專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有硅活性層的半導(dǎo)體器件(例如晶體管)并且特別涉及具有結(jié)晶-無定形混合硅膜作為其活性層的薄膜晶體管及該薄膜晶體管的制造方法。
背景技術(shù)：
將具有硅活性層的薄膜晶體管(TFT)用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示器、有機(jī)電致發(fā)光(EL)顯示器和其他種類的顯示裝置的顯示面板的電路中，作為用于這些有源矩陣顯示裝置的基本技術(shù)。在許多情況下，TFT具有無定形硅層作為其活性層；但是，通常無定形硅的小的載流子遷移率使得將其作為活性層用于TFT之前有必要通過激光照射使無定形硅層熔融并且使其再結(jié)晶為多晶硅膜。但是，在良好控制的成膜條件下，能夠通過與無定形硅膜類似的成膜方法形成微晶硅膜，不需要激光退火。日本專利公開No. 8-097436和9-139503提出了使用等離子體化學(xué)氣相沉積(CVD)以形成微晶硅膜并且制造具有該膜作為活性層的TFT。后者的公開也指出在微晶硅膜形成的初期階段過程中觀察到無定形硅的沉積。由這點(diǎn)可以看到，無論它們的名稱如何，實(shí)際上微晶硅膜常常是使無定形和結(jié)晶硅區(qū)域共存的混合膜。如無定形硅膜那樣，通過等離子體CVD或任何其他氣相沉積法形成結(jié)晶-無定形混合硅膜。但是，它們能夠直接用作TFT的部件，無需熔融和再結(jié)晶的工序。與通過快速熱退火(RTA)或激光退火形成的低溫多晶硅膜相比，能夠?qū)⑦@些混合硅膜形成為具有大面積并且由于它們的制造程序不需昂貴的設(shè)備，因此能夠以低成本制造。此外，這些混合硅膜與無定形硅膜相比，具有較大的載流子遷移率。因此在作為 TFT的部件使用中前者在特性上優(yōu)于后者。此外，混合硅膜高度耐受由電流引起的應(yīng)力并且即使長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也只顯示小的閾值電壓(Vth)的漂移。由于它們的這些優(yōu)點(diǎn)，預(yù)期混合硅膜在除了 TFT以外的寬范圍的半導(dǎo)體器件中使用。無進(jìn)一步的處理而將新形成的硅薄膜用作TFT的部件時(shí)，載流子遷移率高度取決于該硅層與柵絕緣層之間的接合面的狀態(tài)。如上所述，將結(jié)晶-無定形混合硅膜直接用作晶體管、二極管和其他種類的半導(dǎo)體器件的部件，無需退火工序。結(jié)果，為了更好的特性，具有這樣的混合硅膜的半導(dǎo)體器件應(yīng)滿足以下要求硅層和柵絕緣層之間的接合應(yīng)精確地形成足以實(shí)現(xiàn)減小的界面處捕集的載流子的密度和所需的施加于溝道的柵電場(chǎng)的強(qiáng)度。但是，通過CVD在襯底上形成時(shí)，結(jié)晶-無定形混合硅膜容易從襯底分離。不僅在玻璃襯底上將其形成時(shí)而且在氮化硅膜上將其形成時(shí)都會(huì)出現(xiàn)這種情況。例如，如果這樣的混合硅膜用作活性層，具有氮化硅膜作為它們的柵絕緣層的底部柵極晶體管和具有等同結(jié)構(gòu)的其他種類的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生混合硅膜從柵絕緣層的分離，它們的性能將會(huì)差，并且它們的生產(chǎn)產(chǎn)率將會(huì)低
