專利名稱：用于電子光學(xué)器件的半導(dǎo)體電路及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件，特別涉及用于電子光學(xué)器件的薄膜晶體管及其制造方法。更具體地講，本發(fā)明涉及用于電子光學(xué)器件的具有多個(gè)薄膜晶體管(TFT)的半導(dǎo)體電路。一種根據(jù)本發(fā)明的TFT被形成在由玻璃等制成的絕緣襯底上，或形成在由單晶硅等制成的半導(dǎo)體襯底上。本發(fā)明特別涉及具有低速工作的矩陣電路，如驅(qū)動(dòng)單片有源矩陣電路(用于液晶顯示器件等)及驅(qū)動(dòng)它的高速工作的外圍電路。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，已研究使用在一玻璃或石英制成的襯底上的半導(dǎo)體薄膜(薄膜晶體管(TFT))來(lái)形成晶體管的技術(shù)。特別是已將采用非晶硅做為半導(dǎo)體薄膜的技術(shù)投入實(shí)用，并用于有源矩陣型液晶顯示器件等。
然而，采用非晶硅的TFT有一個(gè)問(wèn)題，就是其特性差。例如，采用非晶硅膜的TFT的特性太低以致不能為有源矩陣型液晶顯示器件提供高顯示性能。
采用使非晶硅膜結(jié)晶化所得到的結(jié)晶硅膜來(lái)形成TFT的技術(shù)是公知的，它是在形成非晶硅膜之后，通過(guò)加熱處理或激光輻照，使非晶硅膜轉(zhuǎn)變成結(jié)晶硅膜。一般來(lái)說(shuō)，結(jié)晶硅膜具有多晶結(jié)構(gòu)或微晶結(jié)構(gòu)。由結(jié)晶硅膜所形成的TFT能提供比由非晶硅膜所形成的TFT高的特性。就遷移率而言，是評(píng)價(jià)TFT特性的一個(gè)參數(shù)，采用非晶硅膜的TFT的遷移率為1-2cm2/V·S以下，而采用結(jié)晶硅膜的TFT的遷移率可在100cm2/V·S以上。
然而，結(jié)晶硅膜具有多晶結(jié)構(gòu)，所以它有由晶粒邊界所引起的問(wèn)題。例如，由于有通過(guò)晶界運(yùn)動(dòng)的載流子存在，這種嚴(yán)重的缺點(diǎn)反映到TFT的耐壓上。而且，當(dāng)TFT高速工作時(shí)，其特性會(huì)變化或退化。此外，當(dāng)TFT關(guān)斷時(shí)，因有通過(guò)晶界運(yùn)動(dòng)的載流子的存在，會(huì)增加其漏電流。
為了形成高集成化的有源矩陣型液晶顯示器件，人們期望在單一玻璃襯底上不僅形成像素區(qū)而且形成外圍電路。在此情況下，因要驅(qū)動(dòng)以矩陣形式所設(shè)置的數(shù)十萬(wàn)個(gè)像素晶體管，在外圍電路中所設(shè)置的TFT必須有控制大電流的能力。
為了提供有控制大電流能力的TFT，必須采用具有大溝道寬度的結(jié)構(gòu)。然而，采用多晶硅膜或微晶硅膜的TFT，因?yàn)槟蛪簡(jiǎn)栴}，即使具有寬的溝道寬度，也是不實(shí)用的。而且，從其它觀點(diǎn)上講，如從閾值的巨大起伏上看也是不實(shí)際的。
另外，已對(duì)在絕緣襯底上薄膜形式的具有有源層(亦稱有源區(qū))的絕緣型半導(dǎo)體器件進(jìn)行了研究。具體來(lái)講，對(duì)薄膜形式的絕緣型晶體管，即所謂的薄膜晶體管(TFT)的研究是有效的。它們是在透明絕緣襯底上形成的，并用于顯示器件如具有矩陣結(jié)構(gòu)的液晶顯示器件中的像素和驅(qū)動(dòng)電路。
形成TFT的半導(dǎo)體薄膜包括非晶硅半導(dǎo)體及借助加熱和激光輻照使非晶硅半導(dǎo)體結(jié)晶化所獲得的結(jié)晶硅。采用這類非晶硅薄膜和結(jié)晶硅薄膜的TFT被分別稱為非晶硅TFT和結(jié)晶硅TFT。由于非晶半導(dǎo)體的電場(chǎng)遷移率一般是低的，這樣半導(dǎo)體不能用于必須高速工作的TFT。為了制造高性能的電路，對(duì)結(jié)晶硅TFT的研究是有效的。
由于結(jié)晶半導(dǎo)體的電場(chǎng)遷移率比非晶半導(dǎo)體的高，結(jié)晶半導(dǎo)體可以在高速工作。因?yàn)橛山Y(jié)晶硅不僅可獲得NMOS，TFT而且還可獲得PMOS TFT，由結(jié)晶硅則能形成CMOS電路。在有源矩陣型液晶顯示器件領(lǐng)域內(nèi)，具有所謂的單片結(jié)構(gòu)的器件是公知的，在單片上采用CMOS結(jié)晶TFT不僅形成有源矩陣電路部分而且還形成外圍電路(驅(qū)動(dòng)器等)。
圖10表示液晶顯示器件中所用的一個(gè)單片式有源矩陣電路。在一塊襯底7上形成一個(gè)列譯碼器1和一個(gè)行譯碼器2，它們作為外圍驅(qū)動(dòng)電路，在設(shè)有矩陣形式的大量像素的矩陣區(qū)5內(nèi)形成包括晶體管和電容器的大量的像素電路，并通過(guò)布線5和6使矩陣區(qū)與外圍電路相互連接。用于外圍電路的TFT必須能以高速工作，而用于像素電路的TFT必須具有低的漏電流。具有這些相互矛盾的特性的器件必須同時(shí)形成在同一個(gè)襯底上。
然而，經(jīng)相同的工藝所制造的TFT都具有相似的特性。雖然通過(guò)激光(激光退火)結(jié)晶化能獲得結(jié)晶硅，若將經(jīng)激光結(jié)晶化所獲得的結(jié)晶硅用于矩陣區(qū)和外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)的TFT，則TFT會(huì)有相似的特性。其結(jié)果，將難以達(dá)到像素電路所需的低漏電流特性和外圍驅(qū)動(dòng)電路所需的高遷移率特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種TFT，它不受晶界的不利影響、具有高的耐壓、有控制大電流的能力、并具有與采用單晶半導(dǎo)體的TFT相似的退化小、起伏小的特性。
根據(jù)本說(shuō)明書所公開的本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種采用在具有絕緣表面的襯底上所形成的半導(dǎo)體薄膜的半導(dǎo)體器件，其中的半導(dǎo)體薄膜為結(jié)晶的并包括氫或鹵族元素，在形成半導(dǎo)體器件有源層的半導(dǎo)體薄膜內(nèi)無(wú)晶界存在。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種采用在具有絕緣表面的襯底上所形成的半導(dǎo)體薄膜的半導(dǎo)體器件，其中的半導(dǎo)體薄膜是結(jié)晶的，形成半導(dǎo)體有源層的半導(dǎo)體薄膜沒(méi)有晶粒邊界，并包括中和點(diǎn)缺陷的濃度為1×1015-1×1020cm-3的氫和鹵族元素。
一般，在由熔融硅所制成的單晶硅片中所存在的點(diǎn)缺陷等于或小于測(cè)量限度(1×1016cm-3)。在此意義上講，像本說(shuō)明書所公開的設(shè)有晶界(單疇區(qū))這樣的薄膜不同于常規(guī)的單晶半導(dǎo)體片。本說(shuō)明書所公開的薄膜硅半導(dǎo)體包括濃度為1×1016-5×1018cm-3的碳及氮原子和濃度為1×1017-5×1019cm-3的氧原子。
