專利名稱：半導體器件、其生產(chǎn)方法及其在液晶顯示器的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及包括彼此具有兩種不同性質(zhì)的兩種類型的薄膜晶體管的半導體器件，并涉及生產(chǎn)該器件的方法。本發(fā)明還涉及包括晶體管的有源矩陣液晶顯示器，用于開關許多配置在位于一絕緣基片上的陣列中的象素電極，該基片由與玻璃同類的東西構成。更具體地說，本發(fā)明涉及一種包括一顯示部份而且還包括一外部驅動電路的驅動級單塊類型的有源矩陣液晶顯示器，所述顯示部分具有象素電極及晶體管，而所述外部驅動電路具有用于驅動該顯示部分的晶體管。
包括許多作為用于象素電極的開關器件的薄膜晶體管(以后叫作“TFT”)的有源矩陣液晶顯示器(以后叫作“LCDs”)作為上述類型的液晶顯示器是已知的。這樣的LCDs今天廣泛用于電視、數(shù)據(jù)處理裝置及測量裝置。
一般說來，TFT用由硅構成的薄的半導體薄膜作為它的有源層。這樣一種薄的半導體薄膜主要由非晶硅或晶體硅構成。極為廣泛采用的是由非晶硅構成的半導體薄膜，這薄膜比較易于用汽相沉積方法在低溫下生產(chǎn)，而這樣就適于成批生產(chǎn)。包括由晶體硅構成的半導體薄膜的TFT對于大電流有足夠的驅動能力，以實現(xiàn)高速運行，而且進一步還允許LCD的外部驅動電路與在同一個單個基片上的顯示部分形成為一體。由于這些原因，今天注意力就集中到包括晶體硅層的TFT上。
作為晶體硅用于有源矩陣LCD，已知有多晶硅、微晶硅、具有在晶體硅和非晶硅之間的中間態(tài)的半非晶硅。
公開號為5-218156的日本專利已提出一種用于形成晶體硅的半導體薄膜的方法。在這方法中，在事先形成的非晶硅層中引入微量用于促進結晶的雜質(zhì)元素，例如鎳，起到結晶核的作用。(在本說明書中，用于促進結晶的元素將叫作“催化元素”。)在600℃或更低的溫度使最終的層退火約四小時，這使得能用便宜的玻璃基片；由此形成一個結晶度達到足夠水平的層。用這樣的方法，可以明顯改進在初始結晶階段期間的核生成率及此后的核生長率。相應地可降低用于固相結晶所需的溫度，而且還可縮短退火周期。況且，可以使晶界對器件工作的影響減至最少。盡管并未搞清結晶機制，還是假定由催化元素(例如鎳)形成的晶核在初始階段產(chǎn)生，此后，通過催化元素(例如鎳)，使晶體生長急速進行。
在這方法中，通過選擇性地把催化元素引入到在基片上的非晶硅區(qū)域，可以在同一單獨基片上形成一個有晶體硅區(qū)域和非晶硅區(qū)域的層，就如公開號為2-61032的日本專利所提出的那樣，這一點通過采用激光的結晶過程來實現(xiàn)。在引入催化元素后，通過連續(xù)進行退火，由形成在下述區(qū)域中的晶核生長晶體，催化元素已引入到所述這個區(qū)域周圍的區(qū)域，以進一步實現(xiàn)非晶硅在這樣的周圍區(qū)域結晶。這樣的晶體生長在橫向進行，即在平行于基片表面的方向進行。以這種方法延伸了已從非晶硅層轉變成晶體硅層的區(qū)域。此后，已出現(xiàn)晶體生長的區(qū)域將叫作“橫向生長區(qū)域”。在橫向生長區(qū)域中，類似針狀或類似柱狀的晶體在橫向生長，而且沒有晶界橫跨過晶體生長方向形成。由于沒有晶界，可以利用橫向生長區(qū)域作為溝道區(qū)域產(chǎn)生具有高遷移率的高性能TFT。
參照圖6，將說明上述用于形成橫向生長區(qū)域并用該橫向生長區(qū)域產(chǎn)生TFT的方法。圖6是具有用橫向生長區(qū)域來產(chǎn)生的TFT的基片的一幅平面圖。
首先，在整個基片上形成一層非晶硅，并在這非晶硅層上形成一層二氧化硅或類似的東西的掩膜層。在掩膜層的催化元素引入?yún)^(qū)域300中形成一個孔，并通過這個孔把一種催化元素(例如鎳)引入到非晶硅層。
其次，在約550℃使最后得到的疊層退火約4小時。通過這樣的退火使相應于催化元素引入?yún)^(qū)域的非晶硅層的區(qū)域晶體化，而其它區(qū)域保持在非晶狀態(tài)。
在同樣的溫度，使最后得到的疊層再退火約8小時。然后，如箭頭301所示，晶體生長從催化元素引入?yún)^(qū)域300橫向進行，由此形成一橫向生長區(qū)域302。此后，箭頭301所示的方向將稱為“晶體生長方向”。
下一步，用已知的方法由橫向生長區(qū)域產(chǎn)生TFT。如圖6所示，產(chǎn)生TFT使得一個源區(qū)域303、一個溝道區(qū)域304及一個漏極區(qū)域305相對于橫向生長區(qū)域302定位。通過這樣一種布置，載流子沿與晶體生長方向301相同的方向移動。這樣，由于沒有晶界橫跨過載流子移動方向而形成，最終的TFT具有高的遷移率。
