專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在絕緣襯底，諸如玻璃之類上設(shè)置TFF(薄膜晶體管)的半導(dǎo)體器件以及制造該半導(dǎo)體器件的方法。
由于半導(dǎo)體器件具有在絕緣的由玻璃之類制作的襯底上形成的TFT，眾所周知的有有源液晶顯示器件、圖象傳感器之類，都用TFF來驅(qū)動(dòng)象素。
通常采用薄膜硅半導(dǎo)體做這些器件的TFT。薄膜硅半導(dǎo)體大致分成非晶硅半導(dǎo)體(α-Si)型和結(jié)晶硅半導(dǎo)體型。非晶硅半導(dǎo)體因制造溫度低，最為常用，用汽相法相當(dāng)容易地制造它，且能批量生產(chǎn)。然而，因非晶硅半導(dǎo)的物理特性例如電導(dǎo)率之類不如結(jié)晶硅半導(dǎo)體，為將來獲得較高的速度特性起見，迫切需要確定制造由結(jié)晶硅半導(dǎo)體形成TFT的方法。就結(jié)晶硅半導(dǎo)體而言，已眾所周知的非單晶硅半導(dǎo)體有多晶硅、微晶硅、含結(jié)晶成份的非晶硅、具有結(jié)晶特性和非晶特性之間的一種中間狀態(tài)的半非晶硅等等。此后，將具有結(jié)晶特性的非單晶硅半導(dǎo)體都叫做結(jié)晶硅。
至于獲得有這些結(jié)晶特性的薄膜硅半導(dǎo)體的方法，已知有以下方法(1)在膜層形成時(shí)，直接形成結(jié)晶薄膜。
(2)將激光照射的能量加于事先形成的非晶半導(dǎo)體膜上，使之具備結(jié)晶特性。
(3)將熱能加于事先形成的非晶半導(dǎo)體膜上，使之具備結(jié)晶特性。
然而，按方法(1)，從技術(shù)工藝上難以在整個(gè)襯底的上表面上均勻地形成半導(dǎo)體物理特性優(yōu)良的薄膜。另外，因薄膜形成的溫度高，即是600℃或更高，會(huì)造成下述的一個(gè)問題，成本上便宜的玻璃襯底不能用。至于方法(2)，以現(xiàn)在最常用的激發(fā)物激光器為例的情況，也出現(xiàn)一個(gè)問題，因激光束輻射面積小而使生產(chǎn)率低。而且，激光束的穩(wěn)定性也不能均勻地處理整個(gè)大面積襯底的上表面，據(jù)此，明顯地看出是，該方法是將來加工用的技術(shù)。在方法(3)，其優(yōu)點(diǎn)在于與方法(1)和(2)相比，本方法能適應(yīng)大面積襯底。但是，加熱溫度要600℃或更高的溫度，并且考慮到用廉價(jià)玻璃襯底，就需要進(jìn)一步降低加熱溫度。尤其是，現(xiàn)行的液晶顯示裝置發(fā)展到大屏幕，因此，需用同樣的大型玻璃襯底，當(dāng)使用這樣的大型玻璃襯底時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)嚴(yán)重的問題，即對(duì)半導(dǎo)體制造來說必不可少的熱處理，襯底的收縮或畸變使掩模配合之類的精度變劣。尤其是，對(duì)目前最常用的7059玻璃的情況，應(yīng)變點(diǎn)的溫度為593℃，因而，常規(guī)的加熱結(jié)晶化方法會(huì)造成襯底大大變形。況且，除溫度問題之外，因現(xiàn)有的工藝過程，為了結(jié)晶化需加熱數(shù)十小時(shí)或更長(zhǎng)的時(shí)間，也必須縮短加熱時(shí)間。
本發(fā)明消除了上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種降低結(jié)晶化所需溫度和減少在應(yīng)用加熱非晶硅形成晶化薄膜的方法而制造由結(jié)晶硅半導(dǎo)體形成薄膜的方法中為此所需時(shí)間的工藝。由本發(fā)明工藝所制得的結(jié)晶硅半導(dǎo)體，其物理性能不低于常規(guī)工藝制成的結(jié)晶硅半導(dǎo)體性能，且甚至可用于TFT的有源層區(qū)域。
本發(fā)明人已進(jìn)行后述的實(shí)驗(yàn)，在上述的用CVD法或?yàn)R射法形成非晶硅半導(dǎo)體薄膜的方法，于是通過加熱形成結(jié)晶化的薄膜，并且研究該實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
首先，探討加熱使在玻璃襯底上形成非晶硅膜結(jié)晶的機(jī)理。結(jié)果，已經(jīng)觀察到晶體生長(zhǎng)自玻璃襯底與非晶硅之間的界面開始，當(dāng)薄膜有一定范圍的厚度時(shí)，于是擴(kuò)展成為柱狀垂直于襯底的前表面。
可以認(rèn)為，上述的現(xiàn)象是由這樣的事實(shí)造成的，即形成晶體生長(zhǎng)基礎(chǔ)的結(jié)晶核(形成結(jié)晶生長(zhǎng)基礎(chǔ)的源)存在于玻璃襯底與非晶硅薄膜之間界面中，而晶體由晶核生長(zhǎng)而來。這種晶核可以認(rèn)為是存在于襯底表面的少許金屬雜質(zhì)元素或玻璃表面的結(jié)晶組分(可以認(rèn)為是氧化硅晶胞存在于稱之為晶化玻璃的襯底表面上)。
所以，可以認(rèn)為，通過更積極引入晶核就能降低晶化溫度，為證實(shí)這種作用起見，在襯底上形成少許其它金屬，然后其上再形成非晶硅薄膜。此后，進(jìn)行加熱晶化實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，證實(shí)了在襯底上形成多種金屬的情況下，使晶化溫度降低了，還可預(yù)料到，出現(xiàn)晶體生長(zhǎng)處會(huì)有外來物質(zhì)作為結(jié)晶核。因此，許多金屬雜質(zhì)能夠降低晶化溫度的作用機(jī)理都詳細(xì)地被研究過了。
晶化可分成兩個(gè)階段，就是，最初的晶核產(chǎn)生和自晶核開始的晶體生長(zhǎng)。通過在一定溫度下測(cè)定直到在光點(diǎn)圖形中出現(xiàn)微細(xì)晶體的時(shí)間來觀察最初晶核產(chǎn)生的速度。形成上述金屬雜質(zhì)薄膜，任何情況下，都減小了該時(shí)間，當(dāng)引入結(jié)晶核時(shí)，都證實(shí)了有降低晶化溫度的作用。此外，在改變加熱時(shí)間的同時(shí)，還研究了晶核產(chǎn)生之后晶粒的生長(zhǎng)。結(jié)果，雖然出乎預(yù)料之外，但可看到甚至在某種金屬膜上形成的非晶硅薄膜的晶化中，在晶核產(chǎn)生之后就明顯地增加了晶體生長(zhǎng)的速度。這是完全出乎意料之外的。這個(gè)機(jī)理稍后將詳細(xì)描述。
任何情況下都發(fā)現(xiàn)，上述兩種作用的結(jié)果，當(dāng)某些類型金屬以微量用于形成薄膜，再在其上形成由非晶硅制成的薄膜，然后加熱晶化時(shí)，在580℃或更低的溫度下且加熱時(shí)間小于約4小時(shí)就達(dá)到了滿意的晶化，這一事實(shí)，按已有技術(shù)不可能預(yù)知的。
有這種作用的金屬雜質(zhì)的例子包括鐵、鈷、鎳、銅、鈀、銀和鉑。所有這些金屬常用作催化劑材料，此后，在本說明書中將稱之為“低溫晶化金屬催化劑”。關(guān)于這些，作用最顯著的金屬且使用最早的材料是鎳，于是在下文，在本說明書中，將鎳作為探討的中心。
作為用鎳提供的效果的一個(gè)例子，當(dāng)在一未加處理的襯度(Corning 7059)，即，其上沒有形成微量鎳薄膜的襯底，為晶化而在氮?dú)夥罩屑訜嵊傻入x子體CVD法形成的非晶硅薄膜，加熱溫度600℃下需要加熱時(shí)間10小時(shí)或更長(zhǎng)。然而，當(dāng)用在已形成微量鎳薄膜的襯底上形成的非晶硅薄膜時(shí)，只加熱約4小時(shí)便可獲得同樣的晶化狀態(tài)。采用拉曼波譜來評(píng)價(jià)該晶化程度。單從光譜就很清楚，鎳的效應(yīng)是優(yōu)異的。
由以上說明很清楚，如果在用低溫晶化的微量金屬催化劑形成的薄膜上形成非晶硅薄膜，于是就可以降低晶化溫度并且可縮短晶化所需的時(shí)間。在這里，將假定本工藝是用于制作TFT而作出更詳細(xì)的說明，下面將更具體地加以描述，但同樣的效果不僅當(dāng)在襯底上形成低溫晶化金屬催化劑薄膜時(shí)能達(dá)到，而且當(dāng)在非晶硅上形成催化劑膜，以及用離子注入也都能達(dá)到，因此以后本說明中，所有這些接連的處理都稱之為“添加微量低溫晶化金屬催化劑”。就低溫晶化金屬催化劑而言，可用選自包括鐵、鈷、鎳、銅、鈀、銀和鉑組成的組中的至少一種元素，但我們發(fā)現(xiàn)VIII族元素Ru、Rh、Os和Ir也可以被認(rèn)為象上述的材料一樣有同樣作用的元素。
