專利名稱：晶體管和半導(dǎo)體電路的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜晶體管(TFT)和制造該晶體管的方法，還涉及具有多個薄膜晶體管(TFTs)和半導(dǎo)體電路及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明產(chǎn)生的薄膜晶體管可在諸如玻璃之類的絕緣襯底上和在諸如單晶硅之類的半導(dǎo)體襯底兩者之一上形成。尤其是，本發(fā)明涉及這樣一種半導(dǎo)體電路，它包括在低速下工作諸如單片有源矩陣電路(可用于液晶顯示器之類)的矩陣電路和一個驅(qū)動該有源矩陣電路并在高速下工作的外部電路。本發(fā)明還涉及通過根據(jù)熱處理晶體化和活化而產(chǎn)生的薄膜晶體管。
背景技術(shù)：
近來，人們對具有薄膜活化層(active layer)(還稱之為活化區(qū))的絕緣柵半導(dǎo)體器件進行了種種研究。特別對薄膜絕緣柵半導(dǎo)體器件或稱為薄膜晶體管(TFTs)進行了努力研究。這類薄膜晶體管在透明絕緣襯底上如此形成以便能用于控制具有矩陣結(jié)構(gòu)的在液晶顯示器等驅(qū)動電路內(nèi)的象素。薄膜晶體管根據(jù)所用半導(dǎo)體材料的種類和結(jié)晶狀態(tài)分為非晶體硅TFT以及結(jié)晶硅兩類。
非晶態(tài)的半導(dǎo)體一般其電場滲透率(field mobility)小，因而不能用于必須以高速操作的TFT中。再者，由于P型非晶硅的電場遷移率極低，故不可能生產(chǎn)P溝道TFT(PMOS TFT)。因此，不可能制造由P溝道TFT和N溝道TFT(NMOS TFT)組合成一個完整MOS電路(CMOS)。
相反，晶體半導(dǎo)體具有比非晶體半導(dǎo)體較高的電場遷移率，因而能以高速操作。當(dāng)采用結(jié)晶硅時，由于能以相同方式既可制造NMOSTFT也可制造PMOS TFT，故有可能制造CMOS電路。例如，一種有源矩陣型的已知液晶顯示器件具有所謂單片結(jié)構(gòu)，即由CMOS晶體TFT既構(gòu)成有源矩陣區(qū)也構(gòu)成外部電路(包括驅(qū)動電路等)。由于這些原由，人們對使用結(jié)晶硅的TFT進行了強有力的研究和開發(fā)。
在為獲得結(jié)晶硅的一種方法實例中，是用激光或相當(dāng)于激光的強光輻照非晶體硅而使其晶體化。然而，由于激光輸出的不穩(wěn)定性和由于極短工藝周期的不穩(wěn)定性，該方法不具備批量生產(chǎn)或?qū)嶋H應(yīng)用的前景。
如今可實際運用的一種方法是將非晶硅經(jīng)加熱使其結(jié)晶化的方法。按此法，有可能獲得各批生產(chǎn)量之間變化很小的結(jié)晶硅。但該法有一個問題。
一般說來，結(jié)晶硅的形成要求長時間在大約600℃下進行熱處理，或在1000℃高溫或更高溫下進行熱處理。在運用后一種方法的情況下，可選襯底限于石英制造的襯底，導(dǎo)致襯底的成本極高。在應(yīng)用前一種方法情況下，襯底可選范圍廣但又引起另一問題。
當(dāng)使用廉價的無堿玻璃襯底(例如，由corning公司生產(chǎn)的7059號)時，傳統(tǒng)的生產(chǎn)TFT工藝大致以下列方式進行(1)形成非晶硅膜；(2)非晶硅膜的結(jié)晶(600℃或更高，24小時或更長)；(3)形成絕緣柵膜；(4)形成柵電極；(5)引入摻雜(用離子植入法或離子摻雜法)；(6)激活摻雜(600℃或更高，24小時或更長)；(7)形成絕緣層；和(8)形成源極和漏極。
在此工藝過程中，步驟(2)和(6)存有一些問題。多種無堿玻璃具有大約600℃的畸變溫度(在Cornign 7059情況下為593℃)。在這種溫度下的工藝過程引起諸如襯底收縮和彎曲之類的問題。在步驟(2)，這是第一熱處理工序，由于還未進行形成圖案工藝(patte-rning process)，襯底的收縮不會引起嚴(yán)重問題。然而，在步驟(6)，那時已經(jīng)過圖案形成工藝。所以在步驟(6)，當(dāng)襯底收縮時，在此后的一系列步驟中不能正確進行掩模對齊，從而構(gòu)成損壞成品的主要原因。因此，人們希望在低于襯底畸變溫度下進行步驟(2)的工藝，和在更低的溫度下(最好在低于玻璃畸變溫度50℃或更低的溫度，更可取的是在低于步驟(2)最大工藝溫度50℃或更低溫度下)進行步驟(6)的工序。