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供硅半導(dǎo)體器件。充分利用其中含有的結(jié)晶-無定形混合硅膜的優(yōu)點(diǎn)， 該半導(dǎo)體器件提供優(yōu)異的電特性并且不存在活性層從柵絕緣層的分離。更具體地，本發(fā)明提供半導(dǎo)體器件，其具有依次層疊的襯底、柵電極、含有氮化硅的柵絕緣層、含有結(jié)晶硅和無定形硅的硅層、接觸層以及源電極和漏電極，該硅層中結(jié)晶硅的體積含有比率(volumecontent ratio)向著(toward)源電極和漏電極增加并且向著襯底減小，其中該柵絕緣層和該硅層在它們之間夾持含氧化硅的層。本發(fā)明還提供半導(dǎo)體器件的制造方法。該方法包括以下步驟(A)依次在襯底上形成柵電極和含有氮化硅的柵絕緣層；(B)在該柵絕緣層上形成含氧化硅的層；(C)在該含氧化硅的層上通過化學(xué)氣相沉積(CVD)形成含有結(jié)晶硅和無定形硅的硅層；和(D)依次在該硅層上形成接觸層以及源電極和漏電極。當(dāng)TFT具有結(jié)晶-無定形混合硅膜作為其活性層并且該層中含有的結(jié)晶硅具有向著源電極和漏電極增加并且向著襯底減小的體積比率的梯度時(shí)，該TFT可具有缺陷導(dǎo)致活性層的容易分離的混合硅膜上的大應(yīng)力。本發(fā)明用在柵絕緣層和混合硅膜之間存在的含氧化硅的層克服了該缺陷。換言之，本發(fā)明使我們能夠使用通過CVD形成的結(jié)晶-無定形混合硅膜作為TFT的部件而無需進(jìn)一步的處理。與使用無定形硅制備的TFT相比，以這種方式得到的晶體管具有大的載流子遷移率和良好的電特性。此外，它們能夠容易地制造，原因在于無需激光退火或任何其他種類的再結(jié)晶。由以下參照附圖對(duì)示例性實(shí)施方案的說明，本發(fā)明進(jìn)一步的特征將變得清楚。


圖1表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的橫截面。圖2A和2B分別表示初期和后期的通過CVD的結(jié)晶-無定形混合硅層的形成。圖3A和;3B分別表示初期和后期的通過激光退火的結(jié)晶-無定形混合硅層的形成。圖4A-4F表示根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造程序。圖5為本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的次級(jí)離子質(zhì)譜(SIMS)的圖。圖6為對(duì)于實(shí)施例2中得到的半導(dǎo)體器件得到的橫截面透射電子顯微鏡(TEM)圖像。圖7為對(duì)于比較例2中得到的半導(dǎo)體器件得到橫截面TEM圖像。圖8表示用各種稀釋率(dilution factor)制備的半導(dǎo)體器件的遷移率 (mobility)。圖9表示用各種稀釋率制備的半導(dǎo)體器件中結(jié)晶硅的體積含有比率。
具體實(shí)施例方式以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行說明。圖1表示根據(jù)本實(shí)施方案的半導(dǎo)體器件，即底部柵極TFT的層狀結(jié)構(gòu)的橫截面。從該圖可以看到，在玻璃襯底101上形成柵電極102，并且用柵絕緣層103將玻璃
4襯底101和柵電極102覆蓋。柵電極102是具有圖案的金屬電極。柵絕緣層103是氮化硅膜。介由柵絕緣層103，用含氧化硅的層104和結(jié)晶-無定形混合硅層105(以下簡(jiǎn)稱為硅層10 覆蓋柵電極102。硅層105具有在溝道部中形成的蝕刻阻止層106。用接觸層 107以及源電極和漏電極108覆蓋硅層105和蝕刻阻止層106。接觸層107由摻雜雜質(zhì)的半導(dǎo)體制成，并且源電極和漏電極108由金屬制成。硅層105含有結(jié)晶和無定形硅區(qū)域。如后所詳述，前者與后者的體積的比例(以下簡(jiǎn)稱為結(jié)晶與無定形的比例)沿厚度方向變化。通過等離子體CVD形成該硅層105。本發(fā)明中，等離子體CVD表示包括以下程序的成膜法將含有硅原子的原料氣體引入反應(yīng)容器中，然后對(duì)該體系施加高頻電力以用等離子體使原料氣體分解以致能夠?qū)⒐柙映练e到襯底上以形成固體膜。