首先，對(duì)有關(guān)添加低溫晶化金屬催化劑的方法給予說明。為了添加微量低溫晶化金屬催化劑，不論是在一襯底上先形成含微量低溫晶化金屬催化劑薄膜的方法而后其上再形成非晶硅膜；還是用先形成非晶膜，再形成含微量低溫晶化金屬催化劑薄膜的方法，都有同樣的降低溫度效果，而形成膜層既可用濺射法也可用汽相淀積法，并且達(dá)到效果與成膜的方法無(wú)關(guān)。
然而，要是將含微量低溫晶化金屬催化劑的薄膜形成在襯底上，于是就不應(yīng)在7059玻璃襯底上直接形成會(huì)微量低溫晶化金屬催化劑的薄膜，如果先將氧化硅薄膜形成在襯底上，再將含微量低溫晶化金屬催化劑的薄膜覆蓋在其上，則效果會(huì)更明顯。對(duì)此可推測(cè)到的理由之一是硅和低溫晶化催化劑之間的直接接觸是出現(xiàn)低溫晶化的關(guān)鍵，可以認(rèn)為7059玻璃組分不同于硅的情況下，會(huì)干擾硅和金屬之間的接觸或反應(yīng)。
還有，一般說來，當(dāng)用于添加微量催化劑的方法不是形成與非晶硅頂層或底層相接觸的薄膜，而是用離子注入法添加低溫晶化金屬催化劑時(shí)，證實(shí)也有同樣的效果。而且，在非晶硅膜或待結(jié)晶化的非單晶硅膜形成時(shí)，可將催化劑作為雜質(zhì)加入。
關(guān)于低溫晶化金屬催化劑的含量，例如鎳的情況下，外加量為1×1015原子/cm3或更多確實(shí)使晶化溫度降低了，但添加量為1×1021原子/cm3或更高，結(jié)果拉曼波譜峰形成與單純硅比較明顯不同，因此可以想到，催化劑實(shí)用含量范圍為1×1015原子/cm3-5×1019原子/cm3。此外，應(yīng)考慮到該薄膜要用做TFT的有源層半導(dǎo)體，該催化劑量必須保持在1×1015原子/cm3-2×1019原子/cm3的范圍內(nèi)。
將鎳用作低溫晶化金屬催化劑時(shí)，現(xiàn)在還要對(duì)假設(shè)的晶化機(jī)理作出其他解釋。
如上所述，若不加低溫晶化金屬催化劑，那末，核是不規(guī)則地產(chǎn)生自在與襯底等等面接的晶核上，不規(guī)則地產(chǎn)生核，而且自這些核的晶體生長(zhǎng)同樣是不規(guī)則的，據(jù)說由制造方法而定可獲得沿(110)或(111)獲得的相應(yīng)取向的晶體，并且整個(gè)薄膜上可看到大致均勻的自然晶體生長(zhǎng)。
為了確定生長(zhǎng)機(jī)理，首先用DSC(差動(dòng)掃描熱量計(jì))做分析。將用等離子CVD法在襯底上形成的非晶硅薄膜隨襯底安放在樣品容器內(nèi)，再以恒定的速率升溫。約在700℃觀測(cè)到種類不同的放熱峰，還看到結(jié)晶化。自然，當(dāng)改變溫升速率時(shí)，該溫度偏移了，但當(dāng)該速率例如為10℃/min時(shí)，晶化開始于700.9℃。接著，按三種不同的溫升速率進(jìn)行測(cè)量，用Ozawa法確定在最初產(chǎn)生晶核后的晶體生長(zhǎng)激活能。所得值約為3.04ev。另外，通過與理論曲線一致法確定反應(yīng)速率方程時(shí)，發(fā)現(xiàn)用一種不規(guī)則產(chǎn)生晶核及由此生長(zhǎng)的模型是最容易解釋的，從而證明模型的性質(zhì)，其中核是由與襯底連接的界面上的晶核隨機(jī)產(chǎn)生的，亦即，晶體生長(zhǎng)發(fā)生來自這些核。
用外加低溫晶化金屬催化劑，例如，外加微量鎳，進(jìn)行與上述那些相同的測(cè)量。其結(jié)果，以溫升速率為10℃/min來說，開始晶化于619.9℃，而通過一系列這些測(cè)量所確定的晶體生長(zhǎng)激活能約1.87ev，因此數(shù)值上同樣表明晶體容易生長(zhǎng)。此外，通過與理論曲線配合一致法確定的反應(yīng)速率方程較接近于確定線性界面速率模型的反應(yīng)速率方程，該模型假設(shè)晶體按固定方向定向生長(zhǎng)。
在這里，容易假定晶化開始的溫度降低是外來物質(zhì)的作用，如上所述，但是，關(guān)于至于同時(shí)減小晶體生長(zhǎng)激活能的原因就出現(xiàn)了問題。為了探討其原因，采用上述的方法來測(cè)定非晶硅膜再晶化的激活能，而該非晶硅膜是由硅離子注入非晶態(tài)的沒有晶化的非單晶硅膜制成。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)雖然晶化開始的溫度返回移向高溫端，但晶體生長(zhǎng)的激活能仍降到約2.3ev。由此，可以認(rèn)為經(jīng)受離子注入的非晶硅膜中幾乎不存在氫，晶體容易生長(zhǎng)可理解為是由氫從晶體部分與非晶部分之間界面容易逸出的程度確定的。由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持這種假說，非晶硅膜的TG-DTA(同時(shí)熱解重量--差動(dòng)熱量分析法)給出了晶化之初往往發(fā)生在氫逸出剛剛停止之后的很大可能性，就是因氫阻礙了晶化。
在這里，更密切地考察氫和所加低溫晶化金屬催化劑之間反應(yīng)，表明當(dāng)任何選擇物金屬與氫反應(yīng)形成氫化物時(shí)，該反應(yīng)是放熱的(根據(jù)某些文獻(xiàn)，僅鈀呈吸熱反應(yīng))。這就意味著低溫晶化金屬催化劑與氫鍵合是穩(wěn)定的，還可認(rèn)為，由下述機(jī)理造成溫度降低。
摻入非晶硅的低溫晶化金屬催化劑與硅形成直接鍵。當(dāng)對(duì)其加熱時(shí)，低溫晶化金屬催化劑的擴(kuò)散在晶化之前使?jié)舛忍荻染鶆颍瑫r(shí)，擴(kuò)散的催化劑又與氫鍵合，而結(jié)果與硅鍵合較弱，該鍵是容易斷開的，因此在膜中增加懸空鍵和空位的數(shù)目。晶化的硅原子的遷移的必要條件，可以預(yù)料，增加懸空鍵和空位有利于這種遷移，意味著為完成晶化可以低溫度下進(jìn)行。晶核產(chǎn)生以后，但此時(shí)因添加了微量低溫金屬催化劑而減小了激活能。很明顯由于添加低溫晶化金屬催化劑可使在低溫下產(chǎn)生晶體，對(duì)此理由相信可能是作為外來物的低溫晶化單獨(dú)金屬催化劑的作用或金屬催化劑和硅合金的作用。
還有，晶核的產(chǎn)生幾乎同時(shí)在整個(gè)已加上低溫晶化金屬催化劑區(qū)的表面發(fā)生，所以晶體生長(zhǎng)遵從按面生長(zhǎng)的機(jī)制，在這種情況下，反應(yīng)速率方程變成線性界面速率確定的過程，因此也與DSC的結(jié)果一致。從晶核生長(zhǎng)晶體進(jìn)行之后，由于此時(shí)在晶體部分和非晶部分之間沒有氫，于是，速率確定的過程改變了，而且為晶體生長(zhǎng)所必需的激活能也大大降低了。
在晶化之前，低溫晶化金屬催化劑的擴(kuò)散主要是為了說明上述機(jī)理，但是要搞清楚其設(shè)定，因?yàn)樵谝右酝嘶鹬灵_始晶化時(shí)止的樣品情況下，用SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)測(cè)定低溫晶化金屬催化劑的濃度，證實(shí)低溫晶化金屬催化劑出現(xiàn)的濃度甚至比下限濃度高，該下限濃度則是相當(dāng)遠(yuǎn)離直接加入了低溫晶化金屬催化區(qū)域的濃度水平。
現(xiàn)在將再說明有關(guān)用上述添加微量低溫晶化金屬催化劑獲得的結(jié)晶硅膜的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
正如在解釋晶化機(jī)理中已簡(jiǎn)單說過的那樣，所加的金屬在低于晶化溫度下有相當(dāng)寬的擴(kuò)散范圍。因此，在該擴(kuò)散區(qū)內(nèi)也獲得了晶化溫度的降低。而且，已很清楚，直接加金屬催化劑區(qū)和擴(kuò)散區(qū)之間晶體結(jié)構(gòu)也不同。也就是，證實(shí)了直接添加金屬催化劑區(qū)晶化生長(zhǎng)呈垂直于襯底，周圍的擴(kuò)散區(qū)則表明生長(zhǎng)平行于襯底。可以設(shè)想為，這是由于各自情況下開始產(chǎn)生晶核的不同，即，可理解為，在直接加外來的物質(zhì)的區(qū)域用作晶核來產(chǎn)生柱狀晶體生長(zhǎng)，而在周圍的擴(kuò)散區(qū)內(nèi)，晶核必須水平生長(zhǎng)，因?yàn)橐呀?jīng)開始從直接加催化劑區(qū)垂直生長(zhǎng)。此后，在本說明書中，將從直接添加低溫化金屬催化劑區(qū)向外延伸的在襯底上沿水平橫方向的晶體生長(zhǎng)區(qū)稱之為“橫向生長(zhǎng)”區(qū)域。
