專(zhuān)利名稱(chēng)：薄膜晶體管及其制造方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及薄膜晶體管，特別涉及使用低溫多晶硅的薄膜晶體管元件，使用該元件的液晶顯示元件或場(chǎng)致發(fā)光顯示元件等平板顯示器及其制造方法。
此外，例如，根據(jù)(2)特開(kāi)平11-354801號(hào)公報(bào)(日本專(zhuān)利)上披露的結(jié)晶性半導(dǎo)體薄膜的形成方法，使用包含臭氧溶液對(duì)非晶硅膜實(shí)施清洗并在非晶硅膜上形成氧化膜后，用氫氟酸除去氧化膜，然后進(jìn)行激光退火處理，來(lái)獲得防止發(fā)生表面突起的多晶硅膜。但是，在這些多晶硅膜中不能獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。
本發(fā)明提供一種薄膜晶體管，是在襯底上設(shè)置的半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜由多個(gè)晶粒構(gòu)成，并且至少2個(gè)以上的所述晶粒集合的簇結(jié)晶至少存在于其一部分內(nèi)。
本發(fā)明提供一種薄膜晶體管，配有在襯底上層疊設(shè)置的半導(dǎo)體薄膜、溝道區(qū)域、絕緣膜、柵電極、源電極、漏電極，其特征在于，所述源電極與所述漏電極分別與在所述半導(dǎo)體薄膜的至少一部分區(qū)域中夾著所述溝道區(qū)域設(shè)置的源區(qū)和漏區(qū)連接，并且在所述半導(dǎo)體薄膜的至少一部分中存在沿著相對(duì)于所述襯底的面大致平行的方向(111)優(yōu)先取向的至少2個(gè)以上的晶粒集合的簇結(jié)晶。
本發(fā)明提供一種薄膜晶體管的制造方法，包括在襯底上成膜非晶半導(dǎo)體薄膜的工序，和對(duì)該非晶半導(dǎo)體薄膜照射激光并加熱的工序，其特征在于，通過(guò)多次照射所述激光，來(lái)使所述非晶半導(dǎo)體薄膜的至少一部分區(qū)域簇結(jié)晶化。
圖2是用于說(shuō)明實(shí)施例的使用激光的結(jié)晶條件(照射能量密度和照射次數(shù))和形成的多晶硅的平均晶粒粒徑之間關(guān)系的圖。
圖3是用于說(shuō)明實(shí)施例的使用激光的結(jié)晶條件(照射能量密度和照射次數(shù))和形成的多晶硅膜的表面凹凸(Rmax)之間關(guān)系的圖。
圖4A和圖4B是實(shí)施例的多晶硅膜的表面SEM(掃描電子顯微鏡)照片，圖4A表示結(jié)晶條件是激光的能量密度為300mJ/cm2、照射次數(shù)為1次的情況，圖4B表示結(jié)晶條件是激光的能量密度為300mJ/cm2、照射次數(shù)為20次的情況。
圖5A和圖5B是實(shí)施例的多晶硅膜的表面SEM照片，圖5A表示結(jié)晶條件是激光的能量密度為500mJ/cm2、照射次數(shù)為1次的情況，圖5B表示結(jié)晶條件是激光的能量密度為500mJ/cm2、照射次數(shù)為20次的情況。
圖6是表示實(shí)施例的多晶硅膜的X射線(xiàn)衍射測(cè)定結(jié)果的典型說(shuō)明圖。
圖7是表示實(shí)施例的使用激光的結(jié)晶條件(照射能量密度和照射次數(shù))和形成的多晶硅的(111)結(jié)晶取向率之間關(guān)系的圖。
圖8是用于說(shuō)明實(shí)施例的多晶硅膜的晶粒和其邊界部分的透過(guò)電子顯微鏡照片。
圖9是使用電子射線(xiàn)后方衍射法來(lái)說(shuō)明實(shí)施例的多晶硅膜的簇結(jié)晶的狀況和其結(jié)晶取向性之間關(guān)系的示意圖。


圖10是另一實(shí)施例的使用多晶硅膜的薄膜晶體管的剖面構(gòu)造圖。
圖11是說(shuō)明使用激光的結(jié)晶條件(照射能量密度和照射次數(shù))和薄膜晶體管的電子遷移率之間關(guān)系的圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述一般地，多晶硅膜的晶粒粒徑和電子遷移率之間是相關(guān)的，如果晶粒粒徑小，則電子遷移率也小。作為原因之一，可列舉出因?yàn)殡娮舆w移率由晶粒粒界中的電子散射來(lái)確定。
在用激光退火處理的方法進(jìn)行非晶硅膜的結(jié)晶化時(shí)，激光照射能量密度小，則不能生長(zhǎng)充分大的結(jié)晶，結(jié)晶后的多晶硅膜的粒徑頂多僅在100nm以下。