為滿足這些要求，可運用如上所述的使用激光之類的一種方法。然而，除了激光器輸出不穩(wěn)定的問題外，人們已覺察到的另一問題是由于受激光束輻照的那部分(源和漏區(qū))和未受激光束輻照的那部分(有源區(qū)，即柵極下面的那個區(qū)域)之間出現(xiàn)的溫度差所產(chǎn)生的應(yīng)力，從而有損于可靠性。
另一方面，由非晶體半導(dǎo)體制成的TFT具有截止電流低的特性。因此這種TFT應(yīng)用于不要求很高操作速度的液晶顯示器的有源矩陣和象素電路中晶體管之類的用途中，在這種顯示器中，僅僅單導(dǎo)電率型就足夠了，并需要具有高度保持電荷的能力。然而，這種TFT不能應(yīng)用于必須高速操作的外部電路中。
在一種結(jié)晶體硅TFT中，當(dāng)無電壓施加到柵極時(即，非選擇周期期間)，流過的漏電流大于在非晶硅TFT中的漏電流。當(dāng)液晶顯示器中使用結(jié)晶硅TFT時，采取配置用于補償漏電流的輔助電容器及將兩個TFT串聯(lián)連接的措施，以減小漏電流。
圖5示出一種用于液晶顯示器的有源矩陣電路的方塊圖。襯底107上配置有作為外部電路的列譯碼器101和行譯碼器102。各包括一晶體管和一電容器的象素電路104形成在矩陣區(qū)103中。矩陣區(qū)和外部電路通過導(dǎo)線105和106彼此連接。用于外部電路的TFT需要具有高速性能，而在象素電路中所用的TFT需要有低的漏電流的性能。雖然這些性能實際上是互相矛盾的，但又要求在同一襯底上并通過同一工藝形成兩種類型的TFT。
一般說來，結(jié)晶硅的形成要求長周期并在大約600℃下的熱處理，或在高溫1000℃或更高溫的熱處理。例如，要在同一襯底上制成具有高遷移率的多晶硅TFT組成的外部電路和利用高截止(OFF)電阻的非晶硅TFT結(jié)構(gòu)是不可能的，因為非晶硅在上述熱處理工序中被晶體化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，從批量生產(chǎn)的觀點出發(fā)，運用在生產(chǎn)TFT過程中用激光器的方法是困難的。另一方面，本領(lǐng)域的現(xiàn)狀是找不到其他有效的方法。為解法這些難題，已導(dǎo)出本發(fā)明。本發(fā)明的一個目的是為在保持批量生產(chǎn)性的同時解決這些問題。
為解決這些難題，現(xiàn)已實施了該發(fā)明。然而，一種改進結(jié)構(gòu)導(dǎo)致工藝復(fù)雜，產(chǎn)量較低和成本較高并不是人們所期望的。本發(fā)明的一個目的是通過在保持批量生產(chǎn)性的同時以最少地改變工藝過程使要求高遷移率的TFT和要求低漏電流的TFT這兩種TFT能有選擇地以簡單方式產(chǎn)生。
本發(fā)明人的研究成果表明將少量催化物質(zhì)添加到非晶硅薄膜，便增強了結(jié)晶作用，降低了晶體形成的溫度并縮短了結(jié)晶時間。至于催化材料，象鎳(Ni)，鐵(Fe)，鈷(Co)，鉑(Pt)之類的簡單物質(zhì)或其化合物如硅化物是合適的。實際上，非晶硅薄膜可通過在非晶硅膜下面或上面形成膜，晶粒，或這些催化元素的族(cluster)或通過用象離子注入之類的方法在非晶硅膜中引入這些催化元素的方式；接著在適當(dāng)溫度下，一般在580℃或低些的溫度下對非晶硅膜進行熱處理而晶化。
在用化學(xué)汽相淀積法(CVD法)形成非晶硅膜的情況下，可將這些催化劑加入某種材料氣體中；在用象濺射之類的物理氣相法形成非晶硅膜的情況下，可將這些催化劑添加入象耙或淀積源的淀積材料中。雖然這是一種自然結(jié)果，但熱處理的溫度越高，晶化的時間就越短。此外，鎳，鐵，鈷，鉑的濃度越高，則晶化的溫度越低而且結(jié)晶過程的時間越短。經(jīng)本發(fā)明人的研究已發(fā)現(xiàn)，為增強結(jié)晶作用，至少一種元素的濃度應(yīng)為1×1017cm-3或更多，最好為5×1018cm-3或更多。
此外，應(yīng)注意沒有象這種催化材料的區(qū)域根本不會增強晶化作用，并能保持非晶態(tài)。例如，濃度為1017cm-3或更小，最好為1×1016cm-3或更小的非晶體在600℃或更高溫度下開始結(jié)晶，但在580℃或更低溫度下根本未加強結(jié)晶。不過，由于非晶硅中平衡空鍵(neutra-lizing dangling bonds)所需的氫氣在300℃或更高的環(huán)境中被釋放，故為獲得適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體特性最好在氫氣氣氛中進行熱處理。