現(xiàn)將對(duì)微量鎳添加部分和周圍橫向生長(zhǎng)部分的電特性給予說明，如上所述低溫晶化金屬催化劑是針對(duì)用鎳的。有關(guān)加微量鎳的區(qū)域電特性，導(dǎo)電率與不加鎳的膜層，或者與在600℃下加熱幾十小時(shí)的膜層的電導(dǎo)率值一樣。即，當(dāng)根據(jù)電導(dǎo)率與溫度的依存關(guān)系確定激活能時(shí)，如上所述，由于觀測(cè)鎳含量的數(shù)量級(jí)設(shè)為約1017原子/cm3-1016原子/cm3，看上去沒有影響。換言之，實(shí)驗(yàn)的各種事實(shí)得出這個(gè)推測(cè)，在上述的濃度范圍內(nèi)，該薄膜可用于TFT有源層，等等。
相反，與加微量鎳區(qū)比較，橫向生長(zhǎng)部分電導(dǎo)率要高一數(shù)量級(jí)，對(duì)結(jié)晶硅半導(dǎo)體來說也是個(gè)高值。由這個(gè)事實(shí)可以想到，因電流路徑與晶體的橫向生長(zhǎng)方向一至在電子通過的兩電極之間的部分，晶粒邊界不是小就是實(shí)質(zhì)上不存在之物，而因此與透射電子微觀圖所示的結(jié)果并不矛盾。這是可以想到，因?yàn)檠蒯樞位蛑鶢钌L(zhǎng)的晶體的晶粒邊界發(fā)生載流子遷移，已造成一種載流子容易遷移的條件。
此外，如圖1所示，當(dāng)將鎳選擇性地作為鎳硅化物膜引入標(biāo)號(hào)100的區(qū)域中時(shí)，然后，用公知的等離子CVD法在其上形成非晶硅膜104，再在550℃加熱4小時(shí)引起晶化，在垂直于襯底101方向的鎳引入?yún)^(qū)100內(nèi)發(fā)生晶體生長(zhǎng)，而在不是100的區(qū)域內(nèi)則平行于襯底101水平生長(zhǎng)，如箭頭105所示。結(jié)果獲得結(jié)晶硅膜。用SIMS測(cè)量這種結(jié)晶硅膜的鎳濃度時(shí)，有以下發(fā)現(xiàn)1.鎳在垂直膜的厚度方向的濃度分布不很大。
2.直接摻鎳區(qū)(例如，圖1的區(qū)域100)的鎳濃度受形成鎳膜條件的影響很大。換言之，在那個(gè)區(qū)域的鎳濃度沒有很好的加工重復(fù)性。
3.在晶體生長(zhǎng)平行于襯底的區(qū)域(不曾直接摻鎳的區(qū)域)，鎳濃度大約比直接摻鎳區(qū)低一個(gè)數(shù)量級(jí)或以上，在上述2中，其中該濃度是高度重現(xiàn)的。
4.背景鎳濃度約為1×1017cm-3，它大體上與SIMS的測(cè)量極限一致。亦即，背景鎳濃度約處于或低于1×1017cm-3，即SIMS的可測(cè)極限。
例如，在其中直接摻鎳且相對(duì)于襯底垂直產(chǎn)生晶體生長(zhǎng)的區(qū)域中，如果鎳存在，鎳濃度約為2×1018cm-3，則在距鎳摻入?yún)^(qū)約40μm的區(qū)域，在該區(qū)域中平行于襯底發(fā)生晶體生長(zhǎng)，即發(fā)生橫向生長(zhǎng)的區(qū)域中，所測(cè)到的鎳濃度大約要低一個(gè)數(shù)量級(jí)，或者約2×1017cm-3。上述情況將參照?qǐng)D4予以說明。圖4示出一個(gè)區(qū)域的Ni濃度，通過等離子處理(等離子處理的)向該區(qū)加入Ni，即經(jīng)過平行于襯底(橫向生長(zhǎng))晶體生長(zhǎng)的該區(qū)域的Ni濃度，以及α-Si的基本Ni濃度水平。從圖4就很清楚，經(jīng)過平行于襯底(橫向生長(zhǎng))晶體生長(zhǎng)區(qū)域的Ni濃度要低于直接摻鎳(Ni)區(qū)域的Ni濃度。所以，平行于襯底發(fā)生晶體生長(zhǎng)的區(qū)域?qū)ζ骷杏谩?br> 因很難控制硅膜中直接摻鎳區(qū)的鎳濃度，所以這種鎳濃度波動(dòng)很大程度上取決于形成鎳膜(實(shí)際上是硅化鎳膜)的條件?？梢韵氲?，這是由于事實(shí)上在該區(qū)域(例如，圖1的區(qū)域100)的鎳濃度直接決定于需要嚴(yán)格將薄膜厚度限在20數(shù)量級(jí)的薄膜形成條件(由于很難實(shí)際測(cè)定，該值是由薄膜形成速率推算而來)。眾所周知，用膜形成法諸如濺射法之類就不可能在整個(gè)很大的表面區(qū)上滿意地形成約20的均勻薄膜。所以，認(rèn)為形成薄膜的重復(fù)性不佳直接反映出硅膜中鎳濃度的波動(dòng)上。而且，利用將鎳直接摻入作為有源層的區(qū)域，則鎳濃度的改變也直接影響形成TFT的特性。也就是說，如果利用其中直接摻鎳的區(qū)域來制造TFT(例如，圖1中100)，那末，在TFT的特性方面，就會(huì)發(fā)生很大的變化。還可以想到結(jié)果是極薄的鎳膜重現(xiàn)性很差。
另一方面，在離開摻入鎳區(qū)的區(qū)域中的鎳濃度，也就是，從直接摻入鎳區(qū)水平地沿平行于襯底方向的晶體生長(zhǎng)的區(qū)載中的鎳濃度一般比直接鎳摻入?yún)^(qū)低(如上所述，在距40μm處，約低一個(gè)數(shù)量級(jí))，而進(jìn)一步趨勢(shì)看來是使該濃度變化較小。從實(shí)驗(yàn)可知，用作具有滿意TFT的特性的有源區(qū)的鎳濃度是從SIMS的測(cè)量極限或更低(1×1017cm-3或以下)至約2×1019cm-3，但在與襯底相對(duì)的平行晶體生長(zhǎng)區(qū)中，發(fā)現(xiàn)上述所給出的鎳濃度相對(duì)穩(wěn)定，而與直接摻入鎳的劑量(在鎳摻入?yún)^(qū)，例如區(qū)100中硅膜104的鎳濃度)無(wú)關(guān)。換言之如果TFT是用從鎳摻入?yún)^(qū)產(chǎn)生平行于襯底的晶體生長(zhǎng)的區(qū)域形成的，于是，就能獲得很好重復(fù)性的TFT。
而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在上述范圍的區(qū)域很容易選擇鎳濃度或調(diào)整一定區(qū)域(雖然不是已直接摻鎳的由100標(biāo)示的區(qū)域)的鎳濃度。例如，為了選擇有特定鎳濃度的區(qū)域，可以通過設(shè)定離鎳摻入?yún)^(qū)的距離來獲得特定的鎳濃度。但是，在這種情況下，必須達(dá)到所要求的硅膜結(jié)晶度。
同樣地，在晶體平行于襯底生長(zhǎng)區(qū)內(nèi)的鎳濃度可以通過控制晶化條件(主要是加熱時(shí)間和加熱溫度)來控制，這種控制比控制直接摻鎳區(qū)的鎳濃度要容易得多。
因此，晶體生長(zhǎng)平行于襯底的區(qū)域，由加入催化元素的區(qū)域進(jìn)行晶化，就是橫向生長(zhǎng)的區(qū)域，對(duì)于半導(dǎo)體器的應(yīng)用是有利的，因?yàn)?1)確實(shí)可利用晶體的取向，也可利用有高遷移率的載流子；(2)可利用催化劑材料的低濃度區(qū)進(jìn)行晶化；(3)在上述(2)的區(qū)中有良好的再現(xiàn)性；及(4)能容易地控制晶化催化劑材料的濃度。
最后，有關(guān)上述的各種特性應(yīng)用于TFT的方法將作出說明。在這里，TFT應(yīng)用的領(lǐng)域設(shè)想為有源陣列型液晶顯示器，用TFT作為圖象元件(象素)的驅(qū)動(dòng)器。
如上所述，最近的大屏幕有源陣列型液晶顯示器中，重要的是使玻璃襯底的收縮量減至最小，根據(jù)本發(fā)明利用添加低溫晶化用的微量金屬催化劑的工藝過程，使晶化能在比玻璃形變點(diǎn)足夠低的溫度下進(jìn)行，因此是一種特別適宜的方法。遵照本發(fā)明，使用常規(guī)非晶硅的部分可以容易地以對(duì)其添加微量低溫晶化金屬催化劑并約在500-550℃下，進(jìn)行晶化約4小時(shí)的結(jié)晶硅來替換。顯然，為適應(yīng)設(shè)計(jì)的特定規(guī)則等等會(huì)需要某些改變，但對(duì)已有器件和工藝過程都可滿意地實(shí)施本發(fā)明，因而認(rèn)為其優(yōu)點(diǎn)是明顯的。
