專利名稱：半導(dǎo)體器件及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低溫下，低至450℃或更低的溫度，制造絕緣柵半導(dǎo)體器件的工藝方法，還涉及以高成品率，制造包括有高集成度的所述器件的集成電路(IC)的方法。本發(fā)明涉及用上述工藝制造的半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步涉及高可靠性的半導(dǎo)體器件。依照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件，適用于，例如，有源的陣列驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，圖象傳感器驅(qū)動(dòng)電路等，以及用于SOI集成電路及通用半導(dǎo)體集成電路(例如，微處理機(jī)、微控制器、微機(jī)、半導(dǎo)體存貯器等)的薄膜晶體管。
近來，人們致力于研究在絕緣襯底上制造絕緣柵半導(dǎo)體器件(MOSFETS)。這種在絕緣襯底上有半導(dǎo)體集成電路的器件優(yōu)點(diǎn)在于能高速驅(qū)動(dòng)電路。與速度主要由存在于互連線與襯底之間電容造成的雜散電容而受限制的常規(guī)半導(dǎo)體IC相比，該新型半導(dǎo)體集成電路不會(huì)遇到這樣的雜散電容。將絕緣襯底上有薄膜有源層的所述MOSFET，標(biāo)記為薄膜晶體管(TFT)。這種TFT也可能出現(xiàn)在常規(guī)半導(dǎo)體IC中。例如用作SRAM的負(fù)載晶體管。
最近，要求在透光的襯底上制造半導(dǎo)體IC，例如象液晶顯示器和圖象傳感器之類的光學(xué)器件中的驅(qū)動(dòng)器電路。TFT也使用于這樣的應(yīng)用領(lǐng)域。但是，其中所用的電路要在大面積上形成。所以，該工藝過程要在更低的溫度下進(jìn)行。而且，當(dāng)需要將半導(dǎo)體IC連接到在絕緣襯底上有多個(gè)端頭的一器件連線端時(shí)，就建議在同一絕緣襯底上形成單塊整個(gè)半導(dǎo)體IC，或至少形成其單塊初極品。
通常，制造TFT要將非晶、半非晶，或微晶的半導(dǎo)體薄膜在450℃到1200℃溫度范圍內(nèi)退火，以獲得改善了結(jié)晶性和有很高遷移率的一種結(jié)晶薄膜。TFT包括利用非晶體材料用半導(dǎo)體薄膜的非晶TFT，這種TFT是不能用的，因?yàn)門FT所達(dá)到的遷移率低至5cm2/VS，甚至更低，而一般該遷移率降到約1cm2/VS或更低的數(shù)值。因非晶TFT工作速度低，且限定用在N-溝型TFT，所以如果采用非晶TFT就被限在很窄的應(yīng)用范圍。所以這些TFT要在上述的溫度范圍內(nèi)加速退火，以獲得5cm2/VS或較高的遷移率值。只有退火之后，這些TFT才能制作P-溝TFT(PTFT)。
但是，前述的熱處理卻對(duì)所用襯底材料有嚴(yán)格限制。所謂的高溫處理包括將溫度加熱到900至最高1200℃的步驟，使優(yōu)質(zhì)的熱氧化膜可用作柵介質(zhì)，因而，能用于這樣的高溫處理的應(yīng)選物就是象石英、藍(lán)寶石和尖晶石之類的昂貴襯底了，而且，這些昂貴的材料還難以獲得大面積的襯底。
與高溫處理情況比較，各種襯底材料卻可選用于低溫處理工藝，在溫度不超過450到750℃范圍內(nèi)進(jìn)行低溫處理。然而，低溫處理要長(zhǎng)時(shí)間退火，由于熱影響，從而會(huì)造成襯底變形與收縮之損害。
此外，通過把厚絕緣體膜加到半導(dǎo)體襯底與器件之間以隔離半導(dǎo)體襯底與器件并獲得具有良好的結(jié)晶性，如同使用單晶半導(dǎo)體一樣的元件來實(shí)現(xiàn)絕緣表面上形成MISFET，即絕緣柵半導(dǎo)體器件是極困難的。因此，非單晶半導(dǎo)體，即不是單晶半導(dǎo)體的一種結(jié)晶半導(dǎo)體常常用于MISFET。
非單晶半導(dǎo)體含有高密度缺路，一般先與某一元素，如氫，中性化，實(shí)際上成為無缺陷態(tài)。例如通過氧化作用實(shí)施中性化處理。氫和半導(dǎo)體元素，如硅之間的原子鍵通常很弱，施加大于幾十℃的熱能便會(huì)很容易地破裂而引起最后所得化合物的分解。所以，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間加電壓或電流時(shí)，由于半導(dǎo)體局部受熱，氫易受解吸。這個(gè)現(xiàn)象明顯地造成半導(dǎo)體特性退化。
根據(jù)上述情況的啟發(fā)提出了本發(fā)明，因此本發(fā)明的目的是提供一種加工方法，溫度不高于450℃，襯底材料不受限制，并且沒有形變收縮問題。本發(fā)明的另一目的是提供一種這樣結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，使用時(shí)能迅速釋放所產(chǎn)生的熱，以及還提供一種制造該器件的方法。
本發(fā)明的第1實(shí)施例提供一種薄膜半導(dǎo)體器件，該器件包括其上制備有薄膜的襯底，該薄膜包括用作主要構(gòu)件的氮化鋁，其上直接或間接設(shè)置半導(dǎo)體薄膜，包括用作主要構(gòu)件的硅，以及其上還直接或間接設(shè)置由金屬和半導(dǎo)體等材料制成的布線。
本發(fā)明還提供一種制造具有上述結(jié)構(gòu)的薄膜半導(dǎo)體器件的方法。因而，本發(fā)明的第2實(shí)施例是提供一種方法，該方法包括形成一種含有氮化鋁的薄膜，作為主要構(gòu)件，在其上直接或間接形成包括硅的半導(dǎo)體膜，作為主要構(gòu)件，以及還在其上直接或間接設(shè)置由金屬和半導(dǎo)體之類材料制作的布線。
氮化鋁是優(yōu)良的熱導(dǎo)體，并適合用在需要透光性的地方，因?yàn)樗哂泄鈱W(xué)能隙6.2eV，因而對(duì)可見光與近紫外光透明。氮化鋁膜可由淀積法，諸如濺射法，反應(yīng)濺射法，及從MOCVD(金屬一有機(jī)物化學(xué)汽相淀積)法形成。為用反應(yīng)濺射法獲得氮化侶膜，該工藝最好在氮?dú)鈿夥障拢捎娩X靶實(shí)現(xiàn)。依照本發(fā)明的目的，為達(dá)到氮化鉛膜的足夠的熱發(fā)射，所淀積的氮化鋁膜較好厚度為100至5000。氮化鋁膜為5000?；蚋癫灰讓?shí)現(xiàn)，因?yàn)樗矸e的薄膜易脫落。
這樣獲得的氮化鋁膜發(fā)揮一種阻擋作用，抵擋活動(dòng)離子，如鈉離子的遷移。所以，該膜能保護(hù)半導(dǎo)體器件免受這種活動(dòng)離子的侵害。
只要氮化鋁膜的熱導(dǎo)率不受損害，按理想配比，該膜不必含氮和鋁，一般，優(yōu)選的鋁與氮化比值(鋁/氮)的范圍為0.9至1.4，而該膜的熱導(dǎo)率以0.6w/cm·k或更高為好。這個(gè)熱導(dǎo)率值已可與單晶氮化鋁的2w/cm·k相比較了。
該膜的張力通過改變氮與鋁的組份比率可以最恰當(dāng)?shù)丶右钥刂啤＿€可攙入微量的硼、硅、碳、氧等等來適當(dāng)控制應(yīng)力。該膜包括氮化鉛，作為主構(gòu)件，可以是結(jié)晶的或非晶的。
一般，引入金剛石型材料，諸如多晶金剛石薄膜，硬碳膜，或類金剛石碳膜能實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)率。根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)小面積時(shí)，象這樣一種材料，在器件中，可以考慮，但不會(huì)取得滿意的效果，因?yàn)榻饎偸筒牧吓c氧化硅材料之間不會(huì)有緊密的粘合。氮化硅膜常常用于半導(dǎo)體工藝，作為阻擋層與鈍化層，而由于熱導(dǎo)率低，不適于此。為此評(píng)價(jià)了眾所周知的各薄膜特性，其結(jié)果綜合于下以便比較
AIN1) DLC2) SnO23) SiNx4)粘合性5) ○ △ ○ ○光透明性 ○ △ ○ ○機(jī)械強(qiáng)度 ○ ○ △ ○熱導(dǎo)率○ ○ ○ △或X熱阻 ○ △ △ ○阻擋鈉的效果 ○ △ △ ○注釋1)AIN氮化鉛2)DLC類金剛石碳3)SnO2氧化錫，以及4)SiNx氮化硅5)“粘合性”意指與氧化硅的粘合能力。評(píng)估的各符號(hào)○，△與x，分別表示“良好”“好”與“差”。
就本發(fā)明的器件來說，金屬或半導(dǎo)體布線(如柵布線等)產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到其下面的半導(dǎo)體膜(例如有源層等)上，而半導(dǎo)體膜加電流后，自身產(chǎn)生的熱量也施加在此。所以，半導(dǎo)體膜會(huì)被加熱到較高的溫度，然而這些熱量會(huì)迅速地轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體膜下設(shè)置的氮化鋁膜，而防止了半導(dǎo)體膜上發(fā)生熱量積聚。就這樣，遏制了布線和半導(dǎo)體膜溫度上升，而避免氫被解吸。
在本發(fā)明中，把半導(dǎo)體膜直接淀積在氮化鋁上并非最好。要是半導(dǎo)體膜直接被淀積在氮化鋁上，不僅粘合力不足，而且給半導(dǎo)體膜的電特性造成了不良影響。因此，最好要在半導(dǎo)體膜與氮化鋁膜之間設(shè)置一層既能松弛應(yīng)力，又有適當(dāng)電化學(xué)性能有效材料膜。
換句話說，在氮化鋁上面可以形成一層氮化硅膜，而其上還可以形成一層氧化硅膜。依照本發(fā)明的器件，柵接觸由單元素，諸如硅(包括能改善電導(dǎo)率的一種攙雜)鋁、鉭、鉻、鎢及鉬，或由其合金或多層薄膜組成。而且，正如后面所見的實(shí)例敘述的那樣，還可將其表面予以氧化。氮化鋁確實(shí)可用作刻蝕擋層，因?yàn)樵谠械陌雽?dǎo)體器件制造工藝中，通常用來刻蝕氧化硅、硅、鋁等的任何刻蝕方法都不會(huì)刻蝕氧化鋁。
依照本發(fā)明的方法，其特征還在于，不是由熱平衡形態(tài)下的常規(guī)處理，而是用強(qiáng)光，如脈沖激光束或等效的強(qiáng)光對(duì)其輻照而改良該半導(dǎo)體膜的結(jié)晶度。由于采用了這種方法，可以明白本方法的最高溫度取決于該步驟的溫度而不是半導(dǎo)體膜退火這步工藝的溫度，亦即，不取決于諸如氫化作用退火和柵介質(zhì)退火步驟的溫度。于是，本發(fā)明器件所用的襯底可選自更廣的材料范圍。更詳細(xì)地說，鈉鈣玻璃或無堿玻璃(例如Corning Incorporated的7059#玻璃)，這些由于軟化點(diǎn)低，通常認(rèn)為不宜用于做TFT襯底的玻璃，經(jīng)對(duì)這些玻璃作適當(dāng)處理之后都能用來裝配TFT。
