專利名稱：多結(jié)晶薄膜的形成方法和制造薄膜晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多結(jié)晶薄膜的形成方法和薄膜半導(dǎo)體設(shè)備。尤其是，本發(fā)明涉及用于液晶顯示設(shè)備、圖象傳感器、SRAM等的薄膜晶體管生產(chǎn)過程的多結(jié)晶薄膜的形成方法；和通過使用這些多結(jié)晶薄膜制作的薄膜半導(dǎo)體設(shè)備。
近年來，對(duì)具有大屏幕、高清晰度等的液晶顯示設(shè)備的需求日益高漲，為了滿足這個(gè)需求，要求用于液晶顯示設(shè)備的薄膜晶體管(TFT)具有更高的設(shè)備特征。
目前，無定形硅TFT被用于液晶顯示設(shè)備。另一方面，多結(jié)晶薄膜硅TFT具有比無定形硅TFT具有更高級(jí)的設(shè)備性能，以及驅(qū)動(dòng)電路等可以在液晶顯示設(shè)備的基板上集成地形成等優(yōu)點(diǎn)。于是，推進(jìn)了多結(jié)晶硅TFT的發(fā)展。
為了使多結(jié)晶硅TFT實(shí)用化，形成高質(zhì)量多結(jié)晶薄膜的技術(shù)是不可缺少的。在傳統(tǒng)技術(shù)中，多結(jié)晶薄膜是在較高的溫度下形成的，這就只能使用石英制的基板。另一方面，可以使用低溫(600℃或更低)薄膜形成技術(shù)，其中，可以使用具有低失真點(diǎn)的廉價(jià)玻璃基板。特別地，激元激光退火(excimer laser annealing)被認(rèn)為是最有希望的方法，這是因?yàn)樵谠摲椒ㄖ?，基板只遭受到少量的熱損壞，而高質(zhì)量的多結(jié)晶薄膜可以通過熔融和結(jié)晶無定形薄膜來獲得。
下文中，描述了形成多結(jié)晶薄膜的傳統(tǒng)方法。
圖9為通過激元激光退火形成多結(jié)晶硅薄膜的方法的示意圖。正如圖9所示，無定形硅層3的整個(gè)表面被一激光束照射，該激光束具有測(cè)得約5至10mm的截面形狀，且激光束相對(duì)于基板1移動(dòng)。在這種情況下，由于激元激光是脈沖式的激光，所以激光束4的照射是以照射光束部分地交蓋相鄰的已被照射的區(qū)域的方式進(jìn)行的。在由此得到的多結(jié)晶硅薄膜5中，具有較小能量密度的被激光束的邊緣照射的區(qū)域5a所具有的結(jié)晶度遠(yuǎn)不同與其他區(qū)域的結(jié)晶度。由此，在通過使用這樣的多結(jié)晶硅薄膜5形成的數(shù)個(gè)TFT陣列的情況下，每個(gè)TFT的設(shè)備特征基于在基板1上所形成的TFT的位置而周期性地變化。
下文中，參考

圖10A和10C描述了通過激元激光退火來形成多結(jié)晶薄膜的傳統(tǒng)方法的一個(gè)例子。首先，如圖10A所示，在第一退火步驟中，具有能量密度約270mJ/cm2的激光束4照射在基體1的無定形硅層3上，其結(jié)果是，形成了含有平均直徑約為50nm的晶體顆粒的硅層2。
下一步，如圖10B所示，在第二退火步驟中，具有能量密度約450mJ/cm2的激光束4照射在硅層2上，其結(jié)果是，形成了如圖10C所示的具有晶體結(jié)構(gòu)的多晶體硅層5。在第二退火步驟中，具有相對(duì)較差結(jié)晶度的區(qū)域(該區(qū)域所具有的結(jié)晶顆粒的直徑小于周圍區(qū)域)得以改善，從而使得多結(jié)晶硅膜5得以改善。
在這個(gè)傳統(tǒng)實(shí)例中，進(jìn)行“兩步退火”，其中硅層用能量密度互不相同的激光束照射兩次。下文中，用激光束照射需形成多結(jié)晶硅薄膜的區(qū)域，同時(shí)將激光相對(duì)于基體移動(dòng)的方法，被作為第一步。
在例如1992國際固態(tài)設(shè)備和材料會(huì)議(Inter-national Conference on Solid.State Devices andMaterials)的詳細(xì)摘要B-1-4，1992，55至57頁上報(bào)導(dǎo)了通過兩步退火形成多結(jié)晶硅薄膜的方法。
下文中，將參考圖11A和11B對(duì)通過使用激元激光退火形成多結(jié)晶硅薄膜的傳統(tǒng)方法的另一個(gè)實(shí)例進(jìn)行描述。
在這個(gè)實(shí)例中，如圖11A所示，采用具有能量密度約為300mJ/cm2的激元激光對(duì)在加熱至400℃的基板1上的無定形硅層3進(jìn)行退火。與未加熱的條件相比，在該基板被加熱的條件下，固化率降低，從而促進(jìn)了晶體顆粒生長(zhǎng)。況且，通過加熱基板，薄膜的溫度升高，這些區(qū)域的溫度上升至足以達(dá)到熔融點(diǎn)的高溫而使得這一區(qū)域融化，而如果基體不加熱，這些區(qū)域就將達(dá)不到熔融點(diǎn)并不能通過退火而融化。因此，由于被激光束照射的整個(gè)區(qū)域經(jīng)受了熔融和結(jié)晶化的過程，多結(jié)晶硅膜的均勻性得以改善，如圖11B所示。
有一種通過將整個(gè)照射區(qū)域在非加熱的條件下通過升高激光束能量密度來熔融的方法。然而，在這種方法中，出現(xiàn)薄膜剝落的頻率變高，因而基本上不能被使用。
在加熱基板的條件下通過使用激元激光退火形成多結(jié)晶薄膜的方法已在例如IEDM Tech.Digest，1991，第563-566頁上有過報(bào)導(dǎo)。