取決于原料氣體的濃度和其他成膜條件，得到的硅層的結(jié)構(gòu)變化。CVD允許各種成膜條件組，由此能夠形成具有不同的結(jié)晶與無定形的比例的膜，從純無定形硅膜到富于結(jié)晶硅的膜。將CVD用于在玻璃襯底或襯底上形成的氮化硅或氧化硅膜上形成硅膜時(shí)，即使氣體濃度和其他成膜條件固定，得到的硅膜中結(jié)晶硅的體積含有比率具有向著暴露的表面增加且向著襯底減少的梯度。這種沿厚度方向的比例梯度可歸因于在等離子體CVD法過程中硅層的生長(zhǎng)方式。以下參照?qǐng)D2A和2B解釋該現(xiàn)象。圖2A表示在其生長(zhǎng)的初期階段硅層105的橫截面。在該成膜法的初始階段，硅層 105主要由無定形硅301組成。但是，隨著該成膜法進(jìn)行，細(xì)硅種晶302開始出現(xiàn)在無定形硅301中?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)成膜條件來控制該種晶302的產(chǎn)生概率。在用于形成富于結(jié)晶硅的膜的條件下，這種概率高，并且在成膜的初期階段產(chǎn)生種晶302。但是，在用于形成貧于結(jié)晶硅的膜的條件下，這種概率低，并且?guī)缀醪划a(chǎn)生種晶302。一旦產(chǎn)生種晶302，結(jié)晶硅303在其周圍生長(zhǎng)。起始于種晶302，結(jié)晶硅303沿厚度方向向上發(fā)展。隨著高度增加，在距離襯底101的某高度下測(cè)定的結(jié)晶硅303的體積含有比率變大。不僅當(dāng)硅層105具有一定厚度時(shí)能夠產(chǎn)生種晶302 ；在任意厚度的無定形硅 301的表面上也以一定的概率產(chǎn)生種晶302。這意味著在該成膜法的中期階段的過程中種晶302的形成和晶體硅303的生長(zhǎng)一起進(jìn)行。結(jié)晶硅303甚至在該階段過程中形成的種晶 302的周圍生長(zhǎng)，由此進(jìn)一步增加其在硅層105中的體積含有比率。但是，在用于形成貧于結(jié)晶硅的膜的條件下，對(duì)于該成膜法的進(jìn)展，結(jié)晶硅303的生長(zhǎng)慢。圖2B表示在其生長(zhǎng)的較后期階段硅層105的相同的橫截面。生長(zhǎng)到一定尺寸后， 晶體硅303的晶粒與相鄰的晶粒接觸，阻止平面方向上的生長(zhǎng)，并且形成彼此之間的晶粒間界304。但是，即使形成晶粒間界304后，晶體硅303的晶粒仍在厚度方向上向上生長(zhǎng)。以這種方式，硅層105逐漸含有三個(gè)區(qū)域與襯底101最接近的區(qū)域主要由無定形硅301組成；在硅層105的中部延伸的另一區(qū)域是無定形硅301與在種晶302周圍生長(zhǎng)的結(jié)晶硅303的混合物，和最遠(yuǎn)離襯底101的又一區(qū)域主要由結(jié)晶硅303組成。在距離襯底101的表面的某一高度測(cè)定時(shí)，在零高度(硅層105的底部)處結(jié)晶與無定形的比例為 0 100;但是，隨著高度增加，結(jié)晶硅303的體積含有比率變高，最終在最大高度(硅層105 的露出表面)處達(dá)到100%。如果過早地終止成膜工藝，如圖2B中所示，無定形硅301通過硅層105的表面的一些部分而露出。結(jié)晶硅303的體積含有比率越高則越好；因此，應(yīng)選擇成膜條件以使種晶302的產(chǎn)生概率盡可能高。因此，在通常的成膜條件下，結(jié)晶硅303的每個(gè)晶粒具有等于或小于IOOnm的尺寸。圖3A和:3B表示通過形成無定形硅層，然后通過激光退火使其再結(jié)晶而得到的硅層的橫截面。圖3A是正在再結(jié)晶的硅層，而圖;3B是再結(jié)晶完成后的硅層。