依據(jù)本發(fā)明的方法，包括在絕緣體襯底上形成半導(dǎo)體膜，在所述半導(dǎo)體膜上形成能透射激光束或等效于激光束的強(qiáng)光的薄膜，使脈沖激光束或等效于激光束的強(qiáng)光輻照所述膜層，因而改善該半導(dǎo)體膜的結(jié)晶度；除去所述能透射激光束或等效強(qiáng)光的所述薄膜，露出半導(dǎo)體膜表；在所述半導(dǎo)體膜上形成一柵絕緣薄膜；在所述柵絕緣膜上又形成布線或柵接觸區(qū)，通過諸如離子輻照、離子注入與離子摻雜之類的過程，以布線或柵接觸區(qū)為掩膜，用自對(duì)準(zhǔn)的方式將雜質(zhì)引入所述半導(dǎo)體膜，以及引入步驟之后，以布線或柵接觸區(qū)為掩膜，又用脈沖激光束或等效的強(qiáng)光，輻照所述半導(dǎo)體膜，從而恢復(fù)引入雜質(zhì)元素的步驟中一度受破壞的半導(dǎo)體膜的結(jié)晶性。最后兩個(gè)步驟可由本發(fā)明人(參見，例如日本專利申請(qǐng)?zhí)柶?-100479)申請(qǐng)披露的激光攙雜方法來替代。在本發(fā)明中，用作柵接觸區(qū)與互連線的材料，最好為低電阻率的金屬材料，如鋁。本發(fā)明所用的脈沖激光束最好產(chǎn)生自發(fā)射紫外光激光器，例如使用KrF,ArF,XeCL及XeF氣體作為激發(fā)物。最好，制作在所述絕緣體襯底與所述半導(dǎo)體膜之間的絕緣體膜材料選自氮化硅，氧化鋁及氮化鋁，或者這些與氧化硅膜組合的成層膜，氧化膜設(shè)置在絕緣襯底和半導(dǎo)體膜之間。制作的該氧化硅膜厚度為300至3000，而厚度從500-1500更好。制作的絕緣膜材料選自氮化硅，氧化鋁及氮化鋁，厚度為300-3000，而厚度從1000至2000較好。鹵素紅外線光發(fā)射燈可用作輻照強(qiáng)光源。等效于激光束的強(qiáng)光(或脈沖光)意思是光能或其與輔助的熱能的混合，在很短的時(shí)期內(nèi)，一般為5分鐘的期間，把它施加到半導(dǎo)體膜上，以使恢復(fù)該膜的結(jié)晶度。
本發(fā)明的特征在于，在除去先前設(shè)置的，用來防護(hù)激光束或與其等效的強(qiáng)光輻射有源層，以恢復(fù)該有源層結(jié)晶性的層之后，可以用一層不同于保護(hù)膜的薄膜用作柵絕緣膜。這個(gè)步驟明顯地改善了所得到的TFT的特性。能改善TFT特性的原因認(rèn)為如下，由非晶態(tài)轉(zhuǎn)為結(jié)晶體，往往發(fā)現(xiàn)許多非化學(xué)計(jì)量配比的混合物在界面處擴(kuò)大了，尤其是，富硅的硅氧化物存在界面附近勢(shì)必形成。而這些非化學(xué)計(jì)量配比的混合物既不足以起絕緣體又不足以起半導(dǎo)體的作用。因此很清楚，出現(xiàn)非化學(xué)計(jì)量配比的硅氧化物妨礙了獲得良好特性，因?yàn)橐汛_證，在絕緣柵元件中，界面起著重要的作用。
假如不用任何保護(hù)膜，讓激光束或與其等效的強(qiáng)光直接輻照該膜，于是，其上就會(huì)演變成一種不規(guī)則的表面。結(jié)果這種不平的表面，將制成特性很差的元件。除去一度設(shè)置的保護(hù)層的步驟，相當(dāng)于移去上述非化學(xué)計(jì)量配比的硅氧化物，提供有良好結(jié)晶的純硅。更具體地說，人們發(fā)現(xiàn)，用氫氟酸之類的濕式刻蝕劑來除去保護(hù)膜可以得到很好的效果。干式刻蝕法對(duì)硅膜會(huì)造成損傷，但是，濕式刻蝕由于在硅原子的形成雙鍵之前，終止于氟與氫的懸鏈鍵，所以就具有一極穩(wěn)定的表面。
本發(fā)明中，由激光束或其等效強(qiáng)光退火形成區(qū)的深度，根據(jù)日本專利申請(qǐng)?zhí)柶?3-50793所披露的本發(fā)明人的發(fā)明，可以隨所要求任意設(shè)定與控制。就這樣，可以獲得包括雙層的有源的結(jié)構(gòu)，而減小源區(qū)的漏區(qū)之間的漏電流。
依照本發(fā)明，選用激光束或由IR燈產(chǎn)生的紅外線(IR)光退火處理，而另外加熱襯底從100到500℃，典型為300到400℃。在這種情況下，可以獲得改善了均勻性的薄膜。
依照本發(fā)明應(yīng)用的第一實(shí)施例提供一種采用非晶硅(a-Si)TFT的有源陣列(AM)驅(qū)動(dòng)液晶顯示(LCD)器件的外圍電路。在用一無堿玻璃，諸如康寧#7059玻璃(Corning公司生產(chǎn))制作的襯底上，通常在400℃或更低的溫度范圍內(nèi)形成a-SiTFT，由此獲得a-SiTFT-AMLCD:a-SiTFT具有高關(guān)斷電阻，因而是最適用的一種開關(guān)元件，然而，早已說過，它不能制作CMOS，又只允許低速工作。因此，外圍驅(qū)動(dòng)電路往往用單晶IC制成，而陣列端頭與IC端頭的連接則用自動(dòng)帶焊接(TAB)的方法實(shí)現(xiàn)。但是，這種安裝類型要減小象素尺寸會(huì)碰到更大的困難，故此，安裝成本要按總的模塊成本的較大百分比上升。
由于發(fā)熱的限制，在陣列的相同的襯底上，用常規(guī)工藝難以制成外圍電路。然而對(duì)于本發(fā)明，卻可以在相當(dāng)于常規(guī)a-SiTFT形成的溫度下，制成具有較高遷移率的TFT。
應(yīng)用本發(fā)明的第二實(shí)施例，包括在材料，如鈉鈣玻璃上，也就是說，在與無堿玻璃比成本還要低的材料上形成TFT。這樣情況下，最好先要在玻璃上加上一層絕緣體途層，以免TFT與鈉鈣玻璃直接接觸，因?yàn)橄筲c離子之類的活動(dòng)離子會(huì)從玻璃侵入TFT。該絕緣涂層，作為主構(gòu)件可以包括象氮化硅、氧化鋁或氮化鋁。于是，將由氧化硅之類的基底絕緣膜，形成在所得的絕緣物涂層上，再次依照本發(fā)明的工藝方法制成TFT。而且，通過優(yōu)化，用PTFT覆蓋在NTFT上作陣列TFT，還能避免該器件的失效。當(dāng)活動(dòng)離子由襯底侵入到NTFT時(shí)，往往會(huì)形成一溝道，使NTFT出現(xiàn)開(ON)態(tài)。然而，在此情況下，PTFT不會(huì)有溝道形成。
應(yīng)用本發(fā)明的第三實(shí)施例，包括直接多路驅(qū)動(dòng)型，也就是一種靜態(tài)單陣列驅(qū)動(dòng)的液晶顯示器(LCD)的外圍電路。例如，鐵電體液晶具有存貯功能，因此，即使當(dāng)它們由單陣列驅(qū)動(dòng)時(shí)，也提供高對(duì)比度的顯示。但通常，為此按a-SiTFTAMLCD的相同方法，采取TAB法之類連接IC而制成外圍電路。同樣，用于由膽甾醇(Cholesteric)相到向列(nematic)相的有相變特點(diǎn)的靜態(tài)工作LCD的外圍電路也已經(jīng)按TAB連接法按常規(guī)方法制成了。JP-A-61-1152(術(shù)語“JP-A”意指一未經(jīng)審查已公開的日本專利申請(qǐng))中，建議了一包括向列液晶與鐵電體聚合物的組合物的靜態(tài)驅(qū)動(dòng)LCD，然而該LCD還包括TAB連接的外圍電路。
上述枚舉的所有LCD都是直接多路驅(qū)動(dòng)的，因此它們都備有采用低成本襯底的高精度大面積顯示器。要是能減小端頭之間的距離，就可獲得精巧的顯示器，但只是IC安裝困難，制作昂貴。所以，可以看出，本發(fā)明能提供一種用低成本襯底的外圍電路單塊，而且還不受熱問題困擾。
應(yīng)用本發(fā)明的第四實(shí)施例是提供一種所三維IC，該IC包括在已制成金屬互連線的半導(dǎo)體IC上形成TFT。還有其它及各種各樣的應(yīng)用都可利用本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。


圖1(A)-(E)是TFT的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明連續(xù)進(jìn)行制造TFT的各步驟；圖2(A)-(E)是另一種TFT的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明連續(xù)進(jìn)行制造TFT的各步驟；圖3(A)-(E)是又一種TFT的剖面圖，說明根據(jù)本發(fā)明連續(xù)進(jìn)行制造TFT的各步驟；圖4(A)-(C)是圖解說明根據(jù)本發(fā)明的LCD工作原理圖；圖5是說明根據(jù)本發(fā)明的LCD單元結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖6(A)和(B)是顯示根據(jù)本發(fā)明的TFT特性曲線圖；圖7(A)-(D)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的方法的剖面圖；圖8(A)-(E)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的另一種方法的剖面圖；圖9(A)-(E)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的又一種方法的剖面圖；圖10(A)-(E)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的再一種方法的剖面圖；圖11是根據(jù)本發(fā)明的有源陣列電路和外圍電路的電路圖解中的局部正視圖；圖12(A)-(E)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的還有一種方法的剖面圖；圖13(A)-(D)是說明本發(fā)明制造TFT的還進(jìn)一步的方法的剖面圖；圖14(A)-(D)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的另外的方法的剖面圖圖15(A)-(D)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的再另外的方法的剖面圖；圖16(A)-(E)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的再進(jìn)一步的方法的剖面圖；以及圖17(A)-(E)是說明根據(jù)本發(fā)明制造TFT的還有一種方法的剖面圖。
參見下面非限定性的實(shí)施例，更詳細(xì)地說明本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)知道，無論如何，本發(fā)明不應(yīng)認(rèn)為限于此。
實(shí)施例1依照本發(fā)明已制成了采用a-SiTFT的有源陣列(AM)驅(qū)動(dòng)液晶器件(LCD)的外圍電路。如上所述，常規(guī)的基于a-SiTFT的AMLCD由TAB互連法制造，因此，不能形成陣列的單塊外圍電路。