如果通過使用由此獲得的多結(jié)晶薄膜來形成TFT，TFT的移動(dòng)度在基板面上的變化可被抑制在±10％以內(nèi)。這種形成TFT的方法報(bào)導(dǎo)在1991國際固態(tài)元件和材料會(huì)議(International Conference on SolidState Devices and Materials)的詳細(xì)摘要，1991，623至625頁上。
然而，傳統(tǒng)方法具有如下描述的問題在采用兩步退火方法中；在第一退火步驟中，與具有平均直徑約為50nm的周圍區(qū)域相比，晶體顆粒的平均直徑較小的晶體區(qū)域在激光束4邊緣所照射的區(qū)域中形成，尤其是在能量密度接近結(jié)晶化閾值的那部分光束所照射的區(qū)域中形成。因此，在第二退火步驟中，或者是激光光束照射交蓋鄰近的已經(jīng)過照射的區(qū)域時(shí)，只能獲得直徑稍大一些的晶體顆?；蚓w缺陷稍小一些。由此，這樣的區(qū)域具有遠(yuǎn)不同于通過熔融和結(jié)晶化無定形硅所得到的多結(jié)晶硅區(qū)域的晶體特征。
再者，當(dāng)在加熱基板的同時(shí)進(jìn)行退火時(shí)，可在具有晶體顆粒的平均直徑小于周圍區(qū)域的晶體區(qū)域達(dá)到熔融結(jié)晶化。然而，用于結(jié)晶化所需要的能量對(duì)于在將無定形狀態(tài)轉(zhuǎn)變成多結(jié)晶狀態(tài)的情形和將平均直徑較小的晶體顆粒轉(zhuǎn)變成多結(jié)晶狀態(tài)的情形來說是不相同的。因而，由相應(yīng)的情形出發(fā)，得到不同的結(jié)晶度。
正如以上所描述的，根據(jù)傳統(tǒng)的方法，多結(jié)晶硅薄膜的結(jié)晶度沿其基板是不均勻的。因此，在TFT陣列是通過采用這種多結(jié)晶硅薄膜形成的情況下，存在著這樣一個(gè)問題，即TFT沿基板的器件特性變化不能降低到足夠的水平。尤其是，在TFT陣列形成的液晶顯示器件的顯示部分時(shí)，存在著屏幕上出現(xiàn)網(wǎng)格狀顯示不協(xié)調(diào)的缺陷，這是由于存在具有相對(duì)較低遷移度的TFT，其結(jié)果是破壞了顯示質(zhì)量。
本發(fā)明用于形成多結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的方法包括如下步驟在絕緣基板上形成部分地包含用作多結(jié)晶化的晶核的微晶的半導(dǎo)體薄膜；以及通過激光退火使該半導(dǎo)體薄膜多結(jié)晶化。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜含有包含微晶體的微晶半導(dǎo)體層，以及，與該微晶半導(dǎo)體相接觸的無定形半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜合有包含微晶體的微晶半導(dǎo)體層，以及，沉積在該微晶半導(dǎo)體層上的無定形半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施方案中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜合有無定形半導(dǎo)體層，以及，沉積在該無定形半導(dǎo)體層上并含有微晶體的微晶半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施方案中，該半導(dǎo)體薄膜進(jìn)一步含有沉積在該微晶半導(dǎo)體層上的另一個(gè)無定形半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施方案中，該微晶半導(dǎo)體層是通過CVD方法形成的。
在本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施方案中，激光退火是采用激元激光來進(jìn)行的。
在本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施方案中，激光退火是在絕緣基板保持在約200至600℃的溫度范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行的。
在本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施方案中，半導(dǎo)體薄膜是由含有硅或鍺作為主要組分的半導(dǎo)體所形成的。
在本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施方案中，在微晶半導(dǎo)體中的微晶體顆粒的平均直徑為20nm或更小。
在本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施方案中，形成半導(dǎo)體薄膜的方法包括如下步驟形成一無定形半導(dǎo)體層；以及通過具有能量密度接近結(jié)晶化閾值的激光光束對(duì)該無定形半導(dǎo)體層進(jìn)行退火，由此形成微晶核。
在本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施方案中，形成微晶半導(dǎo)體層的方法包括如下步驟形成一無定形半導(dǎo)體層；以及通過具有能量密度接近結(jié)晶化閾值的激光束對(duì)該無定形半導(dǎo)體層進(jìn)行退火，由此將該無定形半導(dǎo)體層轉(zhuǎn)變成微晶半導(dǎo)體層。
