專利名稱：半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及安裝在絕緣基片(如玻璃)上的TFTs(薄膜晶體管)的半導體器件。特別涉及用于有源矩陣型液晶顯示器的半導體器件。
具有安裝在絕緣基片(如玻璃)上的TFTs的半導體器件，用在有源矩陣型液晶顯示器、圖象傳感器及其類似裝置中，用TFTs作激勵圖象元素，是公知的。
通常，用薄膜硅半導體制成的TFT用于這些器件中。薄膜硅半導體可以大致分為兩類一類是由無定形(非晶)硅(α-Si)構成的半導體，另一類是由結晶硅構成的半導體。無定形硅半導體通常用的最多，因為它的制造溫度低，容易用汽相法制造，并能大量制造。但是，與結晶硅半導體相比，在像電導率這樣的物理性能方面，無定形硅半導體的性能較差。急需要尋求一種由結晶硅制成TFT的方法，以便獲得穩(wěn)定的特性。而且，像結晶硅那樣，已知還有多晶硅，微晶硅，含結晶成份的無定形硅，介于結晶硅與無定形硅之間的中間態(tài)的半無定形底。
獲以上述結晶薄膜硅半導體的以下方法是已知的<1>直接形成結晶薄膜，<2>形成無定形半導體薄膜，并用激光能使其結晶，<3>形成無定形半導體薄膜，并加熱能使其結晶。
但是，用方法<1>在基片的整個表面上形成具有含人滿意的物理性能的半導體薄膜，有技術困難。而且，還存在價格問題，因為薄膜形成溫度高達600℃以上，因而不能使用價廉的玻璃基片。方法<2>的問題是它的生產效率低，因為，當今最常使用的激發(fā)物激光的輻射面積小。而且，激光不能穩(wěn)定均勻地處理大面積基片的全部表面。因此，需要考慮下一代的技術問題。與方法<1>和<2>相比，盡管方法<3>具有通用于大面積的優(yōu)點，但它也必需加高達600℃以上的高溫。而使用廉價玻璃基片時，需要降低加熱溫度。特別是現(xiàn)今液晶顯示屏幕越來越大，因而需要大的玻璃基片。當使用這種大玻璃基片時，在制造半導體工藝中所必需的熱處理過程中引起的基片收縮和變形產生的一個大問題，降低了掩模板位置精度及其類似物的精度。實際上，由于現(xiàn)在最普遍使用的7059玻璃的變形溫度為593℃，通常的加熱結晶方法引起基片的大面積變形。而且，除溫度造成的問題之外，在通用的方法中結晶所需的加熱時間要幾十小時以上，因而，這種加熱時間需要縮短。
因此，本發(fā)明的目的是，提供一種方法，用加熱無定形硅構成的薄膜，使其結晶，制成結晶硅半導體薄膜，在該制造方法中實現(xiàn)既降低結晶化所需溫度，又縮短所需加熱時間，解決所述的問題。用本發(fā)明所述方法制成的結晶硅半導體所具有的物理性能，等于或超過用現(xiàn)有技術制成的硅半導體的物理性能，并能用作TFTs的有源層區(qū)。
本發(fā)明的發(fā)明人進行了以下一些實驗，并對用CVD法或濺射法，和對薄膜加熱使其結晶的方法形成硅半導體薄膜的方法進行了研究。
首先在玻璃基片上形成了無定形硅薄膜，然后，通過實驗，研究了加熱薄膜使其晶化的機理，發(fā)現(xiàn)在玻璃基片與無定形硅之間的界面處晶體開始生長，當薄膜厚度大于一定厚度時，晶體在垂直于基片表面的方向以柱形生長。
上述現(xiàn)象可以被認為是以下原因造成的，因為在玻璃基片與無定形硅之間的界面處存在晶核(籽晶)，晶核是晶體生長的基礎、晶體由晶核生長而成。這種晶核被認為具有雜質金屬元素和晶體組分(氧化硅的晶體組分被認為是存在于稱之為結晶玻璃的玻璃基片的表面)，它們在基片表面存在很少量。
發(fā)明人認為，確實地引入晶核可能降低晶化溫度。為了進一步證實這種作用，發(fā)明人進行試驗，在玻璃基片上形成很少量的其他金屬薄膜，在其上形成無定形硅薄膜，然后加熱使其晶化。結果，證明了當在基片上形成幾種金屬時晶化溫度降低，由此推定，晶體生長集中在作為晶核的所述材料上。然后，發(fā)明人對多種雜質金屬進行了更詳細的機理研究，以降低溫度。多種雜質元素是Ni，F(xiàn)e，Co，Pb和Pt。