然而，TAB法加工昂貴，由于高互連的成本要加到IC的成本中。IC和互連的總成本合計(jì)要占整個(gè)板塊成本的20％或更大。依照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)一種低成本的板塊，這是由于在單個(gè)玻璃襯底上制成單塊陣列與外圍電路之故。
首先，用氧氣氣氛下濺射或分解TEOS和通過等離子體CVD淀積氧化硅，在康寧#7059玻璃襯底101(面積為300mm×3000mm或100mm×100mm)上形成厚度100到300nm的氧化硅膜102作為基底氧化膜，接著在溫度范圍為450到650℃下退火。
然后，通過等離子CVD或LPCVD法淀積非晶硅膜103，厚發(fā)為30到150nm，以50到1000nm為好，在其上又淀積氧化硅膜或氮化硅膜用作保護(hù)層104，厚度為20到100nm，以厚度50到70nm為好。工作波長(zhǎng)248nm，脈寬20nsec的KrF激發(fā)物激光脈沖，通過氧化硅或氮化硅膜輻照非晶硅膜103，以改良硅膜103的結(jié)晶度。該步驟示于圖1(H)。所加激光束能量密度為250到400mj/cm2，而以密度為250到300mj/cm2為好，于是，研究所淀積硅膜的結(jié)晶度，拉曼(Raman)散射譜表明，相應(yīng)的寬峰約位于515cm-1，就是說，該峰不同于單晶硅所給出的應(yīng)出現(xiàn)在521cm-1的峰。當(dāng)用激光輻照時(shí)，通過對(duì)其實(shí)施輔助加熱，加熱到100至500℃，還能得到更均勻的結(jié)晶體。所得的結(jié)晶體再在350℃下的氫氣中退火2小時(shí)。
隨后，除去保護(hù)層104，使硅層103露出，并且，將露出的表面刻成類似島形的圖案，制成NTFT區(qū)105和PTFT區(qū)106。而且，由在氧氣氛中濺射或由分解TEOS與離子CVD法淀積所得到的薄膜，還要在450到650℃的溫度范圍內(nèi)退火，以形成柵氧化膜107。而后的過程，即等離子CVD過程，在處理大面積襯底中要很小心，因?yàn)樵诩庸て陂g，襯底會(huì)因加熱產(chǎn)生形變與收縮。如果在襯底上發(fā)生這樣的形變與收縮，以后進(jìn)行制作步驟中的掩模對(duì)準(zhǔn)過程，就會(huì)出現(xiàn)困難。另一方面，在濺射過程中，可以把襯底保持在溫度150℃或更低。而且，最好在氫氣中約450℃下進(jìn)行退火，以使薄膜內(nèi)側(cè)的懸鏈鍵之類減小，因而防止柵氧化膜受固定電荷的影響。
此后，用電子束蒸發(fā)淀積法，再淀積厚度為200nm到5nm鋁膜，然后刻成圖案，得到如圖1(B)說明的柵接觸區(qū)108與109。與形式柵接觸區(qū)108與109的同時(shí)，還形成有源陣列電路的TFT(反錯(cuò)列型)的柵接觸110。
圖1(C)說明在柵接觸區(qū)周圍形成陽極氧化層111到113的方式。該過程包括把電流加在浸到電解液中的襯底的柵接觸區(qū)上。在進(jìn)行該步驟中，最好在外圍電路區(qū)域的TFT(該TFT位于圖的左側(cè))上制作的陽極氧化膜要盡可能地薄，以增加遷移率，而與有源陣列部分TFT(位于圖右側(cè)反錯(cuò)列TFT)相應(yīng)的部分則制成作厚陽極氧化膜，因而能防止柵漏電。在本實(shí)施例中所形成的陽極氧化膜厚度在200到250nm范圍。
將雜質(zhì)摻入各個(gè)TFT的島形硅膜，這是以柵接觸部分(即柵接觸區(qū)及周圍的陽極氧化膜)為掩蔽，用自對(duì)準(zhǔn)方法進(jìn)行離子摻雜的。進(jìn)行該工藝中，先用磷烷(PH3)作為摻雜氣體，整個(gè)表面都注入磷，然后，只用光刻膠覆蓋島區(qū)105，再用乙硼烷(B2H6)為摻雜氣體注入硼，使硼只摻入島區(qū)106。本步驟所摻入的磷和硼的劑量分別為2×1015到8×1015/cm2與4×1015到10×1015/cm2，這樣，硼的劑量就要高于磷的劑量。
然后，最后所得的結(jié)構(gòu)如圖1(D)所示，要經(jīng)受KrF激發(fā)物激光器所發(fā)射的波長(zhǎng)為248mm，工作脈寬為20nsec的光的激光來輻照，使因接受摻雜而損傷的部分恢復(fù)其結(jié)晶度。所加激光束的能量密度為200到400mj/cm2，最好為250到300mj/cm2通過實(shí)行輔助加熱法，加溫到100到500℃的范圍，還能獲得均勻的晶體。
就這樣獲得了N-型區(qū)114和115，及P-型區(qū)116和117。這些區(qū)的薄層電阻率都在200到800Ω/□的范圍內(nèi)。
接著，在整個(gè)表面內(nèi)，濺射沉積一層300nm的厚氧化硅膜，用作中間絕緣層108。該氧化硅膜也可以用等離子CVD淀積的氮化硅膜來替換。這樣獲得的薄膜，在外圍電路中僅起中介絕緣層的作用，但是，當(dāng)把該層應(yīng)用于有源陣列部分時(shí)，在制造中必須當(dāng)心，因?yàn)橐院笤搶舆€要作為TFT的柵絕緣層。
接著，在有源陣列部分的柵接觸區(qū)110上淀積厚度20到50nm的非晶硅層119，而用作α-SiTFT的源/漏的微晶硅層，則用等離子CVD法淀積，形成厚度為50到100nm。將所得到的微晶硅膜刻成圖案，從而獲得源/漏120與121 。
接著，在外圍電路的TFT源/漏上開出接觸孔，制成鋁互連線122,123和124。由這種情況，可以看見，在左邊，NTFT和PTFT形成了一個(gè)反相器電路。而且，由光透明導(dǎo)電材料，如ITO在有源陣列部分的TFT上形成了象素電極125。最后，將所得的結(jié)構(gòu)在氧氣中，在350℃下退火2小時(shí)，使硅膜中的懸空鍵減小，以獲得帶有源陣列電路的集成單塊外圍電路。本實(shí)施例中，將反錯(cuò)列型的TFT用作有源陣列的α-SiTFT，以防止入射光進(jìn)入溝道部位，因?yàn)棣?Si的電導(dǎo)率易隨輻射光而改變。不必再說，若要采取有效的防范措施，來屏蔽TFT不受外部光輻照的話，同樣能用于平面TFT。
依照本實(shí)施例制造的外圍電路中所配置的TFT特性的說明性實(shí)例，表示在圖6中。在真空下，用KrF激光束輻照由LPCVD淀積的50nm厚硅膜，在該膜上形成20nm厚保護(hù)膜，而使硅膜結(jié)晶化，由此得到TFT。這個(gè)KrF激光器在能量密度250mj/cm2下工作，對(duì)硅膜施行10次照射。于是，除去保護(hù)層后，在其上再由濺射淀積厚120nm氧化硅，而獲得柵介質(zhì)。形成柵接觸區(qū)后，用陽極氧化形成厚206nm的陽極氧化膜，用作后續(xù)離子注入的掩膜。通過加速到65KeV能量的磷離子與加速到80KV的硼離子，轟擊該結(jié)構(gòu)，而進(jìn)行離子注入，用自對(duì)準(zhǔn)方式制成摻雜區(qū)，此后，在空氣中，以能量密度為300mj/cm2的脈沖KrF激光束輻照10次，來進(jìn)行激活。
圖6(A)和圖6(B)分別示出NTFT與PTFT的特性。該TFT的溝道長(zhǎng)3.5μm而寬15μm，所見的場(chǎng)遷移率，在NTFT中為60cm2/VS，而在PTFT中為30cm2/VS。而且，表明TFT開/斷的陡度的S值，對(duì)NTFT得出0.42V/單位，而PTFT為0.53V/單位。所見NTFT閾值電壓為3.9V，而所見的PTFT閾值電壓則為-5.4Vo對(duì)1V或-1V漏電壓下的開/斷比值，對(duì)NTFT為8.7計(jì)量單位，而PTFT為6.9單位。
實(shí)施例2本實(shí)施例提供一種在鈉鈣玻璃襯底上形成的有源陣列。由于鈉鈣玻璃富含鈉，所以要在厚1.1mm，面積300×400mm2的鈉鈣玻璃襯底201的整個(gè)表面上用等離子CVD法淀積厚5到50nm，最好厚5到20nm的氮化涂層202。上面的氮化硅用于防止鈉從鈉玻璃基片擴(kuò)散進(jìn)入薄膜晶體管。通過用氮化硅或氧化鋁膜覆蓋基片，從而在基片上設(shè)置阻擋層的這種技術(shù)公開于日本專利申請(qǐng)平-3-238710和平-3-238714，這是由本發(fā)明人申請(qǐng)的。此外，覆蓋層202也可以是氮化鋁膜。
這樣，在作為基底氧化膜203的氧化硅膜形成之后，采用等離子體CVD或LPCVD工藝淀積硅膜204，其厚度為30至150nm，最好是30至500nm，并在其上淀積氧化硅膜205作為保護(hù)層。如圖2(A)所示，使形成的結(jié)構(gòu)接受KrF激發(fā)物的激光照射，以此改善硅膜204的結(jié)晶度。所施加的激光束的能量密度為150至200mj/cm2，即稍低于實(shí)施例1所采用的激光束的值。而且僅施加10次發(fā)射。因此，發(fā)現(xiàn)如此淀積的硅膜的結(jié)晶度比實(shí)施例1更接近于非晶態(tài)。事實(shí)上，本例中產(chǎn)生的硅膜空穴遷移率，具體地講，該值在3至10cm2/VS的范圍，低于實(shí)施例1的硅膜的值。
接著，除去保護(hù)層使硅層暴露，把暴露的表面制成島狀圖形區(qū)206，從而通過濺射在其上建立起柵極氧化膜207，厚度為50至300nm，最好為70至150nm。然后，按實(shí)施例1的方式，淀積鉛膜并使其布圖，由此獲得柵極接點(diǎn)20g，而且柵極接點(diǎn)被陽極氧化物209所圍繞。形成的結(jié)構(gòu)如圖2(B)所示。
以自對(duì)準(zhǔn)方式通過離子攙雜，把硼作為P型雜質(zhì)導(dǎo)入硅層，由此形成薄膜晶體管的源/漏。接著，如圖2(C)所示，采用KrF激發(fā)物激光對(duì)形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光束照射，以便使因?qū)腚s質(zhì)而受到損害的部分的結(jié)晶度得以恢復(fù)。所施加的激光束的能量密度高達(dá)250至300mj/cm2。因此，薄層電阻率在400至800Ω/□，此值優(yōu)于實(shí)施例1的值，并適用于薄膜晶體管的源/漏。
如此獲得的薄膜晶體管包含一個(gè)具有較小場(chǎng)遷移率的有源層。但最好的還是使用有源矩陣，更具體地講，本例獲得的薄膜晶體管具有高的開通電阻，然而，其關(guān)斷電阻仍足夠地大于開通電阻。因此，通常所需的附加電容已不再需要。特別是，在N溝道MOS中的泄漏電流的源，即遷移離子如鈉，不會(huì)在本例引用的P溝道型器件中造成問題。
根據(jù)本實(shí)施例中的處理工藝可以在上限為350℃的低溫下實(shí)施。在氮化硅膜或氧化硅膜的形成時(shí)可達(dá)到最高可允許溫度。如果溫度上升超過上限，鈉鈣玻璃將會(huì)軟化。在這種低溫處理中，有時(shí)柵極氧化膜中的缺陷會(huì)導(dǎo)致問題。在實(shí)施例1的情形，在低于450℃的溫度對(duì)柵極氧化進(jìn)行退火，因?yàn)榛哂邢喈?dāng)高的耐熱性，所以可在如此高的溫度下進(jìn)行熱退火。但是，本實(shí)施例采用鈉鈣玻璃基片，所以不能實(shí)施這種熱退火。因此，大量的固定電荷主要是正電荷將留存于柵極氧化膜內(nèi)。由此可見，所形成的結(jié)構(gòu)不能用于N溝道型MOS，因?yàn)檫@些固定電荷的存在產(chǎn)生了過大的泄漏電流。然而，在P溝道MOS中，盡管固定電荷肯定會(huì)影響閾值電壓，但泄漏電流能被抑制得較小，因而用于有源矩陣工作的基本特性能得以實(shí)現(xiàn)。而且，用高能量密度激光束對(duì)源/漏進(jìn)行退火，從而產(chǎn)生小的薄層電阻。這導(dǎo)致抑制信號(hào)延遲。
