專利名稱：制造半導(dǎo)體器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用結(jié)晶薄膜半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件的方法，并更具體地涉及制造薄膜晶體管(TFTs)的方法。
近年來，使用形成在玻璃或石英制成的襯底上的薄膜半導(dǎo)體晶體管(稱作TFT)已引起人們的關(guān)注。尤其是在玻璃或石英襯底表面上形成厚度為幾十萬埃的薄膜半導(dǎo)體，以及用這種薄膜半導(dǎo)體形成的晶體管(絕緣柵場效應(yīng)晶體管)。
可將這些薄膜晶體管用于有源矩陣液晶顯示器是已知的。在這種有源矩陣液晶顯示器中，以行和列排列著幾十萬或更多的象素。TFT分別作為這些象素的開關(guān)器件被排列以提供具有高信息量的高速顯示。
對于用在這類有源矩陣液晶顯示器中的這些TFT，用非晶硅薄膜的TFT也已進入實際使用階段，但是，用非晶硅薄膜的TFT的問題在于它們的性能很差。例如，在那些應(yīng)構(gòu)成有較高顯示性能的有源矩陣液晶顯示器場合，使用非晶硅薄膜的TFT的特性就不能滿足性能要求。
此外，現(xiàn)已提出一種集成的液晶顯示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，外部驅(qū)動電路是由類似于作為象素開關(guān)器件的TFT組成。這些TFT全部被組裝在單一基片上。遺憾的是，使用非晶硅薄膜的TET不能構(gòu)成外部驅(qū)動電路因為它們的操作速度低。確切地說，對于TFT使用非晶硅薄膜是難以制造一個實際的P-溝道型晶體管的。也就是說，它們的性能之差使得不能獲得任何實用器件。因此，存在的根本問題是不能用其構(gòu)造CMOS電路。
此外，現(xiàn)已提出一種將用于處理或貯存圖象數(shù)據(jù)或類似數(shù)據(jù)的電路同象素區(qū)和外部驅(qū)動電路集成在同一基片上的集成電路形成技術(shù)。然而，對于用非晶硅薄膜的TFT而言，就不能構(gòu)成一個能處理圖象數(shù)據(jù)的集成電路，因為它們的性能太差。
由結(jié)晶硅薄膜制造較高性能TFT的另一技術(shù)是已知的。這種較高性能TFT的特性比用非晶硅薄膜的TFT的特性好得多。在這種已知技術(shù)中，形成非晶硅膜以后要進行熱處理或激光輻照，以將非晶硅膜改變?yōu)榻Y(jié)晶硅膜。這種通常通過對非晶硅膜進行結(jié)晶所得到的結(jié)晶硅膜具有多晶態(tài)或雛晶結(jié)構(gòu)。
在用結(jié)晶硅膜制造TFT的場合，可獲得比用非晶硅膜時所得到的性能要好得多的特性。TFT的遷移率(mobi1ity)是用于評價其特性的一個指標(biāo)。用非晶硅膜的N-溝道TFT的遷移率為1至2cm2/VS或更小。用結(jié)晶硅膜的N溝道TFT的遷移率大于100cm2/VS左右。用結(jié)晶硅膜的P-溝道TFT的遷移率約大于50cm2/VS。
然而，對非晶硅膜經(jīng)進行結(jié)晶得到的結(jié)晶硅膜具有多晶態(tài)結(jié)構(gòu)以及由于存在晶粒邊界引起的許多問題。例如，某些載流子移過晶粒邊界。這就大大地限制了TFT的耐壓。此外，當(dāng)其在高速下操作時，往往會發(fā)生諸特性的改變或惡化。再有，移過晶粒邊界的載流子增大了關(guān)斷電流或漏電流。
在人們企圖構(gòu)成一個具有較高器件密度的集成的有源矩陣液晶顯示器時，希望在一塊玻璃基片上與象素區(qū)一道形成外部電路。在此情況下，為驅(qū)動以行和列排列的幾十萬象素晶體管，則要求置于外部電路內(nèi)的TFT處理大電流。
為使TFT能處理大電流，就必須采用具有增大的溝道寬度結(jié)構(gòu)。然而，若增大用結(jié)晶硅膜的TFT的溝道寬度，則由此引起的耐壓使其實際上不可能使用該TFT。此外，閾值變化如此之大也使TFT不能進入實用階段。
當(dāng)試圖從用結(jié)晶硅薄膜構(gòu)成的TFT構(gòu)成用于處理圖象數(shù)據(jù)的集成電路時，由于閾值的變化和時效影響之故，已不可能獲得實際的(能替代先有技術(shù)IC)的集成電路。
本發(fā)明的一個目的是提供不受晶粒邊界影響的薄膜晶體管(TFT)。
本發(fā)明另一目的是提供耐高壓并能處理大電流的TFT。
本發(fā)明的第三目的是提供具有既不會惡化也不會變化的特性的TFT。
本發(fā)明的第四目的是提供其特性類似于使用單晶半導(dǎo)體時得到的特性的TFT。
前述諸問題是通過按本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的第一至第三實施例的方法來解決的。該方法包括以下步驟在有絕緣表面的基片上形成含有非晶硅的第一膜；保持用于促進硅結(jié)晶的含有金屬的一層與所述第一膜接觸；對所述第一膜和所述層加熱處理；在所述第一膜上形成含有非晶硅的第二膜；根據(jù)所述第一膜使所述第二膜結(jié)晶；以及對所述半導(dǎo)體器件形成至少一層有源層。
在此方法中，有絕緣表面的基片可為玻璃基片，石英基片，其上形成有絕緣膜的玻璃基片，其上形成有絕緣膜的石英基片，其上形成一絕緣膜的半導(dǎo)體基片，以及其上形成絕緣膜的導(dǎo)電基片。
“促使硅結(jié)晶的金屬元件同所述第一非晶硅膜保持接觸”的上述步驟的一個具體實例可為

圖1(A)中所示步驟，在那里，玻璃基片101上形成了由二氧化硅構(gòu)成的絕緣膜102。一非晶硅膜103形成在絕緣膜102之上。含有金屬元素鎳的乙酸鎳溶液104被涂敷到非晶硅膜103的表面用以促進硅的結(jié)晶。