此時(shí)，在采用上述的現(xiàn)有技術(shù)(1)的情況下，通過(guò)使激光照射能量密度大，可增大晶粒粒徑。但是，在晶粒粒徑增大的同時(shí)，在晶粒邊界中產(chǎn)生至少50nm以上的突起，引起元件形成工藝的適用上的大問(wèn)題。即，在具有大的突起的結(jié)晶化硅膜上形成絕緣膜時(shí)，突起突出破壞絕緣膜，損害其特性。
另一方面，通過(guò)采用上述現(xiàn)有技術(shù)(2)，有可能減少起因于激光退火處理后的晶粒粒界的突起。但是，由于在激光退火處理前，用氫氟酸處理和純水等進(jìn)行清洗處理是必須條件，因而不僅工藝復(fù)雜，并且存在生產(chǎn)量低下那樣的結(jié)晶化硅薄膜的生產(chǎn)上的大問(wèn)題。
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供薄膜晶體管及其制造方法，該薄膜晶體管采用通過(guò)大幅度降低晶粒粒界的突起的形成，具有高電子遷移率并且高可靠性的多晶硅膜。
上述目的通過(guò)以下結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)在襯底上形成半導(dǎo)體薄膜，該半導(dǎo)體薄膜由粒徑在500nm以下的多個(gè)晶粒構(gòu)成，并且至少2個(gè)以上的晶粒集合的簇結(jié)晶至少存在于其一部分內(nèi)。
晶粒由Si、Ge、或SiGe構(gòu)成，在由這些晶粒構(gòu)成的簇結(jié)晶中，各個(gè)晶粒連接的部分，由于各晶粒具有結(jié)晶學(xué)上的同方位，因而盡管可見(jiàn)晶粒粒界存在，但實(shí)際上能夠發(fā)揮與單一結(jié)晶相同的特性。
構(gòu)成上述簇結(jié)晶的各晶粒的結(jié)晶方位，至少利用通過(guò)透射電子顯微鏡的晶格像觀察或通過(guò)電子射線(xiàn)后方散射衍射的衍射圖形觀察來(lái)識(shí)別。
本發(fā)明是上述簇結(jié)晶至少存在于其一部分中的半導(dǎo)體薄膜，該平均膜厚達(dá)到10nm以上和100nm以下。
再有，可用晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比作為優(yōu)先取向性的指標(biāo)，通過(guò)沿與襯底面平行的面的X射線(xiàn)衍射測(cè)定，(111)面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度與(220)面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度之比為5以上。
之后，其表面凹凸(Pmax)為30nm以下，表面凹凸標(biāo)準(zhǔn)偏差(R(μs))為10nm以下，可通過(guò)減少晶粒粒界的突起來(lái)實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明中，半導(dǎo)體薄膜的平均電子遷移率為200cm2/V·S以上。
在采用上述半導(dǎo)體薄膜的薄膜晶體管中，該半導(dǎo)體薄膜是沿與襯底面平行的方向(111)優(yōu)先取向的晶粒的集合體，晶粒的至少2個(gè)以上集合的簇結(jié)晶存在于其膜內(nèi)。
包含上述簇結(jié)晶的結(jié)晶性半導(dǎo)體薄膜，由于在襯底上成膜非晶半導(dǎo)體薄膜中，用激光多次照射該非晶薄膜，非晶薄膜的至少一部分通過(guò)結(jié)晶化形成，因而可以形成結(jié)晶取向性?xún)?yōu)異，并可抑制晶粒粒界中的突起發(fā)生的結(jié)晶性半導(dǎo)體薄膜。
上述本發(fā)明的優(yōu)選方式如下所示。
(1)一種薄膜晶體管，是在襯底上設(shè)置的半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜由多個(gè)晶粒構(gòu)成，并且至少2個(gè)以上的所述晶粒集合的簇結(jié)晶至少存在于其一部分內(nèi)。
(2)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶至少集合2個(gè)以上的粒徑為500nm以下的晶粒。
(3)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶是結(jié)晶學(xué)方位大致一致的至少2個(gè)以上的晶粒的集合體。
(4)在上述(3)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述晶粒的結(jié)晶學(xué)方位，至少利用通過(guò)透射電子顯微鏡的晶格像觀察或通過(guò)電子射線(xiàn)后方散射衍射的衍射圖形觀察來(lái)識(shí)別。