然后，用聚酰亞胺形成夾層絕緣體212。該步驟之后，使用ITO形成象素電極213。然后設(shè)置接觸孔用于在薄膜晶體管TFT的源/漏區(qū)形成鉛接點(diǎn)214和215。如此形成的接點(diǎn)之一215與ITO連接。最后，在300℃下在氫氣對(duì)最后形成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行2小時(shí)的退火，從而完成硅的氫化。
在最后所獲得的單個(gè)基片上形成四個(gè)有源矩陣，整個(gè)結(jié)構(gòu)被切成四塊，由此獲得四個(gè)有源矩陣極。這樣獲得的有源矩陣沒有外圍電路，并且只有需通過TAB之類工藝與驅(qū)動(dòng)器IC連接之后，才能使其驅(qū)動(dòng)。然而，由于用低成本的鈉鈣玻璃基片替代了α-Si薄膜晶體管AMLCD中通常使用的無堿玻璃基片，因而總成本優(yōu)于傳統(tǒng)的板的成本。特別是，根據(jù)本實(shí)施例的板特別適合用于大面積的細(xì)微顯示。如此獲得的有源矩陣顯示于圖11。有源矩陣925與外圍電路951連接，外圍電路包括驅(qū)動(dòng)器薄膜晶體管和偏移電阻。有源矩陣的象素935包括薄膜晶體管956，液晶層954和輔助電容955。
例如，一個(gè)α-Si薄膜晶體管具有0.5至1.0cm2/VS范圍內(nèi)的遷移率，它不能用于超過1000行的大規(guī)模矩陣。相反，根據(jù)本實(shí)施例的薄膜晶體管具有的遷移率是傳統(tǒng)的薄膜晶體管的3至10倍，它能用于這種大規(guī)模的矩陣而不存在任何問題。此外，它能令人滿意地響應(yīng)于模擬式的分層顯示。
而且，由于柵極線和數(shù)據(jù)線均由鋁制成，因而即使在對(duì)角線超過20英寸的大顯示屏上，也能明顯降低信號(hào)的延遲和衰減。
實(shí)施例3本實(shí)施例提供一種高對(duì)比度液晶顯示器LCD，具有二極管特性和鐵電聚合物的存儲(chǔ)功能這兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，采用把外圍電路單塊地集成于單個(gè)基片上的工藝從而降低制造成本。該液晶顯示器的結(jié)構(gòu)類似于例如日本專利申請(qǐng)昭-61-1152所公開的結(jié)構(gòu)。
這種類型的液晶顯示器允許半靜態(tài)的工作。因此，盡管TN液晶是以直接多路驅(qū)動(dòng)的方式工作的，仍能獲得極高對(duì)比度的顯示。此外，與MIM型非線性元件相反，在制造工藝中不存在問題。其工作原理如圖4所示。
一般地，鐵電體的E(電場(chǎng))-(電通量密度)特性呈滯變曲線，如圖4(A)所示。即在一定的外電場(chǎng)下鐵電材料內(nèi)形成恒定的極化強(qiáng)度，當(dāng)施加的電場(chǎng)超過一確定值后，極化強(qiáng)度發(fā)生反轉(zhuǎn)。如果考慮一個(gè)電路，這就意味著電荷傳輸，因而其中就產(chǎn)生電流。例如，可以考慮一個(gè)串聯(lián)電路，包括一個(gè)在電極之間內(nèi)設(shè)鐵電體的電容(FE)和一個(gè)在電極之間內(nèi)設(shè)一種材料例如液晶的電容(LC，電容量為C)。在實(shí)際應(yīng)用中，通常與鐵電電容器并聯(lián)一個(gè)相當(dāng)高的電阻R。因此，一個(gè)實(shí)際電路形成的結(jié)構(gòu)如圖4(C)所示。然而，應(yīng)該注意，PE不僅起到一個(gè)簡(jiǎn)單電容器的功能，而且還是一個(gè)非線性電阻器。在形成的電路中，基于施加給電路的交流電的電流變化如圖4(B)所示，呈現(xiàn)出非線性特性從而構(gòu)成滯變曲線。
當(dāng)在面對(duì)著的電極之一上施加-Vo或O電壓，面在另一個(gè)電極上施加O或Vo電壓時(shí)，單元的電壓將是±2Vo和O中之一。如果電壓成為±2Vo或-2Vo，如圖4(B)所示，F(xiàn)E的電阻其變化過程中急劇下降，這意味著有足夠量的電荷施加給LC。如果電壓變化為+Vo、-Vo和O值中的任何一個(gè)，F(xiàn)E的電阻此時(shí)不會(huì)顯著下降。因此，此時(shí)來自并聯(lián)電阻R的泄漏電流應(yīng)給予考慮。由于泄漏電流，LC出現(xiàn)放電。由此可看出，±2Vo的階段對(duì)應(yīng)于選擇階段，其它階段對(duì)應(yīng)于非選擇階段。
參看圖4(B)，通過座標(biāo)原點(diǎn)并由虛線畫出的直線代表由于R出現(xiàn)的泄漏電流，在使用該器件作為液晶顯示器LCD時(shí)，R與C之間的關(guān)系特別重要。盡管這里沒有詳細(xì)的討論，但如果時(shí)間常數(shù)τ=RC遠(yuǎn)小于幀時(shí)間，則僅形成低對(duì)比度，因?yàn)檫@意味著FE的貢獻(xiàn)很小。另一方面，如果比幀時(shí)間大很多，結(jié)果是圖象之后充滿干擾顯示。因此，應(yīng)該設(shè)定為盡可能地接近幀時(shí)間。
圖5示意地表示一個(gè)單元。這個(gè)單元是這樣構(gòu)成的，液晶材料512夾在兩個(gè)基片501和502之間，與通常的液晶顯示器相同。為了使單元厚度均勻，把隔離物511插入基片之間?？墒褂玫囊壕Р牧习ㄅで蛄行鸵壕?、超扭曲向列型液晶，采用雙折射的非扭曲的向列型液晶、鐵電液晶，包括聚合物的彌散型液晶(PDLC)，其中液晶如向列型液晶或膽甾醇(Cholesteric)液晶被彌散。
與通常采用的簡(jiǎn)單矩陣液晶一樣，設(shè)置由ITO或其它類似材料制成的透明帶狀電極505和506，使它們相互垂直交叉，與通常的簡(jiǎn)單矩陣結(jié)構(gòu)不同之處是，ITO或其它材料的透明導(dǎo)電覆蓋層為島狀，該島狀層形成于并遍及電極506，兩者之間設(shè)有鐵電聚合物507。形成定向膜509和510用以覆蓋這些電極。這種結(jié)構(gòu)在日本專利申請(qǐng)1152/1986中有詳細(xì)說明。
按傳統(tǒng)方式通過TAB連接IC，對(duì)如此構(gòu)成的液晶顯示器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這種構(gòu)型有某些限制。首先，這種裝置的液晶顯示器中，假設(shè)施加給液晶的電壓值為1或0，該電壓在一幀的整個(gè)期間，持續(xù)施加以此達(dá)到高對(duì)比度，這是該裝置的一個(gè)特征。因此，以各種灰色標(biāo)準(zhǔn)顯示圖象時(shí)，很難完成模擬式灰度顯示，這是薄膜晶體管液晶顯示器通常所做的。而且，對(duì)于STN液晶顯示器中所采用的脈沖調(diào)制方法和幀調(diào)制方法均不適用。結(jié)果，液晶顯示取決于二維灰度，這極大地增加了象素的數(shù)量。
上述問題對(duì)于本液晶顯示器來說是不存在本質(zhì)上的困難的。這就是說，由于這種液晶顯示器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能相當(dāng)容易地實(shí)現(xiàn)大容量矩陣。然而，實(shí)際上，當(dāng)連接的端子達(dá)到20線/毫米的密度時(shí)，已不適合使用TAB裝置。此外，很難采用COG把芯片覆蓋在玻璃上方法制造液晶顯示器。因此，必須把外圍電路整體地形成在同一基片上。
例如，為了達(dá)到64灰色標(biāo)準(zhǔn)的二維灰度，每個(gè)象素需要6個(gè)子象素。因而，所需行的數(shù)量是通常矩陣結(jié)構(gòu)的行數(shù)的兩或三倍。如果本裝置用于按照XGA標(biāo)準(zhǔn)的高清晰度屏幕，行的數(shù)量將達(dá)1500至3000。即使在對(duì)角線為15英寸的大尺寸屏幕的情形，需要10至15線/毫米的密度。當(dāng)屏幕變窄時(shí)，需要較高密度的圖象壓縮。特別地，當(dāng)采用本系統(tǒng)的液晶顯示器和高透射率液晶PDLC束構(gòu)成投影式屏幕時(shí)，基片的對(duì)角線小于5英寸。
此時(shí)，除了高密度圖象壓縮之外，還需要高速集成電路工作。在這種情形，絕緣基片上的電路比單晶半導(dǎo)體基片上的電路較為不易損耗，并且能以高速工作。然而，如果場(chǎng)遷移率象實(shí)施例2那樣小于10cm2/VS，則采用那種構(gòu)型會(huì)產(chǎn)生問題。因此，需要遷移率大于30cm2/VS，最好大于50cm2/VS。
為此，希望采用激光退火或類似于激光的強(qiáng)光做低溫處理。以下說明圖3所示外圍電路的制造工藝。用康寧(Corning)7059玻璃或其它類似的無堿玻璃基片作基片301。該基片尺寸為300mm×400mm。在基片上，由氧化硅制成的氧化膜302作為基層。此外，形成硅層303和保護(hù)層304，如圖3(A)所示，在與實(shí)施例1相同的條件下，用激光輻射對(duì)迭層進(jìn)行照射。
接著，把硅層光刻布圖成島狀，以此形成N型薄膜晶體管(NTFT)區(qū)305和P型薄膜晶體管(PTFT)區(qū)306，而且由氧化硅制造柵極氧化膜307。如圖3(B)所示，形成鋁柵電極308和309，由于鋁必須經(jīng)受后面的激光照射，采用電子束蒸發(fā)形成鋁柵電極，以便使其上具有高反射率，由濺射形成的鋁晶粒大小約1μm，并且鋁覆蓋層的表面非常粗糙。因此，當(dāng)鋁覆蓋層被激光輻射照射時(shí)，覆蓋層被嚴(yán)重?fù)p壞。由電子束蒸發(fā)形成的鋁膜表面是如此地平滑，以致于用光學(xué)顯微鏡無法看到晶粒的存在。由電子顯微鏡觀察揭示晶粒尺寸小于200nm。這就是說，晶粒尺寸必須小于所使用的激光輻射的波長(zhǎng)。
之后，把N型攙雜劑或磷離子注入310區(qū)和311區(qū)，把P型攙雜劑或硼離子導(dǎo)入312和313區(qū)。如圖3(C)所示，實(shí)施激光退火處理。在與實(shí)施例1和例2相同的條件下進(jìn)行激光照射。在這個(gè)處理過程中，鋁柵電極基本上不受損壞。
最后，如圖3(D)所示，由氧化硅制成夾層絕緣體314并在其中形成接觸孔。形成鋁互連引線315-317，用于互連薄膜晶體管。由此完成外圍電路。然后形成帶狀I(lǐng)TO膜(未示出)和象素電極。把基片四等分，每個(gè)尺寸為150mm×200mm。按這種方式，獲得四塊基片。按以上引用的日本專利申請(qǐng)1152/1986所述方法，在兩塊基片上淀積鐵電聚合物或類似物，然后把兩塊基片按圖5所示那樣粘結(jié)在一起，從而構(gòu)成一個(gè)液晶顯示器。