而且，根據(jù)本發(fā)明，用于象素的TFT和做成外圍電路驅(qū)動(dòng)器的TFT，通過使用適合于它們各自所需特性的晶體結(jié)構(gòu)，就可以做成分離型，用于有源型液晶顯示器時(shí)它們呈現(xiàn)出特別優(yōu)點(diǎn)。用于象素的TFT不需很高遷移率，而代之的主要優(yōu)點(diǎn)是低斷開電流。此時(shí)，采用本發(fā)明時(shí)，可將微量低溫晶化金屬催化劑加到要成為象素的TFT區(qū)域，以便相對(duì)于溝道方向產(chǎn)生晶體垂直生長(zhǎng)，形成許多晶界，結(jié)果斷開電流較小。相反，如果考慮在工作站之類的未來應(yīng)用的話，對(duì)形成外圍電路驅(qū)動(dòng)器的TFT則要有很高遷移率。這時(shí)，若要應(yīng)用本發(fā)明，就把微量低溫晶化金屬催化劑加在形成外圍電路的驅(qū)動(dòng)器的TFT附近，從而引起在一個(gè)方向(平行于襯底)生長(zhǎng)晶體，再使晶體生長(zhǎng)的方向與溝道電流的通路方向一致，就能夠制成具有很高遷移率的TFT。
而且，已知的器件包括其上集成了處理圖象信息或光信號(hào)的傳感器的襯底。例如，集成圖象傳感器之類都是周知的。若要把這種器件用于可見光檢測(cè)，則從光譜靈敏度的觀點(diǎn)來看，最好用非晶硅(α-Si)。但是，由于驅(qū)動(dòng)電路部件必須有要求高速運(yùn)行的開關(guān)元件，所以驅(qū)動(dòng)電路部件的元件，例如TFT最好不用非晶硅膜制造，因?yàn)檫w移率不高。但是，使用上述的高遷移率TFT是有益的。例如，在傳感器部件中形成使用非晶硅的光電二極管或光電晶體管，而外圍電路部件則用本發(fā)明的結(jié)晶硅膜形成晶體管。這些電路還可用混合結(jié)構(gòu)集成在同一襯底上(例如，玻璃襯底)。
換句話說，由于采用本發(fā)明，就能夠在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)造成具備結(jié)晶膜區(qū)和具備非晶硅膜區(qū)，再通過利用產(chǎn)生橫向晶體生長(zhǎng)具備結(jié)晶硅膜的區(qū)域，就能夠形成器件中載流子可高速移動(dòng)的器件。這種應(yīng)用不限于液晶顯示器和傳感器，還可應(yīng)用于集成于襯底上的半導(dǎo)體器件的許多類型。這就是，它可用于在襯底上利用薄膜半導(dǎo)體的晶體管和二極管，以及含有集成電阻器和電容器的裝置。
通過與襯底平行以針狀或柱狀由已摻入主要選自對(duì)硅晶化有催化作用微量VIII族元素區(qū)生長(zhǎng)晶體，預(yù)制TFT之類的有源層，就能把比曾摻入微量元素低的微量元素濃度區(qū)域用作有源層，因此，能夠獲得不受微量元素影響的器件。
而且，在器件形成時(shí)，可以設(shè)定載流子與按針狀或柱形結(jié)晶硅膜的晶體生長(zhǎng)方向一致，以便改善器件的特性。此外，因?yàn)樵谶@些區(qū)域中的上述微量元素的濃度既低也容易控制，所以可以獲得所需特性和良好重現(xiàn)性的器件。用構(gòu)成本說明書一部分的附解說明本發(fā)明的實(shí)施例，并與說明書一起用來闡述本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和原理。其中圖1A至1D表示根據(jù)本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的工藝；圖2表示按照本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的外形圖；圖3A至3D表示按照本發(fā)明制造半導(dǎo)體器件的工藝；和圖4表示在結(jié)晶硅膜中金屬元素的密度；圖5A表示本發(fā)明的薄膜絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的示意剖面圖；圖5B和5C表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的晶體生長(zhǎng)方向和源-漏方向之間的關(guān)系。
現(xiàn)在將參照


本發(fā)明的實(shí)施例。
在下例中，給出的實(shí)施例中，鎳被用作晶化催化劑，但其他VIII族元素以及Cu和Ag預(yù)料和鎳有相同作用，基本上可替換本例中的鎳。而且，摻入的方法之一是用元素或含元素的膜在非單晶硅膜的頂面上形成膜層、之二是將VIII族元素用離子摻雜法或離子注入法加到非單晶硅膜中、或之三將VIII族元素與非晶硅膜混合同時(shí)形成。這時(shí)，在硅膜中它的濃度應(yīng)是2×1019cm-3或以下。實(shí)施例1本例是一實(shí)例，形成包括-P溝型TFT(稱為PTFT)和N溝型TFT(稱為NTFT)各自用玻璃襯底上的結(jié)晶硅膜制成的互補(bǔ)集成電路。本例的構(gòu)造可用于象素極的開關(guān)元件、外圍驅(qū)動(dòng)電路、或圖象傳感器或者有源型液晶顯示器的其它集成電路。
圖1A-1D給出了表示本例制作步驟的剖面圖。首先，用濺射法，在襯底(Corning 7059)101上形成厚度2000A的氧化底膜102。其次，提供一個(gè)掩模103，掩模為金屬掩模、或氧化硅膜之類。該掩模103在由100標(biāo)示的區(qū)域處提供一狹長(zhǎng)形的底膜102露出口，就是從頂上看圖1(A)，使底膜102露出一個(gè)狹縫形口，而其他部分卻被掩蔽。
提供上述掩模103之后，用濺射法在區(qū)域100上選擇形成厚度為5-200，例如20的硅化鎳膜(化學(xué)式NiSix，其中0.4≤X≤2.5，例如，X＝2.0)。所形成的硅化鎳膜是為了用鎳或其它VIII族元素作為晶化催化元素。
接著，用等離子CVD法形成厚度500-1500，例如1000的本征(I型)非晶硅膜104。然后，在還原的氫氣氛(優(yōu)選氫分壓為0.1-1大氣壓下)、550℃下，或在惰性氣氛(大氣壓下)、550℃下經(jīng)4小時(shí)退火使之結(jié)晶化。這時(shí)，在其上有選擇地形成硅化鎳膜的區(qū)域100中，結(jié)晶硅膜104的晶化相對(duì)于襯底101垂直地產(chǎn)生了。而且，在不是區(qū)域100的區(qū)域，如箭頭105所示，則自區(qū)域100(平行于襯底)水平地產(chǎn)生晶體生長(zhǎng)。
另外，為促進(jìn)晶體生長(zhǎng)，獲取更致密的結(jié)晶硅膜，上述熱退火之后繼之以燈加熱退火。該退火用1.2μm紅外光完成，退火時(shí)間不長(zhǎng)于5分鐘。紅外光被硅有效地吸收，因此，可以達(dá)到顯著的改進(jìn)硅膜質(zhì)量的作用。另一方面，由于紅外光不易被玻璃襯底吸收，獲得重要的效果在于將能量有選擇地供給硅，而只有少量熱為玻璃襯底接收。用燈加熱退火的光可以是鹵鎢燈光(波長(zhǎng)0.5μm-3.5μm)之類。這種由燈加熱的退火使之能獲得致密的結(jié)晶硅膜。此外，也可用激光而不用上述燈加熱來完成退火。
而且，當(dāng)分別用上述的燈加熱退火結(jié)晶硅膜和不用上述的燈加熱形成的結(jié)晶硅膜制作N-溝型TFT時(shí)，各自測(cè)量遷移率，觀測(cè)到遷移率平均約改善20％?？梢哉J(rèn)為是由于燈加熱改進(jìn)了結(jié)晶度，尤其是薄膜的缺陷大量減少。
上述各步驟的結(jié)果，通過非晶硅膜晶化，可以獲得結(jié)晶硅膜104。然后將各元件分開規(guī)定TFT的有源層區(qū)，其中形成源/漏區(qū)以及溝道形成區(qū)。在本例中觀察到沿平行于襯底方向晶體生長(zhǎng)約覆蓋40μm或更大，所以每個(gè)有源層的長(zhǎng)度(源/漏方向的長(zhǎng)度)為40μm。在這種情況下，溝道中心與鎳摻入部位之間的距離約為20μm，但是通過調(diào)整這個(gè)距離，可以選擇有源層內(nèi)所要求的鎳濃度(尤其是在溝道形成區(qū))。
接著，用濺射法形成氧厚度1000的氧化硅膜106為柵絕緣膜。就濺射方法來說，將氧化硅做靶，濺射時(shí)襯底溫度為200-400℃，例如350℃，濺射氣氛包括氧和氬，而氬/氧比率為0-0.5，例如0.1或更小。