通過采用具有高遷移率的最終的高性能的TFT作為位于顯示部分外邊的外部驅動電路的驅動器件，可以實現(xiàn)對這樣的一個外部電路所要求的高頻運行。
這樣的一種TFT具體按下述方式產(chǎn)生。
在由玻璃或類似的東西構成的一個絕緣基片上形成一層非晶硅。例如，確定LCD的布局，這使得外部驅動電路環(huán)繞顯示部分。把一種催化元素(例如鎳)引入到指定為外部驅動電路的所選定的非晶硅層的區(qū)域，由此，形成橫向生長區(qū)域302。
然后，在橫向生長區(qū)域302中，沿平行于晶體生長方向301形成源/漏極區(qū)域。在指定為顯示部分的非晶硅層的一個區(qū)域中，沿垂直于晶體生長方向301形成源/漏極區(qū)域。以這種方法分別形成用于外部驅動電路的一個TFT和用于象素電極的一個TFT。
分別形成兩種類型的TFT的優(yōu)點如下一個用于外部驅動電路的TFT需要有高遷移率，以便于在高頻范圍工作。這樣的一種TFT需要一個大的“啟動”電流通過。用于象素電極的TFT不需要有極高的遷移率，這是為了改進電荷保留比，但需要把“關閉”電流限制在一個低水平上?！瓣P閉”電流是當一個門被提供反向偏壓時的源區(qū)域和漏極區(qū)域之間流動的漏電流。
用于外部驅動電路的TFT需要這樣一種結構，其中載流子在源區(qū)域和漏極區(qū)域之間移動時并不受晶界的影響，以便具有高遷移率。用于象素電極的TFT需要有這樣一種結構，其中載流子橫跨過晶界在源區(qū)域和漏極區(qū)域之間移動，以便在源區(qū)域和漏極區(qū)域之間提供大的電阻，而這樣就提供了小的“關閉”電流。公開號為5-218156的日本專利中說明了對所述這兩種TFT的上述要求。
用上述方法產(chǎn)生的用于外部驅動電路的TFT有下述一些問題在源區(qū)域和漏極區(qū)域之間的晶體生長區(qū)域中，引入一種催化元素(例如鎳)，以促進晶體生長，引入的這種催化元素沿著晶界被嚴重隔離，并因此形成載流子的陷阱能級。結果，通過催化元素產(chǎn)生的“關閉”電流增大到不能不加以考慮的極高程度，所述催化元素被隔離在源區(qū)域附近和漏極區(qū)域附近。進一步用于象素電極的TFT不能充分減小“關閉”電流，盡管在該結構中載流子橫跨過晶界在源區(qū)域和漏極區(qū)域之間移動。
圖7是顯示在用通常的方法所形成的TFT中漏極電流對柵電壓的依賴關系的一個曲線圖。圖7中的實線代表用通常的固相晶體生長方法而沒有引入催化元素所形成的一個TFT的這樣一種依賴關系；而虛線代表引入一種催化元素所形成的一個TFT的這樣一種依賴關系，其中載流子橫跨過晶界在源區(qū)域和漏極區(qū)域之間移動。如從圖7中所看到的，后一個TFT的“關閉”電流的大小高于前一個TFT一個或多個數(shù)量級。
本發(fā)明的一個方面是一種半導體器件包括一個具有由第一晶體硅層構成的第一溝道層的第一薄膜晶體管以及一個具有由第二晶體硅層構成的第二溝道層的第二薄膜晶體管。第一晶體硅層和第二晶體硅層位于一單個基片上。第二晶體硅層包括一種用于促進晶體化的催化元素并具有比第一晶體硅層的遷移率更高的遷移率。
本發(fā)明的一個實施例中，由于晶體從含有其中引入了催化元素的非晶硅層的一個區(qū)域沿著基本上平行于基片的表面的方向生長所形成的一個橫向生長區(qū)域構成第二晶體硅層。
本發(fā)明的一個實施例中，催化元素由從下述這組材料中所選取的至少一種材料組成，這組材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷以及磷。
本發(fā)明的另一個方面是一種生產(chǎn)半導體器件的方法，此器件包括一個具有由第一晶體硅層構成的第一溝道層的第一薄膜晶體管和一個具有由第二晶體硅層構成的第二溝道層的第二薄膜晶體管，該方法包括下述這些步驟形成具有一個選定區(qū)域的一層非晶硅，此選定區(qū)域包括引入其中的一種催化元素，以便在有一個絕緣表面的一個基片上生長晶體；進行第一次退火，以在所選定的非晶硅層區(qū)域中產(chǎn)生一個晶核，由此使所選定的區(qū)域晶體化，并不斷引起晶體從所選定的區(qū)域沿橫向進行生長，以形成第二晶體硅層；以及進行第二次退火，以使在第一次退火后剩下的保持在非晶態(tài)的非晶硅層結晶，由此形成第一晶體硅層。
