專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有設(shè)置于絕緣基片如玻璃之上的TFT(薄膜晶體管)的半導(dǎo)體器件，以及制造該半導(dǎo)體器件的方法。
作為具有形成于玻璃等制成的絕緣基片之上的TFT的半導(dǎo)體器件，公知的有有源液晶顯示器件、圖象傳感器等，它們用TFT來驅(qū)動象素。
在這些器件中使用的TFT通常是硅薄膜半導(dǎo)體。硅薄膜半導(dǎo)體可大致分為非晶硅半導(dǎo)體(a-Si)型的結(jié)晶硅半導(dǎo)體型。由于非晶硅半導(dǎo)體的制造溫度較低，因而通常使用較多，它較為易于采用汽相方法來制造，批量生產(chǎn)率較高。然而，由于非晶硅半導(dǎo)體的物理特性，例如電導(dǎo)率等，與結(jié)晶硅半導(dǎo)體相比是較差的，因此，為獲得高速特性之目的，迫切需要在將來確定一種由結(jié)晶硅半導(dǎo)體形成的TFT的制造方法，作為結(jié)晶硅半導(dǎo)體，公知的有非單晶硅半導(dǎo)體如多晶硅、微晶硅、含非晶硅的結(jié)晶部件、其特性介于結(jié)晶特性與非結(jié)晶特性之間的半非晶硅等。以下，把具有這些結(jié)晶特性的非單晶硅半導(dǎo)體統(tǒng)稱為結(jié)晶硅。
為獲取具有這些結(jié)晶特性的硅薄膜半導(dǎo)體，公知的方法有以下幾種。
(1)在膜形成之時(shí)直接形成結(jié)晶膜。
(2)對預(yù)先已形成的非晶硅半導(dǎo)體膜施加激光照射能量，以此提供結(jié)晶特性。
(3)對預(yù)先已形成的非晶硅半導(dǎo)體膜施加熱能量，以此提供結(jié)晶特性。
然而，在方法(1)中，在基片的整個(gè)表面均勻地形成具有優(yōu)異半導(dǎo)體物理性能的膜，在技術(shù)上是困難的。而且，由于膜形成溫度較高，即在600℃以上，因而存在成本問題，即不能使用便宜的玻璃基片。在方法(2)中，對于目前最為常用的激發(fā)物激光的情形，存在的問題是生產(chǎn)率較低，因?yàn)榧す馐丈涞拿娣e較小。而且，激光束的穩(wěn)定性不足以對大面積基片的整個(gè)上表面進(jìn)行均勻處理，因而這種方法看來極為象是下一代的技術(shù)。在方法(3)中，與方法(1)和(2)相比，該方法具有可適用于大面積基片的優(yōu)點(diǎn)。但是，需要600℃以上的高溫作為加熱溫度，從采用便宜的玻璃基片這一點(diǎn)來考慮，需要進(jìn)一步降低加熱溫度。特別是，流行的液晶顯示器趨向于大屏幕，由此也需要采用大規(guī)格的玻璃基片。當(dāng)采用這種大規(guī)格的玻璃基片時(shí)，則會產(chǎn)生一系列問題，即在制造這種半導(dǎo)體的熱處理工序中，基片產(chǎn)生的收縮或變形將導(dǎo)致掩模匹配時(shí)精確度降低。特別是，在目前最為常用的7059玻璃的情形下，變形點(diǎn)的溫度是593℃，因而傳統(tǒng)的熱結(jié)晶方法將使基片大大地變形。此外，除了溫度問題之外，由于現(xiàn)行的工藝需要幾十個(gè)小時(shí)的加熱時(shí)間，以滿足結(jié)晶的要求，因此還需要縮短加熱時(shí)間。
本發(fā)明解決了上述問題，其目的在于，針對通過對非晶硅形成的薄膜進(jìn)行加熱使其結(jié)晶，來制造由結(jié)晶硅形成的薄膜的方法，提供一種降低結(jié)晶所需溫度和縮短所用的時(shí)間的工藝。由本發(fā)明的工藝制備的結(jié)晶硅半導(dǎo)體，其所具有的物理特性不低于傳統(tǒng)工藝制備的器件，甚至還可適用于TFT的有源層區(qū)。
本發(fā)明人已經(jīng)進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)，按上述方法，采用CDV法或?yàn)R射法形成非晶硅半導(dǎo)體膜，通過加熱使所形成的膜晶化，并研究了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
首先，對在玻璃基片上形成的非晶硅膜，通過加熱使該膜結(jié)晶的機(jī)理進(jìn)行研究。結(jié)果，觀察到晶體生長開始于玻璃基片與非晶硅之間的界面，隨后當(dāng)其具有一定的厚度時(shí)，發(fā)展成為垂直于基片前表面的柱狀。
可以認(rèn)為，上述現(xiàn)象是由以下因素導(dǎo)致的，構(gòu)成晶體生長基礎(chǔ)的晶核(構(gòu)成晶體生長基礎(chǔ)的源)存在于玻璃基片與非晶硅膜之間的界面，并且晶體從晶核開始生長。這種晶核被認(rèn)為是少許摻雜的金屬元素，它存在于基片表面上或玻璃表面的結(jié)晶部分上(可以認(rèn)為，氧化硅的結(jié)晶部分存在于玻璃基片的表面之上，如稱之為結(jié)晶玻璃)。
因此，過去認(rèn)為通過更積極地引入晶核，可以降低晶化溫度，為了證實(shí)這種效應(yīng)，在基片上形成少許其它金屬，然后在其上形成非晶硅薄膜。之后，通過加熱進(jìn)行晶化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，已經(jīng)證實(shí)，在基片上形成幾種金屬的情形下，晶化溫度得以降低，并且估計(jì)這里產(chǎn)生的晶體生長以雜質(zhì)作為晶核。因此，對能降低溫度的多種雜質(zhì)金屬的機(jī)理做了更詳細(xì)的研究。
晶化可以分為兩個(gè)階段，即初始晶核產(chǎn)生和由晶核開始的晶體生長。對初始晶核產(chǎn)生速度的觀察，是通過在給定的溫度下，測量細(xì)晶粒以點(diǎn)狀圖形出現(xiàn)的時(shí)間。在薄膜構(gòu)成上述雜質(zhì)金屬的任一情形中均可使該時(shí)間縮短，并且證實(shí)了當(dāng)引入晶核時(shí)晶化溫度得以降低的效應(yīng)。而且，在改變加熱時(shí)間的同時(shí)，對晶核產(chǎn)生之后的晶粒生長進(jìn)行研究。結(jié)果，觀察到在形成于確定金屬膜之上的非晶硅薄膜的晶化中，晶核產(chǎn)生之后的晶體生長速度顯著地加快。這是完全出乎預(yù)料的。以下將更詳細(xì)地說明這種機(jī)理。
已經(jīng)查明，在任何情形下，當(dāng)在含有少許確定種類的金屬膜上形成非晶硅薄膜，并隨后以上述兩種效應(yīng)通過加熱進(jìn)行晶化時(shí)，可以在580℃或更低的溫度下約四小時(shí)的時(shí)間獲得足夠的結(jié)晶特性，這是傳統(tǒng)技術(shù)不可期望的。
作為具有這種效應(yīng)的雜質(zhì)金屬有銦、錫、銻、鍺、鉈、鉛、鉍和鋅。這些雜質(zhì)金屬在族或周期上靠近硅，并且易于與硅一起形成化合物。而且它們是具有較低熔點(diǎn)的普通材料，以下將把它們稱為“低熔點(diǎn)材料”。而且，除了這些元素之外，作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，還有鑭系元素具有降低溫度的效應(yīng)。這些元素被用作吸氫合金，并且通常很易于與氫反應(yīng)。這里，它們被稱為“催化金屬”。此外，根據(jù)本發(fā)明人的見解，III、IV和V族中具有上述物質(zhì)特性的材料，原則上可用作上述催化金屬。即，可以使用III族元素中的B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y和鑭系元素，IV族元素中的C、Ge、Sn、Pb、Ti、Zn和Hf，V族元素中的N、P、As、Sb、Bi、V、Nb和Ta。最好采用上述銦(In)、錫(Sn)、銻(Sb)、鍺(Ge)、鉈(Tl)、鉛(Pb)、鉍(Bi)和鋅(Zn)，這樣可顯著地獲取該效應(yīng)。而且，盡管鋅屬于II族元素，但由于其熔點(diǎn)低，因而也可以用作上述低熔點(diǎn)金屬。