這些步驟之后，如前面步驟那樣，用燈加熱反復(fù)退火。這樣做為的是改善由氧化硅構(gòu)成的柵絕緣膜106與結(jié)晶硅膜104之間界面的性能。顯然，用這種燈加熱退火可以進(jìn)一步改善結(jié)晶硅膜104的結(jié)晶度。眾所周知，改善絕緣型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(圖1中，112和115是結(jié)晶硅膜部分，該部分變成溝道形成區(qū))的柵絕緣與溝道形成區(qū)之間界面的性能，以及更具體地在這些區(qū)達(dá)到缺陷密度極小化是重的。所以，在柵絕緣膜106形成之后進(jìn)行燈加熱退火具有明顯作用。另外，可以用激光器的光輻射替換燈加熱進(jìn)行退火。
接著，用濺射法形成鋁(含0.1-2％硅)膜，厚度為6000-8000，例如6000。還有，刻制成圖形，在其表面上形成柵電極107、109。然后，這些鋁電極的表面經(jīng)受陽(yáng)極氧化，形成氧化物層108、110。這種陽(yáng)極氧化是在含1-5％酒石酸的乙二醇溶液中進(jìn)行的。所得的氧化層108、110的厚度都為200。隨后的離子摻雜步驟中，這些氧化層108和110變厚，是以形成偏移柵區(qū)，因此上述陽(yáng)極氧化步驟可以規(guī)定偏移柵區(qū)的長(zhǎng)度。顯然，這些柵電極可包括硅，或可含金屬硅化物，可能主要由金屬組成、或可以具有硅和金屬的層狀結(jié)構(gòu)。
接著，用離子摻雜法(離子注入法)將雜質(zhì)加入以便把一種導(dǎo)電型賦予有源層區(qū)(制成源/漏以及溝道。本摻雜步驟中，以柵電極107及其周圍的氧化層108和柵電極109及其周圍的氧化層110用作掩模而注入雜質(zhì)。所使用的摻雜氣體是磷烷(PH3)和乙硼烷(B2H6)，對(duì)前者的情況加速電壓為60-90KV，而對(duì)后者的情況加速電壓為40-80KV，如65KV。劑量為1×1015-8×1015cm2，例如，磷為2×1015cm-2而硼為5×1015cm-2。摻雜時(shí)，用光刻膠蓋著其他區(qū)，有選擇地?fù)饺敫鞣N元素。結(jié)果，使N-型雜質(zhì)區(qū)114和116形成，使P-型雜質(zhì)區(qū)111和113形成，因此能夠形成P-溝型TFT(PTFT)區(qū)和N-溝型TFT(NTFT)區(qū)。
隨后，用激光輻照進(jìn)行退火。所用的激光來自KrF激發(fā)物激光器(波長(zhǎng)248nm，脈寬20nsec)，但其他激光器也可以用。激光輻照的條件是能量密度200-400mJ/cm2，例如250mJ/cm2，每處輻照2-10次，例如2次。激光輻照時(shí)，將襯底加熱至約200-450℃是有益的。因?yàn)樵诒炯す馔嘶疬^程中，使鎳彌散到以前結(jié)晶了的區(qū)域內(nèi)，所以激光輻照迅速地促進(jìn)了再結(jié)晶化，所以很容易激活賦予P-型摻雜的摻雜區(qū)111和113與賦予N-型摻雜的摻雜區(qū)114和116。
使源/漏區(qū)退火的有效方法是用上述燈加熱法退火，如上所述，這種燈加熱法(例如用1.2μm紅外光)能選擇地加熱硅，因此對(duì)象本實(shí)施例那樣的工藝處理是有益的，在本例中，無(wú)論如何都要避免加熱其中的玻璃襯底。
接著，用等離子CVD法形成厚6000的氧化硅膜118作為層間絕緣物，接觸孔形成于其中，再用多層金屬材料膜形成TFT電極/布線117、120，而金屬材料是，例如氮化鈦和鋁。最后，在1個(gè)大氣壓的氫氣氛中，在350℃下進(jìn)行30分鐘退火，以完成有互補(bǔ)TFT結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電路(圖1(D))。
上述的電路具有以互補(bǔ)方式設(shè)置的有PTFT和NTFT的CMOS結(jié)構(gòu)，但在上述工藝中，雙TFT可以同時(shí)構(gòu)制和分開地同時(shí)制造兩個(gè)分離的TFT。
圖2表示從圖1(D)的上面看到的外形圖。圖2中的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)于圖1中的標(biāo)號(hào)。如圖2所示，晶化的方向沿箭頭105所示的方向，而晶體生長(zhǎng)發(fā)生在源/漏區(qū)的方向(源區(qū)和漏區(qū)之間直線的方向)。當(dāng)這這種結(jié)構(gòu)的TFT工作時(shí)，載流子沿在源漏之間成針狀或柱形生長(zhǎng)的晶體遷移。也就是，載流子沿針狀或柱形結(jié)晶晶界移動(dòng)。所以，載流子移動(dòng)時(shí)可以降低所受的阻力，就可獲得高遷移率的TFT。
本例中，采用引入鎳的方法是一種將鎳選擇性地在底膜102上而在非晶硅膜104之下形硅化鎳膜(由于該膜很薄，不易辨別為膜)，從該處誘發(fā)晶體生長(zhǎng)，但方法也可以是在形成非晶硅膜104之后再選擇形成硅化鎳的一種方法。亦即，即可以從非晶硅膜的頂面也可以從底面誘發(fā)晶體生長(zhǎng)。而且，采用引入鎳的方法還可以是一種方法，其中將含鎳的電極用于等離子處理，以淀積微量鎳。可使用的另一個(gè)方法是預(yù)先形成非晶硅膜，再用離子摻雜法或離子注入法，選擇地把鎳離子注入非晶硅膜104中。該方法特征在于，可控制元素鎳的濃度。實(shí)施例2本例是設(shè)有N-溝型TFT作為各個(gè)象素開關(guān)元件的有源型液晶顯示器的實(shí)例。下面將說明有關(guān)單個(gè)象素，但許多其他象素(通常幾十萬(wàn))都以同樣的構(gòu)造形成。還有，更不必說可用P-溝道型而不用N-溝道型。而且，它還可以用在外圍電路部件中而不是用在液晶顯示器的象素部件中。還可應(yīng)用在圖象傳感器或任何其他種類的集成電路之中。換言之，對(duì)它的使用不會(huì)有特殊的限制，只要作薄膜晶體管使用即可。
圖3A-3D表示出了本例的各制造步驟的略圖。本例將Cornin97059玻璃板(厚1.1mm，300×400mm2)用作玻璃襯底201。首先，用濺射法形成底膜203(氧化硅)，厚度為2000。然后，為選擇引入鎳，用金屬掩模、氧化硅膜、光刻膠之類形成掩模203。然后，用濺射法形成硅化鎳膜。該硅化鎳膜所形成的厚度為5-200，例如20。硅化鎳膜的化學(xué)分子式為NiSix，其中0.4≤x≤2.5，例如X＝2.0。于是，在區(qū)域204上選擇地形成了硅化鎳膜。
于是，用LPCVD法或等離子CVD法，形成厚度為1000的非晶硅膜205，并在400℃除氫1小時(shí)，此后，通過熱退火使非晶硅膜晶化。在氫還原氣氛(以氫分壓為0.1-1大氣壓為好)中，550℃下進(jìn)行4小時(shí)退火處理。熱退火處理也可以在惰性氮?dú)夥罩愔羞M(jìn)行。
該退火處理中，由于硅化鎳膜已經(jīng)形成在非晶硅膜205之下部分區(qū)域(區(qū)域204)之上，晶化就在該部分開始。晶化時(shí)，如圖3(B)的箭頭所示，硅的晶體生長(zhǎng)就在已形成的硅化鎳膜的切口204處沿垂直于襯底201的方向推進(jìn)。此外，還如另一箭頭所示，在其上未形成硅化鎳膜的區(qū)域(不是區(qū)域204的區(qū)域)，晶體生長(zhǎng)沿相對(duì)于襯底的方向發(fā)生。然后，按例1相同的方法，用燈加熱進(jìn)行退火，以便改善(致密)硅膜的結(jié)晶度。
按本方案，能夠獲得包含結(jié)晶硅的半導(dǎo)體膜205。接著將上述的半導(dǎo)體膜205刻圖成為半導(dǎo)體島區(qū)，形成包括源、漏和溝道區(qū)的TFT的區(qū)。這時(shí)，在形成溝道形成區(qū)209的部位和已引入鎳的區(qū)204之間的距離就被選用來確定在溝道形成區(qū)209內(nèi)的鎳濃度。亦即，為使溝道形成區(qū)209中鎳濃度較小，可以拉長(zhǎng)該距離，而為使溝道形成區(qū)的鎳濃度較大則可縮短該距離。當(dāng)然，在此情況下，硅膜205必須是晶化了的區(qū)。
還有，用四乙氧基硅烷(TEOS)作原料，在氧氣氛中用等離子CVD形成氧化硅柵絕緣膜(厚度700-1200，一般1000)。襯底的溫度定在400℃以下，以200-340℃為好，以防止玻璃收縮和翹曲。然后，按例1相同的方式用紅外發(fā)射燈加熱進(jìn)行1-5分鐘，以改善半導(dǎo)膜205與柵絕緣膜206之間的界面特性。