本發(fā)明的一個實施例中，在比第一次退火更高的溫度進行第二次退火本發(fā)明還有另一方面，一種液晶顯示器件包括一個含有一液晶層的顯示部分、一對夾持液晶層的基片、許多位于在所述那對基片之一上的一個陣列形式的象素電極、以及許多分別連接到那些象素電極上的第一薄膜晶體管、還有被定位用于驅動顯示部分的一個外部驅動電路，這外部驅動電路位于第一薄膜晶體管所在的那個基片上并具有一個第二薄膜晶體管。每一個第一薄膜晶體管包括一個由第一晶體硅層構成的第一溝道層，而第二薄膜晶體管包括一個由第二晶體硅層構成的第二溝道層，這第二晶體硅層具有比第一晶體硅層的遷移率更高的遷移率，而第二晶體管層包括一種用于促進結晶的催化元素。
在本發(fā)明的一個實施例中，由于晶體從含有其中引入催化元素的非晶硅層的一個選定區(qū)域沿基本上平行于基片的一個表面生長，所形成的一個橫向生長區(qū)域構成第二晶體硅層。
在本發(fā)明的一個實施例中，定位第二薄膜晶體管，以便沿基本上為晶體生長的方向移動載流子。
在本發(fā)明的一個實施例中，由在低于600℃的溫度下完成結晶過程而形成第二晶體硅層，而且由在不低于600℃的溫度下完成結晶過程而形成第一晶體硅層。
在本發(fā)明的一個實施例中，催化元素引入到用于形成第二晶體硅層的非晶硅層，濃度不高于5.0×1013原子/平方厘米。
這樣，此處所述的本發(fā)明可有下述優(yōu)點(1)提供包含具有彼此不同性質(zhì)的TFT的半導體器件，以及提供生產(chǎn)該器件的方法，(2)提供包含用于一象素電極的一種TFT和一種用于一外部驅動電路的TFT的LCD，這外部驅動電路形成在同一單個基片上并具有各個目的所要求的性質(zhì)。
當閱讀并了解下面的詳細說明并參照附圖時，本發(fā)明的這些和其它一些優(yōu)點對本領域普通技術人員來說將變得顯而易見。


圖1是一個包括一個本發(fā)明的LCD和一個裝在一單個基片上的電光裝置的電子器件的方塊圖；圖2A至圖2I是說明在本發(fā)明的方法中用于形成在LCD的有源矩陣基片上的一外部驅動電路的TFT的生產(chǎn)步驟的剖面圖；圖3A至3G是說明在本發(fā)明的方法中用于形成在LCD的有源矩陣基片上的一象素電極的TFT的生產(chǎn)步驟的剖面圖；圖4是圖2I中所示的疊層的一幅平面圖5A和5B是說明在本發(fā)明的另一個方法中用于形成在LCD的有源矩陣基片上的一外部驅動電路的一個TFT的生產(chǎn)步驟的剖面圖；圖6是說明在通常方法中引入一種催化元素和橫向晶體生長的一幅圖；圖7是說明用通常的方法所形成的TFT中漏極電流對柵電壓的依賴關系的一幅圖；圖8是說明橫向生長區(qū)域的長度對單位面積的催化元素濃度的依賴關系的一幅圖。
本發(fā)明的發(fā)明人已作出如下發(fā)現(xiàn)。
在催化元素(例如鎳)未被引入的非晶硅層的一個區(qū)域中，當這非晶硅層在低于600℃退火時沒有晶核產(chǎn)生。只有使這樣的一個區(qū)域在600℃或更高的溫度退火，才能產(chǎn)生用于結晶過程的晶核并出現(xiàn)結晶過程。利用這樣一種現(xiàn)象，通過使非晶硅層退火而同時把一種催化元素(例如鎳)引入到這非晶硅層的一個選定的區(qū)域中并進一步采用兩個退火溫度(一個低于600℃而另一個是600℃或更高)，可以在同一單個基片上形成兩種類型的硅層。一個硅層形成已經(jīng)引入催化元素的區(qū)域中，并具有基本一致的晶體生長方向。這樣一種硅層適用于具有比較大的“關閉”電流但具有高遷移率的TFT。形成在不含催化元素的非晶硅層的剩下的區(qū)域中的另一硅層具有適于形成有低遷移率但把“關閉”電流限制在低水平的TFT的結晶度水平。前一種TFT用于外部驅動電路，而后一種TFT用于驅動顯示部分中的一象素電極。此后，指定用于例如LCD的顯示部分的非晶硅層或晶體硅層的區(qū)域將叫作“顯示區(qū)域”；而指定用于例如LCD的外部驅動電路的非晶硅層或晶體硅層的區(qū)域將叫作“外部驅動電路區(qū)域”。
將更詳細地說明本發(fā)明。在實施本發(fā)明時，并非絕對必須通過一定區(qū)域(如以后將要說明的區(qū)域100；相應于圖6中催化元素引入?yún)^(qū)域300)引入催化元素。
首先說明晶體硅層和通過把一種催化元素引入到非晶硅層的整個外圍驅動電路區(qū)域而形成的TFT。
這樣一種晶體硅層包括每個都有許多類似柱狀晶體的晶粒，每個晶粒約10nm寬。每個晶粒大約成10°角延伸。因此，即使每個類似柱狀的晶體具有令人滿意的結晶度水平，晶體硅層還是有比較高密度的晶體缺陷(錯位)。
晶粒尺寸30μm到40μm，這比用通常的固相晶體生長方法而不引入催化元素所形成的多晶硅薄膜的尺寸大。如果用有這樣一個范圍的晶粒尺寸的晶體硅層來形成具有這樣的尺寸(例如，L(溝道長度)/W(溝道寬度)＝10μm/10μm)的TFT，由于在溝道區(qū)域中基本一致的晶體取向，就得到比較高的遷移率，但閾值電壓和“關閉”電流的水平由于高密度的晶體缺陷而難以降低。