可以認為，晶化有兩個階段，即生成晶核的最初階段和由晶核生長晶體的階段。測試在固定溫度下生成微晶點的時間便能得知晶核產生的最初階段的速度。任何時間在使用雜質金屬作基底形成無定形硅薄膜時，這個時間可以縮短，而且驗證了引入晶核使晶化溫度降低的作用。此外，當以變化的加熱時間來研究晶核產生后晶界的生長時，在形成于某一金屬上的無定形硅薄膜形成后的結晶化過程中，還意想不到地觀察到晶核產生后的晶體生長速度也顯著地增加。侭管該機理還沒證實，可以認為某些催化作用是有效的。
在任何情況下，發(fā)現(xiàn)，在玻璃基片上形成極少量的一定金屬薄膜，在該金屬薄膜上形成在定形硅薄膜，然后對其加熱并使其晶化，由于上述兩種作用，在低于580℃的溫度下經過約4小時，便能獲的足夠的結晶度，而這在過去是不可能的。
鎳是具有這種作用的雜質金屬中效果最顯著的一種金屬，是發(fā)明人選用的元素。
現(xiàn)在來證實鎳是如何起作用的。
在基片(康寧玻璃7059)上用等離子CVD法形成無定形硅薄膜，而在基片上沒有形成極少量的鎳薄膜、在這樣形成的無定形薄膜的晶化過種中所需的加熱時間為10小時以上，在氮氣中加熱600℃。然后在鎳薄膜形成的無定形硅薄膜的晶化處理是在580℃的加熱溫度下經過約4小時便能獲得與上述薄膜相同的結晶狀態(tài)。此時的結晶情況是用拉曼(Raman)光譜制定的。可以看出，僅就這一點而言，鎳的作用是很大的。
因為上述說明是明顯的，當無定形硅薄膜是形成在極少量的鎳薄膜上時，結晶所需的時間可以縮短，結晶溫度可以降低。假定該工藝應用在制造TFTs中，現(xiàn)在進行更詳細說明。順便說一下，即使鎳薄膜是形成在無定形硅薄膜上，而不是僅形成在基片上時，也具有同樣的作用，而且在鎳作為離子注入時也具有同樣的作用，這在以后還要詳細說明。因此，這樣的一系列工藝稱之為＂微量加鎳＂。當形成無定形硅薄膜過程中技術上有可能實現(xiàn)微量加鎳(Nickel micro-ddding)。
首先，要說明微量加鎳。加少量鎳有兩種方法，一種是，先在基片上形成少量鎳薄膜，然后在形成的鎳薄膜上形成無定形硅薄膜。另一種方法是，首先在基片上形成無定形硅薄膜，然后在所形成的無定形硅薄膜上形成少量鎳薄膜。這兩種加少量鎳的方法對降低加熱溫度具有同樣作用。而且明白到在薄膜形成中可以采用濺射法、真空淀積法、旋轉涂覆法和等離子法中的任何一種。然后，當少量的鎳薄膜形成在基片上時，少量的鎳薄膜直接形成在7059玻璃基片上的作用比起在基片上先形成少量的鎳薄膜的作用更明顯。其原因是，在使用7059玻璃基片的情況下，硅和鎳直接接觸，除硅以外的其他組份對接觸或反應均有妨礙，這對于本發(fā)明的低溫結晶是很重要的。
而且，關于微量加鎳的方法，已證明，除在無定形硅薄膜上面或者下面形成接觸薄膜的方法而外，用離子注入法加鎳(引入)能夠得到幾乎是同樣的作用。關于鎳，已證明，當添加量大于1×1015原子/厘米3時，溫度能夠降低。然而，由于當鎳添加量大于5×1019原子/厘米3時，單一硅基片的光譜的峰形狀與拉曼光譜的峰形狀明顯不同，實際上可使用的范圍被認為在1×1015原子/厘米3至1×1019原子/厘米3之間。當鎳的濃度小于1×1015原子/厘米3時，對結晶的催化作用降低。而且，當濃度大于1×1019原子/厘米3時，會局部生成NiSi，使半導體性能降低。在結晶狀態(tài)下，使用較低的鎳濃度對半導體更有利。
接著，要說明微量加鎳對晶體的結構。已經知道，不加鎳時，晶核是隨機地生成，從處在基片和類似物的界面片的晶核開始，晶體從晶核開始隨機地生長直至一定的厚度，按(110)排列的柱形晶體在垂直于基片的方向里生長，如上所述，通常長成一較厚的薄膜，當然，從整個薄膜的截面看幾乎是均勻的晶體生長。與此相反，當添加了少量的鎳時，在加入鎳的區(qū)域的晶體生長為在周圍部分的晶體生長不同。也就是說，通過透射電子束顯微鏡照片證實、在加入鎳的區(qū)域內，所添加的鎳或鎳和硅的化合物變成晶核，而且柱形晶體生長幾乎垂直于基片，與沒加鎳的區(qū)域內的晶體生長類似。還證實，在低溫下的結晶也在沒加鎳的周圍區(qū)域中行。