圖1(A)表示這樣一種實例，其中用以促進硅結(jié)晶的金屬元素鎳通過使用一溶液保持同非晶硅膜的表面接觸。另一可選方案是，通過濺射，CVD，或蒸發(fā)法可在非晶硅表面上形成一層鎳或含鎳層。
上述步驟“以圖樣劃分該結(jié)晶硅膜，以形成在晶體生長期間將成為晶核的一層”的一個實例是圖1(C)中所示步驟。
上述步驟“形成覆蓋所述成為晶核層的第二非晶硅膜”的一個實例可為圖1(D)中所示步驟。
上述步驟“從所述成為晶核的層起生長晶體以在所述第二非晶硅膜中形成基本無邊界的晶粒區(qū)”的一個實例可為圖1(E)和1(F)中所示步驟。
前述問題是通過按本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件方法的第四至第七實施例解決的。該方法包括以下步驟在一絕緣表面上形成包括或含有用于促進硅結(jié)晶的一種金屬元素的層；以圖樣劃分含有所述金屬元素的所述層；形成覆蓋所述圖樣層(patterned 1ayer)非晶硅膜；在所述非晶硅膜中生長晶體，以所述圖樣層為晶核形成基本無邊界的晶粒區(qū)；以及利用其中所述晶體已長成的所述基本無邊界的晶粒區(qū)形成有源層。
在本方法中，絕緣表面可為玻璃基片表面，石英基片表面，其他陶瓷基片表面，形成在這些基片任一種上的絕緣膜表面，其上形成一絕緣膜的半導(dǎo)體基片表面，以及其上形成絕緣膜的導(dǎo)體基片表面。
此外，上述絕緣表面可為具有至少一層間膜的三維集成電路的表面。
上述步驟“在一絕緣表面上形成包括或含有用于促進硅結(jié)晶的一金屬元素的層”的一個實例可為圖7(B)中所示步驟，其中的該疊層，在圖7(A)步驟時通過自旋涂敷(spin coating)法涂敷含有用于促進硅結(jié)晶的溶液703以后，被烘烤。這樣，形成了含鎳層704。含這種金屬元素的這一層還可用濺射，CVD或蒸發(fā)法形成。
對包括或含有金屬元素的該層繪制圖樣，以產(chǎn)生在后來的非晶硅膜結(jié)晶期間將由此生長晶體的晶核。本例示于圖7(C)中，其中含鎳層704(圖7(B))已被圖樣劃分形成區(qū)705和706，而區(qū)705和706將在后面進行的晶體生長步驟期間起晶核作用。
上述步驟“形成覆蓋所述圖樣層的非晶硅膜的一個實例可為圖7(D)中所示步驟，其中非晶硅膜707被如此形成以致覆蓋含鎳的圖樣區(qū)705和706。形成該非晶硅膜707的方法可為等離子輔助CVD或LPCVD法。
上述步驟“在所述非晶硅膜中利用所述圖樣層作為晶核生長晶體，以形成基本無邊界的晶粒區(qū)”可為圖7(E)中所示步驟，此步驟采用了450-600℃加熱溫度加上激光輻照的共同作用。結(jié)果在非晶硅膜中形成由708和709所示的所生長晶體，以致覆蓋了含鎳的圖樣區(qū)705和706。
在本發(fā)明第一實施例中，用于使硅結(jié)晶的金屬元素是選自包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu和Au的組中的一或多種元素。
其內(nèi)已生長了晶體的基本無邊界晶粒區(qū)可稱之為單域(monodomain)區(qū)。重要的是該單域區(qū)包含著一種或更多種選自包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au那組的金屬元素，用于促進硅的結(jié)晶，其含金屬元素的密度為1×1014至1×1019原子cm-3。
在這一晶體生長期間，要在450至600℃溫度下加熱疊層是重要的。該加熱溫度可取盡可能的高溫。在運用玻璃基片時，則加熱溫度必須設(shè)定在低于600℃，因為600℃是玻璃基片的最高處理溫度。在加熱溫度低于450℃時則不能期望能有效形成單域區(qū)。
單域區(qū)沒有成為晶粒邊界的點缺陷和二維缺陷，但有待抑制的點缺陷。因此，單域區(qū)包含用于抑制點缺陷的0.001至5原子％的氫的或鹵化氫(halogen hydrogen)。而且，這些單域區(qū)包含密度為1×1014至1×1019原子cm-3的金屬元素，用以促進硅的結(jié)晶。這種密度被定義為基于由二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)所獲得數(shù)據(jù)的最小值。
目前，要由SIMS測量低于1×1016原子cm-3的金屬元素密度是困難的。但根據(jù)加入金屬元素時包含在所用溶液中的金屬元素密度來估計該金屬元素密度是可能的。也就是說，不是由SIMS測量的該密度可根據(jù)金屬元素在溶液中的濃度以及剩余在最終硅膜中的金屬元素的密度之間的關(guān)系來估算，而后者密度則由SIMS測量。
在完成一系列制造步驟之后，若金屬元素在單域區(qū)中或在變成單域區(qū)中的密度超過1×1019原子cm-3，則所得到的單域區(qū)的半導(dǎo)體特性受到損害。
作為這一晶體生長結(jié)果，可形成基本無晶粒邊界的單域區(qū)。該單域區(qū)在電性能方面等同于單晶。該單域區(qū)使用包括由濺射或CVD法形成的薄膜半導(dǎo)體的起始膜(starting film)，不象眾所周知的單晶硅片。更具體地說，單域區(qū)沒有晶粒邊界(諸如線缺陷或二維缺陷)。但有尚待抑制的點缺陷。為了這種抑制，單域區(qū)包含0.001至5原子％的氫或鹵化氫。
利用該單域區(qū)，形成薄膜半導(dǎo)體器件的有源層。結(jié)果，可得到具有特性可與迄今用單晶硅片制造的半導(dǎo)體器件相比的同樣的TFT和薄膜集成電路。例如，電氣性能比用諸如多晶體或晶粒之類的結(jié)晶硅膜制造的傳統(tǒng)TFT優(yōu)良得多的TFT可由通過對圖2(A)所示單域區(qū)303和305的使用形成TFT的有源層306和307獲得。