為了降低在這樣的一個TFT中的閾值電壓和“關閉”電流的電平，相應于催化元素引入?yún)^(qū)域300的一個區(qū)域(以后說明為區(qū)域100)優(yōu)選地用于把該催代元素引入到非晶硅層的外部驅動電路的一個選定區(qū)域。以這種方法，可以得到具有單個晶體生長方向(基本上平行于基片的表面)而且還有極低密度的晶體缺陷的晶體硅層。通過把一種催化元素引入到整個外部驅動電路區(qū)域的方法并不能得到高水平的結晶度。
用晶體硅產(chǎn)生用于一象素電極的TFT，這晶體硅層通過通常的固相晶體生長方法不引入催化元素而形成。用這種方法產(chǎn)生的TFT把“關閉”電流限制在一個低水平。
在固相晶體生長方法中，當把非晶硅層在低于600℃的溫度下退火作為第一次退火時，只是通過在外部驅動電路區(qū)域中的催化元素的效應產(chǎn)生晶核。不同于采用通常的固相晶體生長方法的情況，完全不出現(xiàn)晶核的自然生長。因此，得到極高水平的結晶度。
下一步，最終得到的層進一步在600℃或更高的溫度退火作為第二次退火。通過在這樣一個溫度退火，進一步改進了含有催化元素的外部驅動電路區(qū)域的結晶度。殘留在非晶態(tài)的顯示區(qū)域中出現(xiàn)晶核的自然生長。結果，整個層結晶。
為了使催化元素作為雜質(zhì)對用于外部驅動電路的影響最小，優(yōu)選地以5.0×1013原子/平方厘米或更低的濃度引入催化元素。由圖8中可看出其中的原因。
圖8示出了橫向生長區(qū)域的長度對于每單位面積的作為催化元素的鎳的濃度的依賴關系。垂直軸代表橫向生長區(qū)域的長度，而水平軸代表鎳的濃度。如從圖8所見到的那樣，橫向生長區(qū)域的長度與鎳的濃度成正比增加，直到鎳的濃度變?yōu)?.0×1013原子/平方厘米(橫向生長區(qū)域90μm)，但當鎳的濃度超過5.0×1013原子/平方厘米時，橫向生長區(qū)域的長度并不進一步顯著增加。
由于上述兩階段退火，可以在同一單個基片上形成適用于具有外部電路所需要的高遷移率的TFT的硅層和適用于象素電極所需要的把“關閉”電流限制在低水平的TFT的硅層。特別是，載流子沿晶體生長方向移動的晶體硅層在顯著改進TFT的遷移率方面是有效的。
催化元素優(yōu)選地由下述這組材料中選取的至少一種材料構成，這組材料包括鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、錫(Sn)、銦(In)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、銻(Sb)、銅(Cu)、砷(As)以及磷(P)。采用這樣的一種催化元素實現(xiàn)了均勻結晶、顯示部分的擴大以及生產(chǎn)能力的改進。用通常的激光退火方法并不能實現(xiàn)這些優(yōu)點，這種通常的激光退火方法是把非晶硅結晶成晶體硅的那些方法之一。可以認為用于在低溫使用催化元素把非晶硅結晶成晶體硅的技術是一種新技術，這種技術完全不同于通常的結晶技術，例如，激光退火方法。
將參考圖1和圖5說明本發(fā)明的一個例子。
圖1是一個含有一個LCD10和一個電光裝置的電子器件的方塊圖，LCD10和電光裝置都裝在一個單個絕緣基片上。除LCD10外，該電子器件包括一個CPU20、一個存儲器21、一個輔助存儲器22、一個輸入電信號的輸入口23、一個背照明件24以及一個XY分支電路25。CPU20、存儲器21、輔助存儲器22以及XY分支電路25都由薄膜晶體管構成。由含有一對彼此相對的基片和一個夾在其中的液晶層的疊層得到LCD10。LCD10包括許多象素電容2、許多輔助電容3以及許多象素開關器件4，每個器件4用于把相應的象素電容2開至導通狀態(tài)或關閉至關閉狀態(tài)。象素電容2、輔助電容3及象素開關器件4配置在LCD10的顯示部分中的一個矩陣中。LCD10進一步包括在外部部分中的一個X解碼器/驅動器6及一個Y解碼器/驅動器7。
以下面的方式生產(chǎn)用于LCD10中的TFT。
首先，使非晶硅層形成在整個基片上。將形成顯示部分的非晶硅層的顯示區(qū)域用一保護層覆蓋，并把一種催化元素(在這個例子中是鎳)引入到將形成一外部電路(例如一個驅動電路)的驅動電路區(qū)域中。含鎳的外部驅動電路區(qū)域在低于600℃的溫度退火少于24小時作為第一次退火，由此導致晶體生長。結果，外部驅動電路區(qū)域結晶成晶體硅層，而顯示區(qū)域保持在非晶態(tài)。然后，含有顯示區(qū)域的整個層在600℃或更高的溫度退火24小時或更長，由此使顯示區(qū)域中的非晶硅結晶為晶體硅。