實(shí)施例4本實(shí)施例如圖7所示。這是在薄膜晶體管液晶顯示的外圍電路中采用新型的激光晶化硅薄膜晶體管。與實(shí)施例1不同，有源矩陣電路區(qū)內(nèi)的TFTS(薄膜晶體管)由頂端柵極非晶硅構(gòu)成，即柵極位于基片的相對(duì)一側(cè)。在此例中，可以采用相同的制造工藝來制備兩種薄膜晶體管的有源層，但條件稍要嚴(yán)格些，因?yàn)樾枰^好的激光晶化特性和較好的非晶硅特性。有源矩陣電路和外圍電路設(shè)置在絕緣基片上。
首先，通過濺射把構(gòu)成基層的氧化膜702淀積在康寧(Corning)7059玻璃的基片上，厚度達(dá)20至200nm，通過等離子體CVD把單甲硅烷或乙硅烷的實(shí)質(zhì)上為非晶硅膜淀積在氧化膜702之上，厚度為50至150nm。此時(shí)，實(shí)質(zhì)上為非晶硅膜需要直接用于非晶硅薄膜晶體管，并經(jīng)受激光照射。我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果在實(shí)質(zhì)上為非晶硅膜的制備期間基片溫度設(shè)定在300-400℃，則可改善該非晶硅膜的特性，通過濺射再次在該非晶硅膜之上形成厚度為10至50nm的氧化硅保護(hù)膜705。接著，用光刻膠706覆蓋有源矩陣電路區(qū)，而且僅對(duì)外圍電路進(jìn)行激光照射，以此提高外圍電路的實(shí)質(zhì)上為非晶硅膜的結(jié)晶度。
在這種條件下，如圖7(A)所示那樣完成激光照射。所使用的激光種類和條件與實(shí)施例1相同。然而，此時(shí)，由于以下原因，激光的能量密度最好是200至250mj/cm2。在由等離子體CVD形成的非晶硅薄膜中含有過量的氫，如果用強(qiáng)激光對(duì)其照射，氫會(huì)變?yōu)闅鈶B(tài)并膨脹，從而損壞薄膜。如上述所言硅膜被晶化而且形成晶化區(qū)704。另一方面，被光刻膠覆蓋的那些部分未經(jīng)激光照射，因而保持為非晶態(tài)。
接著，對(duì)硅膜進(jìn)行島形布圖，使其形成用于外圍電路的島區(qū)707和用于有源矩陣區(qū)的島區(qū)708，如圖7(B)所示。在這些島區(qū)上濺射氧化硅形成柵極絕緣膜709。按實(shí)施例1的方式形成其表面具有陽極氧化膜的柵極金屬電極710、711和712。
然后，如圖7(C)所示，用柵極電極710和712作為掩膜，把N型雜質(zhì)導(dǎo)入?yún)^(qū)713和715。用柵極電極711作為掩膜把P型雜質(zhì)注入?yún)^(qū)714。在與實(shí)施例1相同的條件下，用柵極電極作為掩膜，對(duì)這些區(qū)進(jìn)行激光照射，使注入的區(qū)晶化。在那里獲得高結(jié)晶度的硅。區(qū)716和區(qū)717在圖7(A)的階段早已結(jié)晶，但區(qū)718在本步驟尚未結(jié)晶。這就是說，在圖7右側(cè)的薄膜晶體管(有源矩陣區(qū)的薄膜晶體管)中，源和漏已晶化，但有源區(qū)實(shí)質(zhì)上仍是非晶硅半導(dǎo)體。圍繞有源矩陣電路的外圍電路中薄膜晶體管的有源區(qū)716和717包含晶化半導(dǎo)體。
最后，通過四乙基原硅酸鹽(TEOS)等離子體CVD淀積厚度為400至1000nm的氧化硅膜作為夾層絕緣體719。然后，在有源矩陣區(qū)形成厚度為100至300nm的ITO膜720。對(duì)該ITO膜進(jìn)行布圖形成象素電極。在夾層絕緣體中形成接觸孔。在夾層絕緣體上形成金屬布線層721-724。由此制成薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器。
在該液晶顯示器中，有源矩陣電路中薄膜晶體管的有源區(qū)的結(jié)晶度比外圍電路中薄膜晶體管的有源區(qū)的要低。有源矩陣電路中薄膜晶體管的有源區(qū)實(shí)質(zhì)上是非晶硅膜，在暗時(shí)其電阻率為102Ωcm或更大。
在本實(shí)施例中，按與實(shí)施例1相同的方式，構(gòu)成象素的薄膜晶體管由非晶硅薄膜晶體管制成，在關(guān)斷條件下其呈現(xiàn)高電阻率。然而，實(shí)施例1采用的薄膜晶體管為反向交錯(cuò)式的。在本實(shí)施例中，薄膜晶體管為頂端柵極式的。在實(shí)施例1中，除了柵極電極的制備工藝，外圍電路的薄膜晶體管的制備步驟不同于有源矩陣電路的薄膜晶體管的制備步驟。因此，增加了步驟數(shù)量。在本實(shí)施例中，外圍電路的薄膜晶體管和有源矩陣電路的薄膜晶體管同時(shí)制成。因而能減少制造步驟的數(shù)量。
適用于非晶硅薄簇晶體管的硅膜還需要含有大量的氫。然而，為了用激光照射使薄膜晶體管晶化。必須盡可能地減少氫含量。由于這兩種需求相互矛盾，必須形成能滿足兩種條件的硅膜。例如，當(dāng)采用等離子體CVD時(shí)，如果用高能量等離子體如電化學(xué)反應(yīng)(ECR)等離子體或微波等離子體來形成硅膜，則膜中含有大量的結(jié)晶簇。這對(duì)本實(shí)施例的目的是完美的。然而，它存在關(guān)斷條件下電阻率稍低的問題。
實(shí)施例5本實(shí)施例如圖8所示。在實(shí)施例1-4，薄膜晶體管區(qū)被分離，從而使其相互電絕緣。在本實(shí)施例中，在整個(gè)表面上形成硅膜并選擇地晶化。而且，使用厚絕緣膜來使薄膜晶體管相互絕緣。
首先，在絕緣基片801上淀積構(gòu)成基層的氧化硅膜802。在氧化硅膜802上形成厚50至150nm的實(shí)質(zhì)上為非晶硅膜或者具有與該非晶硅膜的結(jié)晶度不相上下的低結(jié)晶度的硅膜。在本實(shí)施例中，實(shí)質(zhì)上為非晶硅膜必須經(jīng)受足夠的激光照射并呈現(xiàn)高電阻率。因此，在與實(shí)施例4相同的條件下制備實(shí)質(zhì)上為非晶硅膜。然后，通過等離子CVD，在非晶硅膜的整個(gè)表面上，形成厚10至500nm，最好10至50nm的氧化硅膜(絕緣膜)。對(duì)氧化硅膜(絕緣膜)進(jìn)行選擇地蝕刻，從而獲得在該處除去氧化硅膜(絕緣膜)的區(qū)域或者氧化硅膜(絕緣膜)被減薄的區(qū)域。由此形成厚氧化硅膜區(qū)805和薄氧化硅膜區(qū)808。此時(shí)，如果采用各向同性的蝕刻技術(shù)，則形成平滑傾斜的臺(tái)階。如圖8(H)所示。因此，能避免因陡峭臺(tái)階而引起的金屬布線層的斷裂。
在此條件下，用硼離子對(duì)一迭層做輕微的摻雜，并用激光照射使硅膜晶化。結(jié)果如圖8(A)所示，非晶硅層被晶化在氧化硅膜除去或變薄的所述區(qū)域之下設(shè)置的硅膜部分804的結(jié)晶度被提高了。其它區(qū)803保持為非晶態(tài)。由于硼摻雜，區(qū)804實(shí)質(zhì)上呈現(xiàn)本征或弱P型。
可以按圖8(E)所示方法實(shí)施本步驟具體地講，在形成氧化硅膜之后，在氧化硅膜上形成一覆蓋層，基厚度為20至500nm，并由反射激光的光線的材料制成。對(duì)該覆蓋層進(jìn)行光刻布圖。利用該覆蓋層819作為掩膜，對(duì)氧化硅膜進(jìn)行各向同性的蝕刻。由此，在氧化硅層形成厚區(qū)817和薄區(qū)818。用激光輻射對(duì)迭送層進(jìn)行照射，同時(shí)留下掩膜819，對(duì)非晶硅膜進(jìn)行選擇地晶化。按這種方式，形成晶化區(qū)816和非晶硅區(qū)815。
如圖8(B)所示，然后形成柵極氧化膜807或氧化硅，用來產(chǎn)生柵極金屬電極808并且其上設(shè)有陽極氧化層。由于采用濕法蝕刻對(duì)金屬柵極進(jìn)行蝕刻，所以柵極的側(cè)表面呈斜坡。這種形狀能有效的防止導(dǎo)電布線層在交叉點(diǎn)的斷裂。
如圖8(C)所示，以柵極電極和厚氧化硅膜區(qū)805作掩膜，用離子摻雜把至少一種雜質(zhì)選擇地注入硅膜，從而形成N型區(qū)809和P型區(qū)810。用激光輻射對(duì)這些區(qū)進(jìn)行照射以此使其激活。之后，如圖8(D)所示，淀積夾層絕緣811，并在其中形成接觸孔。形成金屬布線層812-814，從而完成電路。在本實(shí)施例中，大量的不透光非晶硅留在基片上，因此這種結(jié)構(gòu)不能用做液晶顯示的源矩陣區(qū)。然而，它能用做外圍電路區(qū)或者圖象傳感器的驅(qū)動(dòng)電路。在本實(shí)施例中如果需要相當(dāng)厚(100nm)的有源層，用于絕緣各元件的步驟就少。因此，能大大地減少導(dǎo)電布線層斷裂的可能性。在高密度集成電路中，這種優(yōu)點(diǎn)尤為顯著。
實(shí)施例6本實(shí)施例如圖9所示，與實(shí)施例5類似，在整個(gè)表面形成硅層并選擇地晶化以使各元件相互隔離。由于不采用實(shí)施例5中的不平坦氧化膜，因而能更有效地避免布線層的斷裂。
首先，在絕緣基片901上淀積氧化硅膜902作為基層。在氧化硅膜902上，形成厚50至150nm的實(shí)質(zhì)上為非晶硅的膜，或者淀積具有與該非晶硅膜的結(jié)晶度不相上下的低結(jié)晶度的硅膜。在本實(shí)施例中，實(shí)質(zhì)上為非晶硅的膜同樣也必須經(jīng)受足夠的激光照射并呈現(xiàn)高電阻率。因此，在與實(shí)施例4相同的條件下制備實(shí)質(zhì)上為非晶硅的膜。然后，在該非晶硅膜上形成厚20至100nm的氧化硅保護(hù)膜905。可以把這個(gè)氧化硅膜905留下并隨后構(gòu)成薄膜晶體管的柵極絕緣膜。如前所述，應(yīng)該注意這些薄膜晶體管具有低的遷移率。然后在氧化硅膜上，形成厚20至500nm的覆蓋層，該覆蓋層由反射激光的材料如鉛、鈦，鉻等制成，或者由不透射激光的材料制成。對(duì)這個(gè)覆蓋層進(jìn)行光刻布圖。如圖9(A)所示，利用這個(gè)覆蓋層906作為掩膜，用激光照射非晶硅膜，使非晶硅層選擇的晶化。由此，形成晶化區(qū)(結(jié)晶半導(dǎo)體區(qū))904和非晶硅半導(dǎo)體區(qū)903。
然后，如圖9(B)所示，在結(jié)晶半導(dǎo)體區(qū)904之上新形成的柵極絕緣膜上，形成柵極金屬電極907和908，該柵極電極的表面上具有陽極氧化膜。由于采用濕法蝕刻對(duì)金屬柵極進(jìn)行蝕刻，柵極電極的側(cè)面變?yōu)樾逼?。這種形狀能有效地避免布線層在交叉點(diǎn)的斷裂。此外，施加光刻膠909和進(jìn)行布圖，僅暴露出N溝道薄膜晶體管。
利用光刻膠和柵極電極作為掩膜，把N型雜質(zhì)注入硅膜。在這種條件下，用激光輻射對(duì)迭層進(jìn)行照射，以此激活這些注入?yún)^(qū)912。此時(shí)，非晶硅將被晶化，除了不是注入?yún)^(qū)而且還保留光刻膠區(qū)之外。在本實(shí)施例中不能采用相當(dāng)厚的氧化膜來隔離各元件，將會(huì)不希望地在各元件間產(chǎn)生泄漏。