用于制造薄膜晶體管的方法，包括如下步驟在絕緣基板上形成半導(dǎo)體薄膜，該半導(dǎo)體薄膜含有用作多結(jié)晶化的晶核的微晶體；以及通過激光退火，使該半導(dǎo)體薄膜多結(jié)晶化，從而形成多結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜；以及在多結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜上形成源極區(qū)域、漏極區(qū)域和溝道區(qū)域。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜含有微晶半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層中含有微晶體，以及，與微晶半導(dǎo)體層相接觸的無定形半導(dǎo)體層。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，包含在微晶半導(dǎo)體層中的微晶體顆粒的平均直徑為20nm或更小。
由此，本發(fā)明得以具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)提供了一種形成在其基板上具有均勻結(jié)晶度的多結(jié)晶薄膜的方法；以及(2)提供了一種制造在其基板上僅具有很小的特性變化的薄膜晶體管的方法。
通過閱讀和理解以下參考附圖所作的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些優(yōu)點(diǎn)和其他優(yōu)點(diǎn)對(duì)于本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員將變得明顯。
附圖中圖1A和1B是表示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例形成多結(jié)晶薄膜的方法的剖面圖。
圖2A和2B是表示根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例形成多結(jié)晶薄膜的方法的剖面圖。
圖3A和3B是表示根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例形成多結(jié)晶薄膜的方法的剖面圖。
圖4A顯示根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例形成多結(jié)晶薄膜方法的第一退火步驟。圖4B顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例形成多結(jié)晶薄膜方法的第二退火步驟。圖4C顯示所形成的多結(jié)晶硅薄膜的部分截面圖。
圖5A顯示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例形成多結(jié)晶薄膜方法的第一退火步驟。圖5B顯示根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例形成多結(jié)晶薄膜方法的第二退火步驟。圖5C顯示所形成的多結(jié)晶硅薄膜的部分截面圖。
圖6A至6D顯示一種制造本發(fā)明薄膜晶體管方法的一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。
圖7A至7D顯示一種制造本發(fā)明薄膜晶體管方法的另一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。
圖8A至8D顯示一種制造本發(fā)明薄膜晶體管方法的又一個(gè)實(shí)施例的剖面圖。
圖9為通過采用激元激光退火形成多結(jié)晶硅薄膜的方法的示意圖。
圖10A顯示根據(jù)傳統(tǒng)實(shí)例的第一退火。圖10B顯示第二退火。圖10C顯示所形成的多結(jié)晶硅薄膜的部分截面圖。
圖11A顯示根據(jù)傳統(tǒng)實(shí)例的第一退火。圖11B顯示所形成的多結(jié)晶硅薄膜的部分截面圖。
在下文中，將參考附圖，對(duì)形成本發(fā)明的多結(jié)晶薄膜的方法進(jìn)行描述。
在下述實(shí)施例中，通過采用激元激光束對(duì)無定形硅層進(jìn)行退火，由此形成多結(jié)晶硅薄膜。在本發(fā)明的說明書中，含有平均直徑為20nm或更小的結(jié)晶顆粒的半導(dǎo)體層(薄膜)被稱作為“微晶半導(dǎo)體層(薄膜)”。這是考慮到在微晶半導(dǎo)體層中，微晶體是分散在無定形部分中的。在另一方面，合有平均直徑大于20nm的晶體顆粒的半導(dǎo)體層被稱作為“多結(jié)晶半導(dǎo)體層(薄膜)”。通常情況下，在多結(jié)晶半導(dǎo)體層中，晶體顆?；ハ嘟佑|，從而形成了晶粒邊界。
實(shí)施例1下文中，參考圖1A和1B，描述了根據(jù)本發(fā)明形成多結(jié)晶薄膜方法的第一實(shí)施例。
通過等離子體CVD方法并采用硅烷(SiH4)和氫(H2)作為原料氣體，在玻璃基板1(商品名7059，Corning Inc.生產(chǎn))上沉積厚度為5nm的微晶硅層2，在該玻璃基板1上附著有SiO2薄膜(未示出)作為緩沖層，以防止雜質(zhì)從玻璃中擴(kuò)散出來。在這種情況下，沉積是在如下條件下進(jìn)行的SiH4/(SiH4＋H2)的值在0.01至0.5％的范圍內(nèi)，壓力在0.4至2Torr的范圍內(nèi)，功率密度在0.1至0.5W/cm2的范圍內(nèi)，基板溫度在150至300℃的范圍內(nèi)。從物料量的觀點(diǎn)來看，優(yōu)選微晶硅層2的厚度在約1至10nm的范圍內(nèi)。通過選擇上述條件，能獲得合有微晶體的硅層2。然而，在SiH4/(SiH4＋H2)的值為5％或更大的條件下，不能得到微晶硅層2，但能得到正常的無定形硅層。再者，通過采用SiH4和SiF4的混合氣體代替上述氣體，能得到微晶硅薄膜2。通過采用另外一種方法能得到微晶硅層2，在這種方法中，在無定形硅層沉積之后，再用具有能量密度小于結(jié)晶化值閾值的激光束對(duì)該無定形硅層進(jìn)行退火。