下面給出一個(gè)實(shí)例，說明錫是如何典型地作為低熔點(diǎn)金屬材料提供該效應(yīng)的。當(dāng)采用等離子CVD方法在基片(Corning 7059)上形成的非晶硅薄膜未進(jìn)行任何處理時(shí)，亦即其上還未形成由少量錫構(gòu)成的薄膜時(shí)，通過在氮?dú)夥罩羞M(jìn)行晶化，如果加熱溫度為600℃，則加熱時(shí)間需要10小時(shí)以上。然而，當(dāng)所采用的基片上形成的非晶硅薄膜之上已經(jīng)形成少量錫構(gòu)成的薄膜時(shí)，通過加熱約一小時(shí)即可獲得相同的晶化態(tài)。此時(shí)，晶化的判斷是采用Raman光譜進(jìn)行的。僅由此事實(shí)即可明白，錫的效應(yīng)是非常大的。
由上述說明可以看出，當(dāng)非晶硅薄膜形成在位于基片上的由少量的低熔點(diǎn)金屬或少量的催化金屬構(gòu)成的薄膜上時(shí)，有可能縮短晶化所需的時(shí)間并降低晶化溫度。假設(shè)這種工藝用于制造TFT，則以下將更詳細(xì)地說明。盡管以下將予以說明，即使把低熔點(diǎn)金屬的薄膜形成在非晶硅之上，代替在金屬上形成非晶硅，也能獲得相同的效果，并且這與離子注入的情形相同。因此，以下將把這些工藝統(tǒng)稱為“少量低熔點(diǎn)金屬添加”和“少量催化金屬添加”。在形成非晶硅構(gòu)成的薄膜時(shí)可以添加這些金屬。
首先，說明添加低熔點(diǎn)金屬的方法。少量低熔點(diǎn)金屬的添加可以如下進(jìn)行，在基片上形成由少量低熔點(diǎn)金屬構(gòu)成的薄膜，然后在其上再形成非晶硅膜，或者先形成非晶硅膜，然后再在其上形成少量低熔點(diǎn)金屬的薄膜，兩種方法是相同的，這是因?yàn)閮煞椒ň哂型瑯拥臏囟冉档托?yīng)，并且膜形成方法可以采用濺射法或汽相淀積法，從而不必限于特定方法。但是，當(dāng)基片上的薄膜由少量低熔點(diǎn)金屬膜構(gòu)成時(shí)，就效果來說，在基片上形成氧化硅薄膜，然后再形成少量低熔點(diǎn)金屬薄膜，比在7059玻璃基片上直接形成少量低熔點(diǎn)金屬薄膜要顯著得多。上述現(xiàn)象的原因可以這樣解釋，在低溫下對于晶化以下是非常重要的，即把硅直接與低熔點(diǎn)金屬接觸，而在7059玻璃的情形下，部件中除了硅之外均對硅與低熔點(diǎn)金屬之間的接觸或反應(yīng)構(gòu)成阻礙。完全相同的添加方法也可用于催化金屬。
作為添加少量材料的方法，即使通過離子注入，添加少量材料，以此來代替形成與非晶硅上部或下部接觸的薄膜，也可以確認(rèn)具有基本相同的結(jié)果。對于低熔點(diǎn)金屬的含量，例如，當(dāng)錫的添加量為1×1015原子/cm3或更高時(shí)，可以確認(rèn)溫度得以降低。但是，當(dāng)添加量為1×1021原子/cm3或更高時(shí)，Raman光譜的尖峰形狀明顯不同于硅樣品基片。因此，可以看出，實(shí)用的添加量范圍在1×1015原子/cm3至5×1019原子/cm3之間。從以下因素來看，即對于作為半導(dǎo)體材料特性用于TFT的有源層來說，也有必要把添加量限制在1×1015原子/cm3至1×1019原子/cm3之間。
下面，將首先說明當(dāng)添加少量低熔點(diǎn)金屬時(shí)的假設(shè)晶化機(jī)理。
如上所述，當(dāng)不添加用于降低晶化溫度的催化金屬時(shí)，核隨機(jī)產(chǎn)生于晶核如基片等的界面，由晶核開始的晶體生長也是隨機(jī)的。據(jù)報(bào)導(dǎo)，已獲取晶體的相對取向?yàn)?110)或(111)，這取決于制造方法，并且觀察到晶體生長在整個(gè)薄膜上基本上是均勻的。
為了證實(shí)這種機(jī)理，采用DSC(差分描掃熱量計(jì))做了分析。采用等離子CVD法在基片上形成非晶硅薄膜，按如下條件把薄膜置于樣品罐中，它安裝在基片上，然后使罐內(nèi)溫度按給定速度上升。結(jié)果，在700℃左右觀察到明確的加熱峰，并且也觀察到晶化。改變溫度上升速度時(shí)，這一溫度隨之自然地漂移。例如，當(dāng)速度是10℃/分時(shí)，晶化開始于700.9℃的溫度。接著，分別在三種不同的溫度上升速度下進(jìn)行測量，隨后采用Ozawa法觀察到初始晶核產(chǎn)生后晶體生長的激活能量。因此，觀察到大約3.04ev的值。結(jié)果，根據(jù)符合理論的曲線可獲得反應(yīng)速度方程，已經(jīng)證實(shí)，由無規(guī)則晶核的產(chǎn)生和其生長模式可很好地解釋晶化機(jī)理，并且已經(jīng)證實(shí)了這類模式的性質(zhì)，即核隨機(jī)產(chǎn)生于晶核如基片界面等，以及晶體生長于核。
對添加低熔點(diǎn)金屬、本實(shí)例中是添加少量錫的情形進(jìn)行與上述完全相同的測量。結(jié)果，當(dāng)溫度以10℃/分的速度上升時(shí)，晶化開始于625.5℃，通過這一系列測量所獲得的晶體生長的激活能是2.3ev。因此，這一數(shù)字表明晶體生長是容易的。
為何晶化開始溫度被降低的原因，可以相當(dāng)容易地認(rèn)為是上述的雜質(zhì)效應(yīng)的結(jié)果。然而，是什么導(dǎo)致溫度降低至結(jié)晶生長的激活能量？對此，本發(fā)明人考慮了以下原因。
非晶硅的晶化速率確定過程通常被認(rèn)為是硅原子的自擴(kuò)散。如果這是事實(shí)，則使擴(kuò)散速度加快為好。然而，在由非晶硅開始晶化的情形下，應(yīng)該認(rèn)為晶化開始于粘度很高的未稀釋溶液，這與晶體的晶化開始于水溶液等不同。因此，由于結(jié)晶部分與其外圍之間的密度差別很小，所以原子不易運(yùn)動。在這種情況下，為了保證原子遷移率，這里考慮以下三種方法。
1.改變非晶膜的粘度，提供硅原子易于運(yùn)動的環(huán)境。
2.引入大量的缺陷、耗盡等，提供硅原子易于運(yùn)動的環(huán)境。
3.施加庫侖力等，改變晶化的驅(qū)動力。
這三種方法不是相互獨(dú)立的，但是根據(jù)添加材料的種類，可以考慮同時(shí)使用上述方法中的兩種或三種。
在本實(shí)例中添加的低熔點(diǎn)金屬可認(rèn)為幾乎都適用上述方法1。而且，對于III和V族材料，期望形成正的或負(fù)的耗盡等，以便滿足電中性的原理，因此，它被認(rèn)為適用上述方法2。而且，III和V族材料使費(fèi)米能級漂移，這是由于這些材料引起的能級產(chǎn)生。在此情形中，漂移量在非晶部分與結(jié)晶部分之間是不同的(通常，認(rèn)為漂移量是按非晶部分中中間間隙的能級的影響來區(qū)分的)，可以認(rèn)為產(chǎn)生了由漂移量的差引起的驅(qū)動力，由此可使晶化溫度降低。作為支持這一機(jī)理的結(jié)果，這里存在這樣一個(gè)事實(shí)，即當(dāng)III和V族材料同時(shí)添加時(shí)，溫度很難降低。
接著，將說明添加催化金屬時(shí)的晶化機(jī)理。
同樣在本情形中，采用DSC測量方法對晶體生長的激活能進(jìn)行測量，結(jié)果確認(rèn)能量降低至2.1ev，并且易于晶化。以下機(jī)理被認(rèn)為是該原因。