接著，用CVD法形成主要由硅組成的公知的膜，并且將它刻成圖形，形成柵極207。再用離子注入法給它摻以磷，作為N-型雜質(zhì)，以自對(duì)準(zhǔn)方式形成源區(qū)208、溝道形成區(qū)209和漏區(qū)210。然后，用KrF激光輻照，以改善因離子注入損傷了結(jié)晶度的硅膜結(jié)晶度。在這里，激光的能量密度為250-300mJ/cm2。此激光輻照的結(jié)果，該TFT的源/漏薄層電阻是300-800Ω/□2。在本工藝中，還可用紅外燈加熱來替代激光。
接著，由氧化硅形成中間絕緣膜211，而象素電極212則用ITO形成。此外，在其中形成接觸孔，再用鉻/鋁多層膜在TFT的源/漏區(qū)上形成電極213、214，而電極213之一也與ITO 212連接。最后在200-300℃下的氫中，進(jìn)行2小時(shí)退火以完成硅的氫化。于是，完成了TFT。對(duì)其他象素區(qū)，也同時(shí)施行本工藝。
本例制作的TFT利用結(jié)晶硅膜，而在該硅膜中晶體生長(zhǎng)發(fā)生載流子流動(dòng)的方向上，作為有源層由源區(qū)、溝道形成區(qū)和漏區(qū)制成，于是因?yàn)檩d流子沿針狀或柱形結(jié)晶體的晶界移動(dòng)，沒有貫穿晶界，所以，所獲得的TFT有很高載流子遷移率。本例制造的TFT是一種N-溝道型，而且它的遷移率為90-130(cm2/VS)?？紤]到用常規(guī)熱退火法，在600℃下經(jīng)48小時(shí)晶化得到的結(jié)晶硅制成的N-溝道型TFT的遷移率為80-100(cm2/VS)，所以，性能上的改善是可觀的。
測(cè)定用類似于上述工藝制造的P-溝道型TFT的遷移率得出為80-120(cm2/VS)?？紤]到用常觀熱退火法，在600℃下經(jīng)48小時(shí)晶化得到的結(jié)晶硅制成的P-溝道型TFT的遷移率為30-60(cm2/VS)。這也是一個(gè)可觀的特性上的改善。
圖5A和5B用圖解說明上述的構(gòu)造。即，圖5A是一個(gè)TFT的示意剖面圖，而圖5B是其中有源、漏和溝道區(qū)的半導(dǎo)體島217的示意平面圖。特別是，圖5B用圖解說明在晶體生長(zhǎng)方向與溝道電流流動(dòng)的源-漏方向之間的關(guān)系。標(biāo)號(hào)215表示每個(gè)硅晶體都沿一個(gè)方向延伸。標(biāo)號(hào)216則表示晶體之間的晶界。由此可見，是這樣排列該源區(qū)、漏區(qū)和溝道區(qū)的，實(shí)際上使源-漏方向與硅晶體均勻延伸的方向一致。所以，晶界216對(duì)通過溝道區(qū)的電流不會(huì)有有害的影響。實(shí)施例3這是對(duì)例2TFT的改進(jìn)，把源/漏配置在與晶體生長(zhǎng)方向相垂直的方向。這就是，載流子移動(dòng)的方向垂直于晶體生長(zhǎng)方向的構(gòu)造實(shí)例，于是，載流子的移動(dòng)要貫穿針形或柱狀晶體的晶體晶界。對(duì)于這種構(gòu)造類型來說，會(huì)增大源和漏之間的電阻。這是由于載流子必須如此移動(dòng)，使載流子貫穿針形或柱狀的晶體晶界的緣故。
圖5C表示用圖解說明這個(gè)條件的示意圖。亦即，圖5C表示其中有源、漏和溝道區(qū)的半導(dǎo)體島217的一個(gè)平面圖。以這樣方式安排源區(qū)和漏區(qū)之間的方向，使許多硅晶體按垂直于源-漏方向的方向延伸。標(biāo)號(hào)216指明該晶界。應(yīng)該注意，圖5B和5C就是用來說明晶體生長(zhǎng)方向與源-漏方向之間的關(guān)系，而不是試圖表示晶體的實(shí)際尺寸或形狀。
為實(shí)現(xiàn)本例的構(gòu)造，就只需確定例2構(gòu)造的TFT的取向。實(shí)施例4本例的主要方面在于這樣的事實(shí)，將例2構(gòu)造的TFT的取向(在此，取向定義為源/漏區(qū)之間的連線，即，由載流子流的取向來決定TFT的方向)設(shè)在結(jié)晶硅膜的晶體生長(zhǎng)方向?qū)τ谝r底表面成所要求的角度處，用來選擇TFT的特性。
如上所述，如果允許載流子沿晶體生長(zhǎng)的方向移動(dòng)，那末遷移率的等級(jí)就會(huì)改善。另一方向，如果讓載流子相對(duì)于晶體生長(zhǎng)方向垂直移動(dòng)，則載流子必須穿過多個(gè)晶界，于是載流子的遷移率等級(jí)就降低。
因而，通過在這兩個(gè)條件間的適當(dāng)選擇，就是通過在0-90°范圍內(nèi)設(shè)定在載流子移動(dòng)方向與晶體生長(zhǎng)方向之間的角度，就能控制載流子的遷移率。從不同角度看，由于設(shè)定上述的載流子移動(dòng)方向與晶體生長(zhǎng)方向之間的角度，就變成能夠控制源區(qū)的漏區(qū)之間的電阻。當(dāng)然，這種構(gòu)造也可用于例1的構(gòu)造。在這種情況下使圖2所示的加微量鎳的狹長(zhǎng)形區(qū)100在0-90°角范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，以便在由箭頭105所示的晶體生長(zhǎng)方向與源和漏區(qū)連線之間的角度0-90°內(nèi)選定角度。另外，這個(gè)角度可設(shè)定于0°附近，以增大遷移率，用于源區(qū)和漏之間有低電阻的構(gòu)造。而且，這個(gè)角度可設(shè)定于接近90°，以降低遷移率，用于源區(qū)和漏區(qū)之間有很大電阻的構(gòu)造，亦即，高阻溝道形成的構(gòu)造。實(shí)施例5本例是一個(gè)實(shí)例，其中在例1或例2的非單晶硅半導(dǎo)體膜的晶化工藝中，形成加氯的氧化硅膜，然后用燈加熱結(jié)晶化。本例1和2中，首先形成非單晶硅膜接著在550℃加熱4小時(shí)晶化硅膜，再用燈加熱促進(jìn)并改善結(jié)晶度。但在本例中這個(gè)工藝過程進(jìn)一步發(fā)展了，當(dāng)燈加熱時(shí)，使晶化用的催化元素得到吸附。
在本例中，首先按例1和例2說明的方法加熱形成結(jié)晶硅膜。這個(gè)步驟是通過用550℃熱退火約4小時(shí)來活化催化劑元素(例如，鎳)實(shí)現(xiàn)的。此后，形成厚度為1000的加氯氧化硅膜。然后，經(jīng)過氧化硅膜進(jìn)行燈加熱。燈加熱的條件與例1一樣。這樣，就改善了以前加熱已晶化了的結(jié)晶硅膜的結(jié)晶度(促進(jìn)了該膜的增密)，同時(shí)，氧化硅膜中氯的作用引起對(duì)晶化催化劑元素的吸附。于是，可以獲得催化劑元素被固定的結(jié)晶硅膜，而因此降低催化劑元素對(duì)器件工作的影響。
此后，除去加氯的氧化硅膜，再形成氧化硅膜作為柵絕緣膜。其余的連續(xù)各步驟則與例1和例2說明過的一樣。實(shí)施例6本例是一個(gè)實(shí)例，其中在圖4所示的例2的制造工藝中，在底膜202的整個(gè)上表面上形成硅化鎳膜，以誘發(fā)沿垂直于襯底的方向的整個(gè)硅膜表面晶體生長(zhǎng)。通過在不帶掩模203的整個(gè)底膜202的上表面形成硅化鎳膜，隨后按例2說明的方法形成非晶硅膜205，并外加晶化步驟而完成TFT的制造。
根據(jù)本實(shí)施例的TFT的粗略剖面圖與圖3(D)所示的一個(gè)TFT沒有區(qū)別，但在有源層的針狀或柱形晶體的生長(zhǎng)方向則垂直于襯底201，而源/漏區(qū)208、210和溝道形成區(qū)209形成于有源層中。結(jié)果，在源區(qū)(208或210)與漏區(qū)(210或208)間移動(dòng)的載流子就按載流子貫穿針狀或柱形晶體晶界的方式移動(dòng)。所以，TFT的源和漏區(qū)間的電阻稍高。這樣的TFT的遷移率為100cm2/VS或以下，但因它的關(guān)斷電流低，作為用于保存電荷的液晶顯示器的象素的TFT是一種理想的類型。
不過，諸如本例中的一個(gè)TFT有成品率和可靠性問題，因?yàn)樵谟性磳又械逆嚌舛?，如上所述，難以控制。這些問題可以通過采用能控制摻鎳量的方法(諸如離子注入法)予以減輕。實(shí)施例7本例是一個(gè)實(shí)例，其中除用加熱晶化催化劑元素的VIII族元素外，還用離子注入IV族元素來進(jìn)一步促進(jìn)晶化。用于本例的制造工藝將參照?qǐng)D1予以說明。這時(shí)，除非另有說明，在制造的各個(gè)步驟中的制作條件和膜厚都與例1闡述的一樣。