每個有源層不必都是單域區(qū)。例如在TFT情況下，若僅僅溝道形成區(qū)是由單域區(qū)組成，即可獲得種種優(yōu)點。
當(dāng)實現(xiàn)固-相外延工藝，使用為促進結(jié)晶的金屬元素時，可采用兩種主要方法去引進金屬元素。
這兩種方法之一是在非晶硅膜表面上或位于非晶硅膜上的緩沖層(buffer layer)表面上，通過濺射，電子束蒸發(fā)，或其他“物理成形”法，形成金屬元素的極薄膜。在這些方法中，金屬元素膜以與非晶硅膜接觸的方式形成。結(jié)果，將該金屬元素引入非晶硅膜。
該方法的問題是難以精確控制引入薄膜的金屬元素的密度。而且，在要將膜厚度調(diào)定到諸如小于幾十埃的相當(dāng)小值的場合而要控制引入元素的量時，要形成一個完整的膜是困難的。在此情況下，在所需表面上形成象小島似的金屬元素膜。也就是就，形成不連續(xù)層。這個問題可通過采用分子束外延(MBE)或其他方法來解決。不過，目前情況是該問題僅僅在一個有限范圍內(nèi)得到解決。
在形成這種不連續(xù)層以后進行結(jié)晶步驟時，不連續(xù)層的每個島區(qū)變成一個晶核，從而加速了結(jié)晶過程。
對如上述已形成結(jié)晶的硅膜進行仔細觀察表明殘剩了極大量非晶態(tài)元素。這點可由光學(xué)顯微術(shù)，電子顯微術(shù)或Raman分光術(shù)來確認。而且，現(xiàn)已確認金屬元素部分成簇群(clustered)。人們認為以晶核形式的金屬元素按原樣留在晶核區(qū)內(nèi)，于是形成該簇群。
其內(nèi)金屬元素部分成簇的區(qū)域充當(dāng)被結(jié)晶半導(dǎo)體區(qū)中的電子-空穴復(fù)合的中心。這些復(fù)合中心嚴重地惡化了性能，例如增大了TFT的漏電流。
另一種方法是使用包含用于促進硅結(jié)晶過程的金屬元素的溶液。在該方法中，金屬元素被包含在溶液中。用自旋涂敷或其他方法將該溶液涂敷到非晶硅膜表面或覆蓋該非晶硅膜的緩沖膜表面。
該溶液視所用金屬元素而定，可取某種形式。一般說來，可采用呈現(xiàn)溶液形式的金屬化合物?？捎糜谑褂萌芤旱脑摲椒ǖ慕饘倩衔飳嵗缦陆o出。
(1)將Ni用作金屬元素時，可用至少一種選自包括溴化鎳，乙酸鎳，草酸鎳，碳酸鎳，氯化鎳，碘化鎳，硝酸鎳，硫酸鎳，甲酸鎳，氧化鎳，氫氧化鎳，乙酸丙銅酸鎳，4環(huán)己基丁酸鎳和二乙基己酸鎳的組中的一種作為鎳化合物。
作為包含Ni的無極性(nonpolar)溶劑可用選自包括苯，甲苯-二甲苯，四氯化碳，三氯甲烷，乙醚，三氯乙烯，和氟氯烷的那組中至少一種無極性溶劑。
(2)在將Fe(鐵)用作金屬元素時作為三價鐵或亞鐵材料，可用選自包括溴化亞鐵(FeBr26H2O)，溴化鐵(FeBr36H2O)，乙酸鐵(Fe(C2H3O2)×H2O)，氯化亞鐵(FeCl24H2O)，三氯化鐵(FeCl36H2O)，氟化鐵(FeF33H2O)，硝酸鐵(Fe(NO3)39H2O)，磷酸亞鐵(Fe3(PO4)28H2O)，和磷酸鐵(FePO42H2O)的那組之一。
(3)在將Co(鈷)用作金屬元素時作為鈷化合物，可用選自包括溴化鈷，(CoBr6H2O)乙酸鈷(CO(C2H3O2)24H2O)，氯化鈷(CoCl26H2O)，氟化鈷(CoF2×H2O)和硝酸鈷(Co(NO3)26H2O)。
(4)在用Ru(釕)作為金屬元素時作為釕的化合物，可用諸如氯化釕(Rucl3H2O)之類稱為釕鹽的材料。
(5)在用Rh(銠)作為金屬元素時可用作為銠的化合物，諸職氯化銠之類稱為銠鹽的材料。
(6)用Pd(鈀)作為金屬元素時作為鈀的化合物，可愛和諸如如氯化鈀(Pdcl22H2O)之類稱作鈀鹽的材料。
(7)在用Os(鋨)和為金屬元素時作為鋨的化合物，可用諸如氯化鋨(OsCl3)之類稱為鋨的或osmious材料的材料。
(8)在將Ir(銥)用作金屬元素時作為銥的化合物，可用諸如三氯化銥(IrCl33H2O)或四氯化銥(IrCl4)之類稱為銥鹽的材料。
(9)在用Pt(鉑)作為金屬元素時作為鉑的化合物可用諸如氯化鉑(PtCl45H2O)之類稱為鉑鹽的材料。
(10)在用Cu(銅)作為金屬元素時作為銅的化合物，可用選自包括乙酸銅(Cu(CH3COO)2)，氯化銅(Cucl22H2O)和硝酸銅(Cu(NO3)3H2O)的那組中的一種材料。
(11)在用金作為金屬元素時作為一種三價金的化合物，可用選自包括三氯化金(AuCl3×HO2)，氯化金(AuHCl44H2O)，和四氯化鈉金(AuNaCl42H2O)的那組中的材料。
這些材料都能充分地被離析成單分子并散布在溶液中。若將這溶液滴到需加金屬元素的表面上時，該表面以50至500rpm的速度旋轉(zhuǎn)。在此情況下，該表面被自旋涂敷有該溶液。這樣，便可將溶液散布在該整個表面上。
此時，若在硅半導(dǎo)體表面上形成厚度為5至100的氧化硅膜以增強該硅半導(dǎo)體所需表面的可濕度的均勻性的話，則該液體的表面張力便足以能防止液體象在所需表面上的液滴(dot)被散開。
若對該液體添加表面活性劑，則在其上沒有硅氧化膜的硅半導(dǎo)體上可呈現(xiàn)均勻的濕潤(wetted)狀態(tài)。可以說，采用溶液的該方法在所需表面形成一層包含金屬元素的金屬有機化合物膜。
用于促進硅的結(jié)晶過程的金屬元素的個別原子可能會通過氧化膜擴散到半導(dǎo)體內(nèi)。該擴散過程在無意產(chǎn)生晶核或晶粒的情況下進行。