在垂直于基片的方向在(111)內排列著特殊的晶體生長，在平行于基片的方向內看到有部分的針狀的或柱狀的晶體生長。已發(fā)現(xiàn)，由加了少量鎳的區(qū)域中沿著平行于基片的橫向方向由生長了一些大的晶體，其長度達幾百微米，還發(fā)現(xiàn)，晶體生長隨時間的增加和溫度的升高而比比例的增加。例如，在加熱溫度為550℃，加熱4小時，生長長度的為40微米。而且還證實，在橫向中的大晶體全是單晶，與用透射電子束顯微鏡所照的的照片所示情況類似。對加有少量鎳的部分檢測鎳濃度時，在靠近橫向生長部分和對其它的遠的無定形部分(在所考慮的遠的部分不會發(fā)生低溫結晶，而且仍保持它的無定形部分)用SIMS(二次離子質譜測定法)檢測鎳濃度，以加了少量鎳的區(qū)域中，檢測出的鎳含量比以橫向生長部分測的的鎳含量少1個數量級，而且定在無定形硅中擴散。在無定形硅中發(fā)現(xiàn)鎳的含量也少以數量級。盡管這種事實與晶體結構之間的關系還不清楚，但是，控制鎳的加入量和添加的位置可以形成具有所需晶體結構的結晶硅薄膜。
接下來，要說明添加了少量鎳的微量加鎳部分和靠近橫向生長部分的電性能。關于微量加鎳部分的電性能，電導率與沒有加鎳的薄膜的電導率幾乎相同，也就是說，與在600℃下經過幾十小時晶化處理后的薄膜的電導率幾乎相同，當從電導率的溫度依賴關系中找出激活能時，當鎳添加量在1017原子/厘米3到1018原子/厘米3時，沒有發(fā)現(xiàn)由鎳的添加量所引起的所需性能。就這種情況而論，假若TFT的有源層中所用的薄膜中的鎳含量或其他所用薄膜中的鎳含量小于1018原子/厘米3時，可以肯定，在TFT的工作中不會有問題。
與此相反，橫向生長部分的電導率比微量加鎳部分的電導率大一個數量級以上。對結晶硅而言是相當的高。這被認為是電子穿過電極之間很少有晶體或幾乎無晶體的邊界，由于電流通過方向晶體橫向生長方向一致而造成的，這與穿透電子束顯微鏡照片的結果一致，沒有矛盾。也就是說，與所觀察到的平行于基片的方向中的針形或柱形晶體的情況一致。
這兒，根據上述的各種性能，說明應用于TFT的方法。當應用TFT時，在使用了TFT的有源液晶顯示中，這兒假定它用作激勵圖象元素。
如上所術這，在最高的大屏幕有源型液晶顯示器中抑制玻璃基片收縮是重要的，用本發(fā)明的微量加鎳處理允許在比玻璃的變形溫度足夠低的溫度下晶化處理，而且是特別適用。本發(fā)明允許用加了少量鎳的結晶硅代替普遍使用的無定形硅，并在451℃到550℃下經過4小時的結晶化處理。盡管可能需要改變設計準則，并進行其他與此相應的改變，但它完全適用常規(guī)設備和工藝，而且它具有很大優(yōu)越性。
此外，本發(fā)明允許構成用作象素的TFTs，并且允許利用與每個特性對應的晶體結構，形成外圍電路驅動器的TFTs，因此，它特別適用于有源型液晶顯示器。也就是說，用作圖形的TFT 不要求有很高的遷移率，但希望截止電流(off curent)較小。然后，本發(fā)明還允許成為用作圖象元素的TFT區(qū)域，保持沒有進行微量加鎳而作為無定形區(qū)，并用加少量鎳的方法，在該區(qū)域上生長結晶薄膜，用于形成外圍電路驅動器。也就是說，形成在圖象元素部分里的TFT盡管不要求如此高的遷移率，但需要減少截止電流，以提高合格率并保持電荷。因此，使用采用無定形硅薄膜構成的TFTs是有利的，它允許采用現(xiàn)有的制造技術，而且，在圖象元素部分里它們的性能很容易控制。另一方面，考慮到應用在工作站的液晶顯示器和以后的應用，構成外圍電路的TFTs要求很高的遷移率。給構成外圍電路驅動器的TFTs的附近區(qū)域加入少量鎳，并由此區(qū)域開始，沿著一個方向(在橫向里生長)生長晶體，使晶體生長方向同電流通過方向(載流子移動方向)一致，從而有效地制造出具有很高遷移率的TFTs。