首先，在玻璃襯底101上形成底膜(氧化硅膜)，其上又形成掩模103，以及在露出區(qū)100上形成選擇性晶化用的VIII族元素的催化劑元素薄膜(本實(shí)例中為鎳)。然后，除去掩模103，再用等離子CVD法在其上形成非單晶硅膜，在這里是非晶硅膜104。接著，用離子注入法，將IV族元素硅注入整個(gè)表面。這時(shí)，射入范圍被調(diào)整到襯底的側(cè)面，靠近硅膜104和底膜102的界面。離子注入的加速電壓為60KV，而劑量為2×1015cm-2。結(jié)果，能夠在襯底(包括底膜)與非晶硅膜104之間的界面附近徹底地制成非晶，于是，使晶化核的出現(xiàn)減至最小。
這里之所以用IV族元素，是因這種雜質(zhì)對(duì)硅是電中性的。所用的IV族元素可以是C、Si、Ge、Sn或Pb，但Si、Ge和Sn特別好。另外，劑量可以是5×1014-5×1016cm-2。
此后，在550℃加熱4小時(shí)，使非晶硅膜104晶化。這時(shí)，晶體生長(zhǎng)從區(qū)域100沿平行于襯底方向發(fā)生生長(zhǎng)，如箭頭105所示。這種晶體生長(zhǎng)可以是針狀或柱形的。主要在襯底和非晶硅膜(雖稱之為非晶硅膜，但這是程度問題，且仍存在晶體組元)之間的界面處成為晶體生長(zhǎng)的核的晶體組元要通過預(yù)先注入的硅離子予以除去，所以，晶體生長(zhǎng)時(shí)，從區(qū)域100平行于襯底發(fā)生的晶體生長(zhǎng)不會(huì)受從硅膜100與底膜102間的界面擴(kuò)展的晶體生長(zhǎng)的干擾，因此允許的滿意的取向晶體生長(zhǎng)，即，按一致的方向的晶體生長(zhǎng)。
然后，如例1所說明，形成PTFT和NTFT，完成互補(bǔ)TFT電路。在取向滿意的結(jié)晶硅膜，例如本例的硅膜中，如果形成TFT，使晶體生長(zhǎng)方向和載流子移動(dòng)方向一致，因而載子移動(dòng)時(shí)，在所制得的結(jié)構(gòu)中，實(shí)際上晶體的晶界便沒有影響。換言之，高速工作變?yōu)榭尚?。例如，用?給出的工藝形成的NTFT的遷移率為90-130cm2/VS，但是，在加熱晶化前用硅離子注入形成本例的NTFT則遷移率為150-170cm2/VS。
進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)晶度并獲得具有本例觀測(cè)到的很大遷移率的TFT，看來是由于晶體生長(zhǎng)平行于襯底從已引入VIII族元素鎳的區(qū)域開始的事實(shí)，因?yàn)榫w組元有利于垂直于襯底的晶體生長(zhǎng)，因此預(yù)先徹底除去與上述晶體生長(zhǎng)有關(guān)的界面，就能使平行于襯底的晶體生長(zhǎng)是占主導(dǎo)地位?？梢哉J(rèn)為那是特別有效，使硅膜及其底面(例如襯底)之間界面附近成為完全非晶，該處存在晶核，從晶核開始晶體會(huì)垂直于襯底生長(zhǎng)。實(shí)施例8本例是一個(gè)有源型液晶顯示器的實(shí)例，其中外圍驅(qū)動(dòng)電路由TFT組成，其制造工藝給出在例1和2中，用VIII族元素，如鎳，催化劑作用進(jìn)行晶化，而配置在象素部件的TFT由固有的非晶硅TFT構(gòu)成。
眾所周知，有源型液晶顯示器的外圍驅(qū)動(dòng)電路部件的TFT要求有很大的遷移率(100cm2/VS或更大)，能允許流過較大的通導(dǎo)電流；但是設(shè)在象素部件的TFT必須關(guān)斷電流很小，以保持電荷，而相當(dāng)小的遷移率(約10cm2/VS)，以避免因光照射的誤動(dòng)作。
用例1和例2所述的TFT構(gòu)成外圍電路部件以及用公知非晶硅TFT(α-Si TFT)形成象素部件稍微滿足這些要求。但是，使用非晶硅膜的TFT只有遷移率1cm2/VS或以下，因此這方面仍留下問題。實(shí)施例9本例是一個(gè)例8的改進(jìn)，其中制作外圍電路部件的TFT，如例1和2所述，具有很大遷移率，為100cm2/VS或更大，同時(shí)，象素部件的TFT則具有例3和6的那樣遷移率。
例6所述的TFT是這樣構(gòu)成的，使晶體長(zhǎng)生沿垂直于襯底方向進(jìn)行，致使晶體的晶界垂直于載流子流動(dòng)方向，因此載流子貫穿多重晶體的晶界。這種TFT遷移率很小，因?yàn)檩d流子的移動(dòng)受晶體晶界的阻礙之故。然而，由于關(guān)斷電流小，可以增加電荷保持系數(shù)，因此適合用作象素的TFT。雖然如此，如果象例1和2那樣因薄膜引入了鎳，重現(xiàn)性會(huì)很差，而所得到的遷移率幾乎高至100cm2/VS，則作為象素TFT是超過規(guī)定了。
本例中，由于使用離子注入法就解決子上述問題，而用離子注入法引入鎳，同時(shí)可控鎳濃度。首先，采用離子注入克服了膜中鎳濃度重現(xiàn)性差的問題。而且，由于降低了膜中的鎳濃度，它能稍稍損壞結(jié)晶度，以減小遷移率。當(dāng)然，降低遷移率也可以用增大源與漏之間電阻的方式，例如，特意地將氧或氮引入溝道區(qū)和源/漏區(qū)的方法、使導(dǎo)電類型的雜質(zhì)摻入源/漏區(qū)的量減少、或者縮短激活工藝過程增大源/漏區(qū)電阻的方法、使溝道相對(duì)源/漏區(qū)為弱的反導(dǎo)電型的方法、以及使源和漏的接觸位置分開更大距離(即，利用源/漏的薄層電阻)的方法，等等都可以實(shí)現(xiàn)降低遷移率。
因此，本例采用硅膜晶化用的催化劑元素鎳，由離子注入法注入非晶硅膜的方法，而此時(shí)，鎳以低濃度注入象素部件的全部表面，而以高濃度注入外圍電路部件，而且進(jìn)一步通過使制造用的結(jié)晶硅膜的晶體生長(zhǎng)沿垂直于襯底方向產(chǎn)生來形成象素部件的TFT，而通過使制造用的結(jié)晶硅膜的晶體生長(zhǎng)沿平行于在外圍電路部件的襯底方向產(chǎn)生來形成在外圍電路部件中的TFT。
此外，具有上述結(jié)構(gòu)最后得到TFT在象素元件處，具有低的斷開電流，遷移率大約為10-50cm2/VS，在外圍電路部件處，具有大的通路電流，遷移率為100cm2/VS或者更大。
另外，如果只制造外圍電路部件使之具有很大遷移率，那末，就可以在該區(qū)離子注入中性元素，如例7所說明。
如上所示，對(duì)使用非單晶硅半導(dǎo)體膜的TFT來說，其中晶體生長(zhǎng)發(fā)生在平行于襯底表面的方向，TFT中載流子移動(dòng)的流動(dòng)方向與發(fā)生晶體生長(zhǎng)的方向一致，因在該結(jié)構(gòu)中，載流子的移動(dòng)是沿著(平行于)針狀或柱形晶體的晶界的，就獲得一種有很大遷移率的TFT。而且，由于這種TFT可以在溫度低至600℃或以下形成，就能夠用便宜的玻璃作為襯底。
此外，可以選擇地制作要有不同遷移率的TFT。具體地說1.使用結(jié)晶硅膜，其中的晶體生長(zhǎng)方向是平行于襯底，這樣制成的TFT，則載流子的移動(dòng)沿晶體的晶界方向。2.使用結(jié)晶硅膜，其中的晶體生長(zhǎng)方向平行于襯底，這樣制成的TFT，則載流子的移動(dòng)貫穿晶體的晶界。3.制作TFT的區(qū)域，其中晶體生長(zhǎng)發(fā)生在垂直于襯底的方向。4.當(dāng)用于晶化，局部引入催化劑元素，以便選擇地形成結(jié)晶硅膜，而該膜則用于增大特殊部件的TFT的遷移率。
特別是，由于離開為了晶化而已經(jīng)引入了催化劑的區(qū)域的區(qū)域處的結(jié)晶硅膜具有線性取向，這樣的線性取向大體可以與載流子的移動(dòng)方向一致，以獲得一種有很大遷移率的半導(dǎo)體器件。具體地說，由于絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的溝道形成區(qū)應(yīng)用了這種構(gòu)造，就可獲得高速響應(yīng)的TFT。