在本發(fā)明中，利用在上述催化材料作用下的晶化特性去形成非晶硅膜。其一部分被有選擇地晶化并用作有源矩陣電路的外部電路中的結(jié)晶硅TFT。非晶態(tài)的另一部分被用作矩陣區(qū)(象素電路)中的非晶硅TFT。結(jié)果，可在同一襯底上同時形成具有低的漏電流和快動作的相反特性之晶體管電路。
由于上述催化材料之任一種對硅都是不理想的材料，故最好它們的濃度盡可能地低。在本發(fā)明人的研究中，為尤其用其作為活性區(qū)，這些催化材料的濃度最好總量不高于1020cm-3，以獲得令人滿意的可靠性和特性。另一方面，事實表明即使在源，漏之類中存在相當(dāng)大量催化材料，也不是問題。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，上述諸問題可通過把注意力集中在這一催化元素的效果上并加以利用而得以解決。本發(fā)明TFT的制造方法簡要說明如下1)淀積非晶硅膜1′)導(dǎo)入催化元素(用離子注入或離子摻雜法)2)非晶硅膜的結(jié)晶(在600℃或低些，8小時范圍內(nèi))3)淀積絕緣柵膜4)形成柵電極5)引導(dǎo)摻入的雜質(zhì)(用離子注入或離子摻雜法)5′)將有催化元素的材料淀積到硅膜6)激活摻入的雜質(zhì)(600℃或低些，8小時范圍內(nèi))7)形成夾層絕緣體8)形成源漏電極或，1)淀積非晶硅膜1′)引導(dǎo)催化元素(用離注入或離子摻雜法)2)非晶硅膜的晶化(600℃或稍低，8小時范圍內(nèi))3)絕緣柵膜的淀積4)形成柵極5)引入摻入的雜質(zhì)(用離子注入或離子摻雜法)5′)引入催化元素(用離子注入或離子摻雜法)6)激活摻入的雜質(zhì)(600℃或稍低，8小時范圍內(nèi))7)形成夾層絕緣體8)形成源，漏極在這些工序中，次序5)和5′)可顛倒。工序1′)可被替換成″將含有催化元素的薄膜之類粘接在非晶硅膜上或下面的工序。從精確控制催化元素的濃度觀點出發(fā)，象離子注入之類的方法是理想的。但從簡化工序和緊縮設(shè)備資金的觀點來看，若所得到的TFT特性是令人滿意的，則可利用該方法。
在本發(fā)明中，通過所述工序1′)引入到非晶硅膜的催化元素大大增強了其結(jié)晶作用。另一方面，通過5′)主要導(dǎo)入到源，漏區(qū)的催化元素大大增強了該區(qū)域的再結(jié)晶作用。因此，對于結(jié)晶和激活來說，600℃或低些，一般為550℃或稍低溫度便夠了。8小時的熱處理時間范圍，一般4小時內(nèi)也夠了。特別當(dāng)用離子注入法或離子摻雜法開始均勻分布催化元素時，結(jié)晶過程極易進行。
在本發(fā)明中，由于采用任一工藝方法使柵極存在于活化區(qū)上，故催化元素將未在工序5′)直接被粘附或注入到活化區(qū)。因此，改變活化區(qū)和雜質(zhì)區(qū)中的催化元素的濃度是可能的。例如，通過相對減小要加到活化區(qū)的催化元素的濃度，最大限度地減小了對TFT的特性和可靠性的壞影響。通過增大要加到雜質(zhì)區(qū)的催化元素的濃度，抑制了襯底的收縮和畸變，在相當(dāng)?shù)蜏叵录せ?，并可增加產(chǎn)量。TFT的可靠性和特性幾乎無損失。
在本發(fā)明中，厚度為1000或稍薄的非晶硅膜也是經(jīng)催化元素而晶化的。這種非晶硅膜將不是由通常熱處理而結(jié)晶的。從防止TFT的這一步驟部分的針孔(pinhole)和絕緣性的缺陷，和避免柵極一柵極的斷接的觀點出發(fā)，結(jié)晶硅膜的厚度要求1000A或更薄，最好為500或更薄。這是非用激光器結(jié)晶作用方法是得不到的，但本發(fā)明是通過甚至在低溫下的加熱處理而獲得這一點的。自然這有助于產(chǎn)品的進一步改善?，F(xiàn)將利用幾個實施例更詳細(xì)地進一步說明本發(fā)明。


圖1(A)至1(E)是顯示實施例1中所進行的生產(chǎn)過程諸步驟的截面視圖；圖2(A)至2(E)是顯示實施例2中所進行的生產(chǎn)過程諸步驟的截面視圖；圖3(A)至3(E)是顯示實施例3中所進行的生產(chǎn)過程諸步驟的截面視圖；圖4(A)至4(E)是顯示實施例4中所進行的生產(chǎn)過程諸步驟的截面視圖；和圖5是顯示單片有源矩陣電路的一個實例的示意圖。