同樣，與P溝道薄膜晶體管對(duì)應(yīng)，對(duì)910施加光刻膠。在僅暴露P溝道薄膜晶體管時(shí)，注入P型雜質(zhì)以此形成P型摻雜區(qū)913。然后，如圖9(C)所示，用激光輻射對(duì)迭層進(jìn)行照射，同時(shí)留下光刻膠，以此激活早已摻雜的P型區(qū)913。在至此已說明的步驟中，激光線不照射在位于N型摻雜區(qū)912與P型摻雜區(qū)913之間的區(qū)914。因此，中間區(qū)914保持在實(shí)質(zhì)上為非晶硅狀態(tài)。因此，如果在其是柵極絕緣膜的迭加絕緣層905上形成布線層，而且如果該布線層形成反型層，則泄漏電流極小，因?yàn)榉蔷Ч璧膱?chǎng)遷移率非常小而且電阻率很高。實(shí)際上，不會(huì)產(chǎn)生問題。
隨后，如圖9(D)所示，淀積層絕緣體915，并在絕緣體中形成接觸孔。形成布線層916-918，從而完成電路。在本實(shí)施例中，與實(shí)施例5一樣，基片上留有大量不透明的非晶硅，因此這種構(gòu)型不能用作例如液晶顯示器的有源矩陣區(qū)，但能用做外圍電路區(qū)或者用作驅(qū)動(dòng)圖象傳感器的電路。在本實(shí)施例中，與實(shí)施例5不同，各柵極電極之間幾乎不存在臺(tái)階。因此，布線層斷裂的可能性能顯著地降低。這種優(yōu)點(diǎn)對(duì)于高密度集成電路來源尤為顯著。
圖9(E)表示了本實(shí)施例制備的薄膜晶體管電路的另一剖面圖。這是沿圖9(D)的剖視線A-B通過N溝道薄膜晶體管的剖面圖。由此圖可見晶化的摻雜區(qū)912、913和中間的元件隔離區(qū)(分離的半導(dǎo)體)914位于同一平面，因此，柵極電極917是平坦的。與摻雜區(qū)913′和柵極電極907接觸的布線層917′，僅在接觸孔的位置和夾層絕緣的位置有臺(tái)階。既不存在實(shí)施例1那樣的島形半導(dǎo)體區(qū)的臺(tái)階，也不存在實(shí)施例5那樣的用于元件隔離的厚絕緣的臺(tái)階。這對(duì)于以高生產(chǎn)率制造高密度集成電路是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。在圖9(D)的器件中，由設(shè)置在結(jié)晶半導(dǎo)體區(qū)904之間的分離半導(dǎo)體914把各晶體管相互分開。
實(shí)施例7以下給出一個(gè)在鈉鈣玻璃基片上形成有源矩陣電路的實(shí)例。厚1.1mm、面積為300mm×400mm的鈉鈣玻璃基片用作基片201。把SiO2膜216形成在基片201上，如圖10(A)所示。然后在基片的整個(gè)表面上形成AlN,SiN或Al2O3的膜202，如圖10(A)所示。之后，按與實(shí)施例2相同的方式實(shí)施各步驟，從而完成有源矩陣電路。亦即，在形成氧化膜203或者氧化硅膜構(gòu)成基層后，通過LPCVD或等離子體CVD形成硅膜204，其厚度為30至150nm，最好是30至50mm，隨后，形成氧化硅保護(hù)層205。
如圖10(A)所示，用KrF激光輻射照射迭層，改善硅膜204的結(jié)晶度。此時(shí)，激光輻射的能量密度設(shè)定在150至200mj/cm2，比實(shí)施例1的能量密度稍低。激光輻射的發(fā)射次數(shù)為10。形成的硅膜的結(jié)晶度比實(shí)施例1更接近于非結(jié)晶態(tài)。實(shí)際上，在這種條件下，所獲得的硅膜中帶正電的空穴的場(chǎng)遷移率是3至10cm2/VS，這低于實(shí)施1所獲得的場(chǎng)遷移率。然后，除去保護(hù)膜，把硅膜布圖成為島形區(qū)206。通過濺射形成柵極氧化膜207，其厚度為50至300nm，最好是70至150nm。按實(shí)施例1的方式形成柵極鋁電極208。這些柵彬電極208由陽極氧化209所覆蓋，如圖10(B)所示。
采用自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，把硼離子作為P型摻雜離子注入硅層，以此形成每個(gè)薄膜晶體管源/漏210和211。如圖100(C)所示，用KrF激光照射迭層，改善因離子摻雜而引起的惡化的硅膜結(jié)晶度。此時(shí)，激光輻射的能量密度設(shè)定為比較高的值250至300mj/cm2，因此，這些有薄膜晶體管的源/漏的薄層電阻400至800/cm2，這與實(shí)施例1的純電阻類似。
盡管有源層的遷移率較小，當(dāng)它用于有源矩陣薄膜晶體管時(shí)，這種小遷移率仍具有優(yōu)點(diǎn)的，具體地講，開通電阻率高，但關(guān)斷電阻率更高。這就使得無需象已有技術(shù)那樣設(shè)置輔助電容。特別是，活動(dòng)離子如鈉離子導(dǎo)致來自N溝道MOS的泄漏電流。在本例中，不存在這種問題，因?yàn)槭荘溝道型的。
在本例中，在氮化硅膜或氧化硅膜的制備中，可適用的最高處理溫度是350℃。鈉鈣玻璃在較高溫度下會(huì)發(fā)生軟化。在需要這種低溫度處理的工藝，柵極氧化膜中的缺陷會(huì)造成問題。在實(shí)施例1中，基片的耐熱性相當(dāng)好，所以柵極氧化膜能在高達(dá)450℃的溫度下退火。在鈉鈣玻璃基片的情況下，這是不可能達(dá)到的。這導(dǎo)致大量的固定電荷被留在柵極氧化膜。在這種情形，固定電荷主要是正電荷。因此，在固定電荷的影響下，N溝道MOS在源和漏之間產(chǎn)生了大量的泄漏，所以N溝道MOS不能實(shí)際應(yīng)用。然而，在P溝道MOS中，固定電荷會(huì)影響閾值電壓，但是保持了對(duì)于有源矩陣電路的工作來源是必不可少的低泄漏特性。由于用高能激光束對(duì)源/漏進(jìn)行退火，所以薄層電阻較低，并且能抑制信號(hào)的延遲。
之后，用聚酰亞胺制備夾層絕緣212。用ITO形成象素電極213，并形成接觸孔。在薄膜晶體管的源/漏區(qū)上形成鋁電極214和215。一個(gè)電極215與ITO電極連接。最后，在氫氣氛中，在300℃下對(duì)迭層退火2小時(shí)，由此完成硅的氫化。
在按這種方法在制備的一塊基片上，形成四個(gè)有源矩陣電路。該基片被分為四塊有源矩陣板。在本例中，有源矩陣電路沒有外圍電路。因此，驅(qū)動(dòng)集成電路必須通過TAB等與外圍電路連接。由于鈉鈣玻璃基片比已有的非晶硅TFTAMLCD所采用的無堿玻璃基片便宜，所以本例中的基片是非常有利的。特別是，本例中制備的板適合用于大尺寸高清晰度的板。所獲得的有源矩陣示意地表示于圖11，其中有源矩陣用952表示。外圍電路951具有驅(qū)動(dòng)器薄膜晶體管和移位寄存器。有源矩陣的一個(gè)象素由參考標(biāo)號(hào)953表示。還顯示了有源矩陣的薄膜晶體管956，液晶層954和輔助電容955。
在已有的非晶硅薄膜晶體管中，遷移率的數(shù)量級(jí)為0.5至1.0cm2/VS。因而，這種薄膜晶體管不可能用于具有大于1000行的大尺寸矩陣。在本例中，遷移率是非晶硅的遷移率的3至10倍，所以不存在問題。此外，本例中的薄膜晶體管足以響應(yīng)于模擬灰度顯示。而且，柵極線和數(shù)據(jù)線由鋁制成。在對(duì)角線超過20寸的大尺寸屏幕中，能顯著地降低信號(hào)的延遲和衰減。
實(shí)施例8
根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的制備實(shí)例表示于圖12。首先，準(zhǔn)備康寧(Corning)7059玻璃的基片1101，尺寸為300mm×300mm或100mm×100mm。通過反應(yīng)濺射技術(shù)淀積厚1000至2000的氮化鋁膜1102。使用鋁作為靶，在氮?dú)夂蜌鍤鈿夥罩羞M(jìn)行濺射工藝，其中氮?dú)獾谋壤秊?0％以上，，得到其有良好的導(dǎo)熱性的覆蓋層。其中濺射的壓強(qiáng)是1×10-4至1×10-2torr，這樣能獲得有利的結(jié)果。淀積速率是20至200/min。在淀積時(shí)基片溫度可升至100-500℃。
在基片的兩面均形成氮化鋁膜1102，用以限制外來元素如鈉，這可能是基片里含有的或者是裝載后附著于表面的，由此可避免薄膜晶體管特性的惡化。氮化鋁膜1102還起到增強(qiáng)基片表面的作用，從而避免表面被刮傷。特別是，當(dāng)薄膜晶體管用于有源矩陣液晶顯示器時(shí)，沒有薄膜晶體管的表面暴露于外部環(huán)境且易于刮傷。如果造成刮傷，則刮傷處無規(guī)則的反射光線，由此使屏幕模糊。形成氮化鋁膜之后，在準(zhǔn)備形成薄膜晶體管的表面上，形成作為基層的氧化膜1103，其厚度為1000至3000。為了形成這層氧化膜，可以在氧氣氛進(jìn)行濺射。另外，也可以在氧氣環(huán)境中采用等離子體CVD分解淀積四乙基硅酸鹽，對(duì)形成的薄膜在450 °-650℃退火。
然后，采用等離子體CVD或LPCVD，淀積非晶硅膜，其厚度為300-1500，最好是500-1000。對(duì)該膜進(jìn)行光刻布圖，使其成為島形硅區(qū)1104。然后形成氧化硅膜，其厚度為200-1500，最好是500-1000，這層氧化硅膜還作為柵極絕緣膜。因此，制備該膜時(shí)必須倍加小心。在本例中，由四乙基硅酸鹽制備。通過射頻等離子體CVD，在150-400℃，最好200-250℃的基片溫度下，在氧氣氛中把四乙基硅酸鹽分解和淀解。四乙基硅酸鹽與氧的壓強(qiáng)比是1∶1-1∶3。壓強(qiáng)是0.05-0.5torr。射頻功率是100-250w。另外，還可以在150-400℃，最好200-250℃的基片溫度下，通過低壓CVD或常壓CVD，由四乙基硅酸鹽與臭氧氣體一起制備該膜。在形成該膜之后，在氧氣或臭氧的氣氛中，在300-500℃下對(duì)迭層退火30-60分鐘。
然后，如圖12(A)所示，用KrF激發(fā)物激光輻射對(duì)迭層進(jìn)行照射，激光波長(zhǎng)為248nm ，脈沖寬度為nsec，以便使硅區(qū)1104晶化。激光輻射的能量密度為2000-400mj/cm2，最好為250-300mj/cm2。在激光輻射期間，基片被加熱至300-500℃。按這種方法形成的硅膜的結(jié)晶度由對(duì)喇曼光譜分析，在515cm-1附近觀察相當(dāng)寬的尖峰，這不同于單晶硅的峰(512cm-1)。然后，在氫氣氣氛中，在350℃下對(duì)迭層退火2小時(shí)。
接著，通過電子束蒸發(fā)形成厚2000-5μm的鋁膜并進(jìn)行光刻布圖形成柵電極1106。用0.5-2％的硅對(duì)鋁摻雜。基片浸漬在PH值為7的含1-3％酒石酸的乙二酸溶液中。采用鉑板作為陰極，該柵極鋁電極作為陽極，對(duì)基片進(jìn)行陽極氧化處理。在陽極處理的開始時(shí)，以恒定電流把所加電壓升至220V。把這種條件保持1小時(shí)，然后結(jié)束處理。在本例中，在恒定電流狀態(tài)下，適當(dāng)?shù)碾妷荷仙俾蕿?-5v/min，按這種方式，厚2000的陽極氧化層1107被形成(圖12(B))。