選定和描述各個(gè)實(shí)施例，是為了說明本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，以便使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能利用本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例并作出許多修改，以適合于特殊的使用設(shè)想。例如，當(dāng)源/漏方向(即沿溝道長(zhǎng)度方向)完全與晶體生長(zhǎng)方向相符合時(shí)，就可使TFT的載流子遷移率達(dá)到最大值，如果其方向彼此交叉成正負(fù)20°以內(nèi)的角度，則可獲得滿意的高遷移率。所以，這就是發(fā)明人的意圖在于說明這些方向基本上彼此平行、只要這些方向交叉成該范圍內(nèi)的角，甚至它們不完全彼此平行也可以。
權(quán)利要求
1.一種具有半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體器件，包括作為有源層的硅，其中，所述的半導(dǎo)體層有結(jié)晶體結(jié)構(gòu)，而且至少局部地?fù)饺氪龠M(jìn)晶化的材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，所述半導(dǎo)體層中的所述材料的濃度不大于2×1019原子/cm3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，所述促進(jìn)材料包括鎳。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，所述促進(jìn)材料包括選自由Fe、Co、Ni、Cu、Pd、Ag和Pt構(gòu)成的組中的元素。
5.一種半導(dǎo)體器件包括一具有絕緣表面的襯底；以及在所述絕緣表面上形成至少兩個(gè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，各所述晶體管包含至少一個(gè)結(jié)晶的包括有晶化促進(jìn)材料摻入硅的溝道區(qū)，其中，所述晶體管之一有其結(jié)晶溝道區(qū)，其中晶體生長(zhǎng)方向與其溝道長(zhǎng)度一致，而另一所述晶體管有其結(jié)晶溝道區(qū)，其中晶體生長(zhǎng)方向不與其溝道長(zhǎng)度方向一致。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中，在另一所述晶體管的溝道區(qū)中的晶體生長(zhǎng)方向大約垂直于其溝道長(zhǎng)度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中，在所述溝道區(qū)要通過的電流是沿著各自晶體管的所述溝道長(zhǎng)度的方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的半導(dǎo)體器件，其中，在所述半導(dǎo)體層中的所述材料的濃度不高于2×1019原子/cm3。
9.一種半導(dǎo)體器件包括一具有絕緣表面的襯底；以及在所述絕緣表面上形成至少一個(gè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述晶體管包含至少一個(gè)結(jié)晶的包括摻入晶化促進(jìn)材料的硅的溝道區(qū)其中，所述溝道區(qū)的晶體生長(zhǎng)方向?qū)嶋H上與其溝道長(zhǎng)度平行。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的半導(dǎo)體器件，其中，在所述半導(dǎo)層的所述材料濃度是不高于2×1019原子/cm3。
11.一種半導(dǎo)體器件包括一具有絕緣表面的襯底，以及在所述絕緣表面上形成至少一個(gè)絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管，所述晶體管含至少一個(gè)結(jié)晶的包括摻以晶化促進(jìn)材料的硅溝道區(qū)，其中，所述溝道區(qū)的晶體生長(zhǎng)方向大約垂直于其溝道長(zhǎng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中，在所述半導(dǎo)體層的所述材料的濃度不高于2×1019原子/cm3。
13.權(quán)利要求9或11的半導(dǎo)體器件，其中電流是沿所述溝道長(zhǎng)度在所述溝道區(qū)中流動(dòng)。
14.權(quán)利要求11的半導(dǎo)體器件，其中所述晶體管形成在玻璃襯底上。
15.一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括一溝道半導(dǎo)體層其包括硅；源和漏區(qū)，所述的溝道半導(dǎo)體層介于其中；一靠近于并直接與所述溝道半導(dǎo)體層接觸而設(shè)置的柵絕緣層；以及一鄰接于所述溝道半導(dǎo)體層，而所述柵絕緣層位于其間的柵電極，其中，所述溝道半導(dǎo)體具有晶體結(jié)構(gòu)，且摻入晶化促進(jìn)材料。
16.權(quán)利要求15的半導(dǎo)體器件，其中所述促進(jìn)材料包括選自由Fe、Co、Ni、Cu、Pd、Ag和Pt構(gòu)成的組中的一種元素。
17.一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括一溝道半導(dǎo)體層，包括硅；源和漏區(qū)，所述的溝道半導(dǎo)體層介于其間；一鄰接于且直接與所述溝道半導(dǎo)體層接觸的柵絕緣層；以及一鄰接于所述溝道半導(dǎo)體層，并使所述柵絕緣層位于其間的柵電極，其中所述溝道半導(dǎo)體摻入晶體促進(jìn)材料，且包括實(shí)際上沿平行于它的溝道長(zhǎng)度方向延伸的晶體。
18.權(quán)利要求17的半導(dǎo)體器件，其中在所述半導(dǎo)體層的所述材料的濃度不高于2×1019原子/cm3。
19.一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括一溝道半導(dǎo)體層，包括硅；源和漏區(qū)，而所述溝道半導(dǎo)體層介于其間；一鄰接于且直接與所述溝道半導(dǎo)體層接觸的柵絕緣層；以及一鄰接于所述溝道半導(dǎo)體層，并使所述柵絕緣層位于其間的柵電極，其中，所述溝道半導(dǎo)體摻入晶化促進(jìn)材料，且包括沿垂直于它的溝道方向延伸的晶體。
20.權(quán)利要求19的半導(dǎo)體器件，其中在所述半導(dǎo)體層的所述材料的濃度不高于2×1019原子/cm3。
21.一種半導(dǎo)體器件包括一有絕緣表面的襯底；一P-溝道型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管形成在所述絕緣表面上；以及一n-溝道型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管形成于所述絕緣表面上，且與所述P-溝道晶體管連接成互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)所述晶體管都具有一摻入晶化促進(jìn)材料的結(jié)晶溝道半導(dǎo)體層，和其中所述晶體管兩者的所述溝道半導(dǎo)體層都包括與它的溝道長(zhǎng)度方向平行延伸的硅晶體。
全文摘要
一種絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括一硅溝道區(qū)，該硅用加熱退火法晶化而適當(dāng)?shù)慕饘僭刂T如鎳之類協(xié)助晶化。該晶化在硅膜中橫向從直接引入鎳的部分發(fā)生。該TFT按這種方式設(shè)置，使TFT的源-漏方向與晶體生長(zhǎng)的方向相一致或在所要求的方向與晶體生長(zhǎng)方向相交叉。
文檔編號(hào)H01L21/84GK1115499SQ9410953
公開日1996年1月24日 申請(qǐng)日期1994年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月12日
發(fā)明者宮永昭治, 大谷久, 寺本聰 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所