具體實施例方式
圖1是顯示實施例1所進行生產(chǎn)過程諸步驟的截面視圖。首先，用濺射法在襯底(Corning 7059)10上形成由氧化硅制成的厚度為2000的基底膜11。然后用等離子CVD法淀積內(nèi)在(I-型)非晶硅膜12，其厚度為500至1500，例如為1500。用離子植入法以1×1013至5×1014cm-2，例如為5×1013cm-2的劑量將鎳離子植入非晶硅膜。結(jié)果，存在于非晶硅膜(圖1(A))鎳離子濃度約為5×1018cm-3。
接著，為使硅膜結(jié)晶化，將其置于氮氣氣氛中進行550℃下4小時的熱處理工序。然后給硅膜繪制圖形，以形成硅島區(qū)13。用濺射法淀積1000厚的氧化硅膜14，作為柵絕緣膜。在此濺射過程中，用氧化硅作為靶，襯底溫度為200至400℃，例如為250℃。該濺射工序在氧及氬氣氣氛中進行，而氬對氧之比為0至0.5。例如0.1或更小。
此后，用減壓CVD法淀積硅膜(包含0.1至2％的磷)達3000至8000厚度，例如為6000。最好連續(xù)進行形成氧化硅和硅膜的步驟。然后給硅膜繪制圖形，以形成柵極15(圖1(B))。
然后，用等離子摻雜法利用柵極作為掩膜將雜質(zhì)(磷)植入硅區(qū)。在此工序中，三氫化磷(pH3)用作摻雜氣體，加速電壓為60至90kv，例如為80kv，劑量為1×1015至8×1015cm-2，例如為2×1015cm-2。因此，形成N-型雜質(zhì)區(qū)16a和16b(圖1(C))。
接著，雜質(zhì)區(qū)上的氧化硅膜14被刻蝕掉，以露出雜質(zhì)區(qū)16。用濺射法在圖1(D)所示的整個區(qū)域上均勻地形成厚度為5至200(例如20)的鎳硅化物膜(分子式為Ni Six，其中0.4≤X≤2.5，例如X＝2.0)17。當(dāng)該膜以大約20的減小了的厚度形成時，它不是連續(xù)的而是呈現(xiàn)聚集的粒子團外貌。然而在此實施例中(圖1(D))這些都不會產(chǎn)生任何問題。
此后，在氮氣氣氛下，進行480℃下(它比上述結(jié)晶工序的溫度低70℃)4小時的熱處理工序從而激活雜質(zhì)。在此熱處理過程中，首先，鎳從覆蓋雜質(zhì)區(qū)的硅化鎳膜擴散至N型雜質(zhì)區(qū)16a和16b。所以，熱處理使再結(jié)晶易于進行。這樣便激活了雜質(zhì)區(qū)16a和16b。
然后，用等離子CVD法形成作為絕緣層的6000A厚的硅氧化膜18并在該絕緣層中形成接觸孔。在TFT的源和漏區(qū)通過諸如氮化鈦和鋁之類的多層金屬材料膜形成電極/導(dǎo)線19a和19b。最后，在1atm的氫氣氣氛中，在350℃下進行熱處理30分鐘，作為上述過程的結(jié)果，完成了一個薄膜晶體管的制造(圖1(E))。
用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測量如此生產(chǎn)出的TFT的活性區(qū)(柵極以下區(qū)域)中鎳的濃度，其結(jié)果約為1×1018至5×1018cm-3。在雜質(zhì)區(qū)16中鎳的濃度大約為1×1019至5×1019cm-3。
實施例2圖2是顯示本實施例所進行的生產(chǎn)過程步驟的截面視圖。首先用濺射法在襯底(Corning 7059)上形成2000厚，由硅氧化物制成的底膜21。然后，借助等離子CVD法淀積厚度為500至1500，例如為1500的內(nèi)在(I-型)非晶硅膜22和用濺射法淀積厚度為200的硅氧化膜23。用離子植入法以5×1013cm-2劑量將鎳離子植入非晶硅膜(圖2(A))。
接著，對非晶硅膜進行550℃的氮氣氣氛下的熱處理工序達8小時，以晶化該非晶硅膜。此后，將該硅膜制成圖形，以形成硅島區(qū)24。
利用四乙氧基甲硅烷(Si(OC2H5)4，TEOS)和氧氣作為原料，用等離子CVD法形成厚度為1000的硅氧化物膜25，作為結(jié)晶硅TFT的柵絕緣膜。除這些原料氣體外，還使用了三氯化乙烯(C2HCl3)作為原料之一。在生成該膜以前，令400SCCM的氧氣通過一個小室，在襯底溫度為300℃，總壓力為5Pa，RF功率為150W的條件下產(chǎn)生等離子。這種狀態(tài)維持10分鐘。此后將300SCCM的氧氣，15SCCM的TEOS和2SCCM的三氯化乙烯導(dǎo)入小室以進行硅氧化膜的膜成形。在膜成形過程中，襯底溫度，RF功率和總壓力分別為300℃，75W和5Pa。在膜成形完成之后，將100Torr氫氣導(dǎo)入小室，并在350℃下進行氫氣熱處理達35分鐘。