圖2A至2I是說明用于形成一種NTFT和一種作為包含在外部電路(例如，驅動電路)中附加的TFT的PTFT的方法的每一步驟的剖面圖。圖3A至3G是說明用于形成包含在顯示部分中的NTFT的方法的每一步驟的剖面圖。圖2A至2I中所說明的那些步驟和圖3A至3G中所說明的那些步驟在同一單個基片上進行。彼此對應的那些步驟同時進行。圖2A至2D中所示的步驟對應于圖3A和3B中所示的步驟。圖2E至2G中所示的步驟對應于圖3C至3E中所示的步驟。圖2H和2I中所示的步驟對應于圖3F和3G中所示的步驟。
首先，如圖2A和3A所示，在由玻璃或類似的東西(例如，由Corning公司所生產(chǎn)的7059)所構成的一個絕緣基片101上，用濺射法形成一厚度為20nm到100nm的基層102。
其次，一個金屬掩膜的掩膜103、一個氧化硅層或類似的東西形成在基層102上，以便暴露基層102的一個類似縫的區(qū)域100。
如圖2B所示，在掩膜103上，用濺射法形成厚度為0.1nm到20nm(例如，2nm)的鎳層。
如圖2C所示，去掉掩膜103，由此僅在區(qū)域100上剩下鎳層。換句話說，引入到區(qū)域100的鎳是微量的。
如圖2D和3B所示，作為本征半導體的非晶硅層104形成的厚度為30nm至200nm(例如，100nm)覆蓋基層102，這是用等離子CVD法或低壓CVD法形成的。
最終獲得的疊層在低于600℃的溫度，在氫減少的環(huán)境中(優(yōu)選地，具有0.1至1個大氣壓的氫分壓)或惰性氣體環(huán)境中(一個大氣壓)退火少于24小時，由此使非晶硅層104結晶。例如，上述退火在550℃進行16小時。在形成鎳層的區(qū)域100中，沿垂直于基片101的表面的方向出現(xiàn)結晶。在環(huán)繞區(qū)域100的區(qū)域中，晶體生長從區(qū)域100沿平行于基片101的表面的方向橫向進行(如圖2D中的箭頭105所示)，由此，形成橫向生長區(qū)域。結果，得到晶體生長方向基本一致的高質(zhì)量的晶體硅層(也用參考標號104表示)。如以后所述，在用于圖2I中所示的外部驅動電路的TFT中，沿著晶體生長方向安置源/漏極區(qū)域。在圖2D中的105方向上的晶體生長區(qū)域的長度為40μm至90μm。
在上述例子中，在結晶之前，形成鎳層元素后，去除掩膜103。即使不去除掩膜，結晶也以同樣方式出現(xiàn)。對于在500℃和600℃之間的溫度退火進行10小時或更長時間的情況，掩膜103的厚度優(yōu)選為50nm或更厚。例如，如果用厚度小于50nm的掩膜103在550℃進行退火16小時或更長的時間，在掩膜103上的鎳熱擴散進掩膜103，并進一步進入非晶硅層104，而這樣，在區(qū)域100以外的其它區(qū)域中的位置處會出現(xiàn)并非所需的晶體生長。
如上所述，在550℃下退火16小時以后，非晶硅層104的顯示區(qū)域保持在非晶態(tài)。
然后，在600℃或更高的溫度下進行退火24小時或更長的時間。利用這樣的退火，整個層都變成晶體硅層。
如圖2E所示，進行隔離，并去除晶體硅層104的不需要的區(qū)域由此在周圍區(qū)域中形成用于PTFT和NTFT的區(qū)域。如圖3C所示，還是在顯示區(qū)域中，去除晶體硅層104的不需要的區(qū)域，由此形成用于NTFT的區(qū)域。隔離后鎳最好不留在用于PTFT和用于NTFT的兩個區(qū)域之間。以這種方式，只是橫向生長區(qū)域用來形成TFT，而這樣就更有效地降低了“關閉”電流水平。
如圖2F和3D所示，然后用濺射法形成一層厚度100nm的氧化硅層106作為柵絕緣層。用氧化硅的靶，在200℃至400℃(例如350℃C)的基片溫度下，在氬/氧比為0至0.5或更低(例如0.1)的氧氣和氬氣的環(huán)境中進行濺射。
如圖2G和3E所示，用濺射法形成一層厚度為600nm至800nm(例如600nm)的鋁層(含硅的比率為0.1％至2％)。最好連續(xù)進行形成氧化硅層106和形成鋁層。給鋁層上形成圖形，由此形成柵電極107和109。
下一步，使柵電極107和109陽極氧化，以形成氧化層108和110。在含1％至5％的比率的酒石酸的乙二醇溶液中進行陽極氧化。氧化物層108和110每一個的厚度為200nm。氧化物層108和110用于形成在隨后的離子攙雜中的補償門區(qū)域。即在陽極氧化期間可以確定補償門區(qū)域的長度。
