專利名稱：晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管(TFT)及其制造方法。依本發(fā)明的薄膜晶體管可以做在諸如玻璃的絕緣襯底上，也可做在如由晶體硅制成的襯底上。特別是本發(fā)明涉及一種通過(guò)結(jié)晶化和熱退火激活等工藝步驟來(lái)制造的薄膜晶體管。
近來(lái)，對(duì)包含一絕緣襯底并在其上設(shè)有一薄膜有源層(有時(shí)也稱之為有源區(qū))的絕緣棚型半導(dǎo)體器件進(jìn)行了有效地研究。特別是，對(duì)薄膜型絕緣柵晶體管即通常所說(shuō)的薄膜晶體管(TFT)的研究付出了極大的努力。將多個(gè)TFT做在透明的絕緣襯底上，主要是為了用它們來(lái)控制矩陣驅(qū)動(dòng)顯示裝置的每個(gè)象素或驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)TFT所用的半導(dǎo)體的材料和狀態(tài)，可將TFT分為非晶硅TFT和結(jié)晶硅TFT。
在上述的諸多TFT中，非晶TFT的制造可不必經(jīng)受高溫工藝過(guò)程。非晶TFT早已投入實(shí)用，因?yàn)楫?dāng)把它們制做在大面積襯底上時(shí)，其成品率高。一般在實(shí)際的非晶硅TFT中采用倒梯型(也稱之為底棚型)非晶硅TFT。此類非晶硅TFT的棚電極設(shè)在有源區(qū)的下方。
制造現(xiàn)有的TFT的工藝步驟包括在一襯底上形成一柵電極；形成做為柵絕緣膜的非晶硅膜和有源層；以及在非晶硅膜上形成一N型結(jié)晶細(xì)密的硅膜，以設(shè)置源和漏區(qū)。然而、由于N型硅膜與作為基底而設(shè)置的非晶硅膜的腐蝕速率幾乎相同，所以該工藝要求額外的步驟，例如設(shè)置一腐蝕終止層和類似層。
作為一種克服上述問(wèn)題的措施，提供一種用離子摻雜工藝，將高速離子直接注入到非晶硅膜中形成源和漏的方法。
但該法尚有不盡人意之處，因?yàn)樗a(chǎn)生的離子注入?yún)^(qū)的結(jié)晶性被明顯損傷。這些區(qū)的電導(dǎo)率低，因而尚不適于實(shí)用。也曾提出，用激光束和類似的光能使這些區(qū)退火，以增大其結(jié)晶性，然而，此法不適用于批量生產(chǎn)。
目前實(shí)際有用的方法是靠加熱使非晶硅結(jié)晶化的方法。但是此法要求在600℃或以上的溫度的退火。因而由于襯底的問(wèn)題此工藝也不受歡迎。更具體地說(shuō)，一般用于非晶硅TFT的無(wú)堿玻璃襯底在600℃或低一些溫度下即開(kāi)始變形(如Corning#7059玻璃襯底軟化點(diǎn)在593℃)。在600℃的退火會(huì)使玻璃襯底收縮或變形。
而且，600℃的退火會(huì)損傷先前在低溫下制作的非晶硅的特性。更具體地說(shuō)，使有源區(qū)也經(jīng)受在600℃的結(jié)晶化，而完全喪失了有利的特性，即非晶硅TFT不再具有它的低漏電流之特征。這問(wèn)題要求結(jié)晶化工藝能在更低溫度下進(jìn)行(最好是在低于玻璃的變形溫度50℃或再低些的溫度)。
一般，處于非晶態(tài)的半導(dǎo)體具有低的電場(chǎng)遷移率。因而，它們不能用于要求高速運(yùn)作的TFT。而且，P型非晶硅的電場(chǎng)遷移率極低。這就使P溝TFT(PMOS TFT)的制造行不通。以此推斷得不到互補(bǔ)的MOS電路，因?yàn)闉閷?shí)現(xiàn)CMOS必須P溝TFT與N溝TFT(NMOS TFT)相結(jié)合。
與非晶半導(dǎo)體相比，晶體半導(dǎo)體具有更高的電場(chǎng)遷移率，因而適用于高速運(yùn)作的TFT。結(jié)晶硅的優(yōu)點(diǎn)還在于，用它容易制作CMOS電路，因?yàn)橛山Y(jié)晶硅不僅能得到NMOS TFT，而且還能得到PMOS TFT。因此提出一種具有稱為單片結(jié)構(gòu)的有源矩陣驅(qū)動(dòng)的液晶顯示器，不僅在有源矩陣部分，而且在外圍電路(例如驅(qū)動(dòng)電路)均由CMOS的晶體TFT組成。由于這些原因，使得對(duì)使用結(jié)晶硅的TFT的研究及開(kāi)發(fā)最近更加活躍。
對(duì)非晶硅用激光或光強(qiáng)相等的強(qiáng)光輻照可以得到結(jié)晶硅。然而，此工藝不適于批量生產(chǎn)；而且不穩(wěn)定，因?yàn)榧す廨敵霰旧砭筒环€(wěn)定，還因?yàn)楣に囘^(guò)程太短。
一種使非晶硅結(jié)晶化的實(shí)際可行的工藝最近是采用熱處理，即熱結(jié)晶化。此工藝能生產(chǎn)出質(zhì)量均勻的結(jié)晶硅，不管批量如何。但該工藝仍存在問(wèn)題，尚待解決。
一般，熱結(jié)晶化要求在大約600℃實(shí)施長(zhǎng)時(shí)間的退火，或在高達(dá)1000℃溫度，或甚至更高的溫度退火。后種工藝使得對(duì)襯底材料的選擇變窄，因?yàn)樗荒軕?yīng)用于除石英襯底以外的襯底，前述的處理還有另一些問(wèn)題。
具體地說(shuō)，使用廉價(jià)的無(wú)堿玻璃襯底(如Corning#7059玻璃襯底)來(lái)制造TFT的工藝過(guò)程包括在襯底上淀積一層非晶硅膜；在600℃或更高的溫度經(jīng)24小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間使非晶硅膜結(jié)晶化；淀積一層棚絕緣膜；形成棚電極；引入雜質(zhì)(用離子注入或離子摻雜)；在600℃或更高的溫度經(jīng)24小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間退火使摻入的雜質(zhì)激活；形成層間絕緣體；以及形成源和漏區(qū)。