也就是說，本發(fā)明的目的是在半導體器件中提供一個區(qū)域，在該區(qū)域中使硅半導體薄膜選擇性的結晶化、并保留無定形區(qū)，從而選擇性地在基片上制成具有所需特征的TFTs。在象玻璃基片這樣的基片上構成包括在該半導體器件中的許多薄膜晶體管(通常稱作TFT)。本發(fā)明的另一個目的是，選擇性地提供具有較高遷移率的TFT，這是通過使晶體生長方向與TFT中載流子方向一致，使該方向與基片平行。
根據本發(fā)明，可在每個必需區(qū)域選擇性地獲得采用結晶硅薄膜的TFT和采用無定形硅薄膜的TFT，其方法是，使TFT工作時的載流子移動方向與晶體生長方向基本基本以選擇性地獲的具有高遷移率的TFT，并在其它區(qū)域選擇性地提供采用無定形硅薄膜的TFT。
如上所述，用加入少量鎳的方法，可以使晶體生長方向任意選擇，或者是垂直于基片，或者是平行于基片。而且，選擇所構成的TFT的方向(連接源和漏的方向)和位置可以選擇性的確定TFT工作時的載流子移動方向與晶體生長方向的關系，例如，當絕緣柵型場效應半導體器件用作TFT時，上述載流子的流動方向就是連接源和漏的方向。
本發(fā)明可以用作有源矩陣型液晶顯示器。而且，用晶體生長方向平行于基片表面的結晶硅薄膜可以獲得具有高遷移率的TFT。
此外，本發(fā)明還涉及獲得上述TFTs的制造方法。本發(fā)明使用的技術是用加入少量鎳而選擇性地制成結晶化區(qū)。
而且，本發(fā)明的特征是，在液晶顯示器的外圍電路部分用結晶硅薄膜形成TFTs，而且包含TFT中的結晶硅薄膜的晶體生長方向與TFT中載流子的移動方向基本相同。而且，組成液晶顯示器的圖象元素部分的TFTs同時采用無定形硅構成。用選擇性加鎳的方法可以實現(xiàn)在同一基片上選擇性地構成結晶硅薄膜和無定形硅薄膜。也就是說，由于在加過微量鎳的區(qū)域內所需的結晶化溫度低于550℃，而在550℃下不會結晶化的無定形區(qū)(盡管認為它經過幾百小時后可以結晶，但在550℃下經過幾個小時不會結晶)可以保留在沒加鎳的區(qū)域內。
盡管用鎳作為促進結晶的小量金屬元素是典型有效的，但用鈷(Co)，鐵(Fe)和鉑(Pt)也能獲得類似的效果。而且，盡管基片的種類沒有特別限定，但是，使用玻璃基片，特別是用大面積玻璃基片作基片時，與常規(guī)方法相比，可以在低于600℃的低溫度下獲得結晶薄膜的本發(fā)明方法的實用性變得更顯著。
選擇性地結晶化處理可以獲得結晶硅薄膜，但在晶化處理之后，用激光或等量的強光照射結晶硅薄膜，可以進一步改善這種結晶硅薄膜的特性。也就是說，用這種方法可以使留在晶體邊緣部分和其他區(qū)域的沒充分結晶的部分結晶。順便說一下，用無定形硅構成TFT所需的區(qū)域不要用這種強光照射，因為用這種強光照射使無定形硅結晶。


圖1是表示按本發(fā)明的一個實施例的液晶顯示器的結構示意圖；圖2A至2D，表示制造電路的方法，電路中的NTFT和PTFT按本發(fā)明實施例互補地構成液晶顯示器的外圍電路部分；圖3是從上面看圖2D中得到的結構圖；圖4A至4D表示了NTFT的制造過程，該NTFT形成在按本發(fā)明實施例的液晶顯示器中的圖象元素部分中；圖5A至5E表示出了TFT電路的制造過程，該TFT電路屬于本發(fā)明的另一個實施例的液晶顯示中的外圍電路部分和圖象元素部分。
圖6A和6B是在所制造的TFT的橫向方向里生長晶化硅薄膜的結晶區(qū)末端的周圍的SEM照片。
現(xiàn)在參照附圖，說明本發(fā)明最佳實施例。圖1是本發(fā)明的實施例的液晶顯示器結構頂視圖簡圖，圖中示出的圖象元素部分10有許多成矩陣形(未畫出)供給的圖象元素電極，外圍電路部分20作為驅動每個圖象元素電極用的驅動電路。根據本發(fā)明，驅動圖象元素用的薄膜晶體管(TFT)和由它們構成的外圍電路形成在絕緣基片(即，玻璃基片)上。實際上，外圍電路部分被構成為CMOS電路，其中P溝道型TFTs(PTFT)和N溝道型TFTs(NTFT)是采用具有在橫向方向生長的結晶的硅薄膜(稱為單晶薄膜)互補地構成的，圖象元素部分是用無定形硅薄膜構成為NTFT的TFTs。