此后，借助濺射法淀積厚度為3000至8000，例如為6000的鉭膜?？墒褂免仯u，鉬或硅來替代鉭。不過，要求該材料要有足夠的耐熱性，以使其能經(jīng)得住后來的激活工序。最好連續(xù)進行形成硅氧化物25和鉭膜的步驟。然后對鉭膜繪制圖形，以形成TFT的柵極26。鉭導(dǎo)線的表面經(jīng)陽極氧化，以在其上形成氧化層27。該陽極氧化是在1至5％乙烯乙二醇的灑石酸溶液中進行的。所得到的氧化層具有2000的厚度(圖2(B))。
然后借助等離子摻雜法，利用柵極作為掩模將雜質(zhì)(磷)植入硅區(qū)。在此工序中，將磷化氫(pH3)用作摻雜氣體，加速極電壓為80kv，劑量為2×1015cm-2。結(jié)果形成N型雜質(zhì)區(qū)28a和28b。由于陽極氧化之故，柵極26被移離雜質(zhì)區(qū)28(圖2(C))。
借助離子植入法，利用柵極作為掩模，以1×1014至2×1015cm-2的劑量(例如為5×1014cm-2將鎳離子植入硅區(qū)，結(jié)果，N型雜質(zhì)區(qū)28a和28b的濃度大約為5×1019cm-3(圖2(D))。
此后，在氮氣氣氛下進行4小時的450℃熱處理，從而激活雜質(zhì)。在此熱處理工序中，由于鎳離子被植入N型雜質(zhì)區(qū)28a和28b，故熱處理導(dǎo)致再結(jié)晶易于進行。這樣，雜質(zhì)區(qū)28a和28b被激活。
然后，用等離子CVD法將TEOS用作原料形成厚度為2000的硅氧化膜29作為一層絕緣膜，并在絕緣層中形成接觸孔。借助多層諸如鈦氮化物和鋁之類的金屬材料形成源和漏電極/導(dǎo)線30a和30b。上述過程的結(jié)果，即完成了一個半導(dǎo)體電路(圖2(E))。
就這樣產(chǎn)生的薄膜晶體管而言，當(dāng)其柵極電壓為10V時，場效應(yīng)滲透率(field effect mobility)是70至100cm2/vs，閾值電壓為2.5至4.0V漏電流為10-13?；蛐∮跂艠O加有-20V時的漏電流。
實施例3本實施例中，用基本相同的方法將結(jié)晶硅TFT和非晶硅TFT形成在同一襯底上。圖3為本實施例所進行生產(chǎn)過程諸步驟的截面視圖。首先，用濺射法在襯底(Corning 7059)110上形成厚度為2000，由硅氧化物制成的底膜111。然后，用等離子CVD法淀積500至1500厚的內(nèi)在(I型)非晶硅膜112(例如1500厚)，接著用濺射法有選擇地形成厚度為5至200，例如為20的硅化鎳膜(分子式為Ni Six，其中0.4≤X≤2.5，例如X＝2.0)113(圖3(A))。
然后，在一種氫氣還原氣氛下(氫的部分壓力最好從0.1至1atm)，進行4小時的500℃熱處理工序，以實現(xiàn)晶化。結(jié)果使硅化鎳膜113下面的非晶硅膜結(jié)晶，以變成結(jié)晶硅膜112a。相反，不存在硅化鎳膜的硅膜區(qū)仍然如112b所示處于非晶態(tài)(圖3(B))。
用光刻法對這樣獲得的硅膜繪制圖形，以形成硅島區(qū)114a(結(jié)晶硅區(qū))和另一硅島區(qū)114b(非晶硅區(qū))。用濺射法淀積1,000厚的氧化硅膜115，作為柵絕緣膜。在此濺射過程中，將氧化硅用作靶，襯底溫度為200至400℃，例如為350℃。該濺射工序在氧與氬的氣氛中進行，其中氬對氧之比為0至0.5，例如0.1或更小。此后，用減壓CVD法淀積硅膜(含0.1至2％的磷)，其厚度為6000至8000，例如為6000。最好連續(xù)地進行形成氧化硅及硅膜的步驟。然后對硅膜繪制圖形，以形成柵極116a，116b和116c(圖3(C))。
然后，用等離子摻雜法并利用柵極作為掩模將雜質(zhì)(磷和硼)植入硅區(qū)。在此工序中磷化氫(pH3)和乙硼烷(B2H6)用作摻雜氣體，加速電壓在前者情況下為60至90kv，例如為80kv，和在后者情況下為40至80kv，例如為65kv，劑量為1×1015至8×1015cm-2，例如對磷為2×1015cm-2，對硼為5×1015cm-2。結(jié)果，形成P型雜質(zhì)區(qū)117a和N型雜質(zhì)區(qū)117b和117c。在此情況下，在摻入磷雜質(zhì)后，以1×1013至1×1015cm-2，例如為5×1014cm-2的劑量摻入鎳雜質(zhì)(圖3(D))。