該整個膜能被均勻結(jié)晶。結(jié)果避免了金屬元素的簇群。而且不大可能再留下大量的非晶態(tài)元素。
還能利用另一方法。特別是將金屬有機化合物均勻涂敷在所需表面上。該形成涂層的過程是在臭氧氣氛下進行的，即在氧氣內(nèi)用紫外線輻照以形成金屬氧化膜。這種金屬氧化膜被用于結(jié)晶過程的開始材料。在該方法中，形成一層金屬氧化膜。結(jié)果過程便從該金屬氧化膜開始。字樣，有機材料被氧化并可作為二氧化碳氣體被驅(qū)除(drivenoff)。因此可獲得更均勻的固相外延生長。
若該溶液的自旋涂敷僅以低速完成，則存在于表面上的溶液中的金屬元素被供至半導(dǎo)體膜上。被供元素量往往超過固相外延生長所必需的量。因此，這種低速旋轉(zhuǎn)之后，使疊層以1000至10,000rpm，通常為2000至5,000rpm的速度旋轉(zhuǎn)。這樣，過量有機金屬可完全被掃出疊層表面。結(jié)果，可供給適量的金屬元素。
引入金屬元素的量可通過控制溶液中金屬元素的濃度來加以控制。該方法是十分有用的因為能精確控制引入最后硅膜的金屬元素的密度。
用溶液導(dǎo)入金屬元素的該方法使得在半導(dǎo)體表面上形成均勻和連續(xù)層而不會形成源自結(jié)晶過程所用金屬粒子在半導(dǎo)體表面或緩沖層表面上的小島。
在結(jié)晶步驟利用加熱或激光輻照，可生長均勻和密集的晶體。
在本實施例中用了一種溶液。由于用CVD法在所需表面上形成有金屬化合物，特別是氣態(tài)的金屬有機化合物膜，故可獲得同樣優(yōu)點。
可以說，利用溶液的該方法是一種化學(xué)形成法。而且，可以說，利用濺射或類似方法的形成法是一種物理形成法。該物理形成法可稱之為使用金屬(晶)核的非均勻各向異性晶體生長法。另一方面，化學(xué)形成法可稱之為用均勻金屬元素的均勻各向同性晶體生長法。
本發(fā)明的其他目的和特性將在下面對其的說明過程中顯現(xiàn)出來。
圖1(A)-1(F)是具有本發(fā)明實例1的單域區(qū)的硅半導(dǎo)體薄膜的橫截面視圖，說明制造該薄膜的工藝順序；圖2(A)-2(D)是本發(fā)明實例2的橫截面視圖，說明制造該TFT的工藝順序；圖3(A)-3(D)是本發(fā)明實例3的TFT的截面圖，說明制造該TFT的工藝順序；圖4是本發(fā)明實例4的液晶顯示器的方塊示意圖；圖5(A)-5(F)是本發(fā)明實施例5的TFT的截面視圖，說明制造該TFT的工藝順序；圖6(A)-6(D)是本發(fā)明實例5的TFT的截面視圖，說明制造該TFT的工藝順序；
圖7(A)-7(F)是具有本發(fā)明實例7的單域區(qū)的硅半導(dǎo)體薄膜的模截面視圖，說明制造該薄膜的工藝順序；以及圖8(A)-8(F)是本發(fā)明實例8的TFT的橫截面視圖，說明制造該TFT的工藝順序。
實例1本實例中，在有一絕緣襯底的基片上有選擇地形成存在于一硅膜的晶核。該硅膜已經(jīng)由促進硅晶體生長的金屬元素作用而晶化。然后形成一非晶態(tài)硅膜。接著，用激光輻照該非晶態(tài)硅膜以導(dǎo)致晶體生長。這樣便有選擇地形成若干單域區(qū)。
圖1(A)-1(F)表示本實例的工藝流程。首先，在玻璃基片101上用濺射技術(shù)形成厚度為3000作為緩沖膜102的氧化硅膜。該緩沖膜102充當(dāng)克服來自玻璃基片101擴散出來的堿離子和雜質(zhì)的阻擋層。緩沖膜102可由任何理想材料構(gòu)成只要它能形成一絕緣膜和用作阻擋層。例如，可用氮化硅膜。
在形成緩沖膜102之后，借助等離子輔助CVD或低壓CVD(LPCVD)法，形成厚度為50到500，例如為200的非晶態(tài)硅膜103。該非晶態(tài)硅膜103將用于形成后面的晶核。
然后，利用旋轉(zhuǎn)器100，施加涂敷含有用于促進硅結(jié)晶過程的金屬元素鎳的溶液104。所加鎳元素量可通過控制溶液104中鎳的量來加以調(diào)節(jié)。本例中，用乙酸鎳溶液作為含鎳溶液104。就這樣將鎳導(dǎo)入非晶態(tài)硅膜103的整個表面。換言之，鎳與非晶態(tài)硅膜103(圖1(A))的整個表面相接觸。
本實例中，采用溶液去導(dǎo)入鎳。另一可選方案，可經(jīng)由濺射，CVD或蒸發(fā)(汽化)工藝在非晶態(tài)硅膜103上形成含鎳層即包括鎳的層。
此后，將非晶態(tài)硅膜103置于450-600℃(本例中在550℃)下經(jīng)4小時熱處理以使非晶態(tài)硅膜103結(jié)晶，從而獲得結(jié)晶硅膜105。該結(jié)晶硅膜105呈現(xiàn)多晶的或雛晶態(tài)(圖1(B))。
然后，對結(jié)晶硅膜105繪制圖樣以形成成為后面步驟中的晶核的層106和107(圖1(c))。
接著，通過等離子輔助CVD或LPCVD工藝形成厚度為500的非晶態(tài)硅膜108。該非晶態(tài)硅膜108將形成諸如TFT之類的半導(dǎo)體器件的有源層(圖1(D))。
然后，用激光輻照疊層并在450至600℃下加熱疊層。加熱溫度的上限由基片的最大處理溫度來確定。在該制造步驟，分別從將在晶體生長期間充當(dāng)晶核的部分106和107起生長出晶體——如由109和110所示的(圖1(E))。
這樣，便形成了可看作如圖1(F)中所示單晶的單域區(qū)111和113。在單域區(qū)111和113之間存在未進行非晶態(tài)硅膜108結(jié)晶的非晶態(tài)區(qū)112。實例2本實例中，利用實例1中所述形成單域區(qū)的方法，形成包括N-溝道晶體管和P-溝道晶體管的一對晶體管。本例中，一對TFT形成在玻璃基片上。也可用同樣方法形成多個TFT。