圖2A到2D是表示電路制造過程的示意圖，其中構成外圍電路部分20的NTFT和PTFT是互補地構成的。圖4A至4D是后面所述的，表示在圖像元件部分構成的NTFT的制造過程的示意圖。由于在同一基片上完成兩種制造工藝，因此公用的工藝就同時進行。也就是說，圖2A至2D所示步驟與圖4A至4D所示工藝步驟相互對應，因此，同時分別完成這些工藝步驟。
首先，用濺射法在玻璃基片(康寧7059玻璃)101上形成厚度為2000埃的氧化硅底膜102。如圖2A所示，在外圍電路部分20上用金屬掩模成或氧化硅薄模形成掩膜103。順便說一下，由于所引入的鎳在后面的工序中很容易擴散進氧化硅薄膜中，因此，選用氧化硅薄膜作掩模103時，氧化硅薄膜的厚度必須大于1000埃。用掩模103使底膜102露出一個槽形。也就是說，以上述的圖2A中所看到的，底膜102由槽形區(qū)100露出一個槽形，而其余部分被掩蔽。如圖4A所示，圖象元素部分10的全部表面被掩模103覆蓋。底膜102由掩模103遮掩。
在提供的掩模103后，鎳硅薄膜(化學式為NiSix，0.4≤x≤2.5，例如，x＝2.07，x＝2.0)的厚度為5至200埃，例如，20埃，它是用濺射形成的。其結果是，在外圍電路部分20和圖象元素部分10的全部面積上形成了鎳硅薄膜。然后，除去掩模103，只在區(qū)域100上選擇性地形成鎳硅薄膜。也就是說，在區(qū)域100上選擇性地進行了微量加鎳的工作。
接下來，去除掩模103之后，用等離子CVD法淀積一層厚度為500至1500埃，例如1000埃的本征型(I-型)無定形硅薄膜104。然后，將其在氫還原氣氛中在550℃退火處理4小時，使薄膜結晶(最好氫的分壓為0.1至1大氣壓力)。盡管溫度可以在450℃至700℃的溫度范圍內選擇，優(yōu)選的溫度范圍是450℃至550℃，因為如果退火溫度低它耗費退火時間，如果溫度高，它與現(xiàn)有技術所花費退火時間有相同的結果。順便說一下，該退火可以在惰性氣氛(例如，氮氣氣氛)或空氣中進行。
在選擇性地形成了鎳硅薄膜的區(qū)域100中，硅薄膜104在垂直于基片101的方向內結晶。另一方面，在區(qū)域100的外圍區(qū)中，晶體區(qū)域100開始，按箭頭105所指的橫向方向(平行于基片的方向)生長。在提供了掩模103的圖象元素部分10(見圖4B)處保留了無定形硅薄膜，因為在550℃下經4小時退火無定形硅薄膜不會結晶。順便說一下，在箭頭105所指的平行于基片101方向中晶體生長的距離約為40微米。
用上述方法使外圍電路部分20處的無定形硅薄膜可以結晶。這兒，如圖2B所示，在外圍電路部分20中，晶體在橫向(平行于基片101的方向內)生長，在圖象元素部分10中無定形硅保留而不會晶化。
然后，在元件之間將TFTs分開，除去硅薄膜104需要的部分，構成島形元件區(qū)。在該方法中，假若TFT的有源層長度(源/漏區(qū)、溝道形成區(qū))是在40微米之內，源/漏區(qū)和溝道區(qū)可以用平行基片101方向內生長的結晶薄膜構成。而且，假若用結晶薄膜構成溝道形成區(qū)、有源區(qū)的長度可以再延長。
然后，用濺射法形成作為柵絕緣膜的厚度為1000埃的氧化硅薄膜106。濺射中用氧化硅作靶。濺射中的基片溫度為200℃至400℃，例如350℃。用氧和氬作濺射氣氛，氬/氧比等于0至0.5，小于0.1。接著，用濺射法形成厚度為6000-8000埃，例如6000埃的鋁薄膜(含硅0.1至2％)。順便說一下，形成氧化硅薄膜106和形成鋁薄膜的工藝步驟希望連續(xù)完成。
對所形成的鋁薄膜構圖，以形成柵電極107和109。如上所述，圖2C和圖4C所示的工藝步驟是同時完成的。
把柵電極107和109的表面陽極化、并在該表面上形成氧化層108和110。陽極化是在含1至5％的酒石酸的乙二醇溶液中完成的，氧化層108和110的厚度為2000埃。
順便說一下，由于氧化層108和110的厚度是后面進行的離子摻雜工序(將雜質材料離子注入的工序)中形成的偏置柵極區(qū)的厚度，在陽極化工序中可以確定偏置柵極區(qū)的長度。