本說(shuō)明書所公開的半導(dǎo)體薄膜厚度為200-2000。這是因?yàn)樵摪雽?dǎo)體是由通過(guò)等離子CVD或低壓熱CVD所形成的作為原始膜的薄非晶硅膜而得到的。待中和的點(diǎn)缺陷(懸空鍵)的存在也是這樣的結(jié)果，即原始膜是通過(guò)CVD所形成的薄膜硅半導(dǎo)體。
將促進(jìn)硅結(jié)晶化的金屬元素用于制造本說(shuō)明書所公開的薄膜硅半導(dǎo)體工藝是有益的。從Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Zn、Ag和Au中選出的一種和多種元素可用作這類金屬元素。這類元素侵入硅，并借助于加熱處理或激光輻照在硅膜內(nèi)擴(kuò)散。在上述元素中，Ni(鎳)是最有效的元素。
使這類金屬元素本身或包括該金屬元素的層形成與非晶硅膜的上表面或下表面接觸，然后在加熱它們時(shí)用激光輻照它們，而引入這類金屬元素。另一方法是在加熱處理后實(shí)施激光輻照。
上述促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素最終留在膜內(nèi)的濃度必須是1×1016-5×1019cm-3。其原因在于，若金屬元素的濃度高于此濃度范圍，所得到的器件功能受使半導(dǎo)體特性退化的不利影響，若金屬元素的濃度低于此濃度范圍，則達(dá)不到促進(jìn)結(jié)晶化的作用。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，其有源層是由一在具有絕緣表面的襯底上所形成的半導(dǎo)體薄膜形成的，其中的半導(dǎo)體薄膜是結(jié)晶的，其有源層具有源區(qū)、漏區(qū)及溝道形成區(qū)，在溝道形成區(qū)無(wú)晶粒邊界存在。
上述結(jié)構(gòu)，使溝道形成區(qū)形成為單疇區(qū)，至少在該溝道形成區(qū)無(wú)晶界存在，以提供具有良好特性的TFT。這是因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)消除了由于晶界存在所引起載流子散射和特性起伏退化。最好使包括源區(qū)和漏區(qū)的整個(gè)有源層形成為一個(gè)單疇區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件，其有源層是由在具有絕緣表面的襯底上所形成的半導(dǎo)體薄膜形成，其中的半導(dǎo)體薄膜是結(jié)晶的，其有源層具有源區(qū)、漏區(qū)及溝道形成區(qū)，在溝道形成區(qū)無(wú)晶界存在，溝道形成區(qū)的點(diǎn)缺陷為1×10-6cm-3以上。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種半導(dǎo)體器件的形成方法，包括以下各步驟在有絕緣表面的襯底上形成非晶硅膜，在450-750℃用激光或強(qiáng)光輻照該膜，形成結(jié)晶薄膜硅半導(dǎo)體，其螺旋密度1×1015-1×1019cm-3。通過(guò)在加熱時(shí)實(shí)施激光輻照，可有效地形成本說(shuō)明書所公開的單疇區(qū)。在此情況下，在450-750°，優(yōu)選為500-600℃用激光輻照樣片(形成單疇區(qū)的表面)是很重要的?？梢允褂闷渌愋偷膹?qiáng)光，如紅外光，替代激光。
當(dāng)按上述方法引入促進(jìn)硅結(jié)晶化的金屬元素時(shí)，在用激光輻照前，為引發(fā)結(jié)晶化或產(chǎn)生結(jié)晶核而實(shí)施加熱處理是很有效的。而且，在激光輻照后的加熱處理對(duì)減少膜中的缺陷是很有效的。在結(jié)晶化工藝之后，實(shí)施氫化處理，對(duì)中和缺陷也是有益的。通過(guò)在氫或含氫的氣氛中的加熱處理或等離子處理可完成此種氫化處理。
一個(gè)沒(méi)有晶界的區(qū)域可以被視為一個(gè)疇區(qū)(單疇)。利用可被視為單晶區(qū)的區(qū)域所形成的TFT被稱為單疇TFT。例如，采用如下的方法可以形成單晶區(qū)。首先在玻璃襯底或石英襯底上形成非晶硅膜，然后在非晶硅膜的表面上形成含鎳的膜。含鎳的膜可通過(guò)濺射或類似方法形成很薄的鎳膜來(lái)設(shè)置。此外可采用另一種方法，將含鎳的溶液添加到非晶硅膜的表面，以提供鎳元素與非晶硅膜表面相接觸。
在將鎳元素引入非晶硅膜之后，實(shí)施加熱處理，以使非晶硅膜結(jié)晶化。鎳元素的作用允許在750℃以下實(shí)施加熱處理。當(dāng)使用玻璃襯底時(shí)，對(duì)加熱處理的優(yōu)選溫度為600℃以下。若考慮到結(jié)晶工藝的效率，溫度優(yōu)選在500℃以上，最好在550°以上。當(dāng)使用石英襯底時(shí)，可以450℃以上實(shí)施這種加熱處理，以在短時(shí)間周期內(nèi)提結(jié)晶硅膜。在該處理中所得到的結(jié)晶硅膜是多晶或微晶態(tài)，并含有晶粒邊界。
然后，對(duì)已加熱至450℃以上的樣片實(shí)行激光輻照，以局部促進(jìn)被激光輻照區(qū)域的結(jié)晶化。經(jīng)此工藝所形成的區(qū)域可被視為單晶區(qū)。把待被激光輻照的樣片或表面加熱至450℃以上是很重要的。溫度優(yōu)選為450-750℃，若使用玻璃襯底，優(yōu)選為450-600℃。
另一種方法是在形成非晶硅膜之后，接著引入促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素，再實(shí)行激光輻照，形成可視為單晶區(qū)的區(qū)域。在此情況下，使樣片加熱至450-750℃，若使用玻璃襯底加熱至450-600℃(若襯底足夠堅(jiān)固加熱至750℃)仍為重要。
在450-600°(若襯底足夠堅(jiān)固為750℃)的激光輻照后的加熱處理對(duì)減少膜內(nèi)缺陷是很有效的。若連續(xù)重復(fù)進(jìn)行加熱處理、激光輻照、第二次加熱處理等是最有效的。
在激光輻照后在氫氣氛中實(shí)施加熱處理以中和膜內(nèi)的缺陷(懸空鍵)是很有效的。
可看作單晶區(qū)的區(qū)域是由通過(guò)等離子CVD或低壓熱CVD所形成的作為原始膜的硅膜得到的，并含有其濃度為1×1016-5×1018cm-3的碳和氫及濃度為1×1017-5×1019cm-3的氧。另外由于有自然的晶體缺陷，它們含有濃度為1×1017-5×1020cm-3的氮，以中和硅的懸空鍵。具體地講，可看作單晶區(qū)的區(qū)域之特征在于，它具有點(diǎn)缺陷，但沒(méi)有線缺陷，也沒(méi)有面缺陷。所含元素的濃度被規(guī)定為用SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)所測(cè)到的最小值。