在上述工藝步驟中，發(fā)現(xiàn)第六步使摻入的雜質(zhì)激活最成問(wèn)題。大多數(shù)無(wú)堿玻璃在600℃附近(如Corning#7059玻璃的軟化溫度為593℃)會(huì)變形。這就意味著，在該步必須考慮襯底的收縮。在第二步中，即退火步驟，襯底的收縮是不成問(wèn)題的，因?yàn)檫€未在襯底上構(gòu)成圖形。然而，在第六步，在襯底上已構(gòu)成電路圖形，若襯底收縮，則在后幾步不能進(jìn)行掩模對(duì)準(zhǔn)。這顯然會(huì)降低成品率。這就要求在較低的溫度下進(jìn)行第六步，最好在比玻璃變形溫度低50℃或再低些的溫度下進(jìn)行。
如前所述，使用激光可降低工藝溫度。但是該工藝的可靠性差，因?yàn)椴粌H激光不穩(wěn)定，而且還由于在被激光輻照的部位(源和漏區(qū))與未被激光輻照的部位(有源區(qū)即柵電極下方的區(qū)域)之間的溫升不同而產(chǎn)生應(yīng)力。
因而使用激光來(lái)制造TFT是困難的，目前尚未發(fā)現(xiàn)其它有效的措施來(lái)克服這些問(wèn)題。本發(fā)明為上述困難提供一種解決辦法。即本發(fā)明之目的在于提出一種克服上述問(wèn)題并適于批量生產(chǎn)的工藝。
作為本發(fā)明者們廣泛研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基本上為非晶的硅膜的結(jié)晶化可借助加入微量催化材料而被加速。按此方法，結(jié)晶化可以在較低的溫度較短的時(shí)間內(nèi)完成。優(yōu)選的催化材料包括一些純金屬即鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)和鉑(Pt)，或一種化合物，如本文所列舉的元素的硅化物。具體地說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明的工藝包括在非晶硅膜之上或之下并與之接觸形成一種含有薄膜、顆粒、團(tuán)塊等形狀的催化元素的材料，以及在一適當(dāng)?shù)臏囟?，一般?80℃或再低些，最好在550℃或再低些將形成的材料熱退火使之結(jié)晶化。另一種方法是，不必形成一種含催化元素與非晶硅膜接觸的材料，代之以用諸如離子注入等方法將催化元素?fù)饺敕蔷Ч枘ぶ小?br> 當(dāng)然，提高退火的溫度可以縮短結(jié)晶化的周期。而且，隨著鎳、鐵、鈷或鉑濃度的增加而使結(jié)晶化的周期變短、結(jié)晶化的溫度變低。通過(guò)深入的研究，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)，至少一種上述催化元素的摻入濃度在1×1017cm-3以上方能加速結(jié)晶化，其濃度最好在5×1018cm-3或更高些。
但，上列各催化材料對(duì)硅不利。因而，最好將其濃度控制到盡可能低的水平。通過(guò)研究，本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)總濃度的優(yōu)選范圍在1×1020cm-3或再低些。特別是，在有源層，催化材料的濃度必須控制到1×1018cm-3或以下，最好低于1×1017cm-3，低于1×1016cm-3則更好。


圖1(A)-1(E)示意表示按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案(實(shí)施例1)的工藝所得到的按順序的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2(A)-2(E)示意表示按本發(fā)明的另一實(shí)施方案(實(shí)施例2)的工藝所得到的按順序的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖3(A)-3(E)示意表示按本發(fā)明的又一實(shí)施方案(實(shí)施例3)的工藝所所到的按順序的結(jié)構(gòu)剖面圖；以及圖4(A)-4(E)示意表示按本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案(實(shí)施例4)的工藝所得到的按順序的結(jié)構(gòu)剖面圖。
如前所述，本發(fā)明者們已注意到催化元素的作用，并發(fā)現(xiàn)可以利用這些元素來(lái)克服已有技術(shù)工藝中的問(wèn)題。一種依本發(fā)明的一實(shí)施方案制作TFT的工藝包括形成一棚電極；淀積一柵絕緣膜；淀積一層非晶硅膜；用離子注入或離子摻雜將雜質(zhì)引入非晶硅膜內(nèi)；
在該硅膜上形成含一種催化元素的物質(zhì)膜；在550℃或550℃以下熱處理不長(zhǎng)于8小時(shí)使摻入的雜質(zhì)激活；以及形成源和漏電極。
一種按本發(fā)明另一實(shí)施方案的工藝包括形成一棚電極；淀積一層?xùn)沤^緣膜；淀積一層非晶硅膜；用離子注入或離子摻雜將雜質(zhì)引入非晶硅膜；用離子注入或離子摻雜將催化元素引入該硅膜；在550℃或低于550℃熱處理不長(zhǎng)于8小時(shí)使摻入的雜質(zhì)激活；以及形成源和漏電極。