接下來，分別用柵電極107、周圍的氧化層108、柵電極109和周圍的氧化層110作掩模，給作為元件區(qū)的硅區(qū)注入雜質(磷和硼)。用磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)作摻雜氣體。用磷化氫時，加速電壓是60至90KV，例如80KV。用乙硼烷時加速電壓是40至80KV，例如是65KV。劑量是1×1015至8×1015厘米-2的磷，例如2×1015/厘米2的磷，5×1015/厘米2的硼。摻雜中，用光刻膠覆蓋不需摻雜的區(qū)域，選擇地摻雜每種元素。其結果是，形成了N-型雜質區(qū)114和116和P-型雜質區(qū)111和113，因此，可以形成P-溝道型TFT(PTFT)區(qū)和N-溝道型TFT(NTFT)區(qū)。而且，如圖4C所示，可以同時形成N-溝道型TFT。
然后，用激光照射完成退火，以便激活離子注入的雜質。盡管用KrF激發(fā)物(eximer)激光器提供激光(波長為248mm，脈沖寬度為20ns)，其他激活器也能使用。當用激光照射退火時，每處照射2至10次，例如照射2次，每次照射的激光能量密度是200至400mJ/cm2，例如250mJ/cm2，在激光照射過程中，將基片加熱到約200至450℃有是利的。由于鎳已擴散進預先結晶化的區(qū)域內，在激光退火過程中用激光照射迅速地進行再結晶。因此，用P型雜質摻雜過的雜質區(qū)111和113及用N-型雜摻雜過的雜質區(qū)114和116可以被迅速激活。
隨后，用等離子CVD法在外圍電路部分20處形成厚度為6000埃的氧化硅薄膜118，作為中間層，如圖2D所示。在中間層絕緣體上形成連接孔后，用氮化鈦和鋁多層薄膜形成TFTs的電極117、119和120。在圖象元素部分10處，用氧化硅形成中間層絕緣體211，并在形成連接孔之后，形成金屬導線213，214和作為圖象元素電極的ITO電極212、如圖4D所示。最后，在一個大氣壓的氫氣氛中，在350℃下經30分鐘的退火處理，完成TFT電路和TFTs。
上述的制成電路具有CMOS結構，其中的PTFT和NTFT是互補地設置的。然則，通過將同時制成的PTFT和NTFT切割成兩個TFTs，在上述的制造方法中也可以同時制造的兩個獨立的TFTs。
這兒，為了表示出已選擇性地引入了鎳的區(qū)域與TFTs之間的位置關系。在圖3中示出了從上面看圖2D的圖。圖3中，區(qū)域100已選擇性的進行了微量加鎳處理，熱退火使其晶體從已知鎳的位置開始而在橫向方向(薄片的橫向)中生長。在該方向里晶體生長形成作為PTFT的源/漏區(qū)111和113和溝道形成區(qū)112。同樣，形成作為NTFT的源/漏區(qū)114和116和溝道形成區(qū)115。
由于在上述結構中載流子流動的方向與晶體生長方向一致，當載流子移動時，它不會跨越晶界。因此能改善TFTs的工作。例如，用圖2A至2D所示工藝步驟制備的PTFT的遷移率是120至150cm2/VS，這證明比用現(xiàn)有技術制備的PTFT的遷移率50至60cm2/VS有了提高。而且，NTFT中獲得的遷移率為150至180cm2/VS，比用現(xiàn)有技術制成的NTFT的遷移率80至100cm2/VS要高。
順便說一下，這里所說的現(xiàn)有技術制備的TFT是玻璃基片上形成無定形硅薄膜，將該薄膜600℃經24小時退火，使其結晶，由該方法制成結晶硅薄膜，制成的TFT。
而且，在圖2C和2D中，在柵電極下面形成柵絕緣膜和溝道形成區(qū)。正如圖3所示，再延長微量加鎳區(qū)能同時制成多個TFTs(在圖3中用垂直延長)。
盡管采用在無定形硅薄膜104的下面的底膜102的表面上選擇性地形成鎳薄膜的方法(由于鎳薄膜極薄，很難將它當成薄膜觀察制)，并從加了鎳的部分開始晶粒生長，用這種方法作為引入鎳方法。但是，也可以采用在形成無定形硅薄膜104之后選擇性的完成微量加鎳的方法。也就是說，可以從無定形硅薄膜的頂部和底部開始生長晶體?？梢詮臒o定形硅薄膜的頂部和底部開始生長晶體。而且，也可以采用預先形成無定形硅薄膜，然后用離子摻雜法給無定形硅薄膜104中選擇性注入鎳離子的方法。該方法具有可控制鎳元素濃度的優(yōu)點。