通過激光照射使硅層105熔融，然后使其冷卻。將硅層105冷卻的同時(shí)，如圖3A 中所示，在熔融硅305中產(chǎn)生種晶302。盡管能夠選擇性地使種晶302在熔融硅305中的具體位置，但它們通常在任意的位置中產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生種晶302，結(jié)晶硅303幾乎各向同性地在其周圍生長(zhǎng)；換言之，結(jié)晶硅303在所有方向上以類似的程度發(fā)展。然后，結(jié)晶硅303的晶粒與相鄰的晶粒接觸并且形成晶粒間界304 ；但是，這些晶粒間界304未必垂直于襯底101。結(jié)果，完成的硅層105含有其中在任意位置上任意尺寸的結(jié)晶硅303的晶粒，并且這些晶粒彼此接觸，它們之間介由晶粒間界304，如圖;3B中所示。在一些情況下，熔融硅 305的一些部分凝固，其中沒有產(chǎn)生種晶302，在這些部分中無定形硅殘留(在附圖中沒有示出)。由激光退火形成的圖:3B中所示的硅層105中，晶粒比由CVD形成的圖2B中所示的硅層105中的那些大。在通常的條件下，這些晶粒的尺寸等于或大于300nm。當(dāng)硅層105 的厚度在50nm的數(shù)量級(jí)上時(shí)，晶粒的尺寸要比其大得多。因此，以這種方式形成的硅層105 能夠視為硅晶體的片材，硅晶體均占據(jù)片材的整個(gè)厚度。順便提及，形成為薄膜的硅受到內(nèi)部應(yīng)力的影響。這種內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的可能的原因是晶粒生長(zhǎng)前面(front)的晶粒的碰撞。根據(jù) Yamaguchi Daigaku Kogakubu Kenkyu-Hokoku(the journalof Faculty of Engineering, Yamaguchi University)第 53 卷第 1 期(2002), Crystal Growth Mode of Poly-Si Prepared by ELA-Relationship between the Grain Morphology and Hydrogens-，由于具有不同晶格常數(shù)的兩個(gè)生長(zhǎng)前面的接觸，在不同晶面方向上生長(zhǎng)的兩個(gè)晶粒的碰撞誘發(fā)間界處的應(yīng)力。這種應(yīng)力在晶粒間界的兩側(cè)作為張力發(fā)揮作用。通過CVD形成的硅層中，如圖2A和2B中所示，遠(yuǎn)離襯底的區(qū)域與接近襯底的區(qū)域相比含有較多的彼此接觸的晶粒并且因此含有較多的晶粒間界。這些晶粒間界通常垂直于硅層的表面，因此在該區(qū)域中，在平面方向上強(qiáng)張力發(fā)揮作用。另一方面，靠近襯底的區(qū)域含有較少的彼此接觸的晶粒并且因此在平面方向上受到較弱的張力影響。得到的沿厚度方向的張力的梯度導(dǎo)致硅層的變形，并且如果硅層與襯底的粘合力弱，則使硅層從襯底分離。結(jié)構(gòu)上無定形硅比結(jié)晶硅柔韌；與后者相比，能夠更容易地通過應(yīng)力使前者變形。 在沿厚度方向的結(jié)晶與無定形的比例的任何梯度下，即使沿厚度方向上應(yīng)力恒定，與貧于無定形硅的區(qū)域相比，富于無定形硅的區(qū)域中使硅層在較大程度上變形，并且最終從襯底分離。更簡(jiǎn)單地說，沿厚度方向具有兩種組分的比例的梯度的結(jié)晶-無定形混合硅膜常常因應(yīng)力而變形并且從襯底分離。另一方面，通過包括熔融和再結(jié)晶工序的激光退火或任何其他方法形成的硅層中，如圖:3B中所示，晶粒在厚度方向上均勻；結(jié)晶與無定形的比例沿厚度方向不具有梯度。 此外，晶粒間界的密度小。結(jié)果，與通過CVD形成的硅層中相比，內(nèi)部應(yīng)力弱。