(5)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，在與所述半導(dǎo)體薄膜的襯底垂直的方向的平均膜厚為10nm以上和100nm以下。
(6)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜至少包含Si或Ge或Si與Ge的混合物中的任一種。
(7)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶沿相對(duì)于所述襯底的表面大致平行的方向(111)優(yōu)先取向。
(8)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶沿相對(duì)于所述襯底的表面大致平行的方向(111)優(yōu)先取向，并且所述簇結(jié)晶的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比為5以上。
(9)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜的表面凹凸(Rmax)為30nm以下。
(10)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜的表面凹凸的標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMS)為10nm以下。
(11)在上述(1)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜的平均電子遷移率為200cm2/V·S以上。
(12)一種薄膜晶體管，配有在襯底上層疊設(shè)置的半導(dǎo)體薄膜、溝道區(qū)域、絕緣膜、柵電極、源電極、漏電極，其特征在于，所述源電極與所述漏電極分別與夾置所述半導(dǎo)體薄膜的至少一部分區(qū)域中的所述溝道區(qū)域來(lái)設(shè)置的源區(qū)和漏區(qū)連接，并且所述半導(dǎo)體薄膜的至少一部分中存在沿著相對(duì)于所述襯底面大致平行的方向(111)優(yōu)先取向的至少2個(gè)以上的晶粒集合的簇結(jié)晶。
(13)在上述(12)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述溝道區(qū)域中的所述半導(dǎo)體薄膜的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比至少比所述源區(qū)和所述漏區(qū)中的所述半導(dǎo)體薄膜的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比大。
(14)在上述(13)中的薄膜晶體管，其特征在于，所述溝道區(qū)域中的所述半導(dǎo)體薄膜的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比為10以上。
(15)一種薄膜晶體管的制造方法，包括在襯底上成膜非晶半導(dǎo)體薄膜的工序，和對(duì)該非晶半導(dǎo)體薄膜照射激光并且加熱的工序，其特征在于，通過(guò)多次照射所述激光，使所述非晶半導(dǎo)體薄膜的至少一部分區(qū)域簇結(jié)晶化。
以下，利用附圖具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是說(shuō)明本實(shí)施例的多晶硅薄膜的形成工序的工序概略圖。其中，示例了硅薄膜的情況，但即使是鍺薄膜或硅-鍺化合物薄膜也同樣可以使用。
首先，作為一例，以科爾尼7059玻璃作為襯底，用眾所周知的等離子體CVD法在該玻璃襯底上形成氮化硅膜(膜厚50nm)。然后，同樣用等離子體CVD法在其上成膜氧化硅膜(膜厚100nm)。并且，用等離子體CVD法成膜非晶硅膜(膜厚50nm)。
接著，在例如450℃的爐體中，在30分鐘內(nèi)，退火處理上述襯底上的薄膜，對(duì)包含于非晶硅膜中的氫進(jìn)行脫氫處理。
然后，用例如XeCl激光(波長(zhǎng)308nm)，對(duì)已進(jìn)行上述脫氫處理的非晶硅膜進(jìn)行激光結(jié)晶化處理。本實(shí)施例中，激光的能量密度為300～500mJ/cm2。
本實(shí)施例中，對(duì)于非晶硅膜的同一部位，多次照射激光，使非晶硅膜結(jié)晶。其中，作為多次照射的方法，在照射1次激光之后，按預(yù)定間隔用激光在非晶硅膜上掃描，然后重復(fù)進(jìn)行激光照射的步驟。通過(guò)這樣的反復(fù)激光照射和預(yù)定間隔的掃描，對(duì)非晶硅膜的同一部位實(shí)際上照射多次激光。