而且，并非都需要使晶體生長方向平行于載流子流的方法。在載流子流的流動方向與晶體生長方向之間任意設置一個角度，可以控制TFTs的性能。第2實施例表示于圖5A至5E和圖6A和6B中。在玻璃基片501表面上形成厚度為1000至5000埃，例如2000埃的氧化硅薄膜502之后，用等離子CVD法在其上形成厚度為300至1500埃，例如500埃的無定形硅薄膜，然后，再在上面形成厚度為500至1500埃，例如，500埃的氧化硅薄膜504。最好能連續(xù)地形成這些薄膜。然后，選擇性地刻蝕氧化硅薄膜50A，構成引入鎳的一個窗口區(qū)506。在制造用作外圍電路的TFTs區(qū)形成窗口區(qū)506，而在圖象元素部分不形成窗口區(qū)506。
接下來，用旋轉涂覆法形成鎳鹽薄膜505。下面將說明旋轉涂覆法。首先，用水或酒精稀釋乙酸鎳或硝酸鎳，其濃度為25至200ppm，例如100ppm用作薄膜505。
另一方面，把基片浸或泡在過氧化氫溶液或過氧化氫與氨水的混合溶液中，在露出無定形硅薄膜的窗口區(qū)506處形成極薄的氧化硅薄膜，改進上述所制成的鎳溶液和無定形薄膜的界面親和力。
將按上面方法處理過的基片放在離心機中并慢慢地旋轉。然后，在基片上滴1至10毫升例如2毫升鎳溶液，使溶液鋪開在基片的全部表面上。將該狀態(tài)保持1至10分鐘，例如5分鐘。然后，增加旋轉速度完成旋轉干燥。該操作可重復多次。由此形成稀鎳鹽薄膜505(圖5A)。
在加熱爐中在520℃至580℃經過4至12小時，例如在550℃經8小時，完成熱處理。熱處理氣氛為氮。其結果是，鎳擴散進入窗口區(qū)506的正下面的區(qū)域，并由該區(qū)域開始結晶。然后，結晶區(qū)擴進箭頭508的指示的周圍區(qū)。另一方面，離開窗口區(qū)506的區(qū)域不晶化。并保持為無定形硅509(圖5B)。
然后，用KrF激發(fā)物(eximer)激光(波長為248nm)或XeCl激發(fā)物(excimer)激光(波長308nm)在空氣或氧氣氛中，照射1至20次例如照射5次(shots)，進一步提高結晶度。激光的能量密度是200至350mJ/cm2，基片溫度為200至400℃。順便說一下，圖象元件部分用金屬掩模510覆蓋，使其不被激光照射?；蛘?，將激光束的形狀再構形成線狀或其他形狀，使激光不會射到圖象元素部分(圖5C)。
激光照射之后，刻蝕硅薄膜503，構成外圍電路和圖象元素部分的TFT區(qū)。前者由結晶硅薄膜組成，后者由無定形硅薄膜組成。然后，在全部表面上形成厚度為1000至1500埃，例如1200埃的氧化硅薄膜511，并用鋁和其陽極化薄膜形成柵電極512，513和514，與第1實施例的情況相同。柵電極512用于外圍電路中的PTFT，柵電極513用于外圍電路中的NTFT，柵電極514用于圖象元素部分中的TFT。
與第1實施例相同，用這些柵電極作掩模用離子注入法將N-型和P-型雜質注入硅薄膜中。其結果構成了外圍電路中PTFT的源515，溝道516和漏517，外圍電路中NTFT的源520，溝道519，和漏518，圖象元件部分中NTFT的源521，溝道522和漏523。然后，與第1實施例相同，用激光照射全部表面，激活摻入的雜質(圖5D)。
形成厚度為3000至8000埃，例如5000埃的氧化硅薄膜作中間層絕緣體。而且，用濺射法形成厚度為500至1000埃，例如800埃的ITO薄膜，并將其刻圖形成圖象元素電極525。在TFTs的源/漏處構成連接孔，淀積硝酸鈦(厚度1000埃)和鋁(厚度5000埃)兩層薄膜，對其刻圖，構成電極和引線526至530。因此，外圍電路可以用結晶硅構成，圖象元素部分可以用無定形硅構成(圖5E)。
根據來實施例，如圖5C所示那樣，用激光照射保留在以針形生成的硅晶體體中的無定形成份，使其結晶。針形晶體被晶化，因此，它以作為晶核的針形晶體為中心變粗。它引起電流流過的區(qū)域擴大，并允許有較小的漏電流流過。
