專利名稱：半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜來(lái)制造半導(dǎo)體器件的方法，特別是制造薄膜晶體管的方法。
近來(lái)，對(duì)利用在玻璃或石英襯底上形成的半導(dǎo)體薄膜的晶體管的關(guān)注甚多。這種薄膜晶體管(TFT)是這樣制造的，即在玻璃襯底或石英襯底的表面上形成厚度為幾百至幾千埃()的薄膜半導(dǎo)體，然后使用薄膜半導(dǎo)體形成晶體管(絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管)。
TFT的應(yīng)用范圍例如是有源矩陣式液晶顯示器件。有源矩陣式液晶顯示器件具有布置成矩陣的幾十萬(wàn)個(gè)象素，TFT被提供給每個(gè)象素作為開關(guān)元件，以此實(shí)現(xiàn)良好的和高速的顯示。為有源矩陣式液晶顯示器件所設(shè)計(jì)的適合的TFT采用非晶硅薄膜。
但是，基于非晶硅薄膜的TFT在性能仍很差。作為有源矩陣式的液晶顯示器，如果要求具有較高的功能，則不能滿足所需水平，因采用非晶硅膜的TFT的性能太低了。
而且，已經(jīng)提出采用TFT在單一襯底上制造集成的液晶顯示系統(tǒng)，亦即不僅利用TFT來(lái)實(shí)現(xiàn)象素開關(guān)，而且利用TFT來(lái)實(shí)現(xiàn)外圍驅(qū)動(dòng)器電路。然而；由于非晶硅薄膜的工作速度很低，所以不能用來(lái)構(gòu)成外圍驅(qū)動(dòng)器電路。尤其是，一個(gè)基本的問(wèn)題是，由于利用非晶硅薄膜難以實(shí)現(xiàn)實(shí)用的P溝道型TFT(亦即，由于過(guò)低的性能，采用非晶硅薄膜的TFT實(shí)際上是行不通的)，所以由非晶硅薄膜不能制成CMOS電路。
提出的另一種技術(shù)是，在單一襯底上，把用于處理或者記錄圖象數(shù)據(jù)等的其它集成電路及類似物與象素區(qū)和外圍驅(qū)動(dòng)器電路集成在一起。但是采用非晶硅薄膜的TFT的性能太差，不能在用來(lái)構(gòu)成能處理圖象數(shù)據(jù)的集成電路。
另一方面，還有一種利用結(jié)晶硅膜制造TFT的技術(shù)，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于利用非晶硅薄膜的技術(shù)。該技術(shù)包括，形成非晶硅膜，然后把非晶硅膜經(jīng)受熱處理或激光照射，使所得的非晶硅膜改變(轉(zhuǎn)變)為結(jié)晶硅膜。通過(guò)使非晶硅膜晶化而如此獲得的結(jié)晶硅膜，通常生成多晶結(jié)構(gòu)或者微晶結(jié)構(gòu)。
與利用非晶硅膜的TFT相比，采用結(jié)晶硅膜可以制成性能相當(dāng)優(yōu)異的TFT。就遷移率而言，這是評(píng)價(jià)TFT的一個(gè)指標(biāo)，采用非晶硅膜的TFT為1-2cm2/Vs或更低(在N溝道型)，但采用結(jié)晶硅膜的TFT的遷移率，在N溝道型能達(dá)到約100cm2/Vs，在P溝道型能達(dá)到約50cm2/Vs或更高。
通過(guò)使非晶硅膜晶化所獲得的結(jié)晶硅膜具有多晶結(jié)構(gòu)，因此產(chǎn)生了起因于晶界的各種問(wèn)題。例如，通過(guò)晶界的載流子大大地限制了FTF的閾值電壓。在高速工作時(shí)易于發(fā)生性能上的變化或降低。此外，通過(guò)晶界移動(dòng)的載流子提高了TFT截止時(shí)的截止電流(泄漏電流)。
以高集成度結(jié)構(gòu)來(lái)制造有源矩陣式液晶顯示器件時(shí)，希望在單一玻璃襯底上不僅形成象素區(qū)而且形成外圍電路。此時(shí)，要求設(shè)置在外圍電路的TFT啟動(dòng)大電流，來(lái)驅(qū)動(dòng)設(shè)置成矩陣的幾十萬(wàn)個(gè)象素晶體管。
要工作于大電流，必須使用具有較寬的溝道寬度的結(jié)構(gòu)的TFT。但是，即使要擴(kuò)展溝道度度，由于耐受電壓的問(wèn)題，采用結(jié)晶硅膜的TFT也不能投入實(shí)用。在使TFT可實(shí)用方面，閾值電壓上的大的波動(dòng)是另一個(gè)障礙。
由于存在閾值電壓波動(dòng)和性能隨時(shí)間推移而變化的問(wèn)題，所以采用結(jié)晶硅膜的TFT不能用于處理圖象數(shù)據(jù)的集成電路。因此，基于傳統(tǒng)場(chǎng)合能使用的TFT無(wú)法實(shí)現(xiàn)可實(shí)用的集成電路。
本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)晶界影響的薄膜晶體管(TFT)。
本發(fā)明的另一目的是提供一種具有高耐受電壓并能工作于大電流的TFT。
本發(fā)明的又一目的是提供一種不降低性能或波動(dòng)的TFT。
本發(fā)明的再一目的是提供一種其性能對(duì)應(yīng)于采用單晶半導(dǎo)體的TFT性能的TFT。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法，可以達(dá)到上述目的，這包括如下步驟，在具有絕緣表面的襯底上形成非晶硅膜；把加速(促進(jìn))硅晶化的金屬元素與非晶硅膜保持接觸；通過(guò)熱處理在非晶硅膜表面上形成含該金屬元素的層；通過(guò)對(duì)含該金屬元素的該層刻圖；形成作為晶體生長(zhǎng)核的一層；通過(guò)從作為晶體生長(zhǎng)核的該層的晶體生長(zhǎng)，在非晶硅膜內(nèi)形成基本上無(wú)晶界的區(qū)；利用基本上無(wú)晶界的晶體生長(zhǎng)區(qū)，來(lái)形成有源層。