如上所述，這些“催化金屬”與氫具有很高的反應(yīng)能力。因此，希望在大量懸掛鍵產(chǎn)生之前，催化金屬與氫結(jié)合，而這里所說的氫是已經(jīng)與硅結(jié)合的氫。大量的懸掛鍵被認(rèn)為適于上述方法2，以便使原子具有移動性。此外，可以認(rèn)為，耗盡等的產(chǎn)生是由硅與鑭系元素之間的負(fù)電性的差引起的，以滿足電中性的原理。即使不是這種情況，假設(shè)存在這樣一種可能性，即隨著費(fèi)米能級的移動而產(chǎn)生驅(qū)動力。
接著，通過添加少量上述低熔點(diǎn)金屬或催化金屬所獲得的結(jié)晶硅膜的晶體構(gòu)型將在下面予以說明。由于兩種情形所呈現(xiàn)的結(jié)晶構(gòu)型幾乎相同，看來它們均易于由硅原子的移動而引起。
在晶化溫度或以下，添加的金屬(低熔點(diǎn)金屬和催化金屬)擴(kuò)散至相當(dāng)寬的區(qū)域。通過SIMS(二次離子質(zhì)譜測定法)證實(shí)了這一事實(shí)。結(jié)果，即使在擴(kuò)散區(qū)，晶化溫度也被降低。而且，業(yè)已證實(shí)，在直接添加的區(qū)域上的晶體構(gòu)型不同于外圍區(qū)域。亦即，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在直接添加區(qū)域，晶體生長在與基片垂直的方向，而在其外圍的擴(kuò)散區(qū)域，晶體生長在與基片平行的方向。假設(shè)這是由晶體的初始晶核產(chǎn)生的差異所導(dǎo)致的。亦即，應(yīng)該知道，在直接添加區(qū)域，這些摻雜進(jìn)入晶核，由此晶體以柱狀形式生長，而在外圍擴(kuò)散區(qū)域，晶核是直接添加部位在縱向的生長，如上所述，而且橫向生長必然要發(fā)生，因?yàn)樯L始于晶核。以下，在說明中，把晶體生長區(qū)域在橫向由用于降低晶化溫度的催化金屬的直接添加區(qū)域向其外圍的延伸稱為“橫向生長”區(qū)域。
接著，在使用上述金屬，本例中是屬于低熔點(diǎn)金屬的銦的情形中，對少量添加部位及其附近的橫向生長部位的電特性予以說明。對于少量添加部位的電特性，電導(dǎo)率值與膜未添加金屬時(shí)相同，即與在600℃左右晶化幾十小時(shí)所獲得的膜相同。在如上所述的添加銦的量為1017原子/cm3至1018原子/cm3的情形下，作為從電導(dǎo)率的溫度相關(guān)性獲取的激活能的結(jié)果，未觀察到由銦(In)的能級引起的變化。亦即，據(jù)此實(shí)驗(yàn)可以認(rèn)為，如果結(jié)晶硅膜具有上述密度，則可用作TFT等的有源層。
相反，橫向生長部位的電導(dǎo)率比少量直接添加部位要高出一個(gè)位數(shù)或更高，這對于結(jié)晶的硅半導(dǎo)體來說是一個(gè)相當(dāng)高的值。這被認(rèn)為是由以下因素引起的，即存在于空隙之中、電子通過其在電極之間穿過的晶界被減少或難以存在，這是因?yàn)殡娏鞯耐贩较蚺c晶體的橫向生長方向重合。這一事實(shí)與透射電子束顯微照片的結(jié)果相符合，沒有矛盾。亦即，可以認(rèn)為，由于載流子沿著以針狀或柱狀生長的晶體的晶界運(yùn)動，因而實(shí)現(xiàn)了載流子易于運(yùn)動的態(tài)。橫向生長區(qū)中的In密度是直接添加區(qū)中In密度的1/10。這對進(jìn)一步使用無In影響的結(jié)晶硅膜是有用的。
現(xiàn)在，最終考慮上述各種特性。一種在TFT中使用該金屬的方法將予以說明。假設(shè)采用TFT驅(qū)動象素的有源矩陣式液晶顯示器作為TFT應(yīng)用的領(lǐng)域。
如上所述，對于現(xiàn)行的大屏幕有源矩陣式液晶顯示器，抑制玻璃基片的收縮是重要的。采用添加少量用于在低溫下晶化的催化金屬和工藝，可以在與玻璃的變形點(diǎn)相比相當(dāng)滿意的低溫下進(jìn)行晶化，這是特別優(yōu)選的。根據(jù)本發(fā)明，對按傳統(tǒng)方式由非晶硅制成部位，在添加少量低熔點(diǎn)金屬或催化金屬之后，在500至550℃的條件下進(jìn)行4小時(shí)左右的晶化，由此可容易地使該部位由結(jié)晶硅置換。自然，必須相應(yīng)地改進(jìn)設(shè)計(jì)規(guī)則等。然而，可以認(rèn)為傳統(tǒng)的器件和工藝能足夠地適用，并獲得較多的優(yōu)點(diǎn)。
而且，根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)各自的特性來采用晶體構(gòu)型，可以分別制造用于象素的TFT和構(gòu)成外圍電路驅(qū)動器的TFT，在把本發(fā)明應(yīng)用于有源式液晶顯示器時(shí)，尤其具有許多優(yōu)點(diǎn)。用于象素的TFT無需太多的遷移率，而在減小關(guān)閉態(tài)電流上需要具有更多的優(yōu)點(diǎn)。
針對上述原因，把少量的低熔點(diǎn)金屬或催化金屬添加在將成為象素所用的TFT的區(qū)域，由此使晶體在橫向生長，結(jié)果大量的晶界能形成在溝道方向，從而降低了關(guān)閉態(tài)電流。相反，從TFT應(yīng)用于工作場所來看，構(gòu)成外圍電路的驅(qū)動器的TFT需要很高的遷移率。因此，在應(yīng)用本發(fā)明的情形下，在靠近構(gòu)成外圍電路的驅(qū)動器的TFT的區(qū)域，添加少量低熔點(diǎn)金屬或催化金屬，并使晶體從金屬添加部位按一個(gè)方向生長。晶體生長方向與溝道中電流通路方向重合，由此制造具有很高遷移率的TFT。
作為參考，圖4中示出了采用Ni作為催化金屬獲取結(jié)晶硅膜的例子，其中對晶化后Ni密度做了研究。由圖4可見，在晶體生長方向平行于基片的部位(橫向生長)，Ni密度低于直接添加Ni(等離子處理)的部位。而且，標(biāo)以“a-Si”的數(shù)據(jù)是未添加Ni的，該值應(yīng)理解為背景(backgroud)值。同樣地，本發(fā)明中，可以認(rèn)為能獲得基本趨向與圖4相同的數(shù)據(jù)。因此，認(rèn)為采用晶體生長方向平行于基片的區(qū)域是有用的。
如果采用III族元素進(jìn)行硅膜晶化，由于晶化之后III族元素仍保留在膜中，可以獲得具有p型導(dǎo)電性的結(jié)晶硅膜。同樣，如果采用V族元素進(jìn)行相同處理，可以獲得具有n型導(dǎo)電性的結(jié)晶硅膜。由晶化時(shí)引入的添加II和IV族元素的量，可以控制具有一個(gè)導(dǎo)電型的上述結(jié)晶硅膜的電導(dǎo)率。而且，通過添加某些提供一種導(dǎo)電型的雜質(zhì)，可以控制導(dǎo)電型和導(dǎo)電率。
此外，例如，在區(qū)域100上(圖1A)有選擇地引入III族元素In，然后在其上形成非晶硅膜104，在550℃的條件下加熱四小時(shí)進(jìn)行晶化，從區(qū)100上以平行于基片的方向進(jìn)行晶體生長。同時(shí)，由于銦隨晶體生長而擴(kuò)散，銦元素存在于已經(jīng)產(chǎn)生晶化的區(qū)域。由于密度是2×1017至2×1019原子/cm3，該區(qū)被晶化而且還成為p型。根據(jù)In的引入量或晶化選擇擴(kuò)散區(qū)，可以獲得p+區(qū)或p-區(qū)。然后使用該區(qū)形成TFT。從而獲得具有p+型或p-型溝道形成區(qū)的TFT。而且，當(dāng)采用V族元素Sb代替上述In時(shí)，可以獲得具有n+型或n-型溝道形成區(qū)的TFT。因此，通過把溝道形成區(qū)的導(dǎo)電型設(shè)定為p-型或n-型，可以控制TFT的閾值電壓。