然后，在氫還原氣氛下，進行4小時的500℃熱處理工序，以激活雜質(zhì)。在此過程中，由于鎳離子在予先已結(jié)晶的區(qū)域114a中擴散，該熱處理使再結(jié)晶易于進行。同樣在硅島區(qū)114b中，由于摻磷區(qū)117C中還摻有鎳，故即使在這種程度熱處理下也足以進行晶化。這樣，雜質(zhì)區(qū)117a至117c被激活。非晶硅TFT的活性區(qū)由于其內(nèi)不存在鎳而未被晶化，然后，用等離子CVD法形成作為一層絕緣膜，厚度為6000的氧化硅膜118，并在該絕緣膜中形成接觸孔。借助諸如氮化鈦和鋁之類的多層金屬材料膜形成用于結(jié)晶硅TFT的電極/導(dǎo)線119a，119b和119c和用于非晶硅TFT的電極/導(dǎo)線119d和119e。最后，在1atm氫氣氣氛下，進行30分鐘350℃下的熱處理工序。作為上述工藝的結(jié)果，完成一半導(dǎo)體電路(圖3(E))。
由二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測量如此得到的TFT各活性區(qū)中的鎳濃度，結(jié)果同時觀測到在結(jié)晶硅TFT中，鎳離子為1×1018至5×1018cm-3而在非晶硅TFT中鎳的濃度小于測量極限值(1×1018cm-3)。
實施例4在本實施例中，將結(jié)晶硅TFT用于外部驅(qū)動電路而將非晶硅TFT用于象素電路。圖4是顯示該實施例所進行的生產(chǎn)過程諸步驟的截面視圖。用濺射法在襯底(Corning 7059)120上形成鉭膜，其厚度為500至2000，例如為1000。對鉭膜繪制圖形以形成非晶硅TFT的柵極接線121。用陽極氧化法在鉭接線的外圍形以形成厚度為1000至3000，例如為1500的陽極氧化膜122。
接著，用濺射形成厚度為2000的氧化硅膜123。氧化硅膜123既充當(dāng)非晶硅TFT的柵絕緣膜也充當(dāng)結(jié)晶硅TFT的基底絕緣膜。此后，用等離子CVD法淀積非晶硅膜124，厚度為200至1500，例如為500。當(dāng)用光刻抗蝕劑125掩蔽非晶硅膜124的同時，借助離子植入法將鎳離子植入硅膜，以產(chǎn)生包含1×1018至2×1019cm-3，例如為5×1018cm-3的鎳區(qū)126。
區(qū)域126的深度為200至500。以最佳方法選擇加速能量以實現(xiàn)該深度。防止鎳離子被植入結(jié)晶硅TFT中充當(dāng)活性區(qū)的區(qū)域內(nèi)。溝道長度為20um或更小，最好為10μm或更小。當(dāng)溝道長度大于該值時，就不可能使整個活性區(qū)均結(jié)晶(圖4(A))。
然后在0.1至1atm之氫氣氣氛下，進行8小時550℃的熱處理工序，以實現(xiàn)晶化。作為該晶化工序的結(jié)果，植入鎳的區(qū)，插入在兩個鎳植入?yún)^(qū)之間的區(qū)域以及它們的外圍(這些區(qū)由圖4(B)中的124a標(biāo)明)也被晶化。550℃下8小時的熱處理結(jié)果，橫向產(chǎn)生大約10um的結(jié)晶體。相反，還未植入鎳的區(qū)域124b仍處于非晶態(tài)(圖4(B))。
對硅膜繪制圖形，以形成硅島區(qū)127a(結(jié)晶硅區(qū))和另一硅島區(qū)127b(非晶硅區(qū))。用等離子CVD法將四乙氧基甲硅烷(TEDS，Si(OC2H5)4)和氧氣用作原料形成1000厚的氧化硅膜128，作為結(jié)晶硅TFT的柵絕緣膜。除這些原料氣體以外，還有三氯化乙烯(C2HCl3)也用作原料之一。在形成膜以前，令400SCCM的氧氣通過一小室，則在襯底溫度為300℃，總壓力5Pa和RF功率為150W的條件下產(chǎn)生等離子。該狀態(tài)被維持10分鐘。此后，將300SCCM的氧，15SCCM的TEOS和2SCCM的三氯化乙烯導(dǎo)入小室以進行氧化硅膜的膜成形。在該膜成形過程中，襯底溫度，RF功率及總壓力分別為300℃，75W和5Pa。完成該膜成形之后，將100Torr的氫氣導(dǎo)入小室，并在350℃下進行35分鐘的氫熱處理。