在上述工藝步驟中，第四步與其后的一步之次序是可調(diào)換的。即，摻雜步驟既可在引入催化元素步驟之前，也可在其后進(jìn)行。主要是引入源和漏區(qū)的催化元素顯著地加速了這兩區(qū)的結(jié)晶化。因此在550℃或以下的溫度足以能完成激活，一般在500℃或再低些溫度進(jìn)行。退火8小時(shí)或更短些，一般是退火4小時(shí)或更短些已足夠。特別是，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用離子注入或離子摻雜將催化元素引入硅膜時(shí)，結(jié)晶化進(jìn)行得極其迅速，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)元素是均勻地分布在硅膜中。
在雜質(zhì)摻雜中，可使用掩模將催化元素?fù)饺牍枘ぶ小０醋詫?duì)準(zhǔn)方式，從柵電極背后照射可以得到該掩膜。
另一種按本發(fā)明的又一實(shí)施方案制作TFT的工藝包括淀積一層非晶硅膜；將非晶硅膜在600℃或其以上的溫度加熱24小時(shí)或更長(zhǎng)些，使其結(jié)晶化；淀積一層?xùn)沤^緣膜；形成一柵電極；用離子注入或離子摻雜將雜質(zhì)引入非晶硅膜；在硅膜上淀積一層含一種催化元素的膜；在600℃或其以下熱處理不長(zhǎng)于8小時(shí)使摻入的雜質(zhì)激活；形成層間絕緣體；以及形成源和漏電極。
再一種按本發(fā)明的一實(shí)施方案制作TFT的工藝包括淀積一層非晶硅膜；在600℃或其以上將非晶硅膜加熱24小時(shí)或更長(zhǎng)些，使其結(jié)晶化；淀積一層?xùn)沤^緣膜；形成一柵電極；用離子注入或離子摻雜將雜質(zhì)引入非晶硅膜；用離子注入或離子摻雜將一種催化元素引入該硅膜；在600℃或其以下熱處理不長(zhǎng)于8小時(shí)使摻入的雜質(zhì)激活；形成層間絕緣體；以及形成源和漏電極。
在上述工藝步驟中，第5步和其下一步的次序可以顛倒。即，摻雜步驟既可在引入催化元素步驟之前也可在其后進(jìn)行。主要是引入源和漏區(qū)的催化元素顯著地加速了這兩區(qū)的結(jié)晶化。因而，在600℃或其以下足以進(jìn)行激活，一般在550℃或其以下。對(duì)退火而言，8小時(shí)或短些，一般用4小時(shí)或短些已經(jīng)足夠。特別是，當(dāng)用離子注入或離子摻雜將催化元素引入硅膜時(shí)，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶化進(jìn)行得極其迅速，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)元素均勻分布在硅膜中。
本發(fā)明的工藝之特征在于，該工藝包括，加入對(duì)硅不利的催化元素，但在有源區(qū)的濃度被壓到極低水平1×1018cm-3或其以下。即，所有的前述工藝均包括，在摻雜時(shí)為有源區(qū)提供一掩?；蚺镫姌O。因而，催化元素不會(huì)直接接觸到或注入進(jìn)有源區(qū)。而保持TFT的可靠性和特性不被削弱。特別是，將Ni摻入雜質(zhì)區(qū)其濃度為有源區(qū)的10倍或以上，再擇優(yōu)設(shè)定退火溫度和時(shí)間，可以使雜質(zhì)區(qū)被激活并同時(shí)保持非晶態(tài)。因?yàn)橥嘶鹗窃跓崞胶庀峦瓿傻?，不?huì)碰到激光退火中出現(xiàn)的溫度差。
下面參照非限定的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的說(shuō)明。但應(yīng)了解此非對(duì)本發(fā)明的限制。實(shí)施例1圖1表示按本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的工藝所得到的按步序的結(jié)構(gòu)剖面圖。參照?qǐng)D1，在Corning#7059玻璃襯底1上形成一層厚度為3000-8000鉭膜，并構(gòu)成圖形，形成柵電極2。然后，將鉭膜表面陽(yáng)極氧化，形成厚度為1000-3000例如2000的陽(yáng)極氧化膜3。然后用等離子CVD淀積一層厚度為1000-5000例如1500的氮化硅膜4。緊接著用等離子CVD在其上淀積一層厚度為200-1500例如500的本征(I-型)非晶硅膜。將最后得到的非晶硅膜構(gòu)圖得到半導(dǎo)體區(qū)域5，如圖1(A)所示。
將所得到襯底表面被覆以光刻膠，并從襯底背面曝光，以形成與柵電極圖形一致的掩模6，如圖1(B)所示。
用離子摻雜，使用所得到的掩模6，將磷作為雜質(zhì)注入半導(dǎo)體區(qū)5。用磷化氫(PH3)作為摻雜氣體進(jìn)行離子摻雜，所用的加速電壓在60-90KV，例如80KV，所用的劑量在1×1015-8×1015cm-2范圍。在此情況下，磷的摻入劑量為2×1015cm-2。以此方法形成N型雜質(zhì)區(qū)7a和7b，如圖1(C)所示。
然后，用掩模6通過(guò)離子摻雜注入鎳離子。所用的劑量為2×1013-2×1014cm-2，更具體地講例如是5×1013cm-2。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鎳在N型雜質(zhì)區(qū)26a和26b中的濃度大約5×1018cm-3。如此就得到了如圖1(D)所示的結(jié)構(gòu)。
然后，將所得結(jié)構(gòu)在含分壓強(qiáng)最好為0.1-1大氣壓的氫的氫氣氛中在500℃退火4小時(shí)。以此方法激活雜質(zhì)。因?yàn)殒囯x子已事先注入到雜質(zhì)區(qū)，由于鎳對(duì)結(jié)晶化的催化作用，發(fā)現(xiàn)在這些區(qū)域中的結(jié)晶化被加快了。這樣就激活了雜質(zhì)區(qū)7a和7b。