在上述工藝中，具有絕緣表面的襯底包括，玻璃襯底，石英襯底，其上形成有絕緣膜的玻璃襯底，其上形成有絕緣膜的石英襯底，其上形成有絕緣膜的導(dǎo)體襯底。而且在三維集成電路的結(jié)構(gòu)中，包括層間絕緣膜等的絕緣表面可以用作襯底。
在上述工藝中，“把加速硅晶化的金屬元素與非晶硅膜保持接觸的步驟”，可以按

圖1A的構(gòu)造來(lái)完成。圖1A中，把含鎳溶液(乙酸鎳溶液)104加在非晶硅膜103的表面上，作為含有加速硅晶化的金屬元素的溶液。
按此方式實(shí)現(xiàn)加速硅晶化的金屬元素與非晶硅膜保持接觸的狀態(tài)。此時(shí)，采用含有該金屬元素的溶液，但是，也可采用其它方法來(lái)使金屬元素與非晶硅膜表面保持接觸。這類方法包括，在非晶硅膜上，通過(guò)CVD、濺射或蒸發(fā)，來(lái)形成該金屬元素層或含有該金屬元素的層。
在上述工藝中，“通過(guò)熱處理在非晶硅膜表面上形成含有該金屬元素的層的步驟可以包括圖1B的步驟。在此步驟中，在約400℃進(jìn)行烘烤，來(lái)形成含鎳和硅的硅化物層105。
圖1C的步驟可稱為“通過(guò)把含該金屬元素的層形成圖形，來(lái)形成作為晶體生長(zhǎng)核的層的步驟”。該步驟包括把硅化物層105形成圖形，以便形成層106和107，在后續(xù)步驟中作為晶體生長(zhǎng)核。
圖1D和1E的步驟展示了“通過(guò)從作為晶體生長(zhǎng)核的該層的晶體生長(zhǎng)，在非晶硅膜內(nèi)形成基本上無(wú)晶界的區(qū)”。圖1D中，在加熱至450～600℃的同時(shí)照射激光，使晶體生長(zhǎng)108發(fā)生于在非晶硅膜上選擇地形成的硅化鎳層106和107，由此形成不包含內(nèi)部晶界的單疇區(qū)109和111。
在本說(shuō)明書公開的本發(fā)明中，選自下列元素組成或者這些元素中兩種以上的組合中的至少一種可以用作使硅晶化的金屬元素Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu和Au。
把作為晶體生長(zhǎng)的結(jié)果而獲得的基本上無(wú)晶界的區(qū)稱為單疇區(qū)。
單疇區(qū)不會(huì)成為晶界的點(diǎn)缺陷或面缺陷，但存在要被抵消的點(diǎn)缺陷。因此，重要的是單疇區(qū)要含有濃度為0.001～5at％的氫或鹵化氫用于抵消點(diǎn)缺陷。亦即，在單疇區(qū)內(nèi)必須存在濃度為1×1017cm-3～5×1019cm-3的氫或鹵化氫，用于抵消點(diǎn)缺陷。
還有一個(gè)關(guān)鍵之處在于單疇區(qū)內(nèi)所含加速硅晶化的金屬元素的濃度應(yīng)在1×1014～1×1019原子·cm-3。如果應(yīng)含金屬元素的濃度未大于上述限定范圍的下限，則加速晶化的功能將不能充分地實(shí)現(xiàn)，而且將很難獲得所需單疇區(qū)。如果應(yīng)含金屬元素的濃度未小于上述范圍的上限，則結(jié)果所獲得的單疇區(qū)的半導(dǎo)體特性將受到很大損害。
上述濃度是基于由SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)所得數(shù)據(jù)所定義為最小值。但是，應(yīng)該注意，目前SIMS對(duì)金屬元素的檢測(cè)極限是1×1016原子·cm-3。但是，金屬元素的濃度可以接近用于引入金屬元素的溶液中的金屬元素的濃度。亦即，超出SIMS觀測(cè)值極限的濃度，可以根據(jù)溶液中的金屬元素濃度與對(duì)殘留在硅膜內(nèi)的金屬元素由SIMS觀測(cè)到的最終濃度之間的關(guān)系，近似地計(jì)算出來(lái)。
采用加速晶化的金屬元素來(lái)實(shí)現(xiàn)固相晶化時(shí)，有兩種方法可用作金屬元素的引入。
方法之一包括，通過(guò)“物理方法”例如濺射或者電子束汽相淀積，在非晶硅表面(或者在非晶硅膜之下設(shè)置的膜表面)，形成極薄的金屬膜。在上述方法中，通過(guò)形成與非晶硅膜接觸的金屬元素膜，把金屬元素引入非晶硅膜。采用該方法時(shí)，難于精確地控制引入非晶硅膜的金屬元素的濃度。此外，試圖通過(guò)設(shè)置約幾十埃(A)的極薄膜來(lái)精確地控制引入膜的金屬元素的量時(shí)，很難形成一個(gè)完整的膜。
更具體地說(shuō)，在淀積平面的表面上形成金屬元素的島狀膜部分。亦即，形成斷續(xù)的層。這種問(wèn)題可以由例如分子束外延(MBE)等來(lái)解決，但是，實(shí)際上，MBE的實(shí)用范圍受到限制。
在形成上述斷續(xù)層之后進(jìn)行晶化時(shí)，每個(gè)島狀區(qū)起到產(chǎn)生晶化的核的作用。
對(duì)由島狀區(qū)的晶化所獲得的結(jié)晶硅膜進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)仍殘留有很多的非晶成分。這可采用光學(xué)顯微鏡或者電子顯微鏡來(lái)觀察。另外，這可以用喇曼(Raman)頻譜法的測(cè)量來(lái)證實(shí)。利用金屬成分保持聚集體中這一現(xiàn)象也可證實(shí)?？梢源_信存在非晶成分，因?yàn)槠鹁Щ耸褂玫慕饘俪煞秩员３衷诤藚^(qū)域。
在其中金屬成分部分地保持聚集體的區(qū)域，起到在已結(jié)晶的半導(dǎo)體區(qū)內(nèi)針對(duì)電子和空穴的復(fù)合中心的作用。這些復(fù)合中心導(dǎo)致特別不期望的特性，例如TFT的泄漏電流的增大。