那些結晶后的硅薄膜減薄，然后用透射型電子顯微鏡(TEM)觀察。圖6A是由橫向生長而結晶化的硅薄膜的結晶化區(qū)域的末端周圍的照片，并能觀察到針形晶體。如圖6A所示，在晶體中存在很多沒結晶的無定形區(qū)。
當按本實施例的條件用激光照射時，獲得如圖6B所示的照片。盡管用本方法使占圖6A中大部分面積的無定形區(qū)結晶化、由于結晶化區(qū)是隨機地生成的，因此，電性能不是那么好。應注意的是區(qū)域中的結晶狀態(tài)，現(xiàn)為在該區(qū)域中心附近觀察到的針形晶體之中有無定形成份。在該區(qū)域中，用從針形晶體開始生長的方法，形成粗晶區(qū)(圖6B)。
圖6A和6B中的照片表示通過觀察有相當多的無定形存在的晶體末端區(qū)的狀況，以便照片上迅速理解晶體生長狀態(tài)。晶核周圍的晶體生長狀態(tài)與中間的生長狀態(tài)相同。因此，用激光照射，無定形部分可能減少，針形晶體可以變粗，并且可以進一步改善TFT的特性。
如上所述，在有源矩陣型液晶顯示中，外圍電路部分的TFTs是由在平行于載流子流方向生長的結晶薄膜構成的，圖象元素部分的TFT是由無定形硅薄膜構成的。因此，在外圍電路部分可以實現(xiàn)高速工作，在圖象元素部分可以提供需要保持電荷的具有小截止電流的開關元件。
權利要求
1.一種器件包括第一薄膜晶體管包括位于一個基片上的第一半導體膜，所述半導體膜包括一個源區(qū)。一個漏區(qū)和一個溝道形成區(qū)，和所述第一半導體膜相鄰的第一柵電極；位于所述第一半導體膜上的第一中間層絕緣膜，所述第一柵電極和所述第一柵絕緣膜；位于所述第一中間層絕緣膜上并與之接觸，并且連接到所述第一半導體膜的所述源區(qū)的第一電極；位于所述第一中間層絕緣膜上并與之接觸，并且連接到所述第一半導體膜的所述漏區(qū)的第二電極；位于所述第一中間層絕緣膜上并與之接觸的圖象元素電極；在所述基片上的至少一個第二薄膜晶體管和第三薄膜晶體管，每個包括位于所述基片上的第二半導體膜，所述第二半導體膜包括一個源區(qū)，一個漏區(qū)和一個溝道形成區(qū)，和所述第二半導體膜相鄰的第二柵電極；位于所述第二半導體膜和所述第二柵電極之間的第二柵絕緣膜；位于所述第二半導體膜上的第二中間層絕緣膜，所述第二柵電極和所述第二柵絕緣膜；位于所述第二中間層絕緣膜上并與之接觸，并且連接到所述第二薄膜晶體管上的第三電極；和位于所述第二中間層絕緣膜上并與之接觸，并且連接到所述第三薄膜晶體管上的第四電極；其中所述第二和第三薄膜晶體管構成一個CMOS結構。
2.根據權利要求1的器件，其中所述第一薄膜晶體管是一個N溝道TFT。
3.根據權利要求1的器件，其中每個所述第一中間層絕緣膜膜和所述第三中間層絕緣膜包括氧化硅。
4.根據權利要求1的器件，其中所述第一中間層絕緣膜和所述第二中間層絕緣膜是同一膜。
5.根據權利要求1的器件，其中每個所述第一電極，所述第二電極，所述第三電極和所述第四電極包括一個鈦氮和鋁的多層膜。
6.根據權利要求1的器件，其中所述器件有一個圖象元素部分和一個外圍電路部分，所述圖象元素部分包括所述第一薄膜晶體管而所述外圍電路部分包括所述CMOS結構。
7.根據權利要求1的器件，其中所述器件是一個液晶顯示器件。
全文摘要
在除圖象元素部分之外的無定形硅薄膜上,在預定的外圍電路部分的區(qū)域內引入鎳,以從該區(qū)域結晶。在柵電極和其他電極形成之后,用摻雜法形成源、漏和溝道,用激光照射改善結晶。之后,形成電極/引線。因此,獲得有源矩陣型液晶顯示器,它的外圍電路部分中的薄膜晶體管(TFT),由結晶薄膜構成,其晶體在平行于載流子流的方向里生長,在圖象元素部分里的TFT
文檔編號H01L29/04GK1258104SQ99120259
公開日2000年6月28日 申請日期1994年5月26日 優(yōu)先權日1993年5月26日
發(fā)明者張宏勇, 高山徹, 竹村保彥, 宮永昭治 申請人:株式會社半導體能源研究所