接著，通過以硅烷為原料氣的等離子體CVD方法，在微晶硅層2上沉積厚度為50nm的無定形硅層3。優(yōu)選該無定形硅層3的厚度在30至200nm的范圍內(nèi)。在無定形硅層厚度大于200nm時(shí)，存在著激光束退火不能融化至底部的所有無定形硅層3的可能性。
接著，借助已知的照像平板印刷和蝕刻技術(shù)，對(duì)無定形硅層3和微晶硅層2進(jìn)行處理，從而形成島形(island-shaped)結(jié)構(gòu)。雖然在圖1A中只示出了單個(gè)島形結(jié)構(gòu)，事實(shí)上，在基板上排列有多個(gè)島形結(jié)構(gòu)。每個(gè)島形結(jié)構(gòu)具有一定的大小，例如為20μm×20μm。
然后，如圖1A所示，激光束4照射該結(jié)構(gòu)。采用多步重復(fù)法(step-and-repeat method)進(jìn)行照射。在這個(gè)實(shí)施例中，通過使用波長(zhǎng)為308nm、脈沖寬度45nm、能量密度200至500mJ/cm2的激元激光束進(jìn)行激光束照射。
在被激光束4照射的無定形硅層3中，借助在微晶硅層2中的微晶體作為晶種，晶體生長(zhǎng)起來。其結(jié)果是，如圖1B所示，獲得了多結(jié)晶硅膜5，在該膜中大小均勻(顆粒直徑約在200至300nm的范圍內(nèi))的晶體顆粒分布在基板1的整個(gè)表面。
實(shí)施例2
下文中，本發(fā)明第二實(shí)施例的形成微晶薄膜的方法將參考附圖2A和2B進(jìn)行描述。
通過采用等離子體方法并以硅烷(SiH4)作為原料氣，在玻璃基板1(商品名7059，Corning Inc.生產(chǎn))上沉積厚度為80nm的微晶硅層2，在該玻璃基板上附著有SiO2薄膜(未示出)作為緩沖層，用以防止雜質(zhì)從玻璃中擴(kuò)散出來。在沉積過程中，基板1的溫度被設(shè)定在例如450℃。因?yàn)樯鲜鐾瑯拥睦碛?，?yōu)選該無定形硅層3的厚度在30至200nm的范圍內(nèi)。
接著，將基板1的溫度上升至480℃，然后，通過等離子體CVD方法并以硅烷為原料氣，在該無定形硅層3上沉積一厚度為5nm的微晶硅層2。優(yōu)選該微晶硅層2的厚度在1至10nm的范圍內(nèi)。
然后，借助已知的照像平板印刷和蝕刻技術(shù)，對(duì)無定形硅層3和微晶硅層2進(jìn)行處理，以形成島形結(jié)構(gòu)。雖然在圖2A中只示出了單個(gè)的島形結(jié)構(gòu)，但事實(shí)上，在基板上排列有多個(gè)島形結(jié)構(gòu)。每個(gè)島形結(jié)構(gòu)具有一定的尺寸，例如40μm×40μm。
接著，如圖2A所示，用激光束4照射該結(jié)構(gòu)。照射是在同實(shí)施例1描述的相同條件下進(jìn)行的。
在被激光束4照射的無定形硅層3中，借助微晶硅層2中的微晶體作為晶種，晶體顆粒生長(zhǎng)起來。其結(jié)果是，如圖2B所示，獲得了多結(jié)晶硅膜5，該膜中，大小均勻(顆粒直徑在約200至300nm的范圍內(nèi))的晶體顆粒分散在基板1的整個(gè)表面。
本實(shí)施例中的無定形硅層3具有比實(shí)施例1所述無定形硅層3的厚度要大30nm。一般情況下，如果無定形硅層3較厚，則存在通過激光退火導(dǎo)致的晶體生長(zhǎng)是從該無定形硅層3表面開始的可能性較大。因此，在此實(shí)施例中，作為晶種的微晶硅層2以能與該無定形硅層3相接觸的方式排列。
實(shí)施例3下文中，參考圖3A和3B描述了根據(jù)本發(fā)明形成多結(jié)晶薄膜方法的第三實(shí)施例。
通過等離子體CVD方法并采用硅烷(SiH4)作為原料氣，在玻璃基板1(商品名7059，Corning Inc.生產(chǎn))上沉積20nm厚的無定形硅層3，在該玻璃基板1上附著有SiO2薄膜(未示出)作為緩沖層，以防止雜質(zhì)從玻璃中擴(kuò)散出來。在沉積過程中，基板1的溫度被設(shè)定在例如300℃。優(yōu)選該無定形硅層3的厚度在30至200nm的范圍內(nèi)。
然后，通過等離子體CVD方法，并以硅烷(SiH4)和氟化硅(SiF4)作為原料氣，沉積了厚度為5nm的微晶硅層2。將基板1的溫度設(shè)定在300℃。優(yōu)選該微晶硅層2的厚度在1至10nm的范圍內(nèi)。
將基板1的溫度降至270℃，然后，通過等離子體CVD方法并以硅烷為原料氣，在該微晶硅層2上沉積20nm厚的無定形硅層6。
接著，采用公知的照像平板印刷和蝕刻技術(shù)，對(duì)無定形硅層3和微晶硅層2進(jìn)行處理。雖然圖3A中只表示了單個(gè)的島形結(jié)構(gòu)，但在事實(shí)上，在基板上排列著多個(gè)島形結(jié)構(gòu)。每個(gè)島形結(jié)構(gòu)具有一定的尺寸，例如，20μm×20μm。
然后，如圖3A所示，用激光束4照射該結(jié)構(gòu)。照射是在與實(shí)施例1描述的相同條件下進(jìn)行的。
在激光束4照射的無定形硅層3和6中，借助于在微晶硅層2中的微晶體作為晶種，晶體顆粒向上和向下生長(zhǎng)。結(jié)果是，如圖3B所示，獲得了在基板1的整個(gè)表面分布的具有大小均勻(顆粒直徑在約200至300nm的范圍內(nèi))的晶體顆粒的多結(jié)晶硅膜5。