按照其目的來(lái)適當(dāng)選擇激光的照射次數(shù)、激光束寬度、激光掃描寬度等。例如，如果激光束寬度為600μm，其掃描寬度為30μm，那么照射非晶硅膜同一部位的激光的照射次數(shù)為20次。
圖2表示激光照射次數(shù)在1～20次的范圍內(nèi)變化，激光能量密度在300～500mJ/cm2的范圍內(nèi)變化而進(jìn)行非晶硅膜結(jié)晶的結(jié)果。橫軸表示激光照射次數(shù)，縱軸是激光照射預(yù)定次數(shù)的區(qū)域的平均晶粒粒徑。
作為一例，上述結(jié)晶粒徑的測(cè)定采用眾所周知的掃描電子顯微鏡觀察，基于其顯微鏡照片，測(cè)定晶粒的長(zhǎng)軸和短軸，將其平均值定義為該晶粒的粒徑。
在用掃描電子顯微鏡計(jì)算結(jié)晶粒徑的情況下，為了明確地識(shí)別各個(gè)晶粒的結(jié)晶粒界，預(yù)先用氫氟酸水溶液處理結(jié)晶化的多晶硅膜的表面。作為平均晶粒粒徑，全面觀察10μm×10μm范圍內(nèi)的晶粒，測(cè)定各個(gè)晶粒的粒徑，將其平均值定義為該激光照射條件中的平均晶粒粒徑。
由圖2可知，在用300mJ/cm2的能量密度照射激光的情況下，僅照射1次激光時(shí)的平均晶粒粒徑約為150nm，而在照射20次時(shí)的平均晶粒粒徑約為450nm，由此可知伴隨激光照射次數(shù)的增加，平均晶粒粒徑顯著增大。這種趨勢(shì)即使在400mJ/cm2或500mJ/cm2的激光能量密度中也同樣。
其中，應(yīng)該注意到，激光的能量密度為500mJ/cm2、照射次數(shù)為1次時(shí)的平均晶粒粒徑約為450nm，其粒徑與例如在激光的能量密度為300mJ/cm2、照射次數(shù)為20次時(shí)的平均晶粒粒徑大致相同。
即意味著對(duì)于非晶硅膜，如果照射具有某一程度大小的能量密度的激光，那么就形成具有對(duì)應(yīng)其的大小的晶粒粒徑的硅結(jié)晶，即使是具有比其小的能量密度的激光，如果多次照射該激光，也可生長(zhǎng)相同程度大小的晶粒。
但是，即使是相同程度大小的晶粒，如后述那樣，其晶粒展示的結(jié)晶學(xué)性質(zhì)和物理、電氣性質(zhì)也大不相同。
對(duì)于用上述條件制作的結(jié)晶硅膜，用眾所周知的AFM法評(píng)價(jià)其表面凹凸，其結(jié)果如圖3所示。
橫軸是激光的照射次數(shù)，在1～20次的范圍內(nèi)變化。作為參數(shù)，激光能量密度在300～500mJ/cm2的范圍內(nèi)變化。在按各條件作成的各試驗(yàn)料的任意點(diǎn)中的20μm×20μm的范圍，測(cè)定結(jié)晶薄膜的表面形狀。該測(cè)定范圍中最大高低差為Rmax，將其作為凹凸的指標(biāo)，在縱軸上示出。
結(jié)果，在按300mJ/cm2的能量密度照射激光時(shí)，1次激光照射的Rmax約為20nm，該值與激光照射次數(shù)幾乎沒(méi)有依存關(guān)系。此外判明在激光能量密度變?yōu)?00mJ/cm2或500mJ/cm2時(shí)，表面凹凸的絕對(duì)值增加，但與激光照射次數(shù)仍幾乎沒(méi)有依存關(guān)系。
例如照射具有400mJ/cm2的能量密度的激光時(shí)，1次照射的Rmax約為50nm左右，但20次照射的Rmax約為45nm左右。再有，在500mJ/cm2的能量密度時(shí)，1次激光照射的Rmax約為70nm左右，即使20次照射，Rmax也就為65nm左右。
綜合考慮上述圖2所示的平均晶粒粒徑和圖3所示的表面凹凸(Rmax)的結(jié)果，可明確如下事實(shí)。
即，在對(duì)非晶硅膜照射激光進(jìn)行結(jié)晶化時(shí)，隨著激光的照射次數(shù)增加，平均晶粒粒徑顯著增加，但其表面凹凸(Rmax)幾乎沒(méi)有變化，特別是表面凹凸(Rmax)，即使其后進(jìn)行多次激光照射，也保存在最初的激光照射下形成的表面凹凸(Rmax)。
本實(shí)施例中，比較用300mJ/cm2的能量密度照射20次激光的情況與用500mJ/cm2的能量密度僅照射1次激光的情況，在任一情況下，平均晶粒粒徑均為450nm左右，但表面凹凸(Rmax)顯著不同，前者的照射條件的Rmax約為18nm，在后者的照射條件下，Rmax約為65nm。
換言之，可以判明在對(duì)非晶硅膜照射激光，使表面凹凸(Rmax)保持原來(lái)較小、僅增大激光照射區(qū)域的平均晶粒粒徑的情況下，多次照射具有較低能量密度的激光是非常有效的。