首先，在玻璃基片301上形成厚度為3000的硅氧化膜作為緩沖膜302。用實例1所述方法在緩沖層上形成單域區(qū)303和305。非晶硅膜108未進行結(jié)晶的非晶區(qū)304存在于單域區(qū)303和305之間(圖2(A))。
然后，對該疊層繪制圖樣，以去除非晶區(qū)304，從而形成兩個TFT的有源層306和307。在圖2(A)中，有源層306是N-溝道型TFT的有源層，而有源層307是P-溝道型TFT的有源層(圖2(B))。
本例中，整個有源層306定位于單域區(qū)303范圍內(nèi)。同樣，整個有源層307位于單域區(qū)305中。至少將溝道形成區(qū)分別形成在單域區(qū)303和305內(nèi)是必須的。
接著，形成主要包括鋁和含有鈧厚度為6000的層并將其繪制圖樣以形成柵極309和310。在電解液中，用柵極309和310作為陽極進行陽極氧化過程。結(jié)果，形成厚度大約為2000氧化層311和312。氧化層311和312將在后面進行的離子植入步驟中充當(dāng)掩膜。通過控制氧化層311和312的厚度可以所需長度形成偏置區(qū)(offsetregions)。
將雜質(zhì)離子植入有源層306和307。在該制造步驟，先將右TFT區(qū)用抗蝕劑掩蔽，將磷離子射入并固定在左邊TFT區(qū)。這樣，借助自對準(zhǔn)(self-aligned)技術(shù)，在左TFT的有源層306中形成N-溝道源區(qū)313，溝道成形區(qū)315和漏區(qū)316。與此同時，借助自對準(zhǔn)技術(shù)形成偏置區(qū)314。然后在掩蔽左TFT的同時，將硼離子植入右TFT區(qū)。照這樣，借助自對準(zhǔn)技術(shù)，在左TFT的有源層307中形成P-溝道源區(qū)317，溝道形成區(qū)319，和漏極區(qū)319。同時，借助自對準(zhǔn)技術(shù)形成偏置區(qū)318(圖2(c))。
用激光或其他強光輻照該疊層以熱處理掉由離子植入步驟期間引起的有源層的損壞。同時激活植入的雜質(zhì)離子。若進行這一步驟同時以450至600℃加熱疊層，則會產(chǎn)生種種理想結(jié)果。
然后，用等離子體輔助CVD法，形成厚度為6000的硅氧化膜320作為層間絕膜膜。在硅氧化膜320中形成接觸孔。此后，對N-溝道TFT用鋁形成源極321和漏極322。對P-溝道TFT用鋁形成源極323和漏極324。在氫氣氣氛下對疊層進行350℃熱處理，從而完成N-溝道TFT和P-溝道TFT(圖2(P))。
用可看作單晶體的TFT的有源層，即，用單域區(qū)構(gòu)成本實例中所述的TFT。因此，它們的閾值不變。而且不大可能因時效效應(yīng)改變它們的特性。此外，本實例中所述TFT是能高速操作因此可制造各種薄膜集成電路。實例3本實例涉及以有源矩陣液晶顯示器的象素排列的TFT結(jié)構(gòu)。圖3(A)-3(D)示出制造本例所述TFT的工藝程序。首先，用實例1所述方法在玻璃基片301上形成緩沖膜302，在緩沖膜302上形成具有單域區(qū)303的硅膜(圖3(A))。
對單域區(qū)303繪制圖樣，以形成N-溝道TFT的有源層306(圖3(B))。
然后，用等離子體輔助CVD法形成厚1000的將成為絕緣柵膜的硅氧化膜308。用電子束蒸發(fā)法形成6000厚的主要包括鋁和含鈧膜。對該膜繪制圖樣以形成柵極309。在電解液溶液中用該柵極309作為陽極，進行陽極氧化處理。這樣，圍繞每個柵極309形成氧化層311。該氧化層311在后面進行的離子植入步驟中將充當(dāng)掩膜并用于形成偏置區(qū)。該氧化層311的厚度在2000左右。
此后，植入摻雜離子。本例中，借助離子摻雜技術(shù)植入磷離子以將磷離子導(dǎo)入?yún)^(qū)313和316。在此步驟，用自-對準(zhǔn)技術(shù)形成源極區(qū)313和漏極區(qū)316。與此同時，借助自-對準(zhǔn)技術(shù)形成溝道形成區(qū)315和偏置區(qū)314(圖3(C))。
通過激光或其他強光輻照對該對疊層進行熱處理。形成厚6000的硅氧化膜320作為層間絕緣膜。然后，形成成為象素電極的ITO電極400。在硅氧化膜320中形成接觸孔。由鋁形成源極321和漏極322。使漏極322同象素電極ITO電極400接觸(圖3(D))。
本例所述TFT的有源層是用基本沒有晶粒邊界的單域區(qū)構(gòu)成的。因此，通常因存在晶粒邊界而引起的關(guān)斷(0FF)電流可大為減小。因此可將這些TFT最佳地用作一個有源矩陣液晶顯示器的象素電極。實例4利用本發(fā)明構(gòu)成一種更復(fù)雜的有源矩陣液晶顯示器的一個例子示于圖4中。當(dāng)前，通過將半導(dǎo)體芯片(IC)安裝在兩個液晶顯示器板之一上，由于下述理由，獲得小型化，較輕重量和減小了的厚度。一種液晶材料被夾持在兩板之間。半導(dǎo)體芯片通常安裝在計算機主板上。要構(gòu)成具有可同形成在有絕緣表面的玻璃板上的TFT構(gòu)成的已知IC芯片性能相比的特點的積成電路是不可能的。
然而，在采用利用基本無晶粒邊界效應(yīng)的單域區(qū)的TET時，由于其良好性能和高度穩(wěn)定性，可以構(gòu)成可同先有技術(shù)IC芯片相比的集成電路。
參見圖4，板15是液晶顯示器的兩板之一。由板15上的TFT構(gòu)成一有源矩陣電路，用于驅(qū)動有源矩陣電路的X解碼/驅(qū)動器和Y/解碼器/驅(qū)動器，和一個XY分支電路。在有源矩陣電路中形成許多象素。每個象素包括TFT(薄膜晶體管)11，象素電極12和輔助電容13。