此后，用濺射法淀積厚度為6000至8000，例如6000的鋁膜(含2％的硅)。也可用鉭，鈦，鎢或鉬替代鋁。最好連續(xù)地進行形成氧化硅128和鋁膜的步驟。然后，對鋁膜繪制圖形以形成TFT的柵極129a和129b。對鋁線條表面進行陽極氧化，以在其上形成氧化層。陽極氧化是在1至5％乙烯乙二醇的灑石酸溶液中進行的。所得到的氧化層厚度為2000A。通過從襯底背面進行曝光，以相對于柵極121自對準(zhǔn)方式，在非晶硅TFT的氧化硅上形成光刻抗蝕掩模130(圖4(C))然后借助等離子摻雜法并利用柵極作掩模，將一種雜質(zhì)(磷)注入硅區(qū)。在此工序中，將磷化氫(pH3)用作摻雜氣體，加速電壓為60至90kv，例如為80kv，劑量為1×1015至8×1015cm-2，例如為2×1015cm-2。結(jié)果，形成N型雜質(zhì)區(qū)131a和131c。此后，左側(cè)的結(jié)晶硅TFT(N-溝道TFT)與非晶硅TFT(矩陣區(qū))由一種光致抗蝕劑掩蔽而雜質(zhì)(硼)被植入右側(cè)的結(jié)晶硅TFT(P-溝道TFT)的硅區(qū)。在此工序中，將乙硼烷用作摻雜氣體，加速電壓為50至80kv，例如為65kv。劑量為1×1015至8×1015cm-2，例如為5×1015cm-2，它大于事先已植入的磷的劑量。這樣便形成了P型雜質(zhì)區(qū)131b。
此后，借助激光器熱處理法激活這些雜質(zhì)。至于激光器采用了KrF準(zhǔn)分子激光器(波長為248nm，脈寬為20ns)。另一方面還可用諸如XeF準(zhǔn)分子激光器(波長為353nm)，Xecl準(zhǔn)分子激光器(波長為308nm)，或ArF準(zhǔn)分子激光器(波長為193nm)等其他激光器。激光器的能量密度為200至400mJ/cm2，例如為250mJ/cm2點被輻照激光器的2至10射程例如為2射程。在激光器輻照期間，襯底可被加熱至大約200至450℃。在加熱襯底的情況下，應(yīng)注意最佳能量密度隨溫度不同而變。非晶硅TFT的活性區(qū)未被晶化因其上有掩膜130。因此，結(jié)晶硅TFT的雜質(zhì)區(qū)131a和131b以及非晶硅TFT的雜質(zhì)區(qū)被激活(圖4(D))。
然后，借助等離子CVD法，采用TEOS作為原料形成厚度為2000的氧化硅膜132作為一層絕緣膜。用濺射法淀積厚度為500至1000，例如為800的銦錫氧化(ITO)膜。對ITO膜進行刻蝕，以形成象素電極133在絕緣膜層132中形成接觸孔。用諸如氮化鈦力鋁之類的多層金屬材料膜形成結(jié)晶硅TFT(外部驅(qū)動電路)用的源和漏極/導(dǎo)線134a，134b和134c以及用于非晶硅TFT(象素電路)的電極/導(dǎo)線134d和134e。上述過程結(jié)果便產(chǎn)生一個半導(dǎo)體電路(圖4(E))。
在這樣生產(chǎn)的半導(dǎo)體電路中，結(jié)晶硅TFT(外部驅(qū)動電路)的諸性能均不次于通過傳統(tǒng)的600℃熱處理結(jié)晶工藝的諸步驟所產(chǎn)生的TFT的諸性能。例如，已證實由該實施例產(chǎn)生的移位寄存器在漏極電壓15v下工作在11MHz而在漏極電壓17v條件下，操作在16MHz，再者就可靠性試驗而言，也未發(fā)現(xiàn)該移位寄存器與現(xiàn)有技術(shù)的移位寄存器之間有任何差別。
就非晶硅TFT(象素電路)的性能而言，漏電流為10-13?；蚋　?br> 根據(jù)本發(fā)明，由于非晶硅的結(jié)晶以及硅中摻的雜質(zhì)的激活均是在諸如400至550℃的低溫下進行并歷時諸如4小時之類的短周期，故可改善生產(chǎn)率。當(dāng)用傳統(tǒng)方法運用600℃或更高溫的工藝時，會導(dǎo)致玻璃襯底收縮而引起成品損壞的問題。根據(jù)本發(fā)明可容易地解決這類問題。
這意味著可在同一時間處理一塊大尺寸的襯底。換言之，當(dāng)處理大尺寸襯底時，可從一塊襯底中切出許多半導(dǎo)體電路(矩陣電路等)從而可大大降低單位成本。當(dāng)將這一特性應(yīng)用于液晶顯示器時，便有可能促進批量生產(chǎn)率并改善諸特性。正如以上所述，本發(fā)明在工業(yè)上是極為有利的。
再者，根據(jù)本發(fā)明可在同一襯底上借助同一工藝過程形成以高速操作的結(jié)晶硅TFT和以低的漏電流為特征的非晶硅TFT。當(dāng)將該特性應(yīng)用于液晶顯示器時，增強批量生產(chǎn)率和改善產(chǎn)品性能是可能的。