另外，采用含金屬元素的溶液，也可把能加速硅的晶化的金屬元素引入非晶硅膜。此方法包括把金屬元素置于溶液，把所得溶液加在非晶硅表面，或者加在其上用旋涂等方法形成非晶硅膜的底膜表面上。
根據(jù)引入非晶硅膜的金屬元素，可以使用幾種類型的溶液。具有代表性地，可以使用以溶液形式可得的金屬化合物。在溶液方法中可使用的金屬化合物的例子例舉如下。
(1)使用鎳(Ni)時(shí)，鎳化合物是選自下列組中的至少一種溴化鎳、乙酸鎳、草酸鎳、碳酸鎳、氯化鎳、碘化鎳、硝酸鎳、硫酸鎳、氧化鎳、氫氧化鎳、乙酰丙酮鎳、4-乙酸環(huán)己酯鎳、2-乙基己烷鎳、另外，鎳也可以與選自下列組的非極化溶劑中的至少一種混合苯、甲苯、二甲苯、四氯化碳、三氯甲烷、醚、三氯乙烯和Fleor(氟里昂)。
(2)選取鐵(Fe)作為催化元素時(shí)，可以采用選自下列化合物的鐵鹽，例如溴化亞鐵(FeBr2·6H2O)、溴化鐵(FeBr3·6H2O)、乙酸鐵(Fe(C2H3O2)3·XH2O)、氯化亞鐵(FeCl2·4H2O)、氯化鐵(FeCl3·6H2O)、氟化鐵(FeF3·3H2O)、硝酸鐵(Fe(NO3)3·9H2O)、磷酸亞鐵(Fe(PO4)2·8H2O)和磷酸鐵(FePO4·2H2O)。
(3)把鈷(Co)用作催化元素時(shí)，其適用的化合物包括鈷鹽，例如溴化鈷(CoBr·6H2O)、乙酸鈷(Co(C2H3O2)3·4H2O)、氯化鈷(CoCl2·6H2O)、氟化鈷(CoF2·xH2O)和硝酸鈷(Co(NO3)2·6H2O)。
(4)釕(Ru)的化合物可以釕鹽的形式用作催化元素，例如氯化釕(RuCl3·H2O)。
(5)銠(Rh)化合物也可以銠鹽的形式用作催化元素，例如氯化銠(RhCl3·3H2O)。
(6)鈀(Pd)化合物也可以鈀鹽的形式用作催化元素，例如氯化鈀(PdCl2·2H2O)。
(7)選取鋨(Os)作為催化元素時(shí)，適用的鋨化合物包括鋨鹽，例如氯化鋨(OsCl3)。
(8)選取銥(Ir)作為催化元素時(shí)，可以采用銥自依鹽的化合物，例如三氯化銥(IrCl3·3H2O)和四氯化銥(IrCl4)。
(9)選取鉑(Pt)作為催化元素時(shí)，鉑鹽例如氯化鉑(PtCl4·5H2O)可用作為化合物。
(10)選取銅(Cu)作為催化元素時(shí)，可采用選自下列的化合物，乙酸銅(Cu(CH3COO)2)、氯化銅(CuCl2·2H2O)和硝酸銅(Cu(NO3)2·3H2O)。
(11)在使用金(Au)作為催化元素時(shí)，采用選自下列的化合物，三氯化金(AuCl3·xH2O)、氫氯化金(AuHCl4·4H2O)和四氯鈉金(AuNaCl4·2H2O)。
上述每種化合物均可以單分子形式在溶液中充分地分散。把所得溶液一滴滴地加在待施加催化劑的表面上，使該表面以50-500轉(zhuǎn)/分(RPM)的速度旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行旋涂，以使溶液分布在整個(gè)表面上。通過(guò)在硅半導(dǎo)體的表面上預(yù)先形成厚度為5-100的氧化硅膜，來(lái)提高其上形成該膜的硅半導(dǎo)體表面的均勻浸潤(rùn)性，表面張力足以防止溶液散開而在表面上形成點(diǎn)。
此外，向溶液添加界面活性劑，可在其上未形成氧化硅膜的硅半導(dǎo)體表面上實(shí)現(xiàn)均勻地浸潤(rùn)狀態(tài)。
在采用溶液的此方法中，在其上待形成膜的表面上，形成含金屬元素的金屬有機(jī)化合物膜。
加速硅的晶化的金屬元素可以通過(guò)氧化膜以原子形式擴(kuò)散進(jìn)入半導(dǎo)體。按此方式，無(wú)需必然地形成(粒狀)晶核，它們即可擴(kuò)散而使硅全部均勻地晶化。結(jié)果，可以防止金屬元素局部地聚集，或者可以防止殘留大量的非晶成份。
可以用金屬有機(jī)化合物均勻地涂覆硅半導(dǎo)體，對(duì)所得涂層可做臭氧處理(即在氧氣中照射紫外線(UV)的處理)。此時(shí)，形成一層金屬氧化物膜，并由所得金屬氧化物膜引起晶化。所以，有機(jī)物質(zhì)被氧化并以二氧化碳?xì)鈶B(tài)形式被揮發(fā)除去。因此，可以實(shí)現(xiàn)更均勻的固相生長(zhǎng)。
僅采用低速旋轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行溶液施涂時(shí)，存在于溶液的金屬成份在表面上趨于以多于固相生長(zhǎng)所需的量而加在半導(dǎo)體膜。所以，以低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)之后，再以1000～10000RPM、具體地為2000～5000RPM旋轉(zhuǎn)襯底來(lái)完成旋涂。通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)襯底，可把過(guò)量存在的金屬有機(jī)化合物拋出，可使金屬成份以最佳的量來(lái)施加。
通過(guò)控制溶液中金屬成份的濃度，可以調(diào)節(jié)引入硅半導(dǎo)體的金屬成份的量。這種方法特別適用，因?yàn)榭梢跃_地控制最終引入硅膜的金屬元素的濃度。
在采用溶液來(lái)引入金屬元素的方法中，可以在半導(dǎo)體表面上(或者在其下涂層表面上)形成連續(xù)的層，而不必形成用來(lái)晶化的金屬顆粒的島狀區(qū)。然后，采用熱處理或激光照射的晶化工藝，可完成均勻和致密的晶體生長(zhǎng)。
如上所述，說(shuō)明了采用溶液的例子，但是采用氣態(tài)金屬化合物、特別是氣態(tài)金屬有機(jī)化合物，通過(guò)CVD形成薄膜，也可獲得與上述相同的效果。