雖然，該無定形硅層3的厚度與本實(shí)施例中無定形硅層6的厚度相同，但無定形硅層3的厚度也可不同于無定形硅層6的厚度。
在實(shí)施例1至3中，將微晶硅層2和無定形硅層3制成島狀形狀，然后進(jìn)行激光退火用以多結(jié)晶化。但是，先對(duì)微晶硅層2和無定形硅層3進(jìn)行激光退火，再將它們制成島狀形狀也是可能的。當(dāng)將微晶硅層2和無定形硅層3定型成島狀形狀、然后進(jìn)行激光退火時(shí)，存在著這樣一種情況，即由于邊緣冷卻的影響，在島形結(jié)構(gòu)的邊緣部分結(jié)晶性能被破壞。通過蝕刻，可將這種結(jié)晶性能被破壞的邊緣部分(例如，寬度約為1μm的邊緣部分)選擇性地除去。
實(shí)施例4下文中，參考圖4A至4C描述了根據(jù)本發(fā)明形成多結(jié)晶薄膜方法的第四實(shí)施例。在該實(shí)施例中，通過激元激光(一種XeCl激光，波長(zhǎng)308nm)退火，形成多結(jié)晶硅薄膜。
首先，在基板1上沉積無定形硅層3。然后，如圖4A所示，進(jìn)行第一退火(微晶化處理)，即通過向無定形硅層3照射激元激光束4進(jìn)行退火。調(diào)節(jié)該激元激光束4的能量密度至該光束截面中心部分的能量密度接近結(jié)晶化的閾值。通過照射具有接近結(jié)晶化閾值的能量密度的激光束，在無定形硅層3上便形成了多個(gè)微晶體。該激光束4的邊緣部分所具有的能量密度小于結(jié)晶化的閾值。為此原因，激光束4照射的無定形硅層3中，被激光束4的邊緣部分照射但沒有被微晶化的區(qū)域仍保持無定形狀態(tài)，并保持其原始狀態(tài)。這種照射以下述的方式不斷地重復(fù)，即脈沖的激光束4以部分地交蓋相鄰已照射區(qū)域的方式照射該區(qū)域。結(jié)果形成了微晶硅層2。
然后，如圖4B所示，進(jìn)行第二退火，即通過采用其橫截面中心部分的能量密度約為400mJ/cm2的激元激光束進(jìn)行退火。通過第二退火，從微晶硅層2中形成多結(jié)晶硅薄膜5。在這種情況下，在微晶硅層2中，被能量密度接近于結(jié)晶化閾值或小于該閾值的激元激光束部分照射的區(qū)域不發(fā)生變化，并保持其微晶狀態(tài)。在微晶硅層2中，被能量密度大于結(jié)晶化閾值的激元激光束4的部分照射的區(qū)域轉(zhuǎn)變成多晶，同時(shí)，在第一退火中形成的微晶保持原樣。
上述情況的原因如下作為從無定形狀態(tài)、微晶狀態(tài)向多結(jié)晶狀態(tài)的結(jié)晶化處理步驟，熔點(diǎn)趨于升高、激光束的吸收系數(shù)趨于降低。因此，與無定形狀態(tài)相比，微晶體需要額外的能量來熔融并改變其結(jié)晶度。其結(jié)果是，在第一退火和第二退火中，沒有形成其結(jié)晶度有別于周圍區(qū)域的結(jié)晶度的區(qū)域，結(jié)晶度的均勻性得以改善。
實(shí)施例5下文中，將參考圖5A至5C，對(duì)本發(fā)明的形成多結(jié)晶薄膜的方法的第五實(shí)施例進(jìn)行描述。在本實(shí)施例中，通過一激元激光(XeCl激光，波長(zhǎng)308nm)進(jìn)行退火，形成多結(jié)晶硅薄膜。
首先，在基板1上沉積無定形硅層3。然后，如圖5A所示，進(jìn)行第一退火處理(微晶化過程)。如圖5A所示，在此次退火中，脈沖激光束4的照射以下述方式不斷地重復(fù)，即在照射完一個(gè)區(qū)域后，在照射下一個(gè)相鄰未照射區(qū)域的同時(shí)激光束部分地交蓋相鄰已照射區(qū)域。由于激光束橫截面的中心部位的能量密度約為160mJ/cm2，該值接近于結(jié)晶化的閾值，因此，通過第一退火形成了含有微晶體的微晶硅層2。
接下來，如圖5B所示，采用橫截面中心部位能量密度約為400mJ/cm2的激元激光束進(jìn)行第二退火處理。在此次退火處理中，一激元激光束4照射無定形硅層3，與此同時(shí)，采用加熱裝置7，如加熱器等，將基板1的溫度維持在約200至600℃。通過第二退火，從微晶硅層2中形成多結(jié)晶硅薄膜5。在第二退火處理中，與基板未被加熱的情形相比，微晶硅層2和基板1之間的溫度差要小一些，從而使得從微晶硅層2向基板1的熱流量減小。其結(jié)果是，固化(冷卻)率降低，從而使得晶體顆粒的直徑與基板不加熱的情況相比要大一些。再者，固化過程中產(chǎn)生的晶體損壞下降。其結(jié)果是，形成了在整個(gè)基板上高均勻性的高質(zhì)量多結(jié)晶硅薄膜。
在實(shí)施例1至5中，硅被用作欲多結(jié)晶化的薄膜材料。然而，在本發(fā)明中，其他半導(dǎo)體材料，如鍺、硅/鍺合金等也可以使用。而且，在實(shí)施例1至5中，采用了等離子體CVD方法和熱CVD方法來沉積無定形薄膜。但是，其他方法，如ECR-CVD方法，遠(yuǎn)程CVD方法，濺鍍(sputtering)方法等也可用來沉積薄膜。
再者，可使用其他絕緣基板來代替玻璃基板1(商品名7059，Corning Inc.生產(chǎn))，如其他類型的玻璃基板，石英基板，藍(lán)寶石基板等。而且，雖然采用激元激光作為激光來使用，但通過使用其他激光，如YAG激光，也能獲得同樣的效果。
實(shí)施例6下文中，將參考圖6A至6D，描述本發(fā)明生產(chǎn)TFT的方法。
通過等離子體CVD方法并采用硅烷(SiH4)和氫(H2)作為原料氣，在玻璃基板1(商品名7059，Corning Icn.制造)上沉積5nm厚的微晶硅層2，在該玻璃基板上附著有SiO2膜(未示出)作為緩沖層，以防止雜質(zhì)從玻璃中擴(kuò)散出來。優(yōu)選微晶硅層2的厚度在1至10nm之間。