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管的形成方法，其特征在于包括以下步驟形成一硅膜，該硅膜在襯底之上，屬非晶型；給硅膜供予促進結(jié)晶化的一種催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而將硅膜結(jié)晶；在結(jié)晶的硅膜之上形成一柵極；對結(jié)晶的硅膜供以雜質(zhì)；在結(jié)晶的硅膜的多個部分上形成含催化元素的物質(zhì)；以及去除物質(zhì)的一部分。
2.一種薄膜晶體管的形成方法，其特征在于包括以下步驟形成一硅膜，該硅膜在襯底之上，屬非晶型；在硅膜上形成一柵絕緣膜；給硅膜供予促進結(jié)晶化的一種催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而將硅膜結(jié)晶；在結(jié)晶的硅膜之上形成一柵極；通過所述柵絕緣膜對結(jié)晶的硅膜供以雜質(zhì)；在結(jié)晶的硅膜的多個部分上形成含催化元素的物質(zhì)；以及去除物質(zhì)的一部分。
3.一種薄膜晶體管的形成方法，其特征在于包括以下步驟形成一硅膜，該硅膜在襯底之上，屬非晶型；在硅膜上形成一柵絕緣膜；給硅膜供予促進結(jié)晶化的一種催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而將硅膜結(jié)晶；在結(jié)晶的硅膜之上形成一柵極；對結(jié)晶的硅膜供以雜質(zhì)；蝕刻柵絕緣膜的一部分；在結(jié)晶的硅膜的多個部分上形成含催化元素的物質(zhì)；以及去除物質(zhì)的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于從鎳、鐵、鈷、鉑組成的集合中選出所述催化元素。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于所述物質(zhì)是一種硅化鎳膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于所述物質(zhì)是一種由所述催化元素和硅組成的化合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于促進結(jié)晶化的所述催化元素用離子注入法供予所述硅膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于去除所述物質(zhì)部分之后，使硅膜退火來激活供予結(jié)晶硅膜的雜質(zhì)，該雜質(zhì)是在比使硅膜結(jié)晶的溫度還要低的溫度下供予硅膜的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于供予雜質(zhì)的硅膜包括有源區(qū)、源區(qū)和漏區(qū)，源區(qū)和漏區(qū)的催化元素濃度比有源區(qū)的還要高。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于所述雜質(zhì)是磷或硼。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-3的任一權(quán)利要求所述的薄膜晶體管的形成方法，其特征在于含有所述催化元素的所述物質(zhì)是通過在襯底上的整片面積上設(shè)置硅和催化元素，而在硅膜的所述多個部分上形成的。
全文摘要
本發(fā)明是一種薄膜晶體管的形成方法，該方法包括以下步驟形成一硅膜，該硅膜在襯底之上，屬非晶型；給硅膜供予促進結(jié)晶化的一種催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而將硅膜結(jié)晶；在結(jié)晶的硅膜之上形成一柵極；對結(jié)晶的硅膜供以雜質(zhì)；在結(jié)晶的硅膜的多個部分上形成含催化元素的物質(zhì)；以及去除物質(zhì)的一部分。
文檔編號H01L29/66GK1741257SQ200510091919
公開日2006年3月1日 申請日期1994年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月12日
發(fā)明者張宏勇, 魚地秀貴, 高山徹, 竹村保彥, 山本睦夫 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所