其次，采用柵電極107和109以及氧化物層108和110作為掩膜，通過離子攙雜，把金屬元素(在此例中是磷和硼)作為雜質(zhì)攙入到活性區(qū)域。用磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)作為攙雜氣體。當把磷化氫用作攙雜氣體時，加速電壓是60KV到90KV(例如，80KV)。當用乙硼烷時，加速電壓是40KV至80KV(例如，65KV)。攙入雜質(zhì)的范圍是1×1015至8×1015cm-2(例如，磷為2×1015cm-2，而硼為5×1015cm-2)。通過覆蓋不需要用光敏抗蝕劑攙雜的區(qū)域，每種元素被攙入到活性區(qū)域的各自的部分。結果，如圖2H和3F所示，形成n型雜質(zhì)區(qū)域114和116(源/漏極區(qū)域)以及P型雜質(zhì)區(qū)域111和113(源/漏極區(qū)域)。在n型雜質(zhì)區(qū)域114和116之間的區(qū)域115，以及在P型雜質(zhì)區(qū)域111和113之間的區(qū)域112，起溝道區(qū)域的作用。以這種方式，每個具有P型溝道區(qū)域的許多PTFT和每個具有n型溝道區(qū)域的許多NTFT形成在外部驅動電路區(qū)域中(圖2H)。NTFT形成在顯示區(qū)域中(圖3F)。
然后，用激光照射最終獲得的疊層，以進行退火(激光退火)，由此激活用離子攙雜所攙入的雜質(zhì)。作為激光，使用波長為248nm和脈沖寬度為20nsec的KrF激發(fā)物激光。也可用其它類型的激光。激光照射的能量密度為200mJ/cm2至400mJ/cm2(例如，250mJ/cm2)，每個要被照射的位置照射二至十次(例如，二次)。在激光照射前，要求基片加熱到約200℃至450℃。在激光退火前在結晶的區(qū)域中擴散鎳。因此，用激光退火使結晶易于在這樣的區(qū)域中進行。這樣，可以易于激活攙有P型雜質(zhì)的雜質(zhì)區(qū)域111和113以及攙有n型雜質(zhì)的雜質(zhì)區(qū)域114和116。
如圖2I所示，在外部驅動電路區(qū)域中，用等離子CVD法形成一層厚度為600nm的氧化硅層118作為中間(interlevel)絕緣層。在氧化硅層118中形成接觸孔，而用沉積和刻蝕氮化鈦層和鋁層的方法形成用于TFT的電極和電線117、119和121。如圖3G所示，在顯示區(qū)域中，形成氧化硅的一個中間絕緣層211。在中間絕緣層211中形成一些接觸孔后，形成起象素電極作用的一個ITO電極，并形成金屬線213和214。
在350℃的溫度下，在一個大氣壓的氫氣環(huán)境中，使最終獲得的疊層退火30分鐘，由此完成用于外部電路的TFT和用于象素電極的TFI。
圖4是圖2I所示的疊層的一幅平面圖。引入微量鎳到區(qū)域100，而晶體生長沿箭頭105所示的方向橫向進行。在這樣一個橫向生長區(qū)域中，形成用于PTFT的源/漏極區(qū)域111和113以及溝道區(qū)域112。進一步，源/漏極區(qū)域114和116以及溝道區(qū)域115也形成在這樣一個區(qū)域中，用于NTFT。在圖2I和4所示的外部驅動電路區(qū)域中，載流子沿晶體生長方向105移動。由于載流子基本上并不橫跨晶界移動，最終獲得的TFT有高的遷移率。
在上述例子中，通過在非晶硅層104下面的基層102的一個選定區(qū)域上形成一薄層鎳(由于它極薄，因而這層鎳作為一層難以觀察到)并導致從這選定的區(qū)域生長晶體，來引入鎳。在一可供選擇的方法中，在形成非晶硅層104后，引入微量的鎳到非晶硅層104的頂部表面的一個選定的區(qū)域中。不管是在非晶硅層104的頂部還是在下面出現(xiàn)晶體生長都會得到同樣的結果。
參考圖5A和5B，將說明用于導致晶體在非晶硅層104的頂部生長的方法。
首先，如圖5A所示，用濺射法在絕緣基片101上(例如，Corning公司生產(chǎn)的7059)形成厚度為20至100nm的氧化硅基層102。
然后，用等離子CVD或低壓CVD法形成厚度為30nm至200nm(例如，100nm)的本征半導體的一層非晶硅104。
金屬掩膜103、氧化硅層或類似的東西形成在非晶硅層104上，以便非晶硅層104暴露一個類似縫的區(qū)域100。
然后，用濺射法形成一層厚度為0.5至20nm的鎳層(未示出)，例如，2nm的鎳層。
在低于600℃的溫度，使最終的疊層退火少于24小時，例如，在550℃下退火16小時，退火是在減少氫的環(huán)境(優(yōu)選地，具有0.1至1大氣壓的氫分壓)或一個大氣壓的惰性氣體環(huán)境中進行的。如圖5B所示，在區(qū)域100中，在垂直于基片101的表面的方向出現(xiàn)晶體生長，在環(huán)繞區(qū)域100的一個區(qū)域中，如箭頭105所示，晶體在平行于基片101的方向上呈現(xiàn)生長。結果，得到晶體生長基本均勻一致的高質(zhì)量晶體硅層(還用參考標號104表示)。