接下來，采用等離子體CVD方法并以硅烷為原料氣，在該微晶硅層2上沉積50nm厚的無定形硅層3。優(yōu)選該無定形硅層3的厚度在30至200nm。
然后，采用公知的照像平板印刷和蝕刻技術(shù)，對(duì)無定形硅層3和微晶硅層2進(jìn)行處理，以形成島形結(jié)構(gòu)。雖然在圖6A上只顯示了單個(gè)的島形結(jié)構(gòu)，但在基板上卻可排列多個(gè)這樣的島形結(jié)構(gòu)。每個(gè)島形結(jié)構(gòu)具有一定的尺寸，如20μm×20μm。
接下來，如圖6A所示，用激光束4照射該結(jié)構(gòu)，該照射是按分布重復(fù)法進(jìn)行的。在本實(shí)施例中，激光束的照射是通過采用波長(zhǎng)為308nm、脈沖寬度45ns、能量密度為200至500mJ/cm2的激元激光束來進(jìn)行的。
在激光束4照射的無定形硅層3中，通過在微晶硅層2中的微晶體作為晶種而使晶體顆粒生長(zhǎng)起來。其結(jié)果是，如圖6B所示，獲得了多結(jié)晶硅膜5，在該膜中，大小均勻(顆粒直徑在約200至300nm的范圍內(nèi))的晶體顆粒分布在基板1的整個(gè)表面上。
接下來，如圖6C所示，通過AP-CVD方法，在基板1的整個(gè)表面沉積一由SiO2制成的柵極絕緣膜(gate insulating film)8。在采用濺鍍方法在該柵極絕緣膜8上沉積鉻(Cr)膜后，該鉻膜用照像平板印刷和蝕刻技術(shù)制成一定的形狀，從而形成了一個(gè)柵極(gate electrode)9。
采用柵極9作為掩膜，向多結(jié)晶硅膜5中摻雜雜質(zhì)離子，從而以與柵極9自對(duì)準(zhǔn)的方式形成源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11，如圖6D所示。例如，可采用不發(fā)生質(zhì)量分離的離子摻雜方法來進(jìn)行雜質(zhì)離子的注入。或者，也可采用桶狀(bucket type)離子摻雜方法。為活化這些雜質(zhì)，有必要在注入完成之后在300至600℃的溫度下對(duì)它們進(jìn)行熱處理。
接著，在采用一種AP-CVD方法沉積了由SiO2制成的級(jí)間(interlevel)絕緣膜12之后，在該級(jí)間絕緣膜12上形成接觸孔13，從而使其可以到達(dá)源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11。在通過濺鍍方法，將鋁(Al)膜沉積到級(jí)間絕緣膜12上后，用照像平板印刷和蝕刻技術(shù)，將該鋁膜制成一定的形狀，從而形成源極14和漏極15。該源極14和漏極15分別與源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11通過接觸孔13相連接。
這樣，就形成了具有如圖6D結(jié)構(gòu)的TFT。然后，優(yōu)選的是，將該TFT在氫氣氛下退火，使在多結(jié)晶硅膜5中存在于晶界中的懸掛鍵被氫終止。在這種情況下，TFT沿基板的場(chǎng)效應(yīng)遷移度的變化被降低至4％或更低。
實(shí)施例7下文中，將參考圖7A至7D，說明本發(fā)明生產(chǎn)TFT的另一種方法的另一個(gè)實(shí)施例。
采用等離子體CVD方法并以硅烷(SiH4)作為原料氣，在玻璃基板1(商品名7059，Corning Inc.制造)上沉積80nm厚的無定形硅層3，該玻璃基板1上附著有SiO2膜(未示出)作為緩沖層，以防止雜質(zhì)從中玻璃擴(kuò)散出來。在沉積過程，基板1的溫度被設(shè)定在例如450℃。優(yōu)選無定形硅層3的厚度在30至200nm的范圍內(nèi)。
接下來，將基板1的溫度升高至480℃，然后，采用等離子體CVD方法并以硅烷為原料氣，在無定形硅層3上沉積5nm厚的微晶硅層2。優(yōu)選微晶硅層2的厚度在1至10nm的范圍內(nèi)。
然后，采用公知的照像平板印刷機(jī)蝕刻技術(shù)，對(duì)無定型硅層3和微晶硅層2進(jìn)行處理，以形成島形結(jié)構(gòu)。雖然圖7A只顯示了單個(gè)的島形結(jié)構(gòu)，但事實(shí)上，在一塊基板上可排列多個(gè)島形結(jié)構(gòu)。每個(gè)島形結(jié)構(gòu)具有一定的尺寸，例如20μm×20μm。
接下來，如圖7A所示，用激光束4照射該結(jié)構(gòu)，該照射是在與實(shí)施例1所述相同的條件下進(jìn)行的。
在被激光束4照射的無定形硅層3中，通過使用在微晶硅層2中的微晶體作為晶種使得晶體顆粒生長(zhǎng)起來。其結(jié)果是，如圖7B所示，獲得了多結(jié)晶硅膜5，其中，大小均勻(顆粒直徑在約200至300nm的范圍內(nèi))的晶體顆粒分布在基板1的整個(gè)表面上。
然后，如圖7C所示，通過AP-CVD方法，在基板1的整個(gè)表面沉積由SiO2制成的柵極絕緣膜8。在采用濺鍍法于該柵極絕緣膜8上沉積鉻(Cr)膜后，用照像平板印刷和蝕刻技術(shù)將該鉻膜制成一定的形狀，從而形成了柵極9。
采用柵極9作為掩膜，向多結(jié)晶硅膜5中摻入雜質(zhì)離子，從而以與柵極9自對(duì)準(zhǔn)的方式形成源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11，如圖7D所示。