下面，從形成的多晶硅結(jié)晶表面形狀的觀點(diǎn)來(lái)討論激光能量密度與照射次數(shù)的關(guān)系。圖4A和B是激光能量密度為300mJ/cm2的情況，圖5A和B是激光能量密度為500mJ/cm2的情況。此外，圖4A和5A是激光照射次數(shù)為1次的情況，而圖4B和5B是激光照射次數(shù)為20次的情況。
由該結(jié)果可知，在用300mJ/cm2的能量密度進(jìn)行1次激光照射的情況下，多數(shù)形成較小的晶粒(圖4A)，通過(guò)用相同能量密度進(jìn)行多次激光照射，以較小的晶粒作為多個(gè)集合，形成一個(gè)大的簇(cluster)結(jié)晶(圖4B)。但是，在用500mJ/cm2的能量密度進(jìn)行1次激光照射的情況下，晶粒形成較大，未確認(rèn)出是上述圖4B所示的較小晶粒的集合的痕跡(圖5A)。并且，通過(guò)反復(fù)進(jìn)行激光照射，部分生長(zhǎng)成簇結(jié)晶(圖5B)。
由上述SEM觀察的表面形狀結(jié)果可知，通過(guò)多次照射能量密度比較小的激光，本來(lái)具有較小表面突起的晶粒，僅集合原樣保持表面突起大小的晶粒，形成較大的結(jié)晶，即簇結(jié)晶。
下面，在圖6中示出上述激光照射區(qū)域的用X射線(xiàn)衍射法測(cè)定的結(jié)果。該例中，是用300mJ/cm2的能量密度進(jìn)行20次激光照射，進(jìn)行非晶硅膜的結(jié)晶化的情況。
結(jié)果，在因激光照射而結(jié)晶生長(zhǎng)的區(qū)域中，觀察到表示(111)晶面和(220)晶面的清晰的峰。
其中，作為表示從非晶質(zhì)到結(jié)晶生成的程度的指數(shù)，將(111)晶面的衍射強(qiáng)度與(220)晶面的衍射強(qiáng)度之比((111)/(220)衍射強(qiáng)度比)定義為結(jié)晶取向率。
一般地，多晶硅膜完全隨機(jī)取向時(shí)的結(jié)晶取向率約為1.8。該值越是變大，越是可稱(chēng)為沿(111)結(jié)晶面取向一致的結(jié)晶。
圖7表示激光照射條件(能量密度和照射次數(shù))與結(jié)晶取向率的關(guān)系。
由該圖可知，例如用300mJ/cm2的能量密度進(jìn)行1次激光照射的情況下，表示作為(111)/(220)強(qiáng)度比的結(jié)晶取向率接近隨機(jī)取向的值。隨著激光照射次數(shù)的增加，(111)結(jié)晶取向率開(kāi)始顯著增大。該傾向與具有其它能量密度的激光的情況同樣。
但是，特別應(yīng)該提到，比起僅照射1次與300mJ/cm2相比具有較大能量密度的激光，例如具有400mJ/cm2或500mJ/cm2的能量密度的激光的情況，在照射20次具有300mJ/cm2的能量密度的激光的情況下，結(jié)晶取向率變大。換言之，可實(shí)現(xiàn)更高的(111)取向性。
在本實(shí)施例的激光照射次數(shù)為20次時(shí)，相對(duì)于激光的能量密度300mJ/cm2、400mJ/cm2、500mJ/cm2，結(jié)晶取向率分別示出為6、10、12的較大值。
其理由是，如關(guān)于前述圖2中激光照射條件與晶粒粒徑的關(guān)系的說(shuō)明，在用對(duì)非晶硅膜照射激光的方法促進(jìn)結(jié)晶生成的情況下，多次激光照射的作用被認(rèn)為是通過(guò)激光照射形成的各個(gè)晶粒進(jìn)一步地集合同時(shí)反復(fù)生長(zhǎng)，在該過(guò)程中還使沿(111)晶面的結(jié)晶方向一致地連續(xù)生成，結(jié)果顯示出極好的結(jié)晶取向性。
如上所述，作為確認(rèn)通過(guò)多次激光照射使晶粒集合，形成一個(gè)簇結(jié)晶的方法，采用眾所周知的透射電子顯微鏡的晶格像的觀察是有效的。
圖8表示20次照射具有300mJ/cm2的能量密度的激光時(shí)的多晶硅膜中，晶粒集合的邊界部分的剖面透射電子顯微鏡照片。作為晶粒集合的簇結(jié)晶的大小約為500nm。由該圖可知，在上述邊界部分中，晶粒A和晶粒B在結(jié)晶學(xué)上的方位接近相同。
換言之，通過(guò)多次照射具有預(yù)定能量密度的激光，集合至少2個(gè)以上的晶粒的簇結(jié)晶，實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為具有與單一結(jié)晶同等的性質(zhì)。