采用溶液形成含有加速非晶硅晶化的金屬元素層的方法，可以稱為化學(xué)方法。而采用上述濺射等來(lái)形成層的方法可以稱為物理方法。物理方法可被認(rèn)為是采用金屬核的非均勻的“各向異性晶體生長(zhǎng)法”，而化學(xué)方法可被認(rèn)為是均勻晶體生長(zhǎng)法，亦即采用均勻金屬催化劑的“各向同性晶體生長(zhǎng)”。
圖1A-1E表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制造具有單疇區(qū)的薄膜硅半導(dǎo)體的各步驟。
圖2A-2D表示根據(jù)實(shí)施例制造薄膜晶體管的各步驟。
圖3A-3D表示根據(jù)另一實(shí)施例制造薄膜晶體管的各步驟。
圖4表示液晶顯示系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5A-5D表示根據(jù)另一實(shí)施例制造薄膜晶體管的各步驟。
實(shí)施例1本實(shí)施例涉及的是選擇地形成單疇區(qū)的例子，在具有絕緣表面的襯底上，形成非晶硅膜，然后在已形成非晶硅膜的表面上，選擇地形成含有加速(促進(jìn))硅晶化的金屬元素的層，隨后從含有作為晶核設(shè)置的金屬元素的已形成的層發(fā)生晶體生長(zhǎng)。
圖1A-1E展示了根據(jù)該實(shí)施例的制造工藝。在玻璃襯底101上通過(guò)濺射形成厚3000的氧化硅膜作為底膜102。底膜102起阻擋層作用，防止堿離子或者雜質(zhì)從玻璃襯底101擴(kuò)散。起阻擋作用的絕緣膜也可用作底膜102。例如可以使用氮化硅膜。
形成底膜102之后，通過(guò)等離子CVD或低壓熱CVD，形成厚為500的非晶硅膜103。在后續(xù)步驟中單疇區(qū)形成于非晶硅膜中。
之后，使用旋涂機(jī)100，添加(旋涂)含有作為加速硅晶化的金屬元素的鎳的溶液104。通過(guò)溶液104中的鎳溶液，可以調(diào)節(jié)待引入的金屬鎳的量(鎳添加量)。通過(guò)控制金屬鎳的濃度，可以控制最終存在于單疇區(qū)內(nèi)的鎳濃度。在此例中，使用乙酸鎳溶液作為含鎳溶液104。在此方法中，實(shí)現(xiàn)了在非晶硅膜103的整個(gè)表面引入鎳的狀態(tài)亦即實(shí)現(xiàn)了鎳與非晶硅膜103的整個(gè)表面接觸的狀態(tài)(圖1A)。
在此例中，使用溶液來(lái)引入鎳。但是，可以通過(guò)濺射，CVD或蒸發(fā)，在非晶硅膜103上形成鎳層或者含鎳的層。
之后，在300-500℃、本例為400℃進(jìn)行1小時(shí)熱處理。按此方式，在非晶硅膜103表面上形成硅化鎳層105(圖1B)。
對(duì)所得的硅化鎳層105進(jìn)行刻圖，形成層106和107，在非晶硅膜103中設(shè)置用于形成單疇區(qū)的晶核(圖1C)。
在加熱至450-600℃的同時(shí)，照射激光。加熱溫度的上限取決于襯底的耐熱溫度。此步驟中，從作為晶核設(shè)置的層106和107開始發(fā)生晶體生長(zhǎng)(圖1D)。
圖1E中，通過(guò)圖1A-1D的各工藝步驟，獲得了可稱之為單晶的單疇區(qū)109和111。圖1E中，表面上仍有非晶區(qū)110。
實(shí)施例2本例涉及通過(guò)使用實(shí)施例1所述的用于形成單疇區(qū)的工藝來(lái)形成一對(duì)N溝道和P溝道薄膜晶體管(TFT)。本例具體涉及在玻璃襯底上只形成一對(duì)TFT，但也可以通過(guò)同樣的制造工藝來(lái)形成大量的TFT。
采用實(shí)施例1的工藝，在玻璃襯底301上形成單疇區(qū)303和305，在襯底上預(yù)先形成3000厚的氧化硅膜作為底膜302(圖2A)。
然后，進(jìn)行刻圖，形成用于兩個(gè)TFT的有源層306和307。圖2B中，有源層306用于N溝道TFT，有源層307用于P溝道TFT(圖2B)。
本例中，有源層306和307全都形成在單疇區(qū)內(nèi)，至少溝道形成區(qū)必須形成在單疇區(qū)內(nèi)。
形成了絕緣膜308之后，形成厚6000的含鈧的鋁底層，把所得膜刻成柵電極309和310。之后，在電解液中以柵電極309和310作為陽(yáng)極，通過(guò)陽(yáng)極氧化形成氧化層311和312。氧化層311和312的厚度均為2000左右。對(duì)于在后續(xù)的注入雜質(zhì)離子的步驟中形成偏移區(qū)，氧化層311和312的厚度是必需的。
隨后注入雜質(zhì)離子。此工藝包括以下步驟在用光刻膠掩蓋右側(cè)TFT的同時(shí)注入磷離子，然后注入硼離子同時(shí)掩蓋左側(cè)TFT。按此方法，以自對(duì)準(zhǔn)方式形成源區(qū)313、溝道形成區(qū)315和漏區(qū)316，用于N溝道型TFT。以自對(duì)準(zhǔn)方式形成了偏置區(qū)314。同樣，以自對(duì)準(zhǔn)方式形成源區(qū)317、溝道形成區(qū)319和漏區(qū)320，用于P溝道型TFT。以自對(duì)準(zhǔn)方式形成偏置區(qū)318(圖2C)。
照射激光或強(qiáng)光來(lái)進(jìn)行有源層的退火，該有源層在注入雜質(zhì)離子時(shí)受到損害，并且使注入的雜質(zhì)離子激活。把樣品加熱至450～600℃可有效地完成此步驟。
采用等離子CVD形成厚為6000的氫化硅膜321作為層間絕緣膜。形成了接觸孔后，使用鋁來(lái)形成用于N溝道TFT的源電極322和漏電極323，以及用于P溝道TFT的源電極324和漏電極325。通過(guò)在氫氣中，350℃下熱處理，制成N溝道和P溝道TFT(圖2D)。