接著，采用自對(duì)準(zhǔn)離子摻雜工藝(也稱為等離子體摻雜工藝)，同時(shí)利用柵極電極作為掩膜，向薄膜晶體管的島形硅區(qū)注入雜質(zhì)離子或磷離子。采用磷化氫作為摻雜氣體。劑量為2-8×1015離子/cm2。
然后，如圖12(C)所示，用KrF激發(fā)物激光照射迭層，其波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度為20nsec，以此改善因離子摻雜而引起惡化的硅膜結(jié)晶度。此時(shí)，激光輻射的能量密度為150-400mj/cm2，最好是200-250mj/cm2。在這種方法中，形成N型磷摻雜區(qū)1108和1109。這些區(qū)的薄層電阻為200-800Ω/cm2。
隨后，通過等離子體CVD采用四乙基硅酸鹽和氧，或者通過低壓或常壓CVD采用四乙基硅酸鹽和臭氧，在整個(gè)表面淀積厚3000的氧化硅膜，作為夾層絕緣體1110?；瑴囟?50-400℃，最好為200-300℃。在此膜形成之后，對(duì)這層氧化硅膜進(jìn)行機(jī)械拋光，使表面平整。此外，濺射淀積ITO并光刻本圖，形成象素電極1111(圖12(D))。
如圖12(E)所示，在每個(gè)薄膜晶體管的源/漏區(qū)形成接觸孔。形成鉻或氮化鈦的布線層1112和1113，布線層1113與象素電極1111連接。最后，在氫氣中，200-300℃下對(duì)迭層退火0.1-2小時(shí)，由此完成硅的氫化。按這種方法構(gòu)成薄膜晶體管。同時(shí)制成的大量薄膜晶體管按行和列設(shè)置，從而構(gòu)成有源矩陣液晶顯示器。
實(shí)施例9根據(jù)本發(fā)明的薄膜晶體管的制備實(shí)例如圖B所示，首先，通過反應(yīng)濺射方法，在康寧(Corning)7059玻璃的基片401上，淀積厚1000-2000的氮化鋁膜402。使用鋁作為靶，在氮和氫氣氛中進(jìn)行濺射。其中氮含量超過20％，由此獲得具有良好導(dǎo)熱性的覆蓋層。在濺射時(shí)，壓強(qiáng)為1×10-4-1×10-2torr可產(chǎn)生良好的結(jié)果。淀積速率是20-200/min 。淀積時(shí)，基片溫度可升至100-500℃。
然后，形成厚1000-3000的氧化硅膜，作為構(gòu)成基層的氧化膜403。為了形成這層氧化膜，可在氧氣氛中進(jìn)行濺射。另外，可在氧氣環(huán)境中通過等離子體CVD分解并淀積四乙基硅酸鹽，形成的薄膜可以在450℃-650℃退火。
之后，通過等離子體CVD或LPCVD淀積非晶硅膜，其厚度為1000-3000，最好為1000-1500。在氮?dú)夥罩?00℃下對(duì)迭層退火48小時(shí)。對(duì)所獲得的結(jié)晶硅膜進(jìn)行光刻布圖，使其成為島形硅區(qū)404。淀積氧化硅作為柵極絕緣407，其厚度為200-1500，最好為500-1000。
通過電子束蒸發(fā)形成厚2000-5μm的鋁膜并進(jìn)行光刻布圖。在與實(shí)施例8相同的條件下對(duì)迭層進(jìn)行陽極氧化處理，形成柵電極409和布線層408。然后，采用自對(duì)準(zhǔn)離子摻雜工藝(也稱為等離子體攙雜工藝)同時(shí)利用柵極電極作為掩模，向薄膜晶體管的島形硅區(qū)注入攙雜離子或磷離子，使用磷化氫(PH3)作為攙雜氣體。劑量為2-8×1015離子/cm2。
用KrF激發(fā)物激光照射迭層，其波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度為20nsec，以此改善因離子攙雜引起惡化的硅膜結(jié)晶度。激光輻射的能量密度為150-400mj/cm2，最好為200-250mj/cm2。按這種方式，形成N型摻雜區(qū)405和406。這些區(qū)的薄層電阻為200-800/cm2(圖13(A))。
然后，通過等離子體CVD、LPCVD或常壓CVD，在整個(gè)表面上淀積厚3000的氧化硅，作為夾層絕緣體410。選擇地施加光刻膠411。最好是在布線層的交叉點(diǎn)或者在接點(diǎn)與布線層相連處施加光刻膠(圖13(B))。
如圖13(C)所示，利用光刻膠411作為掩膜，對(duì)夾層絕緣體410，柵極絕緣體407和氧化硅的基層膜403進(jìn)行蝕刻。盡管基層膜被蝕刻掉，但由于氮化鋁膜起到了防護(hù)作用，所以基片不會(huì)被蝕刻掉。按這種方式可獲得平滑表面(圖13(C))。
形成厚2000-5μm的鈦膜作為導(dǎo)電互連材料。對(duì)這層鈦膜進(jìn)行光刻布圖，形成與薄膜晶體管的源和漏相連的布線層412和413，選擇地形成ITO，制成象素電極414。最后，在1個(gè)大氣壓的氫氣中在350℃下，對(duì)按這種方式制成的迭層退火30分鐘，由此完成迭層的氫化。按這種方式制成一個(gè)薄膜晶體管。把同時(shí)制成的大量薄膜晶體管按行和列排列，構(gòu)成有源矩陣液晶顯示器。
實(shí)施例10根據(jù)本發(fā)明的制造薄膜晶體管的一個(gè)實(shí)例圖14所示。首先，采用反應(yīng)濺射法，在康寧(Corning)7059玻璃的基片601上，淀積厚2000-4000的氮化鋁膜602。利用鋁作為靶，在氮和氬氣氛中進(jìn)行濺射。其中氮含量超過20％以上，可獲得具有良好導(dǎo)熱性的覆蓋層。在濺射時(shí)，壓強(qiáng)為1×10-4-1×10-2torr可產(chǎn)生好的結(jié)果。淀積速率是20-200/min。淀積時(shí)，基片溫度可升至100-500℃。
然后，淀積氧化硅膜厚為1000-2000作為氧化膜603，并構(gòu)成基層。為了形成這層氧化膜，可在氧環(huán)境中完成濺射。另外，可在氧環(huán)境中通過等離子體CVD分解并淀積四乙基硅酸鹽，所得薄膜可在450-650℃退火。
接著，通過等離于體CVD或LPCVD淀積非晶硅膜，厚度為1000-3000，最好為1000-1500。在氮?dú)鈿夥罩性?00℃下對(duì)迭層退火48小時(shí)。對(duì)獲得的結(jié)晶硅膜進(jìn)行光刻布圖，形成島狀硅區(qū)604。淀積氧化硅作為柵極絕緣膜605，厚度為200-1500，最好為500-1000。
通過電子束蒸發(fā)形成厚2000-5μm的鋁膜，并進(jìn)行光刻布圖。在與實(shí)施例8相同的條件下對(duì)迭層進(jìn)行陽極氧化處理，形成柵極電極606和布線層607(圖14(A))。
然后，采用自對(duì)準(zhǔn)離子摻雜工藝(也稱為等離子體摻雜工藝)，同時(shí)利用柵極電極作為掩膜，向薄膜晶體管的島狀硅區(qū)注入雜質(zhì)離子或磷離子。使用磷化氫(PH3)作為摻雜氣體。劑量為2-8×1015離子/cm2(圖14(B))。
對(duì)作為基層的氧化硅膜603進(jìn)行蝕刻。蝕刻終止于作為防護(hù)層的氮化鉛膜602。在這種條件下，用KrF激發(fā)物激光照射迭層，其波長(zhǎng)為248nm，脈沖寬度為20nsec，以此改善因離子攙雜而引起惡化的硅膜結(jié)晶度。激光輻射的能量密度為100-400mj/cm2，最好為100-150mj/cm2。由于含有磷或硼的氧化硅膜吸收紫外線輻射，緊接著如實(shí)施例8的全部攙雜，進(jìn)行激光退火，需要使用強(qiáng)激光光線。在本實(shí)施例中，如果攙雜后除去氧化硅膜或柵極絕緣膜，則只需要較小的激光能量即可。這能改善激光處理的生產(chǎn)率。按這種方式，形成N型磷攙雜區(qū)608和609。這些區(qū)的薄層電阻是200-800Ω/cm2(圖14(C))。
然后，通過等離子體CVD、LPCVD或常壓CVD，在整個(gè)表面上淀積氧化硅作為夾層絕緣610，其厚度為2000-3000。形成厚2000-5μm的鋁膜作為布線層材料。對(duì)這層鋁進(jìn)行光刻布圖，形成與薄膜晶體管的源和漏連接的布線層611和612。如圖所示，布線層612與布線層607交叉(圖14(C))。
最后，在1個(gè)大氣壓的氫氣中在350℃下，對(duì)按這種方式處理的迭層退火30分鐘。由此，完成迭層的氫化。按這種方法構(gòu)成薄膜晶體管。同時(shí)，用硼對(duì)攙雜區(qū)攙雜，制成P溝道薄膜晶體管，制成CMOS。N溝道和P溝道型的典型場(chǎng)遷移率，分別是80-150cm2/vs和40-100cm2/VS。我們已經(jīng)證實(shí)，由這些薄膜晶體管構(gòu)成的移位寄存器，當(dāng)漏電壓為17V時(shí)工作于11MHZ。
即使在柵極和漏區(qū)上長(zhǎng)時(shí)間(約96小時(shí))施加超過20V的高電壓，性能也僅稍有下降。這是因?yàn)?，薄膜晶體管中局部產(chǎn)生的熱量被很快耗散，抑制了從半導(dǎo)體覆蓋層的界面處和從柵極絕緣膜的界面處的氫原子析出。
實(shí)施例11按圖2(A)-(E)所示步驟，在鈉鈣玻璃基片201上形成有源矩陣電路。在基片201 的整個(gè)表面上，形成導(dǎo)熱率高于氧化硅203的絕緣膜202。在本例中，薄膜202由氮化鋁制成。在與本實(shí)施例8相同的條件下，通過濺射形成氮化鋁膜。
然后，按與實(shí)施例2相同的方式，形成氧化硅膜203作為基層。接著，按類似于實(shí)施例2的步驟形成如圖2(E)所示的薄膜晶體管。
實(shí)施例12按如圖15所示的步驟，在康寧(Corning)7059玻璃的基片701上，形成用于構(gòu)成外圍電路的激光晶體管的硅膜晶體管用于有源矩陣電路的非晶硅薄膜晶體管。在襯底701上形成了比氧化硅702熱導(dǎo)率高的絕緣膜725。在本實(shí)施例中，該膜725由透明的氧化鋁組成。這個(gè)氧化鋁膜725是在與實(shí)施例8相同的條件下，濺射形成。隨后，所形成的基層氧化硅膜702，要淀積到厚20到200nm。此后，進(jìn)行與實(shí)施例4各步驟相同的各個(gè)步驟，再在氧化硅膜702上形成TFT(薄膜晶體管)，如圖15(D)所示。
實(shí)施例13所要形成TFT的各步驟，表示在圖16(A)-16(E)內(nèi)，在絕緣襯底901上，形成了比氧化硅902熱導(dǎo)率高的絕緣膜925。在本實(shí)施例中，該膜925由氮化鋁組成，這個(gè)氮化鋁膜925是在與實(shí)施例8相同的條件下，濺射形成。然后，形成了構(gòu)成基層的氧化硅膜902，隨后，進(jìn)行與實(shí)施例6各步驟同樣的以各步驟來形成TFT，如圖16(E)所示。
實(shí)施例14用圖17(A)-17(E)說明的各步驟，來形成TFT。在絕緣襯底801上形成比氧化硅802熱導(dǎo)率還高的絕緣膜825。本實(shí)施例中，該膜825由氮化鋁組成。這個(gè)氮化鋁膜825是在與實(shí)施例8相同的條件下，濺射形成。然后，形成構(gòu)成基層的氧化硅膜802。隨后進(jìn)行與實(shí)施例5各步驟相同的各步驟，來形成TFT，如圖17(D)所示。