本發(fā)明中，使用痕量(trace amount)的如上所述的低熔點(diǎn)金屬或催化金屬，來促進(jìn)硅半導(dǎo)體的晶化。晶化產(chǎn)生于這樣的區(qū)域，其中金屬已在平行于基片的方向上以一維方式添加。本發(fā)明的特征在于把這種結(jié)晶區(qū)用于電子器件。
更特別地，當(dāng)采用這種區(qū)的結(jié)晶薄膜硅半導(dǎo)體，來形成絕緣柵場效應(yīng)晶體管時(shí)，移動載流子的方向基本上與硅膜晶體在其溝道形成區(qū)生長的方向重合，由此能獲得具有高遷移率的TFT。此外，當(dāng)把二極管和晶體管集成構(gòu)造時(shí)，采用晶體在平行于基片的方向生長的結(jié)晶硅膜是有效的。而且，還可把電容器、電阻器等集成在同一基片上。再者，可以使用便宜的玻璃基片來設(shè)置這些器件，這是本發(fā)明的又一特征。
在采用薄膜硅半導(dǎo)體的半導(dǎo)體器件中，結(jié)晶硅膜的晶體在膜平面方向以針狀或柱狀生長，該膜的晶體生長方向與載流子移動方向基本相同，由此載流子能沿晶界運(yùn)動，從而能以高遷移率移動載流子。
參考作為本說明書一部分的附圖，通過本發(fā)明的實(shí)施例及說明，一起用于解釋本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和原理。附圖中，圖1A至1D表示本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法；圖2表示本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的外形略圖；圖3A至3D表示本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法；圖4表示結(jié)晶硅膜中金屬元素的密度；圖5A是本發(fā)明的薄膜式絕緣柵場效應(yīng)晶體管的截面示意圖；圖5B和5C表示本發(fā)明實(shí)施例中晶體生長方向與源-漏方向之間的關(guān)系。
以下將參考


本發(fā)明的實(shí)施例。
在以下所述的實(shí)施例中，展示了一些實(shí)例，其中，添加少量III族元素In、V族元素Sb和IV族元素Sn以便使硅膜結(jié)晶。然而即使是這些族中的其它元素或者Zn，也可以用于這些實(shí)施例中。而且，此時(shí)，可以調(diào)節(jié)這些添加的少量元素的量，以使它在硅膜中的密度在晶化之后為2×1017至2×1019cm-3。第一實(shí)施例第一實(shí)施例是形成一個(gè)電路，其中采用玻璃基片之上的結(jié)晶硅膜的p溝道TFT(以下稱為“PTFT”)與n溝道TFT(以下稱為“NTFT”)結(jié)合，以便相互之間互補(bǔ)。本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)可用于有源液晶顯示器中象素電極的開關(guān)元件和外圍驅(qū)動電路、圖象傳感器和其它集成電路。
圖1A至1D是表示本發(fā)明實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法的截面圖。圖1A中，采用濺射法在基片(Corning 7059)101上形成厚2000的氧化硅基膜102。然后在基膜102上形成由金屬掩模、氧化硅膜等構(gòu)成的掩膜103?；?02在區(qū)100以狹縫形式從掩膜103暴露出來。亦即，當(dāng)從其頂面觀看時(shí)圖1A所顯示的狀態(tài)，基膜102以狹縫形式暴露，而膜102的其它部位則被掩模103所掩蓋。
設(shè)置掩模103之后，采用汽相淀積法在區(qū)100選擇地形成厚5至200、如20的In薄膜(未示出)。事實(shí)上，形成厚20的均勻In膜是困難的，而且精確測量厚度也是困難的。然而，根據(jù)汽相淀積源中的減少量，可以粗略地計(jì)算厚度。進(jìn)行這種處理，是因?yàn)橐肓松倭康腎II族元素In，用以對將在已引入In的區(qū)上形成非晶硅膜進(jìn)行晶化。
接著，在圖1B中，采用等離子CVD法，在氧化硅膜102上，形成厚500至1500、如1000的本征(I-型)非晶硅膜104。然后，在氧還原氣氛(最好氫分壓是0.1至1大氣壓)或惰性氣氛(空氣壓力)中，對非晶硅膜104在550℃的條件下退火四小時(shí)使其晶化。此時(shí)，在已經(jīng)有選擇地形成了In薄膜的區(qū)100中，結(jié)晶硅104在垂直于基片101的方向上晶化。在區(qū)100之外的區(qū)域，如圖1B中箭頭105所示，晶體在區(qū)100橫向(平行于基片的方向)生長。例如，當(dāng)把In引入圖2中由參考標(biāo)號100所示的區(qū)時(shí)，晶體一維地生長，如箭頭105所示。晶體生長為針狀或柱狀。
之后，為了獲得更細(xì)的結(jié)晶硅膜，在進(jìn)行了上述的加熱退火之后，采用燈光加熱促進(jìn)晶化及進(jìn)一步退火。這一退火是用1.2μm的紅外線進(jìn)行的。退火時(shí)間在五分鐘以內(nèi)。紅外線被足夠地吸收進(jìn)入硅，從而獲得對硅膜質(zhì)量良好的改善效果。另一方面，由于紅外線很難被吸收進(jìn)入玻璃基片，所以能量被選擇地施于硅，從而提供了顯著的效果，而玻璃基片不會被嚴(yán)重加熱。作為燈光加熱退火所用的光，這里可以使用鹵鎢燈光(波長為0.5μm至3.5μm)等。采用燈光加熱退火可以獲得細(xì)結(jié)晶體硅膜。此外，也可以采用激光束代替上述燈光加熱來進(jìn)行退火。燈光加熱退火的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)晶得以改善，特別是可以顯著地減少膜中的缺陷。
當(dāng)用激光代替燈光時(shí)，適用的有KrF激發(fā)物激光(波長248nm)或者XeCl激發(fā)物激光(波長308nm)。
作為上述處理的結(jié)果，非晶硅膜被晶化，獲得了結(jié)晶硅膜104。之后，為了確定有源區(qū)而進(jìn)行布圖，有源區(qū)中將形成TFT的源、漏和溝道區(qū)。本實(shí)施例中，由于發(fā)現(xiàn)在平行于基片的方向上晶體生長范圍達(dá)40μm以上，所以把各個(gè)有源層的長度(源/漏方向上的長度)設(shè)定為40μm。此時(shí)，溝道中央與引入鎳的位置之間的距離大致為20μm，通過設(shè)定這個(gè)距離，可以選擇有源層(特別是溝道形成區(qū))中In的密度。
接著，如圖1C所示，采用濺射法在結(jié)晶硅膜104上，形成厚1000的氧化硅膜106作為柵絕緣膜。在濺射中，氧化硅作為靶，濺射時(shí)基片溫度為200至400℃，例如350℃，濺射氣氛是氧和氬氣，其中氬/氧比例為0至0.5，例如0.1或更小。
這種處理之后，再次用上述燈光進(jìn)行加熱退火。這是為了改善包括氧化硅膜的柵絕緣膜106與結(jié)晶硅膜104之間的界面特性。自然，通過這次燈光退火，結(jié)晶硅膜104的結(jié)晶特性也被進(jìn)一步改善。正如所熟知的，改善絕緣柵場效應(yīng)晶體管的柵絕緣膜106與溝道形成區(qū)之間的界面特性是重要的(圖1C中，參考標(biāo)號112和115代表構(gòu)成溝道形成區(qū)的結(jié)晶硅膜部位)，更具體地，是為了盡可能地減少該區(qū)中的缺陷和降低其能級。因此，在形成柵絕緣膜106之后完成燈光加熱退火可以獲得很好的效果。而且，可以用照射激光束代替燈光加熱來進(jìn)行退火。