在本例中使用單疇區(qū)來(lái)制造TFT，亦即在對(duì)于每個(gè)TFT的有源層稱之為單晶的區(qū)制造TFT。因此，這些TFT不存在諸如閾值電壓波動(dòng)或者性能隨時(shí)間推移而變化的問(wèn)題。而且，本例的TFT可以高速工作，并能制成各種薄膜集成電路。
實(shí)施例3本例涉及為組成有源矩陣式液晶顯示器件的各象素而設(shè)置的TFT的結(jié)構(gòu)。制造本例的TFT的各步驟如圖3A～3D所示。
使用實(shí)施例1的工藝，在其上形成了底膜302的玻璃襯底301上，形成具有單疇區(qū)303的硅膜(圖3A)。
之后，通過(guò)刻圖，利用單疇區(qū)303形成了用于N溝道TFT的有源層306(圖3B)。
通過(guò)等離子CVD，形成厚1000的氧化硅膜308，以此提供柵絕緣膜。隨后，通過(guò)電子束蒸發(fā)，形成厚6000的含鈧的鋁基層，把所得膜刻成柵電極309。之后，在電解液中以柵電極309為陽(yáng)極，通過(guò)陽(yáng)極氧化圍繞柵電極309形成氧化層311。在雜質(zhì)離子注入的后續(xù)步驟中，氧化層311在形成偏移區(qū)時(shí)起掩模作用。氧化層311的厚度約為2000A。
然后注入雜質(zhì)離子。本工藝注入磷離子的步驟，通過(guò)離子摻雜把磷離子注入?yún)^(qū)313和316。按此方式，以自對(duì)準(zhǔn)方式形成源區(qū)313和漏區(qū)316。同樣，以自對(duì)準(zhǔn)方式同時(shí)形成溝道形成區(qū)315和偏移區(qū)314(圖3C)。
在用激光或強(qiáng)光照射退火之后，形成厚6000的氧化硅膜321作為層間絕緣膜。形成ITO(氧化銦錫)電極作為象素電極。形成接觸孔后，使用鋁形成源電極322和漏電極323。漏電極323與作為象素電極的ITO電極400連接(圖3D)。
在本例中，使用基本上無(wú)晶界的單疇區(qū)用作TFT的有源區(qū)，來(lái)制造TFT。所以，可以極大地降低由于晶界的存在而產(chǎn)生的截止電流。因此，本例提供的TFT，是一種適合用于有源矩陣式液晶顯示器件的象素電極的結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例4本例涉及的是，根據(jù)本發(fā)明制造更為先進(jìn)的有源矩陣式液晶顯示系統(tǒng)，參看圖4。目前，采用如下方式已實(shí)現(xiàn)了小巧、輕型的薄的液晶顯示系統(tǒng)，即把裝配在計(jì)算機(jī)通用式主機(jī)板上的半導(dǎo)體芯片(IC)，固定于包括一對(duì)其間裝有液晶的襯底的液晶顯示器件的至少一個(gè)襯底上。之所以采用這種構(gòu)造，是因?yàn)樵诰哂薪^緣表面的襯底例如玻璃上形成的TFT，無(wú)法獲得在性能上能夠代替已有的IC芯片的集成電路。
但是，使用本發(fā)明的TFT，亦即基于基本可以忽略晶界影響的單疇區(qū)的TFT，可以提供高性能和高穩(wěn)定性，以便確?？膳c傳統(tǒng)IC芯片相比擬的集成電路。
根據(jù)本實(shí)施例的系統(tǒng)如圖4所示。在其也是液晶顯示器件的襯底的襯底15上，形成了有源矩陣電路14，包括多個(gè)象素，每個(gè)象素具有TFT11，象素電極12和輔助電容器13，一起形成的還有用于驅(qū)動(dòng)有源矩陣電路14的那些TFT，亦即X-解碼器/驅(qū)動(dòng)器16、Y-解碼器/驅(qū)動(dòng)器17和X-Y分配器電路18。外圍電路必須設(shè)置低輸出阻抗的緩沖電路，以便驅(qū)動(dòng)有源矩陣電路。圖4中，緩沖電路中設(shè)置有的TFT，其有源層基于由本發(fā)明形成的單疇區(qū)。按此方式，可以制成具有高承受電壓并可允許大電流的構(gòu)造。
在襯底15上形成了采用本發(fā)明的TFT的薄膜集成電路。傳統(tǒng)的集成電路芯片設(shè)置在不用薄膜集成電路替換的那些部分。所有的集電電路均可用薄膜集成電路所替換(這里“薄膜集成電路”一詞是指由在襯底15的表面上形成的薄膜半導(dǎo)體所構(gòu)成的任何集成電路)。利用布線、導(dǎo)線壓焊、COG(玻璃上的芯片)等，把每個(gè)集成電路和半導(dǎo)體芯片與形成在襯底15上的電路連接。
圖4中，輸入口22是用來(lái)讀外部輸入信號(hào)并把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖象信號(hào)的電路。校正存儲(chǔ)器21是有源矩陣面板固有的存儲(chǔ)器，根據(jù)面板的特性來(lái)校正輸入信號(hào)等。具體地說(shuō)，校正存儲(chǔ)器21是非易失的存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)每個(gè)象素所固有的信息，用于為每個(gè)象素獨(dú)立地校正信號(hào)。
如果在電-光器件的象素中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)缺陷，校正信號(hào)被送至有缺陷的象素周圍的那些象素，用以補(bǔ)償缺陷。如發(fā)現(xiàn)某象素比周圍象素更暗，更強(qiáng)的信號(hào)被送至該象素，以使該象素產(chǎn)生與周圍象素相同的亮度。由于各象素的缺陷信息因面板不同而不同，所以存儲(chǔ)在校正存儲(chǔ)器21的信息根據(jù)面板而各不相同。