這可能是通過CVD形成的結(jié)晶-無定形混合硅層容易從襯底分離的原因。底部柵極晶體管具有依次層疊的柵電極102、柵絕緣層103(氮化硅膜)和硅層 105(硅膜)。氮化硅膜常常從硅膜分離，并且這可能引起柵電壓對(duì)于施加的電壓水平而言低。更嚴(yán)重的是，界面上硅原子的分裂的鍵捕集載流子，由此使開電流減小。但是，根據(jù)該實(shí)施方案的TFT具有，如圖1中所示，含氧化硅的層104。將該含氧化硅的層104夾持在柵絕緣層103(氮化硅膜)與硅層105之間并且防止柵絕緣層103從硅層105分離。該含氧化硅的層104的插入防止分離的原因尚不確定。但是，其可能能夠如下解釋。與氮原子相比，氧原子更容易進(jìn)入硅膜。因此，在由柵絕緣層103(氮化硅膜)、硅層105和在它們之間形成的含氧化硅的層104組成的層合體中，氧原子從含氧化硅的層104 中移出進(jìn)入硅層105。無定形硅中，鍵具有不同的強(qiáng)度，并且當(dāng)施加變形力時(shí)弱鍵容易裂解。 硅膜中，Si-N鍵與Si-Si鍵相比更容易裂解。此外，Si-O鍵的結(jié)合能高于Si-N鍵的結(jié)合能 (812kJ/mol對(duì)320kJ/mol)。結(jié)果，進(jìn)入硅層105的氧原子與先前存在于其中的硅原子結(jié)合， 使硅層105與氮原子與硅原子結(jié)合的情形中相比強(qiáng)度強(qiáng)。這可能有助于防止分離。通過其表面上的柵絕緣層103(氮化硅膜)的氧化或者柵絕緣層103上氧化硅的沉積來形成含氧化硅的層104。柵絕緣層103的氧化用氧原子替代表面上的氮原子，留下氮氧化硅膜或含有氮化硅和氧化硅的混合膜。本發(fā)明中，這種膜也稱為含氧化硅的層?；瘜W(xué)計(jì)量地，氧化硅可具有一氧化物(SiO)或二氧化物(SiO2)形式；但是，不管以一氧化物或二氧化物形式其含有Si-O鍵，并且含氧化硅的層104能夠長(zhǎng)期改善柵絕緣層103與硅層105之間的粘合。用于將柵絕緣層103氧化的有效方法是將柵絕緣層103暴露于氧氣流30秒或更長(zhǎng)。如后所述，含氧化硅的層104太大的厚度影響得到的晶體管的特性。暴露時(shí)間不應(yīng)太長(zhǎng)；其優(yōu)選等于或短于3600秒。該氧化工序過程中襯底溫度優(yōu)選在室溫-400°C的范圍內(nèi)并且應(yīng)當(dāng)根據(jù)該工序的持續(xù)時(shí)間適當(dāng)改變。另一方面，基于沉積的方法包括通常的CVD法。在透射電子顯微鏡(TEM)下能夠直接觀察含氧化硅的層104。如以下實(shí)施例部分中所述，在TEM圖像上該層作為白線在柵絕緣層103與硅層105之間出現(xiàn)，其表示絕緣材料。除了 TEM外，也可將次級(jí)離子質(zhì)譜(SIMS)用于確認(rèn)氧的存在。形成硅層105的方法包括其中使硅的沉積和用氫等離子體對(duì)形成的涂層的照射交替的方法，其中在初期階段將這組工序反復(fù)，然后切換到硅涂層的連續(xù)形成的方法等。盡管不同的方法可導(dǎo)致不同的結(jié)晶與無定形的比例的梯度，只要其提供向著襯底增加并且向著相反側(cè)減小的無定形硅的體積含有比率的梯度，可使用任何方法。根據(jù)本發(fā)明的TFT中，硅層105中結(jié)晶硅的體積含有比率為至少20%并且優(yōu)選等于或高于40%，在硅層105的整個(gè)厚度上平均。硅膜中結(jié)晶硅的體積含有比率可通過如下方式測(cè)定通過拉曼光譜評(píng)價(jià)硅膜的結(jié)晶度。在該分析法中，分別在520CHT1和480CHT1測(cè)定結(jié)晶硅的拉曼位移(shift)和無定形硅的拉曼位移，然后將前者與后者的強(qiáng)度比轉(zhuǎn)化為結(jié)晶硅的體積含有比率。得到的結(jié)果是在硅膜的整個(gè)厚度上平均的結(jié)晶硅的體積含有比率。