隨后用等離子CVD淀積3000厚的氧化硅膜8，作為層間絕緣體，在其上形成接觸孔以便為TFT的源和漏區(qū)，用含金屬材料如氮化鈦和鋁的多層膜，建立帶互連9a和9b的電極。這就完成了一個(gè)完整的薄膜晶體管，如圖1(E)所示。
用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)量按上述工藝制得的TFT的雜質(zhì)區(qū)和有源區(qū)的鎳濃度。測(cè)得雜質(zhì)區(qū)含鎳濃度為1×1018-5×1018cm-3。這與低于探查極限1×1016m-3的有源區(qū)的濃度形成明顯的對(duì)照。實(shí)施例2圖2表示用本發(fā)明的一實(shí)施方案所得到的各步序結(jié)構(gòu)的剖面圖。參照?qǐng)D2，在Corning#7059玻璃襯底11上形成厚度為3000-8000例如5000的鉭膜，并構(gòu)圖形成柵電極12。然后，用陽(yáng)極氧化法，使鉭膜的表面形成厚度為1000-3000例如2000的陽(yáng)極氧化膜。然后，用等離子CVD法淀積厚度為1000-5000例如為1500的氮化硅膜14。緊接著，在其上用等離子CVD淀積厚度為200-1500例如在本例中為500的本征(I型)非晶硅膜。將得到的非晶硅膜構(gòu)圖以得到半導(dǎo)體區(qū)15，如圖2(A)所示。
在所得襯底的表面上被覆一層光刻膠，從襯底的背面曝光以形成與圖2(B)所示棚電極圖形一致的掩模16。
通過(guò)離子摻雜法，用所得的掩模16，以磷作雜質(zhì)注入半導(dǎo)體區(qū)15。用磷化氫(PH3)作摻雜氣體完成離子摻雜，所加的加速電壓在60-90KV，例如用80KV，劑量在1×1015-8×1015cm-2。在本例中摻入磷所用的劑量為2×1015cm-2。以此方式，形成了N型雜質(zhì)區(qū)17a和17b，如圖2(C)所示。
然后，用濺射法在整個(gè)表面上淀積厚度為5-200例如20的一層硅化鎳膜(以化學(xué)式表達(dá)為NiSix，此處X為0.4-2.5例如2.0)18。由于所得到的膜薄至大約20，看來(lái)好像一些團(tuán)粒，而不像連續(xù)的膜。在本例中膜的外觀并不那么重要。這樣就得到了如圖2(D)所示之結(jié)構(gòu)。
然后，將所得結(jié)構(gòu)在含氫的氣氛中退火，所用的溫度為450℃，時(shí)間4小時(shí)，氫的分壓強(qiáng)最好為0.1-1大氣壓。以此方式，激活雜質(zhì)。因?yàn)楣杌嚹?8是預(yù)先淀積的，由它擴(kuò)散鎳原子，對(duì)N型雜質(zhì)區(qū)17a和17b的結(jié)晶化起催化劑作用。這樣就加速了這些區(qū)的結(jié)晶化，使雜質(zhì)區(qū)17a和17b激活。
隨后，用等離子CVD淀積一層3000厚氧化硅膜19作為層間絕緣體，并在其上形成接觸孔，以便為TFT的源和漏區(qū)，用含金屬材料如氮化鈦和鋁的多層膜，建立帶互連20a和20b的電極。這就完成了一個(gè)完整的薄膜晶體管，如圖2(E)所示。
用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)量按上述工藝制得的TFT的雜質(zhì)區(qū)和有源區(qū)鎳的濃度。測(cè)得雜質(zhì)區(qū)含鎳濃度為1×1018-3×1018。這與在1×1016-5×1016范圍的有源區(qū)濃度成鮮明的對(duì)照。實(shí)施例3圖3表示用本發(fā)明另一實(shí)施方案的工藝所制得的各步序結(jié)構(gòu)的剖面圖。參照?qǐng)D3，在一塊Corning#7059玻璃襯底110上用濺射法形成一層2000厚的氧化硅膜111，作為底膜。然后，用等離子CVD在其上淀積厚度為500-1500，例如1500的本征(I型)非晶硅膜。然后，在氮?dú)夥罩?00℃退火48小時(shí)，使非晶硅膜結(jié)晶化。退火之后，將硅膜構(gòu)成圖形形成島狀硅區(qū)112，用濺射法在其上淀積一層1000厚的氧化硅膜113作為柵絕緣膜。濺射工藝是在含氧和氬的氣氛中以氧化硅作為濺射的靶進(jìn)行的，氬對(duì)氧之比不高于0.5，例如為0.1或0.1以下。在工藝過(guò)程中，襯底的溫度保持在200-400℃，例如350℃。
然后，用減壓CVD淀積厚度為6000-8000例如6000的含磷為0.1-2％的硅膜。淀積氧化硅膜的步驟最好與淀積硅膜的步驟連續(xù)進(jìn)行。將所得的硅膜構(gòu)圖形成柵電極114，如圖3(A)所示。
然后，用等離子摻雜，用柵電極作掩模，將磷作為雜質(zhì)引入硅區(qū)。用磷化氫(PH3)作為摻雜氣體，進(jìn)行摻雜，所用的加速電壓為60-90KV，例如為80KV，所用的劑量為1×1015-8×1015cm-2。在本實(shí)施例中所摻雜的磷的劑量為2×1015cm-2。以此方式，形成了N型雜質(zhì)區(qū)115a和115b，如圖3(B)所示。
腐蝕雜質(zhì)區(qū)上的氧化硅膜113以露出雜質(zhì)區(qū)115，在整個(gè)表面上用濺射法淀積厚度為5-200，例如20的硅化鎳膜(用化學(xué)式NiSix表示，此處X為0.4-2.5，例如2.0)116。由于所得的膜大約為20之薄，看來(lái)好像團(tuán)粒，不像連續(xù)膜。在本例中，該膜的外觀不那么重要。這樣就得到了如圖3(C)所示之結(jié)構(gòu)。