接下來，在采用AP-CVD方法沉積了由SiO2制成的級(jí)間絕緣膜12之后，在該級(jí)間絕緣膜12中形成接觸孔13，從而使其可以到達(dá)源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11。在通過濺鍍方法，將鋁(Al)膜沉積到級(jí)間絕緣膜12上之后，用照像平板印刷和蝕刻技術(shù)將該鋁膜制成一定的形狀，從而形成了源極14和漏極15。該源極14和漏極15分別與源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11通過接觸孔13相連接。
這樣，就得到了具有圖7D所示結(jié)構(gòu)的TFT。然后，優(yōu)選的是，將該TFT在氫氣氛下退火，使在多結(jié)晶硅膜5中存在于晶界中的懸掛鍵被氫終止。在此情況下，TFT沿基板的場(chǎng)效應(yīng)遷移度的變化被降低至4至5％或更低。
實(shí)施例8
下文中，將參考圖8A至8D，說明本發(fā)明生產(chǎn)TFT的再一種方法的再一個(gè)實(shí)施例。
采用等離子體CVD方法并以硅烷(SiH4)作為原料氣，在玻璃基板1(商品名7059，Corning Inc.制造)上沉積20nm厚的無定形硅層3，該玻璃基板1上附著有SiO2膜(未示出)作為緩沖層，以防止雜質(zhì)從玻璃中擴(kuò)散出來。在沉積過程中，基板1的溫度被設(shè)定在例如300℃。優(yōu)選無定形硅層3的厚度在30至200nm的范圍內(nèi)。
接下來，采用等離子體CVD方法并以硅烷(SiH4)和氟化硅(SiF4)為原料氣，沉積5nm厚的微晶硅層2?；?的溫度被設(shè)定在300℃。優(yōu)選微晶硅層2的厚度在1至10nm的范圍內(nèi)。
將基板1的溫度降至270℃，然后，通過等離子體CVD方法并以硅烷為原料氣，在微晶硅層2上沉積20nm厚的無定形硅層6。
接下來，通過采用公知的照像平板印刷和蝕刻技術(shù)，對(duì)無定形硅層3和微晶硅層2進(jìn)行處理，從而形成島形結(jié)構(gòu)。雖然在圖8A中只顯示了單個(gè)的島形結(jié)構(gòu)，但事實(shí)上，在一塊基板上可排列多個(gè)島形結(jié)構(gòu)。每個(gè)島形結(jié)構(gòu)具有一定的尺寸，例如20μm×20μm。
接下來，如圖8A所示，用激光束4照射該結(jié)構(gòu)，該照射是在與實(shí)施例1所述相同的條件下進(jìn)行的。
在被激光束4照射的無定形硅層3和6中，通過使用在微晶硅層2中的微晶體作為晶種，晶體顆粒生長(zhǎng)起來。其結(jié)果是，如圖8B所示，獲得了多結(jié)晶硅膜5，其中，大小均勻(顆粒直徑約200至300nm的范圍內(nèi))的晶體顆粒分布在基板1的整個(gè)表面上。
雖然在本實(shí)施例中無定形硅層3和無定形硅層6的厚度是相等的，但無定形硅層3的厚度可以與無定型硅層6的厚度不相同。
然后，如圖8C所示，通過AP-CVD方法，在基板1的整個(gè)表面沉積由SiO2制成的柵極絕緣膜8。在采用濺鍍法于該柵極絕緣膜8上沉積鉻(Cr)膜后，用照像平板印刷和蝕刻技術(shù)將該鉻膜制成一定的形狀，從而形成了柵極9。
采用柵極9作為掩膜，向多結(jié)晶硅膜5中摻入雜質(zhì)離子，從而以與柵極9自對(duì)準(zhǔn)的方式形成源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11，如圖8D所示。
接著，在采用AP-CVD方法沉積了由SiO2制成的級(jí)間絕緣膜12之后，在該級(jí)間絕緣膜12中形成接觸孔13，從而使其可以到達(dá)源極10和漏極11。在通過濺鍍方法，將鋁(Al)膜沉積到級(jí)間絕緣膜12上之后，用照像平板印刷和蝕刻技術(shù)將該鋁膜制成一定的形狀，從而形成了源極14和漏極15。該源極14和漏極15分別與源極區(qū)域10和漏極區(qū)域11通過接觸孔13相連接。
這樣，就得到了具有圖8D所示結(jié)構(gòu)的TFT。然后，優(yōu)選的是，將該TFT在氫氣氛中退火，使在多結(jié)晶硅膜5中存在于晶界中的懸掛鍵被氫終止。在此情況下，TFT沿基板的場(chǎng)效應(yīng)遷移度的變化被限制在4至5％或更低。
在實(shí)施例6至8中，硅作為欲多結(jié)晶化的薄膜材料來使用。但在本發(fā)明中，其他半導(dǎo)體材料，如鍺，硅/鍺合金等也能使用。另外，在實(shí)施例6至8中，等離子體CVD方法和熱CVD方法被用來沉積無定形薄膜。但是，其他方法，如ECR-CVD方法，遠(yuǎn)程CVD方法、濺鍍法等都可用于沉積薄膜。
再者，也可使用其他絕緣基板代替玻璃基板1(商品名7059，Corning生產(chǎn))，如其他種類的玻璃基板，石英基板，藍(lán)寶石基板等。而且，雖然采用了激元激光作為激光使用，采用其他激光，如YAG激光也能達(dá)到同樣的效果。
作為柵極9、源極14和漏極15的材料，可使用硅化物，摻雜有高濃度雜質(zhì)的多結(jié)晶硅，SiGe合金，透明導(dǎo)體材料，如ITO等，也可以使用Cr，Al，Ta，Mo，Ti之類的金屬。
再者，為了提高晶體管的截止特性(off-character-istics)，可在多結(jié)晶薄膜中提供LDD(稀摻雜漏極，Lightly Doped Drain)結(jié)構(gòu)。而且，有可能在一塊基板上形成導(dǎo)電性能互不相同的多個(gè)TFT，從而構(gòu)成CMOS電路。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，用激光束對(duì)含有平均直徑約為20nm或更小的晶體顆粒的微晶薄膜進(jìn)行退火，從而形成了含有平均直徑約為20nm或更大的晶體顆粒的多結(jié)晶薄膜，由此，沿基板的晶體均勻性得以提高。而且，在基板被加熱的情況下，可獲得高質(zhì)量的多結(jié)晶薄膜，這是因?yàn)榫w顆粒直徑增大而晶體損壞減少的緣故。再者，降低了由于在基板上使用多結(jié)晶薄膜而產(chǎn)生的元件特性的非均勻性。
