所述氧化硅膜由熱氧化形成。
30.根據權利要求28的方法，其中所述氧化硅膜由UV氧化法形成。
31.根據權利要求28的方法，其中所述氧化硅膜是由將所述半導體膜表面曝露于過氧化氫溶液而形成。
32.根據權利要求28的方法，其中所述過氧化氫溶液加進了選自由氨、硫酸、鹽酸組成的組的材料。
33.一種在襯底上形成的半導體器件，其上至少有一層半導體層作為有源區(qū)，其中所述半導體層包括結晶硅且含金屬，而其中所述半導體層具有｛111｝晶面。
34.根據權利要求33的器件，其中所述金屬選自包括Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pb、P、As、Sb和Ni的組。
35.根據權利要求33的器件，其中所述金屬包含在所述半導體層內，濃度不高于1×1019原子/cm3。
全文摘要
一種具有結晶半導體層的半導體器件制造方法，包括在相對低的溫度下加熱使非晶硅半導體層晶化的各步驟，這是由于使用促進晶化材料，諸如Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pb、P、As和Sb。該促進晶化的材料是由把它混入用來形成氧化硅的液體前體物內，并且將此先驅物涂在非晶硅膜上而導入的。于是，就可以將促晶化材料以最低濃度加入到非晶硅膜里。
文檔編號H01L21/02GK1109211SQ9411277
公開日1995年9月27日 申請日期1994年12月2日 優(yōu)先權日1993年12月2日
發(fā)明者木谷久, 宮永昭治, 竹山順一 申請人:株式會社半導體能源研究所