然后，把所得結(jié)構(gòu)放入氮?dú)夥罩性?00℃退火4小時(shí)以激活雜質(zhì)。因?yàn)殒噺念A(yù)先淀積在其上的硅化鎳膜擴(kuò)散進(jìn)入N型雜質(zhì)區(qū)115a和115b，發(fā)現(xiàn)經(jīng)退火加速了結(jié)晶化的發(fā)生。以此方式，激活了雜質(zhì)區(qū)115a和115b。所得結(jié)構(gòu)如圖3(D)所示。
然后，用等離子CVD淀積6000厚的氧化硅膜117作為層間絕緣層，以在其上開(kāi)出接觸孔用含金屬材料，如氮化鈦和鋁的多層膜為TFT的源和漏區(qū)形成帶互連118a和118b的電極。最后，將所得結(jié)構(gòu)在1大氣壓的氫氣氛中在350℃退火30分鐘。這樣就完成了一完整的薄膜晶體管，如圖3(E)所示。
用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)量按上述工藝制得的TFT的源和漏區(qū)以及有源區(qū)鎳的濃度。發(fā)現(xiàn)源和漏區(qū)的含鎳濃度為1×1018-5×1018cm-3。這與低于探查極限1×1016cm-3的有源區(qū)的濃度成鮮明的對(duì)比。實(shí)施例4圖4表示用本發(fā)明另一實(shí)施方案的工藝所制得的各步序結(jié)構(gòu)的劑面圖。參照?qǐng)D4，在一塊Corning#7059玻璃襯底29上，用濺射法形成一層2000厚的氧化硅膜作底膜。然后，用等離子CVD在其上淀積一層本征(I型)非晶硅膜，其厚度在500-1500范圍，例如1500。然后，在氮?dú)夥罩?，?00℃退火48小時(shí)，使非晶硅膜結(jié)晶化。退火之后，將硅膜構(gòu)圖形成島狀硅膜22。
然后，用等離子CVD，使用四乙氧硅烷(TEOS；Si(OC2H5)4)和氧作為原材料淀積一層1000存的氧化硅膜23作為棚絕緣膜。于是在原始?xì)怏w材料中添加三氯乙烯。在薄膜淀積開(kāi)始之前，以400SCCM(每分標(biāo)準(zhǔn)立方厘米)的流量向反應(yīng)腔通氧氣，當(dāng)將總壓力保持在5Pa，襯底溫度為300℃，并施加150W的RF功率時(shí)，在反應(yīng)腔內(nèi)產(chǎn)生等離子體。這種狀態(tài)保持10分鐘。然后，以分別為300SCCM,15SCCM和2SCCM的流量向反應(yīng)腔通入氧、TEOS和三氯乙烯，淀積氧化硅膜。在淀積薄膜期間，使襯底溫度、RF功率和總壓強(qiáng)分別保持在300℃、75W和5Pa。當(dāng)完成薄膜淀積時(shí)，給反應(yīng)腔通入壓力為100Torr的氫氣，以完成在350℃的氫退火35分鐘。
隨后，用濺射法淀積厚度在3000-8000，例如為6000的鉭膜?？梢杂免仭㈡u、鉬或硅代替鉭。然而，該膜必須有足夠高的耐熱性能，以耐得住后來(lái)的激活處理。氧化硅膜23和鉭膜的兩步淀積步驟最好連續(xù)進(jìn)行。將鉭膜構(gòu)圖形成TFT的柵電極24。再將鉭膜表面陽(yáng)極氧化，在其表面上形成氧化層25。陽(yáng)極氧化是在含1-5％的灑石酸的乙二醇溶液中進(jìn)行的。于是得到2000厚的氧化層，如圖4(A)。
以柵電極作為掩模用等離子摻雜，將磷作為雜質(zhì)注入硅區(qū)。用磷化氫(PH3)作摻雜氣體進(jìn)行摻雜工藝，所用的加速電壓80KV。在此例中，以2×1015cm-3的劑量摻入磷。以此方式，形成了N型雜質(zhì)區(qū)26a和26b?？梢钥吹剑诖饲闆r所建立的雜質(zhì)區(qū)26偏離了柵電極24，如圖4(B)所示。
然后，用離子摻雜以柵電極作掩模注入鎳離子。引入鎳所用的劑量在2×1013-2×1014cm-2的范圍，例如更具體地用5×1013cm-2。其結(jié)果，發(fā)現(xiàn)鎳在N型雜質(zhì)區(qū)26a和26b內(nèi)的濃度大約為5×1018cm-3。于是得到如圖4(C)所示之結(jié)構(gòu)。
然后將所得的結(jié)構(gòu)在氮?dú)夥罩性?00℃退火4小時(shí)，以激活雜質(zhì)。由于鎳離子預(yù)先被注入N型雜質(zhì)區(qū)26a和26b，發(fā)現(xiàn)由于鎳對(duì)結(jié)晶化的催化作用，加速了這些區(qū)域內(nèi)的再結(jié)晶化的進(jìn)行。于是使雜質(zhì)區(qū)26a和26b激活。所得結(jié)構(gòu)如圖4(D)所示。
隨后，用TEOS作原材料，用等離子CVD淀積2000厚的氧化硅膜27作為層間絕緣體，在其上形成接觸孔，用含金屬材料如氮化鈦和鋁的多層膜為TFT的源和漏區(qū)形成帶互連28a和28b的電極。于是完成了完整的半導(dǎo)體電路，如圖4(E)所示。
發(fā)現(xiàn)這樣制作的薄膜晶體管，在柵電壓為10V時(shí)，其場(chǎng)效應(yīng)遷移率在70-100cm2/Vs范圍，當(dāng)給柵極施加-20V電壓時(shí)，其閥值電壓為2.5-4.0V，漏電流為10-13A或更低。
本發(fā)明借助在4小時(shí)之短的期間內(nèi)，在500℃之低的溫度下將摻入的雜質(zhì)激活，提高了薄膜晶體管的生產(chǎn)量。因而本發(fā)明提供一種解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題的方法，由于在600℃或其以上所進(jìn)行的高溫工藝中，已遇到玻璃襯底變形這樣嚴(yán)重的問(wèn)題，在上述這樣低的溫度下實(shí)現(xiàn)了結(jié)晶化避免了玻璃襯底收縮和彎曲。