除了用上述退火方法外，也能用激光能量來使非晶硅層結晶成晶體硅。對于這樣的激光退火，還需要提供兩個退火溫度一個低于600℃，而另一個高于600℃。
在本發(fā)明的一個可供選擇的方法中，在形成非晶硅層104后，用離子攙雜法把鎳離子注入到非晶硅層104的一個選定區(qū)域中。在這樣一種情況下，可以以比較高的精度控制鎳的濃度。
在本發(fā)明的一個可供選擇的方法中，用等離子工藝，采用鎳電極引入微量的鎳，而不是形成一個薄的鎳層。還可以通過施加一種含水溶液或者硝酸鎳的酒精溶液或醋酸鎳的酒精溶液，來引入微量的鎳。
通過使用下述這些元素作為促進結晶的催化元素得到同樣的效果，所述這些元素是鐵(Fe)、鈷(Co)、鈀(Pd)、鉑(Pt)、錫(Sn)、銦(In)、鋁(Al)、金(Au)、銀(Ag)、銻(Sb)、銅(Cu)、砷(As)、或磷(P)。無需說，可以單獨地使用這些材料或者以兩種或多種材料的組合方式來使用這些材料。
在上述這些例子中，通過區(qū)域100把催化元素引入非晶硅層104。在一種可供選擇的方法中，催化元素引入到整個外部驅動電路區(qū)域。
例如，本發(fā)明可應用于接觸型圖象傳感器、含有內(nèi)裝驅動器的熱頭部、光學書寫裝置或者含有內(nèi)裝驅動器并使用了由有機材料構成的發(fā)光元件(例如EL器件)的顯示裝置、除了LCD的有源矩陣基片外的三維IC。
采用本發(fā)明的半導體器件改進了上述裝置的性能。例如，增加了工作速度并提高了圖象分辨率。本發(fā)明可廣泛用于整個半導體制作領域，例如，除了構成上述的MOS晶體管外還構成使用晶體半導體材料的二極晶體管和靜電感應晶體管。
按照本發(fā)明，如已經(jīng)詳細說明過的那樣，采用催化元素(例如鎳)及兩步退火實現(xiàn)了在由玻璃或類似的東西所構成的同一單個基片上形成兩種類型的具有不同的電學性質(zhì)的TFT。因此，易于生產(chǎn)驅動器單片類型的有源矩陣LCD，使圖象顯示部分和外部驅動電路在同一單個基片上。
還是根據(jù)本發(fā)明，用催化元素(例如鎳)，只是第一次結晶成晶體硅層的非晶硅層的一個選定區(qū)域用來形成用于外部驅動電路的TFT。通過這樣一種方法，可以由具有基本均勻的晶體生長及極低晶體缺陷密度(錯位)的晶體硅層來構成用于外部驅動電路的TFT。由這樣的一層所構成的TFT具有高的遷移率并防止了“關閉”電流的過多增加。由于將形成用于象素電極的TFT所在的顯示區(qū)域中沒有引入催化元素，可以使“關閉”電流保持在低水平。把催化元素只引入到一個選定區(qū)域，而不是錯誤地引入到未被選定的區(qū)域，利用掩膜或類似的東西可易于完成。由于引入催化元素的區(qū)域的晶體生長方向可以用掩膜的圖案來調(diào)整，可以容易形成用于外部驅動電路的任何結構的TFT。
本領域普通技術人員將會明顯看出各種其它改進并能在不背離本發(fā)明的范圍和精神的情況下作出這些改進。因此，并不打算使此處所附的權利要求書的范圍局限于這里所作的說明，而是打算廣泛地解釋權利要求書。
權利要求
1.一種包括一個第一薄膜晶體管和一個第二薄膜晶體管的半導體器件，所述第一薄膜晶體管具有一個由第一晶體硅層構成的第一溝道層，而所述第二薄膜晶體管具有一個由第二晶體硅層構成的第二溝道層，其特征是上述第一晶體硅層和第二晶體硅層位于一單個基片上，以及上述第二晶體硅層包括一種用于促進結晶的催化元素，并具有比上述第一晶體管層的遷移率更高的遷移率。
2.如權利要求1所述的一種半導體器件，其特征是由于晶體從包括其中引入了上述催化元素的一個非晶硅層的一個區(qū)域沿基本上平行于所述基片表面的方向生長，所得到的一個橫向生長區(qū)域構成了上述第二晶體硅層。
3.如權利要求1所述的一種半導體器件，其特征是上述催化元素由下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這種材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷和磷。
4.如權利要求2所述的一種半導體器件，其特征是上述催化元素由下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這種材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷及磷。