雖然通過(guò)圖8中的透射電子顯微鏡照片來(lái)展示了評(píng)價(jià)結(jié)果，但采用可評(píng)價(jià)結(jié)晶性的其它方法也可獲得相同的評(píng)價(jià)結(jié)果。
圖9是采用眾所周知的電子射線(xiàn)后方散射衍射法評(píng)價(jià)進(jìn)行激光照射的多晶硅膜結(jié)晶學(xué)方位的實(shí)例。
電子射線(xiàn)后方散射衍射法通過(guò)用100nm程度的聚焦電子射線(xiàn)照射測(cè)定目標(biāo)，檢測(cè)來(lái)自測(cè)定目標(biāo)的衍射射線(xiàn)，來(lái)確定測(cè)定目標(biāo)的結(jié)晶學(xué)方位。特別是由于照射的電子射線(xiàn)的直徑為100nm左右，因而可分析結(jié)晶表面的各晶粒的結(jié)晶方位。
圖9中模式地示出在與前面的圖4B所示情況大致相同的區(qū)域中用電子射線(xiàn)后方散射衍射進(jìn)行測(cè)定的結(jié)果。圖中，用粗線(xiàn)包圍的區(qū)域是簇結(jié)晶(圖中，用簇結(jié)晶A、簇結(jié)晶B等表示)，展示在簇結(jié)晶內(nèi)部多個(gè)小粒徑的結(jié)晶(圖中，用a1、a2等表示)集合的狀態(tài)。在簇結(jié)晶內(nèi)部用細(xì)線(xiàn)表示的部分表示鄰接的晶粒邊界區(qū)域。
用電子射線(xiàn)后方散射衍射法詳細(xì)調(diào)查上述的晶粒，用相同的記號(hào)在圖中識(shí)別地表示結(jié)晶方位相同的部分。結(jié)果，由具有各種結(jié)晶方位的簇結(jié)晶構(gòu)成多晶硅膜，構(gòu)成一個(gè)簇結(jié)晶的各個(gè)晶粒示出全都相同的方位，雖然粒界存在，但判明簇結(jié)晶本身實(shí)質(zhì)上具有與單一結(jié)晶相同的性質(zhì)。
如以上所述，對(duì)非晶硅膜多次照射激光，可抑制鄰接的晶粒邊界的突起發(fā)生，并且可生長(zhǎng)作為結(jié)晶方位一致的晶粒的集合體的大尺寸的簇結(jié)晶。
在本實(shí)施例中，采用科爾尼7059玻璃作為襯底，但并不限于此，還可采用石英或PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇)等的透明襯底。此外，在上述本實(shí)施例中，在用等離子體CVD法成膜非晶硅膜之后，通過(guò)在環(huán)境溫度為450℃的爐體中進(jìn)行退火，對(duì)包含于該膜中的氫進(jìn)行脫氫處理，但該非晶硅膜的形成方法也可以是LPCVD法(低壓化學(xué)氣相淀積法)或?yàn)R射法、蒸鍍法等。
此外，薄膜材料不限于硅，也可以是至少包含硅或鍺的混合物。結(jié)晶方法也不限于本實(shí)施例中所述的XeCl激光(波長(zhǎng)308nm)，即使作為受激準(zhǔn)分子激光器的KrF激光(波長(zhǎng)248nm)或YAG激光、Ar激光等也可以。
下面，作為其它實(shí)施例，說(shuō)明采用上述多晶硅膜的薄膜晶體管。
圖10是展示薄膜晶體管概要的剖面圖，由玻璃襯底11上的第一基底層12、第二基底層13、半導(dǎo)體硅層14、絕緣層15、電極層16、絕緣層17、接觸孔18、電極19的層疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成。
首先，在科爾尼7059玻璃襯底11上，用眾所周知的等離子體CVD法形成作為第一基底層的氮化硅膜12(膜厚50nm)。然后，同樣用等離子體CVD法在其上成膜作為第二基底層的氧化硅膜13(膜厚100nm)。并且，用等離子體CVD法成膜非晶硅膜14(膜厚50nm)。玻璃襯底也可以是石英或PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇)等的透明襯底。此外，也可用LPCVD法(低壓化學(xué)氣相淀積法)或?yàn)R射法或蒸鍍法等形成非晶硅膜14。
接著，在450℃的爐體中對(duì)形成非晶硅膜14的玻璃襯底11進(jìn)行30分鐘的退火處理，進(jìn)行非晶硅膜14的脫氫處理。在該爐體中的環(huán)境氣氛為氮?dú)夥障逻M(jìn)行。
然后，用XeCl激光(波長(zhǎng)308nm，脈沖寬度20nsec)，對(duì)上述非晶硅膜14進(jìn)行結(jié)晶化。激光的種類(lèi)即使是作為受激準(zhǔn)分子激光器的KrF激光(波長(zhǎng)248nm)、YAG激光、Ar激光等也可以。結(jié)晶化的條件，在激光的能量密度為300～500mJ/cm2的范圍，照射次數(shù)為1～20次的范圍下進(jìn)行。并且，激光照射環(huán)境氣氛是在真空中，但即使是在氮?dú)鈿夥障聦?shí)施也可獲得同樣的結(jié)果。