上面列舉的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還包括能一次處理大面積的襯底。更具體地說(shuō)，由大面積襯底切成多個(gè)半導(dǎo)體電路(如矩陣電路)。因而明顯地可以降低電路的單個(gè)成本。當(dāng)應(yīng)用于液晶顯示器的生產(chǎn)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的工藝可提高生產(chǎn)率并改進(jìn)了顯示器的性能。由上述可見(jiàn)，本發(fā)明可廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)。
盡管參照具體的實(shí)施例詳細(xì)地?cái)⑹隽吮景l(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，不脫離本發(fā)明的精神和范疇可以進(jìn)行各式各樣的變化和改型。
權(quán)利要求
1．絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取柵極；在所述柵極上制取柵絕緣層；在所述柵極上方制取半導(dǎo)體層，所述柵絕緣層夾在所述柵極與所述半導(dǎo)體層之間將柵極與所述半導(dǎo)體層彼此絕緣起來(lái)；在所述半導(dǎo)體層上方制取掩模，其中所述掩模相對(duì)于所述柵極自行調(diào)整形成；往所述半導(dǎo)體層的第一區(qū)中以相對(duì)于所述掩模自行調(diào)整的方式引入金屬離子；往所述半導(dǎo)體層的第二區(qū)中以相對(duì)于所述掩模自行調(diào)整的方式引入雜質(zhì)離子以制取源區(qū)和漏區(qū)。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述柵絕緣層通過(guò)陽(yáng)極氧化所述柵極制取。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一區(qū)和所述第二區(qū)彼此相同。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬選自由Ni、Fe、Co和Pt組成的金屬群。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述掩模由光致抗蝕材料組成。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體層由硅組成。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，它還包括下列步驟制取源區(qū)、漏區(qū)和設(shè)在所述源區(qū)與漏區(qū)之間的有源區(qū)，其中所述源區(qū)和漏區(qū)含濃度高于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)，所述有源區(qū)含濃度低于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述襯底由玻璃制成，所述掩模則通過(guò)從所述玻璃襯底背面照光制取。
9．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，它還包括在引入所述金屬離子之后對(duì)所述半導(dǎo)體層進(jìn)行退火以便晶化所述半導(dǎo)體層的至少一部分的步驟。
10．絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取柵極；在所述柵極上制取棚絕緣層；在所述柵極上方制取半導(dǎo)體層，所述柵絕緣層夾在所述半導(dǎo)體層與所述柵極之間將所述半導(dǎo)體層與所述柵極彼此絕緣起來(lái)；在所述半導(dǎo)體導(dǎo)體層上方制取掩模，其中所述掩模是以相對(duì)于所述柵極自行調(diào)整的方式制取的；在上面形成有所述掩模的所述半導(dǎo)體層上制取含金屬的膜層；往所述半導(dǎo)體層的第一區(qū)中以相對(duì)于所述掩模自行調(diào)整的方式引入雜質(zhì)離子以制取源區(qū)和漏區(qū)。
11．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，它還包括這樣的步驟以相對(duì)于所述掩模自行調(diào)整的方式將所述金屬或所述金屬的硅化物從所述含金屬的膜層擴(kuò)散到所述半導(dǎo)體層的第二區(qū)中。
12．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述柵絕緣層通過(guò)陽(yáng)極氧化所述柵極制取。
13．如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述第一區(qū)和所述第二區(qū)彼此相同。
14．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述金屬選自由Ni、Fe、Co和Pt組成的金屬群。
15．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述掩模由光致抗蝕材料組成。
16．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述含金屬的膜層由金屬硅化物組成。