關(guān)于沿厚度方向的結(jié)晶硅和無定形硅的分布，橫截面TEM提供簡(jiǎn)要的觀察結(jié)果。以下參照?qǐng)D4A-4F對(duì)根據(jù)本實(shí)施方案的TFT的制造方法進(jìn)行說明。圖4A表示具有柵電極102和柵絕緣層103的襯底101。將柵電極102形成為具有10-300nm范圍內(nèi)的厚度，然后形成柵絕緣層103以覆蓋襯底101和柵電極102。柵電極 102具有通過光刻法形成的圖案以提供所需的電極排列。襯底101由高熔點(diǎn)玻璃、石英、陶瓷或任何其他適合的材料制成。用于柵電極102的材料是鉬(Mo)、鈦(Ti)、鎢(W)、鎳(Ni)、 鉭(Ta)、銅(Cu)、鋁(Al)、或它們的合金，并且通過濺射、真空氣相沉積或任何其他適合的方法形成該電極。此外，柵電極102可通過將幾個(gè)金屬涂層層合而形成。柵絕緣層103是具有50-300nm范圍內(nèi)的厚度的氮化硅膜。通過含有硅烷(SiH4)、 氨(NH3)、氮(N2)、氫(H2)等的氣體混合物的等離子體CVD來形成該氮化硅膜。圖4B表示下一工序，其中對(duì)柵絕緣層103進(jìn)行處理以形成含氧化硅的層104。更具體地，用含有SiH4、一氧化二氮(N2O)和氧(O2)作為原料氣體的氣體混合物， 通過等離子體CVD處理柵絕緣層103以使氧化物膜在其上沉積。該原料氣體可以是四乙氧基硅烷(TEOS)和化氣體的組合。此外，CVD并不是處理柵絕緣層103的唯一方式；可通過在高溫下將用該層覆蓋的結(jié)構(gòu)體暴露于水蒸汽氣氛、A氣氛或含A的混合氣氛來對(duì)其進(jìn)行處理。在該方法中，為了更迅速的處理，在將該結(jié)構(gòu)體暴露于任何上述氣氛的同時(shí)可用高頻波或直流(DC)電場(chǎng)產(chǎn)生等離子體。該氧化工序在柵絕緣層103上產(chǎn)生含氧化硅的層104。含氧化硅的層104的厚度優(yōu)選地等于或小于20nm。太大的厚度使該層成為柵絕緣層103的一部分，如其柵絕緣層全部由氧化硅制成的TFT那樣，由于其低的開關(guān)比(開關(guān)電流比)，得到的TFT難以關(guān)閉。事實(shí)上，用設(shè)定在IOnm或5nm的含氧化硅的層104的厚度制備的TFT具有不小于IO5的開關(guān)比。另一方面，用設(shè)定在大于20nm的含氧化硅的層104的厚度制備的TFT具有IO2的數(shù)量級(jí)的開關(guān)比。本發(fā)明中，含氧化硅的層104比柵絕緣層103薄10倍以上。因此，含氧化硅的層 104不會(huì)作為柵絕緣層發(fā)揮作用并且對(duì)得到的TFT的閾值電壓、耐電壓和其他特性沒有影響；其只用作如上所述對(duì)溝道部中與硅層105的界面進(jìn)行改性的膜。含氧化硅的層104的厚度可通過TEM、次級(jí)離子質(zhì)譜或任何其他已知的方法測(cè)定。然后，用硅層105覆蓋含氧化硅的層104。該硅層105通過等離子體CVD形成并且含有結(jié)晶硅和無定形硅。硅層105的厚度在20-200nm的范圍內(nèi)并且優(yōu)選在40-100nm的范圍內(nèi)。關(guān)于形成該硅層105的CVD的條件，射頻(RF)功率密度在0. 05-lff/cm2的范圍內(nèi)并且優(yōu)選在0. 1-0. 8ff/cm2的范圍內(nèi)，反應(yīng)壓力在l.O-lOTorr的范圍內(nèi)并且優(yōu)選在 1. 5-8. OTorr的范圍內(nèi)。原料氣體是含有SiH4、乙硅烷(Si2H6)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、四氟硅烷(SiF4)和二氟硅烷(SH2F2)的氣體混合物，稀釋劑氣體是H2氣或惰性氣體。使用吐氣時(shí)，硅類原料氣體的稀釋率設(shè)定在100-3000的范圍內(nèi)。