5.一種用于生產(chǎn)半導體器件的方法，此器件包括一個第一薄膜晶體管和一個第二薄膜晶體管，該第一薄膜晶體管具有一個由第一晶體硅層構成的第一通溝層，而該第二薄膜晶體管具有一個由第二晶體硅層構成的第二溝道層，所述方法包括如下步驟形成一個具有一選定區(qū)域的非晶硅層，此選定區(qū)域包括一種引入其中的催化元素，用于晶體在一個具有一絕緣表面的基片上生長；進行第一次退火，以在上述非晶硅層的選定區(qū)域中產(chǎn)生晶核，由此使該選定的區(qū)域結晶，并繼續(xù)導致晶體生長從上述選定的區(qū)域在橫向進行，以形成第二晶體硅層；以及進行第二次退火，以使在第一次退火后留下的保持在非晶態(tài)的非晶硅層結晶，由此形成第一晶體硅層。
6.如權利要求5所述的一種方法，其特征是第二次退火在比第一次退火更高的溫度下進行。
7.如權利要求5所述的一種方法，其特征是所述催化元素由下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這組材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷和磷。
8.如權利要求6所述的一種方法，其特征是所述催化元素由下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這組材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷和磷。
9.一種液晶顯示器件包括一個包括一個液晶層的顯示部分，一對夾持該液晶層的基片，許多位于所述這對基片之一上的以陣列方式分布的象素電極，以及許多分別連接到所述那些象素電極的第一薄膜晶體管，以及一個被定位用于驅動上述顯示部分的外部驅動電路，此外部驅動電路位于上述基片上，上述第一薄膜晶體管位于此基片上，該外部驅動電路具有第二薄膜晶體管，其特征是每個第一薄膜晶體管包括一個由第一晶體硅層構成的第一溝道層，而所述第二薄膜晶體管包括由第二晶體硅層構成的一個第二通溝層，此第二晶體硅層具有比上述第一晶體硅層的遷移率更高的遷移率，以及上述第二晶體硅層包括一種用于促進結晶的催化元素。
10.如權利要求9所述的一種液晶顯示器件，其特征是由于晶體從含有其中引入了上述催化元素的非晶硅層的一個選定區(qū)域沿基本上平行于上述基片的方向生長，所得到的一橫向生長區(qū)域構成了上述晶體硅層。
11.如權利要求10所述的一種液晶顯示器件，其特征是上述第二薄膜晶體管被這樣定位，以便基本上在晶體生長方向上移動載流子。
12.如權利要求9所述的一種液晶顯示器件，其特征是由在低于600℃的溫度進行結晶而形成所述第二晶體硅層，以及由在不低于600℃的溫度進行結晶而形成所述第一晶體硅層。
13.如權利要求9所述的一種液晶顯示器件，其特征是所述催化元素是由從下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這組材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷及磷。
14.如權利要求10所述的一種液晶顯示器件，其特征是所述催化元素是由從下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這組材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷及磷。
15.如權利要求11所述的一種液晶顯示器件，其特征是所述催化元素是由從下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這組材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷及磷。
16.如權利要求12所述的一種液晶顯示器件，其特征是所述催化元素是由從下述這組材料中選取的至少一種材料構成，所述這組材料包括鎳、鐵、鈷、鈀、鉑、錫、銦、鋁、金、銀、銻、銅、砷及磷。
17.如權利要求10所述的一種液晶顯示器件，其特征是引入到用于形成上述第二晶體硅層的非晶硅層的所述催化元素的濃度不大于5.0×1013原子/平方厘米。
全文摘要
一種液晶顯示器件包括一包括液晶層的顯示部分；一對夾持該液晶層的基片；許多位于這對基片之一上的以陣列方式分布的象素電極；許多分別連接到所述那些象素電極的第一薄膜晶體管，及被定位用于驅動所述顯示部分的位于第一薄膜晶體管所在的基片上并有第二薄膜晶體管的外部驅動電路；各第一、二薄膜晶體管分別包括由第一、二晶體硅層構成的第一、二溝道層，包括促進結晶用的催化元素的第二晶體硅層比第一晶體硅層的遷移率更高。
文檔編號H01L27/12GK1118521SQ95108329
公開日1996年3月13日 申請日期1995年6月15日 優(yōu)先權日1994年6月15日
發(fā)明者香西孝真, 牧田直樹, 高山徹 申請人:夏普公司, 株式會社半導體能源研究所