隨后，用眾所周知的光刻法在多晶硅膜22上形成預(yù)定的圖形。然后，繼續(xù)用例如等離子體CVD法，形成由SiO2構(gòu)成的絕緣膜15，覆蓋構(gòu)圖的多晶硅膜22。本實(shí)施例中，SiO2絕緣膜15的膜厚為100nm。
接著，用眾所周知的濺射法形成作為柵電極的電極層16。其中，用TiW(膜厚200nm)作為電極層16。
在用光刻法將該電極層16加工成預(yù)定圖形之后，以該電極層16作掩模，對(duì)上述多晶硅膜22進(jìn)行離子注入，形成溝道區(qū)22a、源區(qū)22b、漏區(qū)22b。在形成N型半導(dǎo)體的情況下，注入作為N型雜質(zhì)的磷，而在形成P型半導(dǎo)體的情況下，作為P型雜質(zhì)，注入硼。
為恢復(fù)在多晶硅層22中存在的離子注入時(shí)的損傷，可用RTA(快速加熱退火)法進(jìn)行激活退火。損傷層的激活退火即使是用爐體的退火處理也可以。
然后，再用等離子體CVD法形成覆蓋電極層16的SiO2絕緣膜17(膜厚500nm)。接著，形成用于確保在絕緣層17的預(yù)定位置上源區(qū)22b和漏區(qū)22b電連接的接觸孔18，并形成埋入接觸孔18內(nèi)且對(duì)應(yīng)于源區(qū)22b和漏區(qū)22b的電極層19(材質(zhì)為T(mén)iW/Al多層膜)。
最后，在氫氣中400℃下實(shí)施60分鐘的退火處理，完成利用多晶硅膜的薄膜晶體管。
圖11是表示用上述方法制作的薄膜晶體管的電子遷移率特性和非晶硅膜的結(jié)晶化條件(激光能量密度、照射次數(shù))的關(guān)系圖。圖中，考慮薄膜晶體管的特性測(cè)定中的可靠性，對(duì)于各條件進(jìn)行50點(diǎn)測(cè)定，同時(shí)記錄該特性的平均值和偏差。
由圖11可知，電子遷移率的平均值有隨激光照射次數(shù)增加而顯著增加的傾向，即使激光能量密度變化該傾向也是同樣的結(jié)果。
特別應(yīng)該指出的是，在用于非晶硅膜結(jié)晶化的激光能量密度較小時(shí)，例如，即使為300mJ/cm2，通過(guò)增加激光照射次數(shù)，也可實(shí)現(xiàn)與增大激光能量密度時(shí)(500mJ/cm2)大致相同的電子遷移率，并且可知其特性偏差可同時(shí)降低。
另一方面，照射20次激光進(jìn)行結(jié)晶化的薄膜晶體管在通常的驅(qū)動(dòng)條件下操作之后，薄膜晶體管的特性變動(dòng)，例如閾值電壓值的增加在結(jié)晶化時(shí)的激光能量密度越大時(shí)越顯著，判明作為薄膜晶體管的功能低下。其原因認(rèn)為是在電子行進(jìn)的溝道層22a中，在鄰接的晶粒邊界部分中形成的突起大小在照射能量密度越高時(shí)越顯著(參照?qǐng)D3)，該突起有對(duì)于覆蓋溝道層22a形成的柵絕緣膜13來(lái)說(shuō)損害其絕緣特性的作用。
因此，由上述結(jié)果判明用多晶硅膜作為薄膜晶體管，為了實(shí)現(xiàn)發(fā)揮大的電子遷移率的特性，并且其可靠性也優(yōu)秀的元件，將用于結(jié)晶化的激光能量密度減低至適當(dāng)值，反復(fù)該照射是非常重要的。
通過(guò)將上述知識(shí)用于有源矩陣型液晶顯示裝置中的驅(qū)動(dòng)電路等，可提供能實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的優(yōu)異顯示特性的液晶顯示裝置。
盡管已展示和描述了按照本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，但應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，可容易地對(duì)所公開(kāi)的實(shí)施例進(jìn)行變更和修改。因此，我們并不想通過(guò)說(shuō)明書(shū)的詳細(xì)展示和描述來(lái)界定，而是要覆蓋落入所附書(shū)范圍內(nèi)的所有的這些變更和修改。
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管，是在襯底上設(shè)置的半導(dǎo)體薄膜，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜由多個(gè)晶粒構(gòu)成，并且至少2個(gè)以上的所述晶粒集合的簇結(jié)晶至少存在于其一部分內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶至少集合2個(gè)以上的粒徑為500nm以下的晶粒。