隨后，采用濺射法在柵絕緣膜106上，形成厚6000至8000、例如6000的鋁膜(含0.1至2％的硅)。然后，如圖1C所示，通過布圖在柵絕緣膜106上形成柵電極107和109。而且，對鋁電極表面進(jìn)行陽極氧化，在其上形成氧化層108和110。陽極氧化是在含有1至5％的酒石酸的乙二醇溶液中進(jìn)行的。氧化層108和110的厚度為2000。由于氧化層108和110成為偏置柵區(qū)的厚度，該偏置柵區(qū)是在離子摻雜處理中形成的，以下將要說明，所以由上述陽極氧化處理可以確定偏置柵區(qū)的長度。自然，柵電極可由以下材料制成，即主要含硅的材料、具有硅和金屬的硅化物材料、主要含金屬的材料或者硅和金屬的層疊結(jié)構(gòu)。
接著，采用離子摻雜法(離子注入)把決定一種導(dǎo)電類型的雜質(zhì)添加在有源區(qū)(構(gòu)成源/漏和溝道)。本摻雜工藝中，以柵電極107及其外圍的氧化層108、柵電極109及其外圍的氧化層110作為掩模來注入雜質(zhì)(磷和硼)。作為摻雜氣體，這里使用磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H5)，對于前者，加速電壓是60至90KV，例如80KV，而對于后者，為40至80KV，例如65KV。劑量是1×1015至8×1015cm-2，例如，磷是2×1015cm-2，而硼是5×1015。摻雜時(shí)，用光刻膠覆蓋一個(gè)區(qū)，以便選擇地對各個(gè)元件摻雜。結(jié)果，分別形成了n型雜質(zhì)區(qū)114和116、p型雜質(zhì)區(qū)111和113，由此分別構(gòu)成了p溝道TFT(PTFT)區(qū)和n溝道TFT(NTFT)區(qū)。
之后，通過照射激光束進(jìn)行退火。作為激光束，這里使用KrF激發(fā)物激光(波長為248nm，脈沖寬度為20nsec)，但也可使用其它類激光。照射激光束的條件是，能量密度為200至400mJ/cm2，例如250mJ/cm2，照射2至10次，例如每個(gè)位置照射兩次。當(dāng)照射激光束時(shí)，把基片加熱至200至450℃左右是有用的。在激光退火處理中，由于在已預(yù)先晶化的區(qū)中銦已擴(kuò)散，所以通過照射激光束可使再結(jié)晶易于進(jìn)行，從而可以容易地激活已摻雜p型雜質(zhì)的雜質(zhì)區(qū)111和113、以及已摻雜n型雜質(zhì)的雜質(zhì)區(qū)114和116。
作為源/漏區(qū)的退火方法，采用上述的燈光加熱的退火方法是有效的。由于燈光加熱(例如采用1.2μm的紅外線)可選擇地加熱硅，如上所述，所以對本實(shí)施例的處理是有效的，因?yàn)檫@里希望玻璃基片盡可能避免加熱。
接下來，采用等離子CVD法，形成厚6000的氧化硅膜118作為層間絕緣層，然后在氧化硅膜118中形成接觸孔，由此形成導(dǎo)電材料的電極/導(dǎo)線117、120和119，導(dǎo)電材料例如是由氮化鈦和鋁制成的多層膜。最后，在一個(gè)大氣壓的氫氣氛中，在350℃下進(jìn)行30分鐘退火，從而制成一個(gè)包括互補(bǔ)TFTs的半導(dǎo)體電路(圖1D)。
上述電路是由具有互補(bǔ)PTFT和NTFT對的CMOS結(jié)構(gòu)組成的。作為選擇，也可以按上述方法同時(shí)制造兩個(gè)TFTs，然后在其中央切開，同時(shí)產(chǎn)生相互獨(dú)立的兩個(gè)TFTs。
圖2是圖1D所示半導(dǎo)體器件的俯視外形圖。圖2中的參考標(biāo)號與圖1A至1D對應(yīng)。如圖2所示，結(jié)晶方向、即晶體生長方向由箭頭105表示。這個(gè)方向代表了源/漏區(qū)的外形方向(源區(qū)和漏區(qū)之間連結(jié)線的方向)，在本結(jié)構(gòu)中，當(dāng)TFT工作時(shí)，載流子沿著源和漏之間以針狀或柱狀形成生長的晶體運(yùn)動，亦即，載流子沿著針狀或柱狀晶體的晶界外形運(yùn)動。因此，可以減小載流子運(yùn)動時(shí)所受阻力，從而獲得具有高遷移率的TFT。
本實(shí)施例中，作為引入In的方法，在非晶硅膜104之下的基膜102上，選擇地形成薄膜(由于它極薄，因而很難看出它是一層膜)，并且施以從該部位進(jìn)行晶體生長的方法。另外，在非晶硅膜104形成之后，可以選擇地形成In薄膜。亦即，晶體生長可以始于非晶硅膜上面，也可始于其下面。作為引入In的方法，可以采用等離子工藝、In離子注入或者當(dāng)形成準(zhǔn)備晶化的硅膜時(shí)添加少量In的方法。第二實(shí)施例第二實(shí)施例展示的例子是，在有源液晶顯示器件中，在各個(gè)象素中設(shè)置n溝道TFTs作為開關(guān)元件。以下，將說明一個(gè)象素，但實(shí)際上在同一結(jié)構(gòu)中形成有大量的象素(通常有幾十萬個(gè))。當(dāng)然，也可使用p溝道型而不是n溝道型。而且，n溝道TFT也可以不設(shè)于液晶顯示器件的象素部位，而設(shè)于外圍電路部位。此外，n溝道TFT可用作圖象傳感器或其它集成電路。亦即，如果它與薄膜晶體管一起使用，則對其用途無特殊限制。
另外，本實(shí)施例中，使用In作為用于晶化的少量元素，并且已結(jié)晶的硅膜成為p-型，由此控制形成的n溝道TFT的特性。如果用Sb代替In，則溝道形成區(qū)能成為n-型。而且，根據(jù)引入的少量元素的量、與元素引入位置的距離以及晶化條件(改變擴(kuò)散程度)，可以確定其電導(dǎo)率。
根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的方法和外形圖如圖3A至3D所示。本實(shí)施例中，采用玻璃基片(厚1.1mm，300×400mm)作為基片201。首先，采用濺射法，在基片201上形成厚2000的基膜202(氧化硅)。之后，為了選擇地引入In，用金屬掩模、氧化硅膜、光刻膠等構(gòu)成掩模203。接著，采用汽相淀積法形成In薄膜。In膜厚5至200，例如20。按此方法，少量的In選擇地引入?yún)^(qū)204，用來使硅膜晶化。
接著，如圖3B所示，采用LPCVD法或等離子CVD法，形成厚1000的非晶硅膜205。在400℃的條件下進(jìn)行一小時(shí)脫氫之后，通過加熱退火使非晶硅膜205晶化。這個(gè)退火處理是在氫還原氣氛中(最好是氫分壓為0.1至1個(gè)大氣壓)、550℃下進(jìn)行四小時(shí)。也可以在惰性氣氛如氮?dú)獾戎羞M(jìn)行加熱退火。
在退火處理中，由于In膜是形成在非晶硅膜205之下的部分區(qū)域(區(qū)204)，所以結(jié)晶開始于這個(gè)區(qū)。在區(qū)204中，晶化是垂直于基片發(fā)生的，而硅膜204的其它部位是平行于基片發(fā)生的，如圖3B的箭頭所示。隨后，與第一實(shí)施例相同，通過燈光加熱進(jìn)行退火，由此改善硅膜的結(jié)晶特性(致密)。
按此方法，可獲得結(jié)晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體膜205。接下來，對上述半導(dǎo)體膜205進(jìn)行布圖，形成島形半導(dǎo)體區(qū)(TFT的有源層)。此時(shí)，對構(gòu)成溝道形成區(qū)209的部位與引入In的區(qū)204之間的距離予以適當(dāng)設(shè)定，以此確定溝道形成區(qū)209中In的濃度。亦即，如果這個(gè)距離較長，則溝道形成區(qū)209中In的濃度可被降低，而如果該距離較短，則溝道形成區(qū)中In的濃度可被提高。自然，此時(shí)必須是這樣一個(gè)區(qū)，即其中硅膜205被晶化。