為驅(qū)動有源矩陣電路，有必要在外部電路中設(shè)置輸出阻抗低的緩沖電路。在圖4結(jié)構(gòu)中，該緩沖電路是由具有按本發(fā)明產(chǎn)生的單域區(qū)所構(gòu)成的有源層的TFT構(gòu)成。這樣，大電流可通過緩沖電路。而且該緩沖電路耐高電壓。
在板15上形成利用按本發(fā)明形成的TFT的薄膜集成電路。在不能由該薄膜集成電路構(gòu)成的那部分中安裝眾所周知的IC芯片。當(dāng)然，每個集成電路能包括用在板15表面上形成的薄膜半導(dǎo)體制造的薄膜集成電路。各種IC芯片和半導(dǎo)體芯片均可通過用導(dǎo)體繪制的圖樣，連接導(dǎo)線，COG(玻璃上的芯片)，或其他裝置，連接到板15上的電路系統(tǒng)。
還參照圖4，還設(shè)置有輸入端口，CPU，校正存儲器和主存儲器。輸入端口是讀來自外部所加信號并將該信號變換成適用于成象信號的電路校正存儲器是在有源矩陣板中的一個內(nèi)部存儲器，并根據(jù)有源矩陣板或盤(p1ate)的特性起校正輸入信號的作用。該校正存儲器是一個非易失性存儲器用以保存有關(guān)每個不同象素的每一不同信息和用于校正每一不同信息。更確切地說，若光電器件象素中任一個有“點”缺陷時，該校正存儲器便給CPU發(fā)送一信號，該信號按圍繞該缺陷所在位置的諸象素被校正。CPU按該校正信號如此控制XY分支電路，致使該象素中的缺陷變得不明顯。若有缺陷象素暗于周圍象素，則響應(yīng)來自校正存儲器的校正信號將一較大信號加到缺陷象素。結(jié)果，使缺陷象素的亮度等于周圍象素。有關(guān)象素缺陷的信息在板與板之間是不同的，因此存儲在校正存儲器中的信息不同于各個板中的信息。
CPU和主存儲器在功能上類似于普通計算機的相應(yīng)部分。主存儲器包括充當(dāng)圖象存儲器的RAM。其內(nèi)貯存有關(guān)每個象素的信息。這些CPU和主存儲器是CMOS芯片。
這樣在液晶顯示板上形成CPU和主存儲器。這單塊板便形成類似于簡單個人計算機的一個電子儀器。這在使液晶顯示器小型化和擴散其應(yīng)用方面是極其有用的。若集成電路由用薄膜半導(dǎo)體在一塊板上形成的整個或部分薄膜集成電路組成的話，則更有效地減小了該液晶顯示器的尺寸。這在擴散應(yīng)用方面也是有效的。
用單域區(qū)構(gòu)成的TFT可構(gòu)成一種能與形成在單晶硅片上的集成電路相比的集成電路。因此，可將該新穎TFT用于如本例中所述的系統(tǒng)化的液晶顯示器的所需電路中。具體地說，若將用能視為單晶體的單域區(qū)制成的TFT開發(fā)用于模擬緩沖電路和其他所需電路，則可獲得種種極大的優(yōu)點。實例5本例中，當(dāng)形成單域區(qū)時，如此形成TFT的有源層的避免將變成晶核的硅化鎳區(qū)。于是產(chǎn)生較少受鎳元素影響的TFT。
圖5(A)-5(F)和6(A)-6(D)示出用于制造本實例的TFT的工序。首先，在玻璃基片101上形成緩沖膜102。用等離子體輔助CVD或LPCVD在緩沖膜102上形成200厚的非晶態(tài)硅膜。用實例1所述方法將乙酸鎳溶液104施加到非晶態(tài)膜(圖5(A))。
然后，在400C下對疊層進行1小時熱處理從而形成硅化鎳層105(圖5(B))。
對硅化鎳層105繪制圖樣，以便有選擇地留下將成為晶核的硅化鎳層107(圖5(C))。
然后，用等離子體輔助CVD或LPCVD法形成厚500的非晶態(tài)硅膜108(圖5(D))。
此后用激光輻照同時以550℃溫度加熱該疊層以引起如由110所表示的晶體生長(圖5(E))。這樣，形成單域區(qū)113(圖5(F))。對該區(qū)繪制圖樣以形成有源層601，而避開其中形成硅化鎳層107(圖6(A))的那個區(qū)。
在此情況下，除去位于緊靠硅化鎳作用下(under)并大量摻有鎳的那個區(qū)。因此可降低有源層中的鎳的密度。
然后，用等離子體-輔助CVD法，形成厚度為1000將成為絕緣柵膜的硅氧化膜603。用電子束蒸發(fā)法，形成厚6000主要包括鋁和含鈧的膜。對該膜繪制圖樣以形成柵極604。
在電解質(zhì)溶液中，用該柵極309作為陽極，進行陽極氧化處理。這樣，圍繞每個柵極604形成氧化層311。該氧化層605將在后面進行的離子植入步驟中充當(dāng)掩膜并用于形成偏置區(qū)。該氧化層311的厚度大約為2000(圖6(B))。
此后，植入雜質(zhì)離子。本例中是通過離子摻雜技術(shù)，植入磷離子以將磷離子導(dǎo)入?yún)^(qū)606和609的。在此步驟，用自-對準(zhǔn)技術(shù)形成源區(qū)606和漏區(qū)609的。與此同時，借助自對準(zhǔn)技術(shù)形成溝道形成區(qū)608和偏置區(qū)607(圖6(C))。
用激光或其他強光輻照該疊層。形成作為層間絕緣膜，厚6000的硅氧化膜603。在該硅氧化膜603中形成接觸孔。由鋁形成源極611和漏極612。
在本例所述TFT中，每個有源層是如此形成的以避開其內(nèi)引入用以促進硅結(jié)晶的金屬元素的那個區(qū)。因此，該TFT的操作幾乎受金屬元素的影響。特別是該有源層如此被形成以防止該區(qū)中在晶體生長期間形成用于促進晶核結(jié)晶過程的金屬的硅化層。因而，在該有源層中不存在重摻雜金屬元素的區(qū)域。實例6本實例中，非晶態(tài)硅膜受到等離子體處理以促進非晶態(tài)硅膜的除氫作用。這加速了對非晶態(tài)硅膜的結(jié)晶過程。
在圖1(D)的步驟，是用氫的等離子體處理非晶態(tài)硅膜108。該等離子體是通過在減壓下以電子回旋共振(ECR)為條件下獲得的。然后將非晶態(tài)硅膜暴露于氫的等離子體下。