CPU(中央處理單元)19和存儲(chǔ)器20與通常的計(jì)算機(jī)所用的相同。具體地說(shuō)，存儲(chǔ)器20是RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)并存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于每個(gè)象素的圖象信息。這些芯片均為CMOS型的。
如上所述，通過(guò)在單一的液晶顯示系統(tǒng)上形成CPU和存儲(chǔ)器，來(lái)建立起與簡(jiǎn)單的個(gè)人計(jì)算機(jī)可相比擬的電子器件是特別有用的，因?yàn)檫@不僅可以實(shí)現(xiàn)小巧的液晶顯示系統(tǒng)，而且可以擴(kuò)展應(yīng)用領(lǐng)域。而且，通過(guò)使用薄膜半導(dǎo)體在襯底上形成所有的或者部分的集成電路，以此來(lái)提供薄膜集成電路，可以制成更為小巧的液晶顯示器件，從而極大地?cái)U(kuò)展該器件的應(yīng)用領(lǐng)域。
使用基于單疇區(qū)的TFT，可以實(shí)現(xiàn)可與集成在單晶晶片上的IC相比擬的集成電路。所以，如本例所述，根據(jù)本發(fā)明制造的TFT，可以用在裝配系統(tǒng)中的液晶顯示所需要的電路。具體地說(shuō)，特別適用于把利用等效于單晶(單疇區(qū))區(qū)而制造的TFT，用在需要高耐壓和大電流的電路中，例如模擬緩沖電路。
實(shí)施例5
本例涉及的TFT是其有源層形成在單疇區(qū)內(nèi)而不是硅化鎳區(qū)內(nèi)。本例的TFT受鎳的存在的影響較小。
圖5A～5D展示了根據(jù)本實(shí)施例制造TFT的各步驟。通過(guò)實(shí)施例1的方法，在其上預(yù)先形成有底膜302的玻璃基片上形成包含單疇區(qū)303的硅膜(圖5A)。
在本實(shí)施例中起晶核作用的硅化鎳層300正下方的單疇區(qū)中，鎳保持高于周圍區(qū)域的濃度。所以，為了降低TFT的有源層等的鎳濃度，必須在除形成了硅化鎳層300之外的那些區(qū)域上形成TFT。
本例中，通過(guò)把圖5A的結(jié)構(gòu)刻成圖5B的狀態(tài)，形成TFT的有源層306。有源層306形成在不是硅化鎳區(qū)300的區(qū)內(nèi)。
用等離子CVD形成厚1000的氧化硅膜308，以此提供柵絕緣膜。通過(guò)電子束蒸發(fā)，形成厚6000的含鈧的鋁底層，對(duì)所得膜進(jìn)行蝕刻，提供柵電極309。然后，在電解液中以柵電極309為陽(yáng)極，通過(guò)陽(yáng)極氧化圍繞柵電極309形成氧化層311。在后續(xù)的雜質(zhì)離子注入步驟中，形成偏移區(qū)時(shí)氧化層311起掩模作用。氧化層311的厚度約為2000。
注入雜質(zhì)離子。此工藝包括注入磷離子的步驟，通過(guò)離子摻雜把磷離注入?yún)^(qū)313和316。按此方式，以自對(duì)準(zhǔn)方式形成源區(qū)313和漏區(qū)316。此外，同時(shí)以自對(duì)準(zhǔn)方式形成溝道形成區(qū)315和偏移區(qū)314(圖5C)。
通過(guò)照射激光或強(qiáng)光完成退火步驟后，形成厚6000的氧化硅膜321作為層間絕緣層。形成接觸孔后，使用鋁形成源電極322和漏電極323(圖5D)。
由本例制成的TFT，具有這樣的結(jié)構(gòu)，其工作較少受金屬元素的影響，因?yàn)橛性磳有纬稍诓皇怯脕?lái)加速硅晶化而引入金屬元素的區(qū)域上。亦即，通過(guò)在那些起晶核作用的區(qū)之外的區(qū)中形成有源層，即起晶核作用的區(qū)是形成了用于加速晶化的金屬元素硅化物層的那些區(qū)，則與那些含高濃度的金屬的區(qū)無(wú)關(guān)的結(jié)構(gòu)，排除在有源層之外。
實(shí)施例6本例涉及通過(guò)等離子處理使非晶硅膜的脫氫(氫的退除)增強(qiáng)，來(lái)加速非晶硅膜的晶化。
本例中，在圖1A的步驟之前，即在用乙酸鎳溶液涂覆非晶硅膜表面之前，對(duì)非晶硅膜表面采用氫等離子體的等離子體處理。等離子體處理包括如下步驟在減壓環(huán)境下對(duì)氣態(tài)氫采用ECR條件來(lái)產(chǎn)生氫等離子體，把非晶硅膜曝露于所產(chǎn)生的氫等離子體中。
在氫等離子處理期間，重要之處在于對(duì)非晶硅膜加熱的溫度不應(yīng)高于其晶化溫度。根據(jù)膜形成的方法和條件，非晶硅膜的晶化溫度各不相同。一般，晶化溫度在600-650℃。下限為400℃左右。因此，最好在400-600℃加熱。
在確定加熱溫度上限時(shí)以玻璃襯底的形變(扭曲)點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)也是有用的。更具體地說(shuō)，在盡可能高的溫度進(jìn)行熱處理，但不能超過(guò)由形變溫度所確定的上限。由此方法，可獲得期望的效果同時(shí)抑制玻璃襯底發(fā)生不利的變形或收縮。
在氫等離子處理期間，從非晶硅膜釋放出的氫與等離子體中的氫離子結(jié)合形成氣態(tài)氫。結(jié)果，可以加速氫從膜中的去除。此外，可以實(shí)現(xiàn)硅原子之間的較強(qiáng)鍵合，在原子排列上達(dá)到更高的有序等級(jí)。此狀態(tài)可稱為準(zhǔn)結(jié)晶態(tài)，其易于晶化。
在進(jìn)腥離子處理之后，通過(guò)對(duì)非晶硅加熱或激光照射其結(jié)構(gòu)來(lái)施加能量，可以使其晶化?？梢詷O高的重現(xiàn)性來(lái)進(jìn)行晶化，并且可獲得具有相當(dāng)高的結(jié)晶度的薄膜，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)等離子處理，非晶硅膜變成易于晶化的狀態(tài)。