此外，在氧氣氛中用四乙氧基硅烷(TEOS)原材料，采用等離子CVD法形成由氧化硅構(gòu)成的柵絕緣膜206(厚700至1200，典型地為1000)?；瑴囟葹?00℃，最好是200至350℃，以便防止玻璃基片收縮或卷曲。然后，與第一實(shí)施例相同，通過照射紅外線進(jìn)行1至5分鐘的燈光加熱，以此改善半導(dǎo)體膜205與柵絕緣膜206之間的界面特性。
隨后，采用已知的CVD法，形成主要含硅的膜，然后進(jìn)行布圖，以此形成柵電極207。之后，以磷作為n型雜質(zhì)，通過離子注入進(jìn)行摻雜，以此按與柵電極對應(yīng)的自對準(zhǔn)方式，形成源區(qū)208，溝道形成區(qū)209和漏區(qū)210。照射KrF激光束，以便改善因離子注入而變壞的硅膜的結(jié)晶特性。激光束的能量密度為250至300mJ/cm2。TFT的源/漏的表面電阻是300至800Ω/口。同樣，本處理中，可以用紅外線的燈光加熱來代替激光束加熱。
然后，由氧化硅形成層間絕緣層211，由ITO在層間絕緣層211上形成象素電極。接著在層間絕緣層211中形成接觸孔，從而在源/漏區(qū)形成鉻/鋁多層膜，以此形成電極213和214，并且一個(gè)電極213還與ITO212連接。最后在氫氣氛中、200至300℃下進(jìn)行兩小時(shí)退火，從而完成硅的氫化。按此方式，構(gòu)成一個(gè)TFT。在本處理過程中同時(shí)在其它象素區(qū)形成許多TFT。
在本實(shí)施例中制備的TFT中，其晶體在載流子流動方向上生長的結(jié)晶硅膜被用作構(gòu)成源區(qū)、溝道形成區(qū)和漏區(qū)的有源層，所以載流子不會橫跨晶界，亦即載流子在與晶界平行的方向上運(yùn)動，由此獲得具有高載流子遷移率的TFT。
圖5A和5B示出了這種構(gòu)型。亦即，圖5A是TFT的截面示意圖，圖5B是其中具有源、漏和溝道區(qū)的半導(dǎo)體島217的平面示意圖。特別是，圖5B示出了晶體生長方向與溝道電流沿其流動的源-漏方向之間的關(guān)系。參考標(biāo)號215表示在一個(gè)方向橫向延伸的每個(gè)硅晶體。參考標(biāo)號216表示晶體之間的晶界。正如所見，源、漏和溝道區(qū)是這樣設(shè)置的，源-漏方向基本與硅晶體均勻延伸的方向一致。因此，晶界216對電流通過溝道區(qū)無不利影響。第三實(shí)施例第三實(shí)施例展示的例子是，在第二實(shí)施例的TFT中，在與晶體生長方向垂直的方向上設(shè)置源和漏。亦即，是這樣一個(gè)例子，其中載流子運(yùn)動的方向垂直于晶體生長的方向，以使載流子運(yùn)動是橫過針狀或柱狀晶體的晶界。圖5C顯示這種狀態(tài)的示意圖。亦即，圖5C是其中具有源、漏和溝道區(qū)的半導(dǎo)體島217的平面圖。源和漏區(qū)之間的方向是按如下方式設(shè)置的，即多個(gè)硅晶體在垂直于源-漏方向的方向上延伸。參考標(biāo)號216表示晶界。應(yīng)該注意，圖5B和5C只是用來表示晶體生長方向與源-漏方向之間的關(guān)系，而并不是想展示晶體的真實(shí)尺寸或形狀。
對于這種結(jié)構(gòu)，源和漏之間的電阻可以很高。這是因?yàn)檩d流子的運(yùn)動必須橫過以針狀或柱狀形式生長的晶體的晶界。為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這種結(jié)構(gòu)，在第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，需要簡單地考慮TFT應(yīng)設(shè)定的方向。
采用這種實(shí)施例，有可能制造帶有泄漏電流較低的象素TFTs的有源矩陣式液晶器件。即，在LCD器件中，在顯示部位制備的用于開關(guān)每個(gè)象素的TFTs，不必具有如此高的遷移率，但是必須減小泄漏電流，亦即，減小TFT在其關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的電流。為此，源和漏區(qū)的方向是按如下方式設(shè)計(jì)的，電流越過TFT溝道區(qū)內(nèi)形成的晶界。因此，與前述實(shí)施例不同，是這樣設(shè)計(jì)的，結(jié)晶方向垂直于TFT中電流的流動方向。另一方面，采用前述實(shí)施例的TFT來構(gòu)成顯示器件的外圍電路是適宜的，因?yàn)樗枰猅FTs具有高遷移率。第四實(shí)施例第四實(shí)施例的主題是，在第二實(shí)施例2所展示的結(jié)構(gòu)中，設(shè)置TFT的方向(在實(shí)施例中，該方向由源和漏區(qū)之間的連結(jié)線來確定，即TFT的方向由載流子流動方向來確定)由與結(jié)晶硅膜的基片表面對應(yīng)的晶體生長方向和指定的角度來設(shè)定，以此選擇TFT的特性。
如上所述，當(dāng)載流子在晶體生長的方向上運(yùn)動時(shí)，由于載流子沿晶體的晶界運(yùn)動，所以可以改善其遷移率。另一方面，當(dāng)載流子在垂直于晶體生長方向的方向上運(yùn)動時(shí)，由于載流子必須橫跨大量的晶界，所以載體的遷移率下降。
因此，通過在這兩種方向之間選擇，可以控制載流子遷移率，亦即，通過把限定于晶體生長方向與載流子運(yùn)動方向之間的角度設(shè)定在0至90°的范圍內(nèi)，換言之，通過設(shè)定晶體生長方向與載流子運(yùn)動方向之間的角度，可以控制源區(qū)與漏區(qū)之間的電阻。當(dāng)然，這種結(jié)構(gòu)可用于第一實(shí)施例。此時(shí)，如圖2所示的添加少量In的狹縫狀區(qū)100在0至90°范圍里旋轉(zhuǎn)，并且，在由箭頭105所示的晶體生長方向與源和漏區(qū)的連結(jié)線之間限定的角度，可在0至90°的范圍內(nèi)選擇。這樣，當(dāng)該角接近0°時(shí)，遷移率較大，由此提供一個(gè)能減小源和漏之間的電阻的結(jié)構(gòu)。當(dāng)該角度接近90°時(shí)，遷移率較小，源和漏之間的電阻，即溝道形成區(qū)的電阻較大。第五實(shí)施例第五實(shí)施例展示的例子是，根據(jù)圖3制造半導(dǎo)體器件的方法中，在基膜202的整個(gè)上表面形成In薄膜，以使在垂直于基片的方向上，晶體生長遍及硅膜的整個(gè)上表面。按如下方式制造TFT，即在基膜202的整個(gè)上表面形成薄膜，而不設(shè)置掩模203，之后在晶化處理以前，象第二實(shí)施例所述的那樣形成非晶硅膜205。
本實(shí)施例的TFT的外形截面圖，與圖3D并無差別，然而，在形成源和漏區(qū)208和210以及溝道形成區(qū)209的有源層中，針狀或柱狀的晶體生長的方向垂直于基片201。為此，在源區(qū)(208或210)與漏區(qū)(210或208)之間運(yùn)動的載流子要橫跨針狀或柱狀晶體的晶界。因此，所制得的TFT的源與漏之間的電阻稍高。盡管這種TFT的遷移率為100cm2/Vs以下，但其關(guān)閉態(tài)電流較小，因而，就保持電荷來說，這是液晶顯示器的象素所用TFT的最佳類型。
然而，由于對本實(shí)施例的TFT很難控制有源層中In的密度，所以存在產(chǎn)量和可靠性的問題。采用可以控制In引入量的方法(如離子注入法)，可以消除上述問題。第六實(shí)施例第六實(shí)施例展示的例子是，注入硅離子來進(jìn)一步促進(jìn)晶化，而不是注入III族或V族元素，這些元素是用于通過加熱使硅膜晶化的少量元素。以下參考圖1將說明要根據(jù)本實(shí)施例的半導(dǎo)體器件的制造方法。在說明中如果沒有特別地說明，則在各個(gè)制造工藝中的制造條件或膜厚均與第一實(shí)施例相同。