在氫的等離子體處理期間，重要的是要在結(jié)晶溫度以下加熱非晶態(tài)硅膜。非晶態(tài)硅膜的結(jié)晶溫度取決于形成該膜的方法和形成該膜的條件而不同。通常，適當(dāng)?shù)臏囟确秶菑?00℃到650℃。溫度的低限大約為400℃。因此，加熱溫度范圍最好為400至600℃。
用玻璃基片的應(yīng)變點作為對確定該加熱溫度上限時的一種量度是有利的。具體地說，將玻璃基片的應(yīng)變點用作該溫度的上限。該加熱是在可達到該最高溫度下完成的。若利用該方法，則玻璃基片的變形和皺縮的影響受到抑制從而可得到理想效果。
當(dāng)執(zhí)行氫的等離子體處理時，使非晶態(tài)硅膜內(nèi)部氫同等離子體內(nèi)的氫離子以化學(xué)鍵結(jié)合(在分子內(nèi))，于是產(chǎn)生氫氣。結(jié)果促進了氫從該膜的逸出。同樣加速了硅原子的結(jié)合。因此，能增強原子陣列的井然有序。這可稱其為類(quasi-)結(jié)晶態(tài)。要使該膜結(jié)晶是極其容易的。
在等離子處理之后，通過加熱或激光輻照將能量傳送至非晶態(tài)硅膜。這樣，可使該非晶態(tài)硅膜結(jié)晶化。由于通過激光處理已使非晶態(tài)硅膜高度可結(jié)晶，故可以極高的可再生性(reproducibility)進行結(jié)晶。此外，可使結(jié)晶度(crystallinity)極高。實例7在本實例中，一層含有或包括用于促進硅晶體生長的金屬元素被選擇地形成在具有絕緣表面的襯底上。然后，形成非晶態(tài)硅膜，接著用激光輻照以生長晶體。這樣，有選擇地形成若干單域區(qū)。
圖7(A)-7(F)示出本實例的工序。首先用濺射技術(shù)在玻璃基片701上形成厚3000A的硅氧化膜作為緩沖膜702。該緩沖膜702充當(dāng)克服從玻璃基片701擴散出來的堿離子和雜質(zhì)的阻擋層。緩沖膜702可由任何所需材料制成只要它形成絕緣膜并用作阻擋層。例如，可用氮化硅膜。
然后，用旋轉(zhuǎn)器700涂敷含有用于促進硅結(jié)晶的金屬元素鎳的溶液703。也就是說，緩沖膜702被自旋-涂敷以該溶液。所添加鎳元素的量可通過控制溶液703中鎳的含量來調(diào)節(jié)。本實例中，將乙酸鎳溶液用作含鎳溶液703。照這樣，將鎳引入緩沖膜702的整個表面。換言之，鎳處于與緩沖膜702的整個表面相接觸(圖7(A))。
本實例中，運用該溶液去引入鎳。另一方面可用濺射，CVD，或蒸發(fā)法可在緩沖膜702的表面上形成包括或含有鎳的涂層。
然后，在100至400℃溫度下(本例為300℃)烘烤該疊層，以在緩沖膜702表面上形成包括或含有鎳的層704。要觀測作為薄膜的該層704是困難的。不過，我們考慮到鎳被散布或擴散在緩沖膜702的表面內(nèi)(圖7(B))。
接著，對包括或含鎳層704進行光刻(paho to-1ithographi-cally)，以形成將在晶體生長期間成為晶核的區(qū)705和706(圖7(C))。
然后，用等離子體輔助CVD或LPCVD法形成厚500的非晶態(tài)硅膜707(圖7(D))。
在得到圖7(D)所示狀態(tài)之后，用激光輻照該疊層并將其以450至600℃溫度加熱。該溫度的上限由襯底的最大處理溫度確定。在這一制造步驟，晶體是從將充當(dāng)晶體生長期間的晶核的部分705和706起生長，如由標(biāo)號708和709所示(圖7(E))。
照這樣便得到可視為單晶體的單域區(qū)710和712，如圖7(F)所示，在圖7(F)中，由標(biāo)號711表示的區(qū)域被留下作為非晶態(tài)區(qū)。實例8在本實例中，當(dāng)形成單域區(qū)時，如此形成TFT的有源層，以避開將成為晶核的硅化鎳區(qū)。這樣，便提供了幾乎不受鎳元素影響的TFT。
圖8(A)-8(F)示出用于制造本例中所述TFT的工序。首先，在玻璃基片701上形成緩沖膜702，用例1所述方法通過旋轉(zhuǎn)器700將含鎳溶液703(乙酸鎳溶液)涂敷到緩沖膜702(圖8(A))。
然后，對該疊層進行1小時400℃下的熱處理以形成含鎳層704(圖8(B))。對該疊層繪制圖樣以選擇地留下將成為晶核的硅化鎳層706(圖8(C))。此后，用等離子體輔助CVD或LPCVD法形成厚500A的非晶硅膜707(圖8(D))。
然后，用激光輻照疊層同時以550℃溫度加熱疊層，以生長如709所示晶體(圖8(E))。照這樣形成單域區(qū)710(圖8(F))。對該區(qū)繪制圖樣以形成有源層601同時避開(avoiding)形成硅化鎳層706的那個區(qū)，如圖6(A)所示。在此情況下，位于緊接硅化鎳(下面)并重摻有鎳的區(qū)被移去(removed)。結(jié)果，可降低有源層中的鎳密度。
在本例所述TFT中，每個有源層是如此形成的以避開其內(nèi)引入用于促進硅結(jié)晶的金屬元素的那個區(qū)。因此，該TFT的操作幾乎不受金屬元素的影響。特別是，有源層如此形成以圍繞在晶體生長期間在其內(nèi)形成用于促進晶核結(jié)晶過程的金屬硅化物層的那個區(qū)。因此，在該有源層中不存在重摻雜該金屬元素的區(qū)域。
更確切地說，可獲得能在高速下穩(wěn)定工作的TFT。這類TFT的閾值不會變。而且，它們的特性不大可能受時效影響而發(fā)生變化，此外，它們的關(guān)斷電流小。此外，它們能處理大電流。