盡管以上對(duì)使用氫等離子體的情況做了說(shuō)明，但也可使用氦等離子體。使用氦等離子體時(shí)，利用了氦的高電離離解能量。亦即，利用高的等離子體能量來(lái)切斷硅與氫之間的鍵合，以致可以加速氫從硅膜中的去除。
根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的工藝包括如下步驟在具有絕緣表面的襯底的非晶硅膜表面上，通過(guò)選擇地提供加速硅晶化的金屬層或者含相同金屬元素的層，來(lái)形成單疇區(qū)；利用選擇地設(shè)置該層作為晶核，使非晶硅膜晶化。通過(guò)使TFT具有上述單疇區(qū)，可獲得高性能的TFT。
更具體地說(shuō)，本發(fā)明提供一種TFT，能以高速穩(wěn)定地工作，并不受閾值電壓波動(dòng)和隨時(shí)間推移的性能變化的影響，該TFT能以大的導(dǎo)通電流、小的截止電流來(lái)工作。
權(quán)利要求
1.顯示系統(tǒng)包括分別構(gòu)成CPU，存儲(chǔ)器設(shè)備，有源矩陣電路或在同一襯底上形成的外圍電路的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括至少一個(gè)薄膜晶體管，其中所述薄膜晶體管包括在絕緣表面上的一個(gè)結(jié)晶半導(dǎo)體膜，在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的一個(gè)溝道區(qū)；和在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的源和漏區(qū)，其中至少一個(gè)所述溝道區(qū)基本上無(wú)顆粒邊界。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯示系統(tǒng)，其中所述薄膜晶體管構(gòu)成所述外圍電路中的一個(gè)緩沖器電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的顯示系統(tǒng)，其中所述溝道區(qū)包括濃度為1×1017到5×1019原子/CM3的氫或鹵元素。
4.顯示系統(tǒng)包括分別構(gòu)成CPU，存儲(chǔ)器設(shè)備，有源矩陣電路或在同一襯底上形成的外圍電路的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括至少一個(gè)薄膜晶體管，其中所述薄膜晶體管包括在絕緣表面上的一個(gè)結(jié)晶半導(dǎo)體膜，在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的一個(gè)溝道區(qū)；和在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的源和漏區(qū)，其中至少一個(gè)所述溝道區(qū)基本上無(wú)顆粒邊界，其中至少所述溝道區(qū)包括濃度為1×1014到1×1019原子/CM3的結(jié)晶催化材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顯示系統(tǒng)，其中所述薄膜晶體管在所述外圍電路中構(gòu)成一個(gè)緩沖器電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的顯示系統(tǒng)，其中所述結(jié)晶催化材料包括從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu和Au的組中選擇的一種金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顯示系統(tǒng)，其中所述溝道區(qū)包括濃度為1×1017到5×1019原子/CM3的氫或鹵元素。
8.顯示系統(tǒng)包括分別構(gòu)成CPU，存儲(chǔ)器設(shè)備，有源矩陣電路或在同一襯底上形成的外圍電路的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括至少一個(gè)薄膜晶體管，其中所述薄膜晶體管包括在絕緣表面上的一個(gè)結(jié)晶半導(dǎo)體膜，在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的一個(gè)溝道區(qū)；和在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的源和漏區(qū)，其中至少一個(gè)所述溝道區(qū)基本是一個(gè)單一的結(jié)晶區(qū)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的顯示系統(tǒng)，其中所述薄膜晶體管在所述外圍電路中構(gòu)成一個(gè)緩沖器電路。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的顯示系統(tǒng)，其中所述溝道區(qū)包括濃度為1×1017到5×1019原子/CM3的氫或鹵元素。