3.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶是結(jié)晶學(xué)方位大致一致的至少2個(gè)以上的晶粒的集合體。
4.如權(quán)利要求3的薄膜晶體管，其特征在于，所述晶粒的結(jié)晶學(xué)方位，至少利用通過(guò)透射電子顯微鏡的晶格像觀察或通過(guò)電子射線(xiàn)后方散射衍射的衍射圖形觀察來(lái)識(shí)別。
5.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，在與所述半導(dǎo)體薄膜的襯底垂直的方向的平均膜厚為10nm以上和100nm以下。
6.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜至少包含Si或Ge或Si與Ge的混合物中的任一種。
7.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶沿相對(duì)于所述襯底的表面大致平行的方向(111)優(yōu)先取向。
8.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述簇結(jié)晶沿相對(duì)于所述襯底的表面大致平行的方向(111)優(yōu)先取向，并且所述簇結(jié)晶的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比為5以上。
9.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜的表面凹凸(Rmax)為30nm以下。
10.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜的表面凹凸的標(biāo)準(zhǔn)偏差(RMS)為10nm以下。
11.如權(quán)利要求1的薄膜晶體管，其特征在于，所述半導(dǎo)體薄膜的平均電子遷移率為200cm2/V·S以上。
12.一種薄膜晶體管，配有在襯底上層疊設(shè)置的半導(dǎo)體薄膜、溝道區(qū)域、絕緣膜、柵電極、源電極、漏電極，其特征在于，所述源電極與所述漏電極分別與在所述半導(dǎo)體薄膜的至少一部分區(qū)域中夾著所述溝道區(qū)域設(shè)置的源區(qū)和漏區(qū)連接，并且在所述半導(dǎo)體薄膜的至少一部分中存在沿著相對(duì)于所述襯底的面大致平行的方向(111)優(yōu)先取向的至少2個(gè)以上的晶粒集合的簇結(jié)晶。
13.如權(quán)利要求12的薄膜晶體管，其特征在于，所述溝道區(qū)域中的所述半導(dǎo)體薄膜的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比至少比所述源區(qū)和所述漏區(qū)中的所述半導(dǎo)體薄膜的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比大。
14.如權(quán)利要求13的薄膜晶體管，其特征在于，所述溝道區(qū)域中的所述半導(dǎo)體薄膜的(111)晶面相對(duì)于(220)晶面的X射線(xiàn)衍射強(qiáng)度比為10以上。
15.一種薄膜晶體管的制造方法，包括在襯底上成膜非晶半導(dǎo)體薄膜的工序，和對(duì)該非晶半導(dǎo)體薄膜照射激光并加熱的工序，其特征在于，通過(guò)多次照射所述激光，使所述非晶半導(dǎo)體薄膜的至少一部分區(qū)域簇結(jié)晶化。
全文摘要
一種多晶硅薄膜晶體管,通過(guò)對(duì)非晶硅膜多次照射激光,實(shí)現(xiàn)由多個(gè)晶粒構(gòu)成,通過(guò)抑制鄰接晶粒的邊界部分中突起的發(fā)生,成為至少2個(gè)以上的晶粒集合體,在該多晶硅薄膜晶體管的至少一部分中存在(111)優(yōu)先取向的簇結(jié)晶;可達(dá)到200cm
文檔編號(hào)H01L21/336GK1357925SQ0114070
公開(kāi)日2002年7月10日 申請(qǐng)日期2001年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月6日
發(fā)明者田村太久夫, 尾形潔, 高原洋一, 堀越和彥, 山口裕功, 大倉(cāng)理, 阿部廣伸, 齋藤雅和, 木村嘉伸, 糸賀敏彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社日立制作所