首先，在玻璃基片101上形成基膜(氧化硅膜)，在基膜上還形成掩模103，以便在暴露區(qū)100選擇地形成用于晶化的催化金屬In的薄膜。然后，除去掩模103，采用等離子CVD法，形成非單晶硅膜，本例中為非晶硅膜104。接著，采用離子注入法，把IV族元素硅注入非晶硅膜104的整個(gè)上表面。同時(shí)，在硅膜104與基膜102之間的界面附近的基片一側(cè)設(shè)定注入范圍。離子注入的加速電壓是60KV，劑量是2×1015cm-2。結(jié)果，基片(包括基膜)與非晶硅膜104之間的界面附近被從中央徹底地變?yōu)榉蔷Р牧?，從而能盡可能地清除準(zhǔn)備成為晶核的存在物。
采用硅離子是因?yàn)閷τ诠鑱碚f，硅離子是一種電中性雜質(zhì)。硅的劑量可以是5×1014至5×1016離子cm-2。
然后，在550℃的條件下加熱四小時(shí)使非晶硅膜104晶化。此時(shí)，晶體在箭頭105所示的平行于基片的方向上從區(qū)100開始生長。晶體生長為針狀或柱狀。當(dāng)晶體生長時(shí)，由于如上所述通過注入硅離子已把結(jié)晶部分除去(即使在非晶硅膜中也存在一定程度的結(jié)晶部分)，這種結(jié)晶部分主要存在于基片與非晶硅膜之間的界面上，并成為晶體生長的核，所以，在平行于基片的方向上從區(qū)100開始的晶體生長不會受到來自硅膜104與基膜102之間的界面的晶體生長的阻礙，由此能實(shí)現(xiàn)具有良好取向的晶體生長，亦即，能實(shí)現(xiàn)生長方向均勻排列的晶體生長。
在后續(xù)處理中，按第一實(shí)施例所述，形成PTFT和NTFT，從而完成互補(bǔ)的TFT電路。在本實(shí)施例中，在取向良好的結(jié)晶硅膜中，當(dāng)形成TFT以致晶體生長方向幾乎與載流子運(yùn)動重合時(shí)，載流子沿晶界運(yùn)動，結(jié)果這種結(jié)構(gòu)中，載體運(yùn)動時(shí)幾乎不受晶界影響。亦即，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。
本實(shí)施例中，可獲得具有改善的結(jié)晶特性和高遷移率的TFT?？梢哉J(rèn)為，這是因?yàn)槠叫杏诨姆较蛏暇w生長始于引入III族元素In的區(qū)，由于預(yù)先已把阻礙晶體生長、促進(jìn)在垂直于基片的方向上的晶體生長的結(jié)晶部分徹底清除了，所以可使晶體在平行于基片的方向上優(yōu)先生長。特別有益的，已把基片與硅膜之間的界面附近徹底改變成為非晶材料，而該處存在使晶體在垂直基片的方向上以柱狀形式生長的晶核。第七實(shí)施例第七實(shí)施例展示的例子是，在有源液晶顯示器件中，外圍驅(qū)動電路由TFTs構(gòu)成，這些TFT是按第一和第二實(shí)施例所示制造工藝，通過添加少量III族或V族元素來晶化的，并且設(shè)于象素位置的TFTs是由采用已知非晶硅的TFT構(gòu)成的。
正如通常所知的，在有源液晶顯示器中，構(gòu)成外圍驅(qū)動電路部分的TFT具有高遷移率(100cm2/Vs或更高)，并且要求TFT允許大量導(dǎo)通態(tài)電流流動。然而，設(shè)置于象素部分的TFT則要求較小的遷移率(約10cm2/Vs)，以便就保持電荷而言防止由關(guān)閉態(tài)電流和光照引起的誤動作。
外圍電路部分由第一或第二實(shí)施例所述的TFT構(gòu)成，而象素部分由采用已知非晶硅膜的TFT(a-SiTFT)構(gòu)成，結(jié)果在某種程度上滿足了需求。然而，這里仍存在問題，即采用非晶硅膜的TFT，其遷移率為1cm2/Vs或更低。第八實(shí)施例第八實(shí)施例是在第七實(shí)施例基礎(chǔ)上的進(jìn)一步改進(jìn)，其中構(gòu)成外圍電路部分的TFTs是由具有高遷移率100cm2/Vs或更高的半導(dǎo)體層構(gòu)成的，如第一和第二實(shí)施例所述，構(gòu)成象素部分的TFTs是由第五實(shí)施例所展示的TFT構(gòu)成的。
第五實(shí)施例所展示的TFT是按如下方式構(gòu)成的，即晶體生長是垂直于基片的方向，因而晶界垂直于載體的流動，從而載體越過大量的晶界。這種TFT的遷移率較低，因?yàn)檩d體運(yùn)動受到晶界的阻礙。然而，由于減小了關(guān)閉態(tài)電流，所以可提高電荷保持率，從而適用于象素的TFT。
本實(shí)施例中，如果進(jìn)一步提高構(gòu)成外圍電路部分的TFT的遷移率，可在該區(qū)進(jìn)行如第七實(shí)施例所展示的中性元素的離子的注入。第九實(shí)施例第九實(shí)施例展示的例子是，在第一或第二實(shí)施例中采用IV族元素Sn作為少量元素來促進(jìn)晶化。也可采用C、Ge和Pb而不是Sn。本實(shí)施例中，采用汽相淀積的方法引入Sn作為薄膜，這與第一和第二實(shí)施例相同?？稍诜蔷Ч枘ぶ凶⑷隨n離子，從而把Sn直接引入硅膜。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)基片上的非晶硅半導(dǎo)體膜用于TFT，并且該膜具有結(jié)晶特性，其中晶體生長方向平行于基片表面時(shí)，載流子隨TFT的運(yùn)動方向與晶體生長方向相同，由此能提供這樣一種結(jié)構(gòu)，其中載流子沿(平行于)晶界運(yùn)動，晶體以針狀或柱狀生長，結(jié)果可獲得具有高遷移率的TFT。此外，由于可在低溫如600℃或更低的溫度下形成TFT，所以可采用便宜的玻璃基片作為基片。
此外，可以分別制造這種具有所需遷移率的TFT。具體地說，1)采用其晶體在平行于基片的方向上生長的結(jié)晶硅膜制造TFT，以便使載體沿晶體的晶界運(yùn)動。
2)采用其晶體在平行于基片的方向上生長的結(jié)晶硅膜制造TFT，以便使載體跨越晶體的晶界。
3)在晶體垂直于基片的方向上生長的區(qū)域制造TFT。
4)部分地引入用于晶化的元素，選擇地形成結(jié)晶硅膜，用來改變TFT的特定部位，使其成為高遷移率TFT。
特別地，由于遠(yuǎn)離已引入用于晶化的元素的區(qū)的結(jié)晶硅膜區(qū)具有一維取向，所以使用該區(qū)可獲得高遷移率TFT。
為了展示和說明，前面已給出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的說明。但這并不是窮舉的或限制本發(fā)明于所述的精確形式，根據(jù)上述指教或從本發(fā)明的實(shí)施例中的收獲，可以做出改進(jìn)和變化。所選取和說明的實(shí)施例中為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能以適宜設(shè)想的具體用途的各種實(shí)例和各種改進(jìn)，來應(yīng)用本發(fā)明。本發(fā)明的范圍將由所附的權(quán)利要求書及其等同物來確定。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在一個(gè)表面上形成包含硅的非單晶半導(dǎo)體層；至少在所述半導(dǎo)體層的一部分引入選自下列組的元素B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、鑭系元素、C、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、P、As、Sb、Bi、V、Nb、Zn和Ta；在所述引入之后，對所述半導(dǎo)體層加熱晶化；和在所述晶化之后，在所述半導(dǎo)體層的一部分內(nèi)形成所述半導(dǎo)體器件的有源區(qū)，其中半導(dǎo)體層的所述部分包含在與所述器件的電流方向大致平行的方向上延伸的至少一個(gè)晶界。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述晶體為柱狀或針狀。