圖5和圖6表示比較常規(guī)單晶MOS晶體管、多晶硅(P-Si)TFT非晶硅(a-Si)TFT及單疇TFT各種特性的表格。使用可看作單晶區(qū)的薄膜硅半導(dǎo)體區(qū)作為有源層，可獲得具有耐壓高、特性起伏和退化小的TFT。
此外，經(jīng)本發(fā)明人的研究揭示，如上所述，給實(shí)際上為非晶的硅膜添加很少量的金屬材料，會(huì)促進(jìn)結(jié)晶化，降低出現(xiàn)結(jié)晶化的溫度，縮短結(jié)晶化所需的時(shí)間。可以使用從Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag和Au或這些元素的化合物中選出一種或多種元素作催化劑。
確切地講，使含有這類金屬元素的膜、顆粒、原子團(tuán)等緊緊地與非晶硅接觸。另一辦法，是用某種方法，如離子注入法將這些催化劑引入到非晶硅膜內(nèi)。然后，經(jīng)在適正溫度，如550℃以下的溫度加熱處理約4小時(shí)，可完成結(jié)晶化。
一般，退火溫度越高，結(jié)晶化所需時(shí)間越短。而且，金屬元素的溫度愈高，則結(jié)晶化溫度愈低，結(jié)晶化所需時(shí)間愈短。經(jīng)本明人的研究揭示，至少一種元素的濃度必須是1×1016cm-3，以使結(jié)晶化在熱平衡下繼續(xù)進(jìn)行。研究結(jié)果還揭示，若濃度在1×1019cm-3以上，半導(dǎo)體材料的性能退化。具體地講，研究結(jié)果已揭示，促進(jìn)硅結(jié)晶化的金屬元素的濃度優(yōu)選在1×1016-5×1019cm-3。研究結(jié)果還揭示，在上述各元素中選用鎳是最有效的。雜質(zhì)濃度定義為用SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)所測(cè)到的最小值。
研究結(jié)果已揭示，按用激光輻照使非晶硅膜結(jié)晶化提供結(jié)晶硅膜的方法，在激光輻照過(guò)程中將樣片加熱至450℃以上，可獲得更大的晶粒尺度(單疇區(qū))的晶疇。單疇區(qū)具有可視為單晶的晶體結(jié)構(gòu)。
在單疇區(qū)內(nèi)無(wú)晶界。但與單晶硅片不同，在其內(nèi)有待中和的點(diǎn)缺陷。它含有用于中和點(diǎn)缺陷的濃度為1×1015-1×1020cm-3的氫或鹵族元素。
若將金屬元素如鎳引入到欲形成單疇區(qū)的原始膜，可獲得缺陷密度低的單疇區(qū)。和引入金屬元素所形成的單疇區(qū)所制造的TFT更高級(jí)的遷移率，可通過(guò)更高的導(dǎo)通電流。
本說(shuō)明書所公開的發(fā)明之特征在于，借助于如上所述的促進(jìn)硅結(jié)晶化的金屬元素的作用，可在同一襯底上有選擇地制造具有不同特征的TFT。具體地講，在形成非晶硅膜后，使含催化劑元素的材料有選擇地接觸或引入到一部分膜。此后，當(dāng)樣片被加熱至450-750℃，優(yōu)選450-600℃時(shí)用激光或與其等效的強(qiáng)光輻照膜的整個(gè)表面。另一辦法，使激光或與其等效的強(qiáng)光掃描通過(guò)整個(gè)表面，以便在同一襯底上形成具有不同電特性的單疇區(qū)。用選擇形成的單疇區(qū)，在所要求的區(qū)域內(nèi)形成具有所要求特性的TFT。
此外，可以通過(guò)選擇引入不同濃度的金屬元素形成具有不同電特性的單疇區(qū)，以此在同一襯底上形成具有不同特性的TFT。
如果在激光或強(qiáng)光輻照過(guò)程中考慮到玻璃襯底的耐熱性能，使樣片加熱到450-750℃或450-600℃是很重要的。
在用激光或強(qiáng)光輻照之前或之后實(shí)施加熱處理對(duì)形成單疇區(qū)均是有效的。在激光輻照前的加熱處理允許在激光輻照過(guò)程中晶體生長(zhǎng)的核的形成。在激光輻照后的加熱處理允許膜內(nèi)的缺陷被降低。若在激光輻照之前和之后均實(shí)行加熱處理，可兼得上述兩種效果。即，可達(dá)到晶核的形成及膜內(nèi)缺陷的減少。
根據(jù)本說(shuō)明書所公開的發(fā)明的一個(gè)方面，提供在一塊襯底上形成的單片有源矩陣電路，其中的至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)添加了促進(jìn)硅結(jié)晶化的濃度為1×1016-5×1019cm-3的金屬元素，矩陣區(qū)的TFT的有源區(qū)沒(méi)有添加金屬元素，而至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的溝道形成區(qū)和矩陣區(qū)的TFT的溝道形成區(qū)是由具有單疇結(jié)構(gòu)的硅半導(dǎo)體薄膜形成的。
在上述結(jié)構(gòu)中，“在一塊襯底上形成的單片有源矩陣電路”相應(yīng)于圖10中所示的結(jié)構(gòu)；“至少構(gòu)成外圍電路的部分TFT”相應(yīng)于圖10中的構(gòu)成外圍電路1和2的TFT；而“TFT的有源區(qū)”相應(yīng)于圖8C中所示的具有源區(qū)、漏區(qū)及溝道形成區(qū)的TFT的區(qū)域142和143。有源區(qū)可以包含偏移柵區(qū)和輕摻雜區(qū)。
“矩陣區(qū)”相應(yīng)于圖10中的區(qū)域3。將多個(gè)像素(通常有數(shù)百萬(wàn)個(gè)像素)以矩陣形式設(shè)置在此矩陣區(qū)內(nèi)?！皽系佬纬蓞^(qū)具有單疇結(jié)構(gòu)的硅半導(dǎo)體薄膜”相應(yīng)于圖8A-8E中所示的實(shí)施例。圖8A-8E中，各TFT的有源區(qū)141-143均形成在單疇區(qū)121-123內(nèi)。
在外圍驅(qū)動(dòng)電路中所設(shè)置的全體TFT不一定總是必須具有高遷移率、高速工作及通過(guò)大導(dǎo)通電流的能力。當(dāng)使用如圖13A或圖13B所示的倒相電路作為外圍電路時(shí)，因?yàn)镹溝道型TFT601和603起負(fù)載電阻作用，無(wú)需提供高遷移率、高速工作及通過(guò)大導(dǎo)通電流的結(jié)構(gòu)。
圖13A表示一種倒相器的基本結(jié)構(gòu)，其中使用一個(gè)耗盡型TFT，如N型TFT601作為負(fù)載及使用一個(gè)增強(qiáng)型TFT如N型TFT602。圖13B表示一種倒相器的基本結(jié)構(gòu)，其使用一個(gè)增強(qiáng)是型TFT如N型TFT603作為負(fù)載及使用一個(gè)增強(qiáng)型TFT如N型TFT602。在此情況下，TFT601和603的有源區(qū)不必由促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素形成。而且TFT601和603的有源區(qū)不必具有單疇結(jié)構(gòu)。所以，“至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT”相應(yīng)于圖13A和圖13B中的TFT602和604。