不偏離本發(fā)明的范圍和精神實(shí)質(zhì)，各種其他的改變對(duì)于本領(lǐng)域的熟練人員來說是顯然的，而且是容易做到的。因此，不打算將權(quán)利要求的范圍限制在說明書所述的范圍內(nèi)，而由權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種用于形成多結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的方法，包括如下步驟在絕緣基板上形成部分地包含用作多結(jié)晶化的晶核的微晶體的半導(dǎo)體薄膜；以及通過激光退火使該半導(dǎo)體薄膜多結(jié)晶化。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜含有包含微晶體的微晶半導(dǎo)體層，以及，與該微晶半導(dǎo)體相接觸的無定形半導(dǎo)體層。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜含有包含微晶體的微晶半導(dǎo)體層，以及，沉積在該微晶半導(dǎo)體層上的無定形半導(dǎo)體層。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜含有無定形半導(dǎo)體層，以及，沉積在該無定形半導(dǎo)體層上并合有微晶體的微晶半導(dǎo)體層。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中，該半導(dǎo)體薄膜進(jìn)一步含有沉積在該微晶半導(dǎo)體層上的另一個(gè)無定形半導(dǎo)體層。
6.如權(quán)利要求2的方法，其中，該微晶半導(dǎo)體層是通過CVD方法形成的。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中，激光退火是采用激元激光來進(jìn)行的。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中，激光退火是在絕緣基板保持在約200至600℃的溫度范圍內(nèi)時(shí)進(jìn)行的。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中，半導(dǎo)體薄膜是由含有硅或鍺作為主要組分的半導(dǎo)體所形成的。
10.如權(quán)利要求1的方法，其中，在微晶半導(dǎo)體中的微晶體顆粒的平均直徑為20nm或更小。
11.如權(quán)利要求1的方法，其中，形成半導(dǎo)體薄膜的方法包括如下步驟形成一無定形半導(dǎo)體層；以及通過具有能量密度接近結(jié)晶化閾值的激光束對(duì)該無定形半導(dǎo)體層進(jìn)行退火，由此形成微晶核。
12.如權(quán)利要求2的方法，其中，形成微晶半導(dǎo)體層的方法包括如下步驟形成一無定形半導(dǎo)體層；以及通過具有能量密度接近結(jié)晶化閾值的激光束對(duì)該無定形半導(dǎo)體層進(jìn)行退火，由此將該無定形半導(dǎo)體層轉(zhuǎn)變成微晶半導(dǎo)體層。
13.用于制造薄膜晶體管的方法，包括如下步驟在絕緣基板上形成半導(dǎo)體薄膜，該半導(dǎo)體薄膜合有用作多結(jié)晶化的晶核的微晶體；通過激光退火，使該半導(dǎo)體薄膜多結(jié)晶化，從而形成多結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜；以及在多結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜上形成源極區(qū)域、漏極區(qū)域和溝道區(qū)域。
14.如權(quán)利要求13的方法，其中，在經(jīng)受多結(jié)晶化處理之前，半導(dǎo)體薄膜含有微晶半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層中合有微晶體，以及，與微晶半導(dǎo)體層相接觸的無定形半導(dǎo)體層。
15.如權(quán)利要求13的方法，其中，包含在微晶半導(dǎo)體層中的微晶的晶體顆粒之平均直徑為20nm或更小。
全文摘要
一種用于形成多結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的方法，包括如下步驟在一絕緣基板上形成部分含有微晶體的半導(dǎo)體薄膜，該微晶體用于多結(jié)晶化的晶核；通過激光退火，對(duì)該半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行多結(jié)晶化。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1131340SQ95119449
公開日1996年9月18日 申請(qǐng)日期1995年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月27日
發(fā)明者前川茂樹, 古田守, 筒博司, 川村哲也, 宮田豐 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社