本發(fā)明可以用來制造一種即使長(zhǎng)時(shí)間加電壓也顯示出高可靠性的TFT 。由此可見，本發(fā)明在工業(yè)上是很有益的。尤其是，這里的TFT形成在大面積襯底上，并可用于有源陣列電路或用于驅(qū)動(dòng)器電路，獲得了巨大的工業(yè)效益。
根據(jù)本發(fā)明，可在低溫下，以很高的生產(chǎn)成品率，制造出TFT。正如上述各實(shí)施例所描述的那樣，依照本發(fā)明可以產(chǎn)生出各種LCD結(jié)構(gòu)，因?yàn)?，按本發(fā)明，可以隨意的設(shè)定TFT所需的電特性。
雖然上述各實(shí)施例中沒有敘述過，但本發(fā)明可以應(yīng)用于建立在單晶IC之類半導(dǎo)體電路之上的三維IC結(jié)構(gòu)。上述各實(shí)施例主要限于本發(fā)明在各種LCD中的應(yīng)用。顯然，本發(fā)明也可用之于其它需要制作在絕緣襯底上，如圖象傳感器之類的電路中。
權(quán)利要求
1．制造半導(dǎo)體器件的一種方法，其特征在于，它包括下列步驟晶化含非晶硅的半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜上形成柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上形成柵電極，使該柵電極的各邊緣呈錐形；以及通過摻入離子在所述半導(dǎo)體膜中形成源區(qū)和漏區(qū)。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶化半導(dǎo)體膜的步驟是用激光照射進(jìn)行的。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述源區(qū)和漏區(qū)是通過所述摻入離子的工序摻入磷和硼的至少一種離子形成的。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述形成柵電極的步驟是用濕法腐蝕進(jìn)行的。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述含非晶硅的半導(dǎo)體膜的厚度為50至150nm。
6．制造半導(dǎo)體器件的一種方法，其特征在于，它包括下列步驟在絕緣襯底上形成含非晶硅的半導(dǎo)體膜；往所述半導(dǎo)體膜的至少一部分中摻入硼，使該部分變成至少一個(gè)溝道區(qū)；晶化所述半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜上形成柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上形成柵電極；以及通過摻入離子在所述半導(dǎo)體膜中形成源區(qū)和漏區(qū)。
7．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述溝道區(qū)實(shí)質(zhì)上為本征型或n型。
8．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述晶化半導(dǎo)體膜的步驟是用激光照射進(jìn)行的。
9．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述源區(qū)和漏區(qū)是通過所述摻入離子的工序摻入磷和硼的至少一種離子進(jìn)行的。
10．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述形成柵電極的步驟是用濕法腐蝕進(jìn)行的。
11．如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述含非晶硅的半導(dǎo)體膜的厚度為50至150nm。
12．制造半導(dǎo)體器件的一種方法，其特征在于，它包括下列步驟在絕緣表面上形成含非晶硅的半導(dǎo)體膜；往所述半導(dǎo)體膜的至少一部分中摻入硼，使該部分變成至少一個(gè)溝道區(qū)；晶化所述半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜上形成柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上形成柵電極，使該柵電極的各邊緣呈錐形；以及通過摻入離子在所述半導(dǎo)體膜中形成源區(qū)和漏區(qū)。
13．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述溝道區(qū)實(shí)質(zhì)上為本征型或n型。
14．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述晶化半導(dǎo)體膜的步驟是用激光照射進(jìn)行的。
15．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述源區(qū)和漏區(qū)是通過所述摻入離子的工序摻入磷和硼的至少一種離子形成的。
16．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述形成柵電極的步驟是用濕法腐蝕進(jìn)行的。
17．如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述含非晶硅的半導(dǎo)體膜的厚度為50至150nm。
18．制造半導(dǎo)體器件的一種方法，其特征在于，它包括下列步驟在絕緣表面上形成含非晶硅的半導(dǎo)體膜；往所述半導(dǎo)體膜的至少一部分中摻入硼，使該部分變成至少一個(gè)溝道區(qū)；晶化所述半導(dǎo)體膜；以及通過摻入離子在所述半導(dǎo)體膜中形成源區(qū)和漏區(qū)。
19．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述溝道區(qū)實(shí)質(zhì)上為本征型或n型。
20．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述晶化半導(dǎo)體膜的步驟是用激光照射進(jìn)行的。
21．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述源區(qū)和漏區(qū)是通過所述摻入離子的工序摻入磷和硼的至少一種離子形成的。
22．如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述含非晶硅的半導(dǎo)體膜的厚度為50至150nm。
23．制造半導(dǎo)體器件的一種方法，其特征在于，它包括下列步驟在絕緣表面上形成含非晶硅的半導(dǎo)體膜；往所述半導(dǎo)體膜的至少一部分中摻入硼，使該部分變成至少一個(gè)溝道區(qū)；晶化所述半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜上形成柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上形成柵電極；以及通過往所述柵絕緣膜中摻入離子在所述半導(dǎo)體膜中形成源區(qū)和漏區(qū)。
24．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述溝道區(qū)實(shí)質(zhì)上為本征型或n型。
25．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述晶化半導(dǎo)體膜的步驟是用激光照射進(jìn)行的。
26．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述源區(qū)和漏區(qū)是通過所述摻入離子的工序摻入磷和硼的至少一種離子形成的。
27．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述形成柵電極的步驟是用濕法腐蝕進(jìn)行的。
28．如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，所述含非晶硅的半導(dǎo)體膜的厚度為50至150nm。
29．制造半導(dǎo)體器件的一種方法，其特征在于，它包括下列步驟在絕緣表面上形成含非晶硅的半導(dǎo)體膜；往所述半導(dǎo)體膜的至少一部分中摻入硼，使該部分變成至少一個(gè)溝道區(qū)；通過激光照射晶化所述半導(dǎo)體膜；在所述半導(dǎo)體膜上形成柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上形成柵電極；以及通過摻入離子在所述半導(dǎo)體膜中形成源區(qū)和漏區(qū)。
30．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述溝道區(qū)實(shí)質(zhì)上為本征型或n型。
31．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述源區(qū)和漏區(qū)是通過所述摻入離子的工序摻入磷和硼的至少一種離子形成的。
32．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述形成柵電極的步驟是用濕法腐蝕進(jìn)行的。
33．如權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于，所述含非晶硅的半導(dǎo)體膜的厚度為50至150nm。
全文摘要
薄膜半導(dǎo)體器件，例如TFT及其制造方法。TFT形成在絕緣襯底上。在該襯底上先形成基本上為非晶半導(dǎo)體涂層。再在該涂層上形成對(duì)激光輻射透明的保護(hù)涂層。用激光輻射照射該疊層，以改善半導(dǎo)體涂層的結(jié)晶度。然后，除去保護(hù)涂層使半導(dǎo)體涂層的表面露出。形成柵絕緣膜的涂層，隨后形成柵電極。還涉及在絕緣襯底上制造半導(dǎo)體器件，例如TFT。形成主要由氮化鋁組成的第1涂層后，再形成主要由氧化硅組成的第2涂層，其上可制作半導(dǎo)體器件。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1238555SQ9910711
公開日1999年12月15日 申請(qǐng)日期1993年7月6日 優(yōu)先權(quán)日1992年7月6日
發(fā)明者山崎舜平, 張宏勇, 竹村保彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所