根據(jù)本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)，提供一種在一塊襯底上所形成的單片有源矩陣電路，其中至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)添加了促進(jìn)硅結(jié)晶化的濃度為1×1016-5×1019cm-3金屬元素；矩陣區(qū)的TFT的有源區(qū)沒(méi)有添加金屬元素；而至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)和矩陣區(qū)TFT的有源區(qū)是由具有單疇結(jié)構(gòu)的硅半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的。
根據(jù)本發(fā)明的另一結(jié)構(gòu)，提供在一塊襯底上形成的單片有源矩陣電路，其中的至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)添加了促進(jìn)硅結(jié)晶化的濃度為1×1016-5×1019cm-3的金屬元素；至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)中的金屬元素濃度不同于矩陣區(qū)中的TFT的有源區(qū)中的金屬元素濃度；而有源區(qū)具有單疇結(jié)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)的特征在于，所得到的單疇區(qū)的電學(xué)特性是受控制結(jié)晶化的金屬元素的添加(引入)量的變化控制的。
如上所述，外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)的TFT所需的特性不同矩陣區(qū)的TFT所需的特性。具體地講，在外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)中，即使?fàn)奚渌匦裕琓FT也必須提供高的遷移率，必須能通過(guò)大的導(dǎo)通電流及在高速下工作。另一方面，在矩陣區(qū)中，即使?fàn)奚渌匦?，TFT也必須具有低的截止電流。一般，一種允許大的導(dǎo)通電流通過(guò)的結(jié)構(gòu)，其截止電流也是大的。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，通過(guò)將大量的促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素引入到構(gòu)成在外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)所設(shè)置的TFT的半導(dǎo)體薄膜中，以改善結(jié)晶性，提供能通過(guò)大導(dǎo)通電流的TFT。
另一方面，將更少量的促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素引入到矩陣區(qū)內(nèi)，以便提供有源區(qū)結(jié)晶度低(缺陷密度相對(duì)高)的，但可使截止電流更小的TFT。
根據(jù)本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)，提供在一塊襯底上形成的單片有源矩陣電路，其中至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)添加了促進(jìn)硅結(jié)晶化的濃度為1×1016-5×1019cm-3的金屬元素；至少構(gòu)成外圍驅(qū)動(dòng)電路的一部分TFT的有源區(qū)中的金屬元素濃度高于矩陣區(qū)中的TFT有源區(qū)中的金屬元素濃度；而有源區(qū)具有單疇結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)，提供在一塊襯底上形成的單片有源矩陣電路，其中至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)添加了促進(jìn)硅結(jié)晶化的濃度為1×1016-5×1019cm-3的金屬元素；至少構(gòu)成外圍驅(qū)動(dòng)電路的一部分TFT的有源區(qū)中的金屬元素濃度不同于矩陣區(qū)中的TFT有源區(qū)中的金屬元素濃度；而有源區(qū)具有單疇結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)之特征在于，通過(guò)促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素的添加(引入)量的變化，可控制最終所得單疇區(qū)的電學(xué)特性。
根據(jù)本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)，提供在一塊襯底所形成的單片有源矩陣電路，其中至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)添加了促進(jìn)硅結(jié)晶化的濃度1×1016-5×1019cm-3的金屬元素；矩陣區(qū)的TFT的有源區(qū)沒(méi)有添加金屬元素；至少構(gòu)成外圍電路的一部分TFT的有源區(qū)具有單疇結(jié)構(gòu)；而矩陣區(qū)的TFT是結(jié)晶的。
上述結(jié)構(gòu)之特征在于，矩陣區(qū)的TFT是用激光輻照和加熱處理所得的結(jié)晶硅半導(dǎo)體薄膜形成的。因?yàn)榫仃噮^(qū)的TFT不要求具有高遷移率和高速工作，因而可由采用常規(guī)的結(jié)晶硅半導(dǎo)體膜的TFT構(gòu)成。
在同一襯底上可以同時(shí)形成具有相反特性，即低的截止電流和高的工作速度的晶體管的電路。對(duì)用于有源矩陣電路的像素電路等的低截止電流的TFT采用具有較少的促進(jìn)硅結(jié)晶化的金屬元素的區(qū)域，對(duì)用外圍驅(qū)動(dòng)電路等的高速TFT采用具有較多的金屬元素的區(qū)域。