稀釋率定義為稀釋劑氣體的量與原料氣體的量之比。本化學(xué)氣相沉積法中，其可替代為CVD室內(nèi)的流速之比，即稀釋率=(稀釋劑氣體的流速)/(原料氣體的流速)。對(duì)于硅層在含氧化硅的層上的生長(zhǎng)，優(yōu)選1000-3000的高稀釋率。優(yōu)選的稀釋率取決于硅類原料氣體是否含有鹵素而變化。對(duì)于不含有鹵素的原料氣體，優(yōu)選高稀釋率。從這點(diǎn)可以看到，用于形成硅層105的條件包括與用于形成無定形硅膜的那些相比，相對(duì)高的氣體壓力和相對(duì)高的氫稀釋率。為了硅層105的更好的電特性，增加該硅膜中結(jié)晶硅的體積含有比率是有效的。 進(jìn)行這點(diǎn)的方式之一是通過使硅的沉積和用氫等離子體對(duì)形成的涂層的照射交替來形成該層。這可通過適當(dāng)調(diào)節(jié)用于涉及的氣體的質(zhì)量流量控制器來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)適當(dāng)控制硅沉積和氫等離子體照射之間的時(shí)間比例以實(shí)現(xiàn)所需的沉積速度和結(jié)晶度。圖4C表示下一工序，其中在硅層105上形成蝕刻阻止層106。該蝕刻阻止層106 是氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)或氮氧化硅(SiON)的單層或作為這些化合物的單層的適當(dāng)組合形成的層合體。圖4D表示下一工序，其中將蝕刻阻止層106部分除去以致只有包括溝道部的部分應(yīng)以預(yù)定的尺寸保留。盡管在圖4D中沒有示出，該工序后可將硅層105隔離開以具有島圖案。進(jìn)行這點(diǎn)的方式之一是用抗蝕劑圖案掩蔽硅層105，然后通過干法蝕刻、濕法蝕刻或這兩者將暴露的部分除去。圖4E表示下一工序，其中用接觸層107、然后用金屬層108'將硅層105和蝕刻阻止層106覆蓋。接觸層107以高濃度含有η-型摻雜劑，并且金屬層108'用作用于后面形成的源電極和漏電極108的材料。為了在硅層105與源電極和漏電極108之間提供歐姆接觸，接觸層107具有10-300nm的范圍內(nèi)并且優(yōu)選20-100nm的范圍內(nèi)的厚度。金屬層108 ‘， 作為用于源電極和漏電極108的材料，是Mo、Ti、W、Ni、Ta、Cu、Al、或它們的合金的單層或者作為這些材料的單層的適當(dāng)組合形成的層合體。然后，用光刻形成的抗蝕劑圖案掩蔽金屬層108'。通過蝕刻將金屬層108'的露出部分以及存在于其下方的接觸層107的部分除去；該工序過程中，使蝕刻阻止層106的溝道部露出，并且形成源電極和漏電極108。如果在圖4D中所示的工序后不將硅層105隔離開，該蝕刻工序繼續(xù)直至將該硅膜的適當(dāng)部分除去。以這種方式，如圖4F中所示，完成了源電極和漏電極108圖案化的TFT。不具有蝕刻阻止層106的晶體管的制造程序不包括圖4C和4D中所示的工序。取而代之，在圖4F中所示的工序中，將溝道部掩蔽而將金屬層108'圖案化，然后將溝道部的金屬層108'和存在于其下方的接觸層107的部分除去。使用任何上述程序制造的晶體管，通過使柵電極和源電極之間的連接或者柵電極與漏電極之間的連接短路，能夠轉(zhuǎn)換為二極管。只要通過柵電壓控制它們的溝道，也可以以類似的方式制造其他種類的半導(dǎo)體器件。實(shí)施例以下參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說明。實(shí)施例1首先，在玻璃襯底101上形成柵電極102。更具體地，通過RF濺射將Mo沉積在玻璃襯底101上以達(dá)到IOOnm的厚度。然后，將柵電極102圖案化。將得到的樣品放入CVD 室中，并且根據(jù)柵絕緣層形成條件1 (表1)通過沉積將柵絕緣層103形成到厚度300nm(圖 4A)。