17．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體層由硅組成。
18．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，它還包括這樣的步驟制取源區(qū)、漏區(qū)和介于所述源區(qū)與漏區(qū)之間的有源區(qū)，其中所述源區(qū)和漏區(qū)含濃度高于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)，所述有源區(qū)含濃度低于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)。
19．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述這襯底由玻璃制成，所述掩模通過(guò)從所述玻璃襯底背面照光制取。
20．如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，它還包括在形成所述含金屬的膜層之后對(duì)所述這半導(dǎo)體層進(jìn)行退火以晶體所述半導(dǎo)體層的至少一部分的步驟。
21．半導(dǎo)體器件的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取半導(dǎo)體層；在所述半導(dǎo)體上制取柵絕緣層；在所述柵絕緣膜上的所述半導(dǎo)體層上方制取柵極；以所述柵極作為掩模在所述柵絕緣層上制取線路圖形，從而使所述半導(dǎo)體除所述柵極下方以外的表面曝光；以所述柵極作為掩模，往所述半導(dǎo)體層的第一區(qū)引入雜質(zhì)離子，以制取源區(qū)和漏區(qū)；清除掉與所述半導(dǎo)體層以所述柵極作為掩模的曝光表面接觸的含金屬膜層。
22．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，它還包括將所述金屬或所述金屬的硅化物擴(kuò)散到所述半導(dǎo)體層的第二區(qū)中的步驟。
23．如權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述第一區(qū)和所述第二區(qū)彼此相同。
24．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述雜質(zhì)離子在所述形成線路圖形之前通過(guò)所述柵絕緣層引入所述半導(dǎo)體層中。
25．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述金屬選自由Ni、Fe、Co和Pt組成的金屬群。
26．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述含金屬的膜層由金屬硅化物組成。
27．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體層由硅組成。
28．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，它還包括這樣的步驟制取源區(qū)、漏區(qū)和介在所述源區(qū)與漏區(qū)之間的有源區(qū)，其中所述源區(qū)和漏區(qū)含濃度高于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)，所述有源區(qū)含濃度低于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)。
29．如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，它還包括在除去所述含金屬的膜層之后對(duì)所述半導(dǎo)體層進(jìn)行退火以晶化所述半導(dǎo)體層的至少一部分的步驟。
30．半導(dǎo)體器件的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取半導(dǎo)體層；在所述半導(dǎo)體層上制取柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上制取柵極；以所述柵極作為掩模往所述半導(dǎo)體層的第一區(qū)中引入雜質(zhì)離子，以制取源區(qū)和漏區(qū)；和以所述柵極作為掩模往所述半導(dǎo)體層的第二區(qū)中引入金屬離子。
31．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，它還包括在引入所述雜質(zhì)離子和所述金屬離子之前陽(yáng)極氧化所述柵極以在所述柵極上形成陽(yáng)極氧化層的步驟。
32．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述第一區(qū)和所述第二區(qū)彼此相同。
33．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述金屬選自由Ni、Fe、Co和Pt組成的金屬群。
34．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體層由硅組成。
35．如權(quán)利要求30所述的方法，其特征在于，它還包括在引入金屬離子之后對(duì)所述半導(dǎo)體層進(jìn)行退火以晶化所述半導(dǎo)體層的至少一部分的步驟。