圖1A-1D表示制造根據(jù)一實(shí)施例的薄膜晶體管(TFT)的步驟；圖2A和圖2B表示單疇的形狀和有源層；圖3A-3D表示根據(jù)一實(shí)施例的TFT結(jié)構(gòu)；圖4A和圖4B表示單疇的形狀和有源層；圖5是對(duì)單晶TFT和單疇TFT的比較表；圖6是對(duì)多晶TFT和非晶TFT的比較表；圖7表示硅半導(dǎo)體薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的照片；圖8A-8E表示根據(jù)一實(shí)施例的制造步驟；圖9A-8E表示根據(jù)一實(shí)施例的制造步驟；圖10表示一個(gè)單片有源矩陣電路的結(jié)構(gòu)實(shí)例；圖11A-11E表示根據(jù)一實(shí)施例的制造步驟；圖12A和圖12B表示有源層與TFT的單疇區(qū)之間的關(guān)系；以及圖13A和圖13B表示構(gòu)成外圍驅(qū)動(dòng)電路的例相電路的實(shí)例。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1在本實(shí)施例中，玻璃襯底的應(yīng)變點(diǎn)溫度為350-700℃。使用Corning 7059玻璃襯底，在等于或低于此玻璃襯底的應(yīng)變點(diǎn)溫度的溫度下制造薄膜晶體管(TFT)。Corning 7059玻璃襯底的應(yīng)變點(diǎn)為593℃，加熱處理不能選在高于此溫度的溫度，因?yàn)槟菚?huì)引起玻璃襯底的收縮和變形。特別是，當(dāng)使用大表面面積的玻璃襯底來(lái)形成大尺度的液晶顯示器件時(shí)，這種玻璃襯底的收縮和變形的影響是很明顯的。在本實(shí)施例中，在加熱處理過(guò)程中的最高溫被限制在600℃以下，最好在550℃以下，以減弱加熱對(duì)襯底的影響。
圖1A-1D表示根據(jù)本實(shí)施例的制造TFT的工藝步驟。通過(guò)濺射在Corning 7059玻璃襯底101上形成厚300氧化硅膜102作為基膜，然后通過(guò)等離子CVD或壓熱CVD形成厚至500的非晶硅膜。
在非晶硅膜形成后，在樣片被加熱至450-750℃(在此情況下為550℃)時(shí)用激光(KrF準(zhǔn)分子激光)輻照樣片，以形成單疇區(qū)103、104及105，可被看作單晶區(qū)，如圖1A所示。圖2A表示從上方所看到的圖1A所示的狀態(tài)。單疇區(qū)103-105在晶粒邊界100相互鄰接。圖2A雖然只表示了三個(gè)單疇區(qū)，實(shí)際上形成很多個(gè)單疇。一個(gè)單疇不限于圓形而可以是任一形狀。當(dāng)用像實(shí)施例的激光輻照樣片時(shí)，將樣片加熱至550℃之高的溫度，可以形成晶粒尺度為50μm以上的單疇(可視為單晶)區(qū)。
在上述工藝過(guò)程中，將促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素引入到非晶硅膜內(nèi)是有益的。其結(jié)果，可大面積地形成可被看作單晶區(qū)的區(qū)域。當(dāng)獲得了可被視為單晶區(qū)的區(qū)域103-105時(shí)，使用這些區(qū)經(jīng)刻圖形成TFT的有源層。最好在可視為單晶的區(qū)域整個(gè)地形成一有源層。在此情況下，在區(qū)域104形成一有源層106。于是，形成圖1B的區(qū)域106作為有源層。
在單疇區(qū)104內(nèi)基本上無(wú)晶界。所以，提供一TFT。其特性等效于由單晶獲得的特性。圖7表示當(dāng)加熱至550℃時(shí)用KrF準(zhǔn)分子激光輻照所獲得的硅半導(dǎo)體薄膜的晶體結(jié)構(gòu)的照片。使用圖7的單疇形成TFT的有源層可提供單疇TFT。
在形成有源層106之后，采用等CVD形成厚1000的氧化硅膜作為柵絕緣膜，再形成主要由含0.2％鈧的鋁組成的厚至6000的膜。然后，將主要由鋁組成的膜刻圖，形成柵電極113。
用柵電極113作陽(yáng)極，在含10％酒石酸的乙二醇溶液中，通過(guò)陽(yáng)極氧化，形成氧化層114。氧化層的厚度為2000量級(jí)。氧化層114的存在允許在隨后進(jìn)行的雜質(zhì)離子注入過(guò)程中形成偏移柵區(qū)。
使雜質(zhì)離子注入到有源區(qū)內(nèi)。若形成N溝型TFT，注入磷(P)離子，若形成P溝型TFT，則注入硼(B)離子。在此工藝中，以柵極113和及周圍的氧化層114作掩模，使雜質(zhì)離子注入到區(qū)域107和111。形成注入雜質(zhì)離子的區(qū)域107和111分別作為源區(qū)和漏區(qū)。與此同時(shí)，以環(huán)繞柵電極113的氧化層114作掩膜，形成偏移柵區(qū)108和110。按自對(duì)準(zhǔn)方法形成溝道形成區(qū)109(圖1C)。
在雜質(zhì)離子注入后，進(jìn)行激光退火，使被雜質(zhì)離子注入所損傷的有源層退火，并激活已注入的雜質(zhì)。使用強(qiáng)光如紅外光可以實(shí)施此工藝。
采用等離子CVD形成厚7000的氧化硅膜115作為層間絕緣膜，然后，實(shí)施孔形成工藝，以形成源電極116和漏電極117。另外，在350℃的氫氣氛中實(shí)行加熱處理，以完成TFT(圖1D)。
由于本實(shí)施例TFT的有源層是由具有可被看作單晶的結(jié)構(gòu)區(qū)(單疇區(qū))構(gòu)成的，可避免由晶界引起的耐壓低和漏電流大的問(wèn)題。雖然，在本實(shí)施例中形成一個(gè)TFT，采用多個(gè)單疇區(qū)形成多個(gè)TFT是可行的。
實(shí)施例2在本實(shí)施例中，使促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素引入到非晶硅膜中，以形成可被看作單晶的結(jié)晶區(qū)，再用此結(jié)晶區(qū)構(gòu)成TFT。本實(shí)施例的制作工藝步驟與實(shí)施例1的相同，只是促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素的引入工藝不同。在本實(shí)施例中，在形成非晶硅膜后，使非晶硅膜經(jīng)受紫外氧化，以形成極薄的氧化膜(未圖示)。提供此氧化膜，以改善在隨后實(shí)施溶液添加工藝過(guò)程中的濕潤(rùn)性。紫外氧化是一步在氧化氣氛中以紫外光輻照表面，在表面形成極薄的氧化膜工藝。
在已形成極薄氧化膜的非晶硅膜表面，通過(guò)旋涂法涂以乙酸鎳溶液，形成含鎳的涂膜。此涂膜的存在實(shí)現(xiàn)一種使鎳元素通過(guò)極薄氧化膜與非晶硅膜鄰接的狀態(tài)。
在此狀態(tài)下，在550℃實(shí)行加熱處理，以使非晶硅膜轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶硅膜。由于引入了促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素的鎳，通過(guò)在550℃4小時(shí)的加熱處理可獲得結(jié)晶的硅膜。
在經(jīng)加熱處理使非晶硅膜轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶硅膜后，用激光輻照該膜，以形成單疇區(qū)103和104，如圖1所示。由于引入了促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素鎳，可獲得更大的單疇區(qū)。在獲得單疇區(qū)之后，按與實(shí)施例1相同的方法形成TFT。
實(shí)施例3本實(shí)施例是使用單疇區(qū)形成TFT的溝道形成區(qū)的實(shí)例。圖3A-3D表示根據(jù)本實(shí)施例制造TFT的工藝步驟。