3.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述溝道半導(dǎo)體層中所述元素的濃度范圍是2×1017至2×1019原子/cm3。
4.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體器件是一個(gè)薄膜晶體管，形成為一個(gè)有源型液晶顯示器的外圍電路的驅(qū)動器。
5.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在一個(gè)表面上形成包含硅的非單晶半導(dǎo)體層；至少在所述半導(dǎo)體層的一部分引入選自下列組的元素B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、鑭系元素、C、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、P、As、Sb、Bi、V、Nb、Zn和Ta；在所述引入之后，對所述半導(dǎo)體層加熱晶化；在所述加熱晶化之后，用光照射所述半導(dǎo)體層使其再結(jié)晶；和在所述再結(jié)晶之后，在所述半導(dǎo)體層的一部分內(nèi)形成所述半導(dǎo)體器件的有源區(qū)，其中半導(dǎo)體層的所述部分包含在與所述器件的電流方向大致平行的方向上延伸的至少一個(gè)晶界。
6.如權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述晶體為柱狀或針狀。
7.如權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述溝道半導(dǎo)體層中所述材料的濃度范圍是2×1017至2×1019原子/cm3。
8.如權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述光是由一個(gè)燈發(fā)射的。
9.如權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述光是激光。
10.一種制造至少第一和第二半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在一個(gè)表面上形成包含硅的非單晶半導(dǎo)體層；至少在所述半導(dǎo)體層的一部分引入選自下列組的元素B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、鑭系元素、C、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、P、As、Sb、Bi、V、Nb、Zn和Ta；在所述引入之后，對所述半導(dǎo)體層加熱晶化；和在所述加熱晶化之后，對所述半導(dǎo)體層進(jìn)行布圖，構(gòu)成至少第一和第二有源區(qū)，其中所述第一有源區(qū)包含在與所述第一半導(dǎo)體器件的電流方向大致平行的方向上延伸的至少一個(gè)晶界，而其中所述第二有源區(qū)包含在與所述第二半導(dǎo)體器件的電流方向大致垂直的方向上延伸的至少一個(gè)晶界。
11.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述晶體為柱狀或針狀。
12.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述溝道半導(dǎo)體層中所述材料的濃度范圍是2×1017至2×1019原子/cm3。
13.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體器件是一個(gè)薄膜晶體管，形成為一個(gè)有源型液晶顯示器的外圍電路的驅(qū)動器。
14.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，所述第二半導(dǎo)體器件是一個(gè)薄膜晶體管，形成為一個(gè)有源型液晶顯示器的各象素。
15.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，在所述第二有源區(qū)，通過加熱使所述第二半導(dǎo)體層在垂直于所述表面方向晶化。
16.一種制造至少第一和第二半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在一個(gè)表面上形成非單晶半導(dǎo)體層；至少在所述半導(dǎo)體層的一部分引入選自下列組的元素B、Al、Ga、In、Tl、Sc、Y、鑭系元素、C、Ge、Sn、Pb、Ti、Zr、Hf、N、P、As、Sb、Bi、V、Nb、Zn和Ta；在所述引入之后，對所述半導(dǎo)體層加熱晶化；在所述加熱晶化之后，用光照射所述半導(dǎo)體層使其再結(jié)晶；然后在所述加熱晶化之后，對所述半導(dǎo)體層進(jìn)行布圖，構(gòu)成至少第一和第二有源區(qū)，其中所述第一有源區(qū)包含在與所述第一半導(dǎo)體器件的電流方向大致平行的方向上延伸的至少一個(gè)晶界，而其中所述第二有源區(qū)包含在與所述第二半導(dǎo)體器件的電流方向大致垂直的方向上延伸的至少一個(gè)晶界。
17.如權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述晶體為柱狀或針狀。
18.如權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述溝道半導(dǎo)體層中所述材料的濃度范圍是2×1017至2×1019原子/cm3。
19.如權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述光是由一個(gè)燈發(fā)射的。
20.如權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述光是激光。
21.如權(quán)利要求16的方法，其特征在于，在所述第二有源區(qū)，通過加熱使所述半導(dǎo)體層在垂直于所述表面方向晶化。
全文摘要
在非晶硅膜中引入一種或多種選自III、IV或V族的元素,然后在600℃或更低的溫度下加熱晶化。在平行于基片的方向上,晶體在已引入元素的區(qū)域生長。在結(jié)晶半導(dǎo)體層的一個(gè)部位,按以下方式形成半導(dǎo)體器件的有源區(qū),即根據(jù)所期望的有源區(qū)遷移率,來選取晶體生長方向與器件電流方向之間的關(guān)系。
文檔編號H01L21/336GK1360338SQ0010415
公開日2002年7月24日 申請日期2000年3月16日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月12日
發(fā)明者宮永昭治, 大谷久, 寺本聰 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所