36．絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取柵極；在所述柵極上制取柵絕緣層；在所述柵極上方制取半導(dǎo)體層，所述柵絕緣層夾在所述半導(dǎo)體層與所述柵極之間將所述半導(dǎo)體層與所述柵極彼此絕緣；在所述半導(dǎo)體層上方制取掩模，其中所述掩模是以相對(duì)于所述柵極自行調(diào)整的方式制取的；在上面形成有所述掩模的所述半導(dǎo)體層上制取含金屬膜層以便將所述金屬引入所述半導(dǎo)體層的一個(gè)區(qū)；除去至少位于所述掩模上的一部分所述金屬；和以相對(duì)于所述掩模自行調(diào)整的方式往所述半導(dǎo)體層中引入雜質(zhì)離子以制取源區(qū)和漏區(qū)。
37．半導(dǎo)體器件的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取半導(dǎo)體層；在所述半導(dǎo)體層上制取柵絕緣層；在所述柵絕緣膜上的所述半導(dǎo)體層上方制取柵極；以所述柵極作為掩模在所述柵絕緣層上制取取線路圖形從而將半導(dǎo)體層所述柵極下面以外的部分曝光；以所述柵極作為掩模，往所述半導(dǎo)體層中引入雜質(zhì)離子以制取源區(qū)和漏區(qū)；清除掉所述半導(dǎo)體層上面形成有所述柵極的含金屬膜層；和除去所述含金屬膜層位于所述柵極上方的一部分。
38．晶體管的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取柵極；在所述柵極上方制取柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上制取非晶硅膜；和往所述與所述柵極在一直線上的非晶硅膜中加入促進(jìn)所述非晶硅膜晶化的催化物質(zhì)和作為摻雜劑的雜質(zhì)，其中所述催化物質(zhì)以不高于1×1020原子/立方厘米的濃度加入所述非晶硅膜層中。
39．如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，它還包括這樣的步驟制取源區(qū)、漏區(qū)和夾在所述源區(qū)與漏區(qū)之間的有源區(qū)，其中所述源區(qū)和漏區(qū)含濃度高于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)，所述有源區(qū)含濃度低于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)。
40．晶體管的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在襯底上制取柵極；在所述柵極上方制取非晶硅膜；往與所述柵極在一條直線上的所述非晶硅膜中引入作為摻雜劑的雜質(zhì)；和將含催化物質(zhì)的材料粘附到所述非晶硅膜上，其中所述非晶硅膜中所含所述催化物質(zhì)的濃度不高于1×1020原子/立方厘米。
41．如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，它還包括這樣的步驟制取源區(qū)、漏區(qū)和夾在所述源區(qū)與所述漏區(qū)之間的有源區(qū)，其中所述源區(qū)和漏區(qū)含濃度高于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)，所述有源區(qū)含濃度低于1×1017原子/立方厘米的催化物質(zhì)。
42．絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的一種制造方法，其特征在于，它包括下列步驟在玻璃襯底上制取柵極；在所述柵極上制取柵絕緣層；在所述柵極上方制取半導(dǎo)體層，所述柵絕緣層夾在所述半導(dǎo)體層與所述柵極之間所述半導(dǎo)體層與所述柵極彼此絕緣起來(lái)；在所述半導(dǎo)體層上方制取掩模，其中所述掩模以相對(duì)于所述電極自行調(diào)整的方式制取；以相對(duì)于所述掩模自行調(diào)整的方式往所述半導(dǎo)體層中引入雜質(zhì)以制取源區(qū)和漏區(qū)；和在上面形成有所述掩模的所述半導(dǎo)體層上制取金屬硅化物層。
43．如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，所述掩模通過(guò)從所述玻璃襯底背面照光制取。
44．如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，所述金屬硅化物層在至少所述源區(qū)和漏區(qū)上形成。
45．如權(quán)利要求42所述的方法，其特征在于，所述金屬硅化物層濺射淀積到所述半導(dǎo)體層上。
全文摘要
一種制造薄膜晶體管的方法,該方法包括:使非晶硅膜結(jié)晶化;在其上形成柵絕緣膜和柵電極、以自對(duì)準(zhǔn)方式注入雜質(zhì),粘附一含有加速硅膜結(jié)晶化的催化元素的被覆層,以及將所得結(jié)構(gòu)在低于襯底變形溫度的溫度下退火,以激活已摻入的雜質(zhì)。按另一方案,可用離子注入法或類似法將催化元素引入雜質(zhì)區(qū)而摻入該結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1215224SQ9811632
公開(kāi)日1999年4月28日 申請(qǐng)日期1998年7月15日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月12日
發(fā)明者張宏勇, 高山徹, 竹村保彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所