采用濺射法的玻璃襯底101上形成厚3000的氧化膜102作基膜，然后等離子CVD或低壓熱CVD形成厚至500的非晶硅膜。當(dāng)將樣片加熱至550℃時(shí)用激光(KrF準(zhǔn)分子激光)輻照樣片，以形成多個(gè)單疇區(qū)103-105(圖3A)。
圖4表示從上方觀看圖3A所示的狀態(tài)。單疇區(qū)103-105在晶界100相互鄰接。結(jié)晶內(nèi)側(cè)是可視為單晶的區(qū)域即單疇區(qū)。然后，形成有源區(qū)106，使得溝道形成區(qū)(圖3C中的區(qū)域109)含在單疇區(qū)104內(nèi)(圖3B)。
在形成有源層106之后，采用等離子CVD法形成厚1000的氧化硅膜112作為柵絕緣膜，再形成厚至6000的主要由含0.2％鈧的鋁組成的膜。對(duì)該主要由鋁組成的膜進(jìn)行刻圖，形成柵電極113。利用柵電極113作陽(yáng)極，在含10％的酒石酸的乙二醇溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化形成厚約2000的氧化層114。該氧化層114的存在允許在隨后實(shí)施的雜質(zhì)離子注入過(guò)程中形成偏移柵區(qū)。
使雜質(zhì)離子注入到有源層內(nèi)。若形成N溝型TFT，注入磷離子，若形成P溝型TFT，則注入硼離子。在此工藝過(guò)程中，以柵電極113和其周圍氧化層114作掩膜，使雜質(zhì)離子注入到區(qū)107和111內(nèi)。形成已注入雜質(zhì)離子的區(qū)域107和111分別作為源區(qū)和漏區(qū)。同時(shí)，以環(huán)繞該柵電極113的氧化層114作掩膜，形成偏移柵區(qū)108和110。也根據(jù)自對(duì)準(zhǔn)方式，形成溝道形成區(qū)109(圖3C)。
在雜質(zhì)離子注入后，進(jìn)行激光輻照，使經(jīng)雜質(zhì)離子注入被損傷的有源層退火，并激活已注入的雜質(zhì)。此工藝可采用強(qiáng)光如紅外光進(jìn)行。采用等離子CVD法形成厚7000的氧化硅膜作層間絕緣膜，然而實(shí)施孔的形成工藝，以形成源電極116和漏電極117。并且在350℃的氫氣氛中實(shí)施加熱處理，以完成TFT(圖3D)。
本實(shí)施例的TFT溝道形成區(qū)是由有可被看作單晶的結(jié)構(gòu)的區(qū)域(單疇區(qū))構(gòu)成的。所以不防礙截流子的運(yùn)動(dòng)，并使之獲得優(yōu)良的特性。
根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，作為對(duì)單疇區(qū)的最低要求是使溝道形成區(qū)的尺度足夠大。這提供了在制造TFT中的改進(jìn)靈活性。
雖然本實(shí)施例表示了形成一個(gè)TFT的實(shí)例，但用各個(gè)單疇區(qū)形成多個(gè)TFT也是可行的。本說(shuō)明書中所公開的本發(fā)明使得提供擺脫晶界影響的TFT是可能的。還可以提一種其特性具有耐壓高、起伏小并能控制大電流的TFT。而且還可以提供一種TFT，在工作時(shí)不受晶界的有害影響，并具有低截止電流的特性。
實(shí)施例4在本實(shí)施例中，通過(guò)將促進(jìn)硅結(jié)晶化的金屬元素選擇引入到非晶硅膜中來(lái)制造具有不同特性的TFT。根據(jù)本實(shí)施例，不引入這種金屬元素形成有源矩陣液晶顯示器件的像素區(qū)中所設(shè)置的TFT，而通過(guò)引入這種金屬元素來(lái)形成構(gòu)成外圍電路的TFT。
圖8A-8E表示根據(jù)本實(shí)施例的制造工藝步驟。在圖中左邊的兩個(gè)TFT是設(shè)于外圍驅(qū)動(dòng)電路和TFT(相應(yīng)于圖10的區(qū)域1和2)，而右邊的一個(gè)TFT是設(shè)于矩陣區(qū)的TFT(相應(yīng)于圖10的區(qū)域3)。
在襯底(Corning 7059)10上形成厚2000的氧化硅的基層11之后，采用等離子CVD或低壓熱CVD淀積厚至500-1500的本征(I型)非晶硅膜12。隨后，采用濺射，選擇形成含鎳濃度為1×1018cm-3的極薄的硅膜(厚5-200A)。采用濺射及自對(duì)準(zhǔn)工藝，可完成硅膜13的選擇形成。于是，將鎳元素有選擇地引入到非晶硅膜中(圖8A)。
雖然，描述的是采用含鎳的硅膜來(lái)引入鎳的實(shí)例，但可采用其它方法，例如將含鎳的溶液(可使用乙酸鎳溶液等)添加到非晶硅膜的表面，將鎳引入到非晶硅膜中。
以激光輻照非晶硅膜12的整個(gè)表面，如圖8B所示，使非晶硅膜12結(jié)晶化。采用KrF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)248nm、脈沖寬度20ns)輻照激光。在進(jìn)行激光輻照時(shí)，使樣片加熱至550℃。加熱樣片的方法包括一種將加熱元件設(shè)置在固定襯底的襯底支架中，通過(guò)加熱該襯底支架來(lái)加熱樣片的方法，及通過(guò)紅外光輻照來(lái)加熱樣片的方法。
激光可包括XeF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)353nm)、XeCl準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)308nm)或ArF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)193nm)。激光的能量密度是200-500mJ/cm2，如350mJ/cm2，對(duì)一點(diǎn)所的照射次數(shù)是2-10，如2次。激光輻照允許非晶硅膜的整個(gè)表面能結(jié)晶化。在此結(jié)晶化過(guò)程中，形成了多個(gè)單疇區(qū)121-123。
單疇區(qū)121和122與單疇區(qū)123稍有不同。區(qū)域121和122更像單晶硅，因?yàn)殒嚨淖饔盟拢鼈兊娜毕葺^少，而區(qū)域123的缺陷數(shù)量較多。這些單疇區(qū)通過(guò)晶界100相互鄰接。
圖12A表示從上方觀看到的圖8B所示的狀態(tài)。圖12A表單疇區(qū)121-123。對(duì)如此所獲得的硅膜采用光刻法刻圖，形成島狀硅區(qū)142、142(外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū))及143(矩陣區(qū))，作為有源層。至少溝道形成區(qū)必須形成在單疇區(qū)。最好由一個(gè)單疇區(qū)構(gòu)成形成每個(gè)TFT的有源層。
圖12B表示單疇區(qū)和有源層(島狀硅區(qū))之間的位置關(guān)系。在圖2B中，構(gòu)成有源層的島狀硅區(qū)141-143一般在各自單疇區(qū)121-123的內(nèi)側(cè)形成。另外，采用氧化硅作靶，在襯底溫度為200-400℃如350℃，在含氧和氬的氣氛，氬-氧比在0-0.5如0.1以下，進(jìn)行濺射，淀積厚1000的氧化硅膜，作為柵絕緣膜。接著，進(jìn)行低壓熱CVD，淀積厚3000-8000，如6000的硅膜(含0.1-2％磷)。形成氧化硅15和硅膜的工藝最好連續(xù)完成。然后，對(duì)硅膜刻圖，以形成柵電極16a、16b和16c(圖8C)。