隨后，將樣品暴露于O2氣氛以根據(jù)氧化條件1 (表幻將柵絕緣層103的表面氧化。 如表2中規(guī)定那樣，向氧氣氣氛的暴露時(shí)間從10秒變化到3600秒。得到各種暴露時(shí)間的樣品并進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過該暴露于氧氣氣氛，形成含氧化硅的層104 (圖4B)。隨后，將樣品放回到CVD室中以形成硅層105。根據(jù)硅層形成條件1 (表幻形成該結(jié)晶-無定形混合硅膜。在此，由氫氣的流速3000SCCm與硅烷氣的流速IOsccm之比確定的稀釋率為300。然后，在硅層105上形成蝕刻阻止層106 (圖4C)。該蝕刻阻止層106是氮化硅和
氧化硅膜的層合體。隨后，通過光刻法和濕法蝕刻將蝕刻阻止層106圖案化以使硅層105的某部分應(yīng)當(dāng)露出(圖4D)。在此使用的蝕刻劑為用氟化銨緩沖的氫氟酸。 然后，通過等離子體CVD形成接觸層107，并且通過RF磁控濺射形成源電極和漏電極108 (圖4E)。然后通過干法蝕刻將接觸層107以及源電極和漏電極108 —起成形為預(yù)定的圖案(圖4F)。表 權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體器件，包括襯底、柵電極、含有氮化硅的柵絕緣層、含有結(jié)晶硅和無定形硅的硅層、接觸層以及源電極和漏電極，全部依次層疊，并且該硅層中，該結(jié)晶硅的體積含有比率向著源電極和漏電極增加并且向著襯底減小，其中該柵絕緣層和該硅層在它們之間夾有含氧化硅的層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中該結(jié)晶硅在該硅層的整個(gè)厚度上平均的體積含有比率等于或高于20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的半導(dǎo)體器件，其中該含氧化硅的層具有等于或小于20nm的厚度。
4.半導(dǎo)體器件的制造方法，其包括以下步驟(A)依次在襯底上形成柵電極和含有氮化硅的柵絕緣層；(B)在該柵絕緣層上形成含氧化硅的層；(C)在該含氧化硅的層上通過化學(xué)氣相沉積形成含有結(jié)晶硅和無定形硅的硅層；和(D)依次在該硅層上形成接觸層以及源電極和漏電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在步驟(B)中，通過將該柵絕緣層暴露于水蒸汽、氧或含氧混合氣氛而形成該含氧化硅的層。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在步驟(B)中，通過化學(xué)氣相沉積形成該含氧化硅的層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的半導(dǎo)體器件的制造方法，其中在化學(xué)氣相沉積室中通過使用含有硅原子的原料氣體和含有氫氣或惰性氣體的稀釋氣體來進(jìn)行步驟(C)中的化學(xué)氣相沉積， 該稀釋氣體的流速為該原料氣體的流速的1000倍以上。
全文摘要
半導(dǎo)體器件具有依次層疊的襯底、柵電極、含有氮化硅的絕緣層、含有結(jié)晶硅和無定形硅的硅層、接觸層以及源電極和漏電極。該硅層中該結(jié)晶硅的體積含有比率具有向著該源電極和漏電極增加并且向著該襯底減小的梯度。該柵絕緣層和該硅層在它們之間夾持含氧化硅的層。
文檔編號(hào)H01L29/786GK102194889SQ20111005699
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月15日
發(fā)明者松田高一 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社