在按本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件方法的第一至第三實施例中，在有絕緣襯底的基片上形成的非晶態(tài)硅膜是在促進硅結(jié)晶的金屬元素作用下被結(jié)晶的。該結(jié)晶后的硅膜被繪制圖象以形成在后面進行的晶體生長步驟時充當(dāng)晶核的區(qū)域。該晶核被覆蓋以非晶態(tài)硅膜。從該晶核起生長晶體。因此，形成單域區(qū)是可能的。
在按本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件方法的第四至第七實施例中，包括或含有用于促進硅結(jié)晶的金屬元素層被有選擇地形成在其上將形成非晶態(tài)硅膜的絕緣表面的表面上。然后形成該非晶態(tài)硅膜。此后，用激光輻照疊層同時加熱該疊層。結(jié)果可形成基本無晶粒邊界的單域區(qū)。
因此，可用上述單域區(qū)制造具有可與用單晶硅的晶體管性能相比的特性的TFT。具體地說，它們能穩(wěn)定高速地工作。它們的閾值不變。而且它們的特性不大可能受時效影響而發(fā)生變化。此外它們的關(guān)斷電流小。還有它們能處理大的導(dǎo)通電流。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在有絕緣表面的基片上形成含有非晶硅的第一膜；保持用于促進硅結(jié)晶的含有金屬的一層與所述第一膜接觸；對所述第一膜和所述層加熱處理；在所述第一膜上形成含有非晶硅的第二膜；根據(jù)所述第一膜使所述第二膜結(jié)晶；以及對所述半導(dǎo)體器件形成至少一層有源層。
2.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述金屬元素是從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu和Au的組中選擇的。
3.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述金屬元素是從包括Fe，Co，Ni，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu和Au的組中選擇的，而且，在所述至少一層有源層中的所述金屬的密度為1×1014至1×1019原子cm-3。
4.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述至少一層有源層包含0.001至5原子％的氫或鹵族元素。
5.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述有源層基本是單晶，其中沒有晶粒邊界并含有氫，以便抑制其中的點缺陷。
6.如權(quán)利要求5所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述晶粒邊界是線缺陷或二維缺陷。
7.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述半導(dǎo)體器件是有源矩陣液晶顯示器。
8.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于還包括向所述有源層部分添加雜質(zhì)以便形成一個源區(qū)和一個漏區(qū)的步驟。
9.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于用光輻照進行所述結(jié)晶。
10.如權(quán)利要求9所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述光輻照是激光輻照。
11.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于用光輻照進行所述結(jié)晶，同時加熱所述第二膜。
12.如權(quán)利要求11所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述光輻照是激光輻照。
13.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于還包括對所述第一膜進行圖樣劃分成至少一個晶核的步驟。
14.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于通過對所述第二膜進行圖樣劃分形成所述至少一層有源層。
15.如權(quán)利要求1所述制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于所述半導(dǎo)體器件包括一個有源矩陣電路，至少一個用于驅(qū)動所述有源矩陣電路的驅(qū)動器，和所述基片上的一個CPU。
全文摘要
提供具有可與單晶硅片性能相比擬的特性的薄膜晶體管(TFT)。由硅氧化物制成的緩沖膜被形成在第一非晶硅膜上。將含有諸如鎳之類的金屬元素(用以促進硅結(jié)晶)的乙酸鎳溶液涂敷到第一非晶硅膜。對該疊層進行熱處理以形成硅化鎳層。然后對硅化鎳層繪制圖樣。形成第二非晶硅膜并對其熱處理以生長晶體。這樣便形成可視為單晶體的單域區(qū)。由這些單域區(qū)形成TFT的有源層。
文檔編號H01L21/20GK1129850SQ95115160
公開日1996年8月28日 申請日期1995年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1994年9月15日
發(fā)明者山崎舜平, 楠本直人, 寺本聰 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所