采用柵電極作掩膜實(shí)行等離子摻雜，以把雜質(zhì)(磷或硼)注入到硅區(qū)中。使用磷烷(PH3)和乙硼烷(B2H6)作摻雜氣體。對(duì)磷加速電壓是60-90KV如80KV，對(duì)硼是40-80KV如65KV。對(duì)磷的劑量是1××1015-8×1015cm-2如2×1015cm-2，對(duì)硼是5×1015cm-2。其結(jié)果，形成型雜質(zhì)區(qū)17a和P型雜質(zhì)區(qū)17b。
此后，實(shí)行激光輻照，激活雜質(zhì)。采用KrF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)248nm，脈寬20Ds)進(jìn)行激光輻照。另一方式是采用XeF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)353nm)、XeCl準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)308nm)或ArF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)193nm)。激光的能量密度是200-400mJ/cm2如250mJ/cm2，對(duì)一點(diǎn)所需照射次數(shù)為2-10如2次。再有，當(dāng)進(jìn)行激光輻照時(shí)，使襯底加熱至100-450℃如250℃。于是激活了雜質(zhì)區(qū)17a-17c(圖8D)。
當(dāng)用激光輻照使雜質(zhì)區(qū)17a-17c激活時(shí)，將樣片加熱至450-750℃優(yōu)選500-600℃是有益的。這允許雜質(zhì)區(qū)17a-17c的激活進(jìn)行得更有效。
接著，采用等離子CVD，形成厚6000的氧化硅膜18作為層間絕緣體。再進(jìn)行濺射，形成厚500-1000如800的氧化鉬錫(ITO)，然后刻圖形成像素電極10。在層間絕緣體形成接觸孔，以便用由金屬如氮化鈦和鋁制成的多層膜形成外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFT的電極布線20a、20b及20c和矩陣像素電路的TFT的電極布線20d及20e。最后在350°的1大氣壓的氫氣氛中實(shí)施退火30分鐘，完成半導(dǎo)體電路(圖8E)。
采用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)，做為對(duì)根據(jù)本實(shí)施例所獲得的TFT有源層中所含鎳濃度分析之結(jié)果，從外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)的TFT(由P溝和N溝型構(gòu)成左邊的2個(gè)TFT)檢測(cè)到鎳的濃度在1×1017-5×1017cm-2，從像素電路的TFT檢測(cè)到鎳的濃度為測(cè)量限度(1×1016cm-2)以下。
位于本實(shí)施例左邊的外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)的2個(gè)TFT其有源層內(nèi)缺陷少、遷移率高、并能通過(guò)大的導(dǎo)通電流。由于右邊所示的像素區(qū)的TFT的有源區(qū)包含測(cè)量限度以下的低濃度的鎳，則可以降低由鎳原子所引起截止電流。一般認(rèn)為鎳原子對(duì)載流子起陷阱中心作用，而引起截止電流的增加。
實(shí)施例5圖9A-9E表示根據(jù)本實(shí)施例的制造工藝步驟。在采用濺射在襯底上形成厚2000的氧化膜22后，實(shí)施低壓熱CVD，淀積厚200-1500如500的非晶硅膜23。用光致抗蝕膠掩蔽非晶硅膜23采用離子注入，有選擇地注入鎳離子。形成區(qū)域25，含有濃度為1×1015-1×1018cm-3如5×1016cm-3的鎳。區(qū)域25的濃度為200-500，并隨著選擇最佳的加速電壓。當(dāng)如本實(shí)施例采用離子注入時(shí)，鎳的濃度比實(shí)施例1更容易控制(圖9A)。
將襯底在450-600℃如550℃的氮?dú)夥罩屑訜?小時(shí)。首先在摻鎳區(qū)出現(xiàn)預(yù)結(jié)晶化。即在有助于單疇區(qū)生長(zhǎng)的加熱處理過(guò)程中形成晶核。
在使樣片加熱至550℃時(shí)，用激光輻照非晶硅膜23的整個(gè)表面，使該區(qū)結(jié)晶化。用KrF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)248nm，脈寬20ns)進(jìn)行激光輻照。激光的能量密度為200-500mJ/cm2，如350mJ/cm2，對(duì)一點(diǎn)照射的次數(shù)為2-10次，如2次(圖9B)。
其結(jié)果，硅膜被結(jié)晶化，并形成多個(gè)單疇區(qū)。鄰接的單疇區(qū)被晶粒邊界100分開。在如此獲得的單疇區(qū)當(dāng)中，單疇區(qū)23a可獲得比單疇23b高的結(jié)晶度。更具體地講，單疇區(qū)23a可具有比單疇區(qū)23b缺陷少的晶體結(jié)構(gòu)。然而，鎳元素在單疇區(qū)23a中的濃度比鎳元素在單疇區(qū)23b的濃度高出很多。
對(duì)此硅膜進(jìn)行刻圖，形成島狀區(qū)26a(外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū))和26b(矩陣像素元件區(qū))。再進(jìn)行等離子CVD，用四乙氧硅烷(Si(OC2H5)4，TEOS)和氧形成1000厚的氧化硅膜27，作TFT的柵絕緣膜。
接著，進(jìn)行濺射，形成厚6000-8000如6000的鋁膜(含0.2％的硅或鈧)?？捎勉g、鎢、鈦或鉬代替鋁。形成氧化硅膜27和鋁膜的工藝最連續(xù)進(jìn)行。
對(duì)鋁膜進(jìn)行刻圖，形成TFT的柵電極28a、28b和28c。使鋁布線的表面陽(yáng)極氧化形成厚2000A的氧化層29a、29b和29c。該陽(yáng)極氧化是在含1-5％的酒石酸的乙二醇溶液中進(jìn)行的(圖9c)。
實(shí)行等離子摻雜，使雜質(zhì)(磷)注入到硅區(qū)中。摻雜氣體是磷烷(PH3)。加速電壓為60-90KV，如80KV。劑量是1×1015-8×1018cm-2如2×1015cm-2。其結(jié)果，形成N型雜質(zhì)區(qū)30a。另外用光致抗蝕膠掩蔽左邊的TFT(N溝型TFT)，然后再實(shí)施等離子摻雜，使雜質(zhì)(硼)注入到右邊的外圍電路區(qū)中的TFT(P溝型TFT)和矩陣區(qū)的TFT的硅區(qū)中。在此情況下，摻雜氣體是乙硼烷(B2H6)。劑量是1×1015-8×1015cm-2，如5×1015cm-2，大于先前所注入的磷的劑量。于是形成P型雜質(zhì)區(qū)30b和30c。