11.顯示系統(tǒng)包括分別構(gòu)成CPU，存儲(chǔ)器設(shè)備，有源矩陣電路或在同一襯底上形成的外圍電路的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括至少一個(gè)薄膜晶體管，其中所述薄膜晶體管包括在絕緣表面上的一個(gè)結(jié)晶半導(dǎo)體膜，在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的一個(gè)溝道區(qū)；和在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的源和漏區(qū)，其中至少所述溝道區(qū)基本是一個(gè)單一的結(jié)晶區(qū)，其中至少所述溝道區(qū)包括濃度為1×1014到1×1019原子/CM3的結(jié)晶催化材料。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的顯示系統(tǒng)，其中所述薄膜晶體管在所述外圍電路中構(gòu)成一個(gè)緩沖器電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的顯示系統(tǒng)，其中所述結(jié)晶催化材料包括從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu和Au的組中選擇的一種金屬。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的顯示系統(tǒng)，其中所述溝道區(qū)包括濃度為1×1017到5×1019原子/CM3的氫或鹵元素。
15.顯示系統(tǒng)包括分別構(gòu)成CPU，存儲(chǔ)器設(shè)備，有源矩陣電路或在同一襯底上形成的外圍電路的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括至少一個(gè)薄膜晶體管，其中所述薄膜晶體管包括在絕緣表面上的一個(gè)結(jié)晶半導(dǎo)體膜，在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的一個(gè)溝道區(qū)；和在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的源和漏區(qū)，其中至少所述溝道區(qū)基本是一個(gè)單域區(qū)，其中所單域區(qū)包括濃度為1×1014到1×1019原子/CM3的結(jié)晶催化材料。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的顯示系統(tǒng)，其中所述薄膜晶體管在所述外圍電路中構(gòu)成一個(gè)緩沖器電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的顯示系統(tǒng)，其中所述單域區(qū)沒有顆粒邊界。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的顯示系統(tǒng)，其中所述單域區(qū)包括濃度為1×1017到5×1019原子/CM3的氫或鹵元素。
19.顯示系統(tǒng)包括分別構(gòu)成CPU，存儲(chǔ)器設(shè)備，有源矩陣電路或在同一襯底上形成的外圍電路的半導(dǎo)體器件，所述半導(dǎo)體器件包括至少一個(gè)薄膜晶體管，其中所述薄膜晶體管包括在絕緣表面上的一個(gè)結(jié)晶半導(dǎo)體膜，在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的一個(gè)溝道區(qū)；和在所述結(jié)晶半導(dǎo)體膜上形成的源和漏區(qū)，其中至少所述溝道區(qū)基本是一個(gè)單域區(qū)，其中所單域區(qū)包括濃度為1×1014到1×1019原子/CM3的結(jié)晶催化材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的顯示系統(tǒng)，其中所述薄膜晶體管在所述外圍電路中構(gòu)成一個(gè)緩沖器電路。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的顯示系統(tǒng)，其中所述單域區(qū)沒有顆粒邊界。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的顯示系統(tǒng)，其中所述單域區(qū)包括濃度為1×1017到5×1019原子/CM3的氫或鹵元素。
23.根據(jù)權(quán)利要求19所述的顯示系統(tǒng)，其中所述結(jié)晶催化材料包括從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu和Au的組中選擇的一種金屬。
全文摘要
在制造薄膜晶體管的方法中，添加含有用于促進(jìn)硅晶化的金屬元素的溶液，使其與非晶硅膜接觸，然后通過(guò)加熱處理形成硅化物層。而且，通過(guò)蝕刻硅化物層形成了作為晶體生長(zhǎng)核的區(qū)之后，照射激光同時(shí)加熱處理。結(jié)果，從作為晶體生長(zhǎng)核的區(qū)，在非晶硅膜中完成晶體生長(zhǎng)，從而形成對(duì)應(yīng)于單晶的單疇區(qū)。此外，在添加溶液之前，可以對(duì)非晶硅膜進(jìn)行等離子體處理。
文檔編號(hào)H01L21/77GK1396664SQ0113743
公開日2003年2月12日 申請(qǐng)日期1995年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月15日
發(fā)明者山崎舜平, 楠本直人, 寺本聰 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所