實(shí)施激光退火，激活雜質(zhì)。用KrF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)248nm，脈寬20ns)進(jìn)行激光輻照。激光的能量密度是200-400mJ/cm2如250mJ/cm2，對(duì)一點(diǎn)照射的次數(shù)是2-10次如2次(圖9D)。
用TEOS作原材料實(shí)施等離子CVD，形成厚2000的氧化硅膜作層間絕緣膜，然后進(jìn)行濺射，淀積厚500-1000如800的氧化錫銦(ITO)，經(jīng)刻蝕形成像素電極32。在層間絕緣體31中形成接觸孔，以便采用由金屬加氮化鈦和鋁制成的多層膜形成外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFT的源、漏電極布線33a、33b及33c和像素電路的TFT的電極布線33d及33e。上述工藝完成一個(gè)半導(dǎo)體電路(圖9E)。
在如此制得的半導(dǎo)體電路中，外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)的TFT(圖中左邊的兩個(gè)TFT)具有較高的遷移率，能通過(guò)大的導(dǎo)通電流，設(shè)于矩陣區(qū)的TFT(圖中右邊的一個(gè))是一個(gè)不能承受像外圍驅(qū)動(dòng)電路中的TFT所承受的導(dǎo)通電流那么大的導(dǎo)通電流的TFT，使其特征在于截止電流是相當(dāng)小的。
實(shí)施例6在本實(shí)施例中，通過(guò)以不同的濃度將促進(jìn)結(jié)晶化的金屬元素引入到非晶硅膜，有選擇地設(shè)置具有預(yù)期特性的TFT。具體地講，在有源矩陣型液晶顯示器中，以高濃使金屬元素(在本實(shí)施例中采用鎳)引入到外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)內(nèi)，并以低濃度使金屬元素引入到矩陣區(qū)內(nèi)。
圖11A-11E表示本實(shí)施例。左側(cè)的2個(gè)TFT是構(gòu)成外圍電路區(qū)具有互補(bǔ)型的電路，圖中右側(cè)的TFT是設(shè)置于由多個(gè)像素構(gòu)成的矩陣區(qū)的開關(guān)TFT。
在采用濺射在玻璃襯底10上形成2000厚的氧化硅膜11作基膜后，進(jìn)行等離子CVD或代壓熱CVD形成厚500的非晶硅膜。然后，在非晶硅膜12的表面上有選擇地形成含高濃度鎳的薄膜13，并形成含低濃度鎳的膜101(圖11A)。
在此情況下，使用含濃度為1×1018cm-3鎳的硅化鎳膜作為含高濃度鎳的膜13，并用含濃度為8×1016cm-3鎳的硅化鎳膜作為含低濃度鎳的膜101。硅化鎳膜的厚度為幾十埃的量級(jí)。
這樣的安排使得以不同濃度將鎳選擇引入到非晶硅膜是可行的。在將樣片加熱至550℃的狀態(tài)下，用激光輻照樣片，以便非晶硅膜12結(jié)晶。于是獲得單疇區(qū)12a和12b。
單疇區(qū)12a含有比單疇區(qū)12b濃度高的鎳。而且區(qū)域12a的點(diǎn)缺陷更少。所以，區(qū)域12a是個(gè)適合于形成具有高遷移率并能通過(guò)大導(dǎo)通電流的TFT的區(qū)域。另一方面，由于區(qū)域12b含低濃度的鎳，作為有限遷移率之結(jié)果，此區(qū)域是個(gè)適合于形成具有低截止電流特性的TFT區(qū)域。
在形成如圖11B所示的多個(gè)單疇區(qū)之后，實(shí)施類似于圖8C所示的工藝，完成電路。
本發(fā)明使得在同一襯底上形成能高速工作的結(jié)晶硅TFT和以低截止電流為特征的非晶硅TFT成為可行。將本發(fā)明應(yīng)用于液晶顯示器將改善生產(chǎn)率及其特性。因而，從工業(yè)觀點(diǎn)看，本發(fā)明是先進(jìn)的。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括一個(gè)形成在絕緣表面上的結(jié)晶半導(dǎo)體島；在所述半導(dǎo)體島上的源和漏區(qū)；在所述源和漏區(qū)之間的溝道形成區(qū)；與至少所述規(guī)定形成區(qū)相鄰的柵絕緣膜；與所述規(guī)定形成區(qū)相鄰的柵電極，所述柵絕緣膜位于它們之間；其中所述結(jié)晶半導(dǎo)體島形成在不含有晶粒邊界的單疇區(qū)；其中包含的氫和鹵族元素中的至少一個(gè)的濃度不高于1×1020cm-3；其中所述半導(dǎo)體器件一個(gè)p-溝道薄膜晶體管，其遷移率在200-400cm2/Vs。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述結(jié)晶半導(dǎo)體島包含選自Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag、Au組成的組中的一種材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的半導(dǎo)體器件，其中所述材料在所述結(jié)晶半導(dǎo)體島中的濃度不高于5×1019cm-3。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述結(jié)晶半導(dǎo)體島是硅島。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述結(jié)晶半導(dǎo)體島中含有的碳和氮的濃度不高于5×1018cm-3，氧的濃度不高于5×1019cm-3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中所述結(jié)晶半導(dǎo)體島中含有的碳和氮的濃度不低于1×1016cm-3，氧的濃度不低于1×1017cm-3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述單疇區(qū)具有50μm或更大的晶粒尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體島包括不高于1×1017cm-3的旋轉(zhuǎn)密度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述半導(dǎo)體島包括1×1016cm-3或更高的點(diǎn)缺陷。
全文摘要
在一塊襯底上所形成的單片有源矩陣電路中，至少用于驅(qū)動(dòng)矩陣區(qū)的構(gòu)成外圍電路的一部分薄膜晶體管(TFT)的有源區(qū)添加了濃度為1×10
文檔編號(hào)H01L21/84GK1545144SQ200410043530
公開日2004年11月10日 申請(qǐng)日期1995年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月29日
發(fā)明者山崎舜平, 寺本聰 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所