專利名稱：薄膜半導體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜半導體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，薄膜半導體器件(還被稱為薄膜晶體管(TFT)器件)形成在一個半導體基片上，其一般包括在例如非堿性玻璃或石英玻璃這樣的絕緣材料的基層上的例如硅這樣的半導體材料的薄膜層。在該半導體的薄膜層中，形成置于源區(qū)和漏區(qū)之間的多個溝道，并且每個溝道具有由一個絕緣膜與上述區(qū)域分離的柵極。
圖4(a)至4(b)示出用于制造該TFT的典型常規(guī)處理，其中包括如下步驟(a)至(e)的次序。
(a)在例如玻璃這樣的絕緣材料的基層(201)上形成例如硅這樣的非單晶半導體材料的薄膜層(202)，(b)通過用例如準分子激光器這樣的能量束(203)照射而使得該半導體層(202)結(jié)晶，(c)在處理該結(jié)晶半導體層(204)以形成一個”島狀物”(205)之后，形成例如氧化硅(SiO2)這樣的絕緣材料的柵絕緣膜(206)，(d)在該柵絕緣膜上形成一個柵極(207)，通過使用例如注入掩膜這樣的柵極(207)把例如磷離子這樣的雜質(zhì)離子(208)注入到該結(jié)晶半導體層(204)中。
(e)在形成有效源區(qū)(209)和漏區(qū)(210)以及置于它們之間的溝道區(qū)(211)之后，在該源區(qū)和漏區(qū)上形成接觸孔，并且最后形成源極(212)和漏極(213)。
上述典型常規(guī)處理的一個缺點是結(jié)晶半導體的結(jié)晶粒度變?yōu)榭勺儯⑶医Y(jié)果與一個溝道區(qū)交叉的晶界的數(shù)目在每個單位溝道區(qū)處也變?yōu)榭勺儭?br> 這種與每個溝道區(qū)交叉的晶界的數(shù)目的變化導致每個TFT的特性變化，例如遷移率和工作閾值電壓。當由“Lg”表示溝道長度，并且由“φ”表示結(jié)晶粒度，則在“φ/Lg＜＜1”時，TFT特性的變化不明顯。但是，在“φ/Lg＞1/5”的情況中，隨著“φ/Lg”的增加，TFT特性的變化變得顯著。例如，在制造具有大約5μ×5μ的溝道尺寸的標準尺寸的TFT的情況中，當一個多晶硅薄膜由具有例如從1μm至幾十微米的結(jié)晶粒度的晶粒所構(gòu)成時，在源/漏方向上的晶界的數(shù)目在“0-5”的量級，其不可避免地造成可以觀察到的TFT特性的變化。
另外，由上述常規(guī)處理所制造半導體薄膜，由于用激光照射進行退火的結(jié)晶不可避免地在該晶界的三接觸點處形成山脈狀凸起。在形成50nm厚的多晶硅薄膜的情況下，這種凸起的高度可以是3080nm。這種凸起的存在導致在該柵絕緣膜和半導體膜之間的界面不平整，這傾向于由于在該界面處的載流子的擴散而導致遷移率的下降，或者由于在端部的電場集中而導致導致性能下降。
用于避免上述缺點的一種可能方式是把該柵絕緣膜的厚度增加到大約100nm的程度。但是，這種方式可能造成導通狀態(tài)的電流的電平下降。厚度的增加可能進一步導致通過把雜質(zhì)注入到源/漏區(qū)的激活率變化，由于雜質(zhì)的原子分離到該晶界上，這接著導致電極電阻的變化。
為了增加結(jié)晶粒度或者避免結(jié)晶粒度變化的目的已經(jīng)作出許多嘗試，而不改變在上述常規(guī)處理中的步驟次序。例如，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)提出一種新的方法，用于通過美國專利申請No.10/19285制造薄膜半導體器件，其中按照這樣的方式來以分布的照射強度來執(zhí)行能量束的照射，以在預(yù)定區(qū)域把射束強度順序地從最大值減小到最小值，從而獲得具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的均勻結(jié)晶粒度的一種薄膜半導體器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明人要開發(fā)一種新的方法，其不限于在常規(guī)方法中的步驟次序，可以獲得一種薄膜半導體器件，其中大尺寸的晶粒被規(guī)則地設(shè)置在對應(yīng)于每個單位溝道的位置處。
本發(fā)明的一個目的是提供一種薄膜半導體器件，其中大尺寸晶粒被以規(guī)則的形態(tài)分布在每個溝道區(qū)處，并且在柵絕緣膜和結(jié)晶的半導體層之間的界面平整，以及提供一種用于制造這種器件的方法，其可以通過采用不同于常規(guī)方法的步驟次序，特別是不同于用于執(zhí)行結(jié)晶的步驟次序來有效地獲得上述器件。
在用于制造本發(fā)明的薄膜半導體器件的方法中，用于在該方法的早期階段執(zhí)行曾經(jīng)在常規(guī)方法的后期階段執(zhí)行的形成柵極的步驟。
用于制造本發(fā)明的薄膜半導體器件的方法包括如下步驟(a)在一個絕緣材料的基層上形成非單晶半導體的多個島狀薄膜層，(b)形成遮蔽該島狀薄膜層的絕緣膜層，(c)在對應(yīng)于該島狀薄膜層的上部分處的非單晶半導體的絕緣膜層上形成柵極，(d)通過使用該柵極作為照射掩膜用來自上方的激光束照射非單晶半導體薄膜層的島狀薄膜層，從而通過使得被該柵極所遮蔽的島狀薄膜層的中央部分結(jié)晶而形成一個溝道區(qū)，并且同時通過使得不被該柵極所遮蔽的島狀薄膜層的兩側(cè)部分退火而形成源區(qū)和漏區(qū)，以及(e)在該絕緣層中形成接觸孔之后，在該源區(qū)和漏區(qū)上形成源極和漏極。
另外，本發(fā)明包括提供一種薄膜半導體器件，其中包括一個絕緣材料的基層，形成在該基層上的薄膜半導體層，其中形成有源極區(qū)、漏極區(qū)和溝道區(qū)，在該溝道區(qū)的上側(cè)形成一個柵極，通過使用柵極作為照射掩膜從上方照射激光束而使得所述溝道區(qū)結(jié)晶。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其中通過使用柵極作為照射掩膜來執(zhí)行激光照射，可以使得用于溝道區(qū)的加熱溫度成為適用于形成大尺寸晶粒的溫度，并且同時通過例如在非單晶半導體薄膜層中要成為溝道區(qū)的部分被該柵極所遮蔽的狀態(tài)下執(zhí)行照射這樣的簡化方法使得對其他區(qū)域的加熱溫度成為適用于形成源區(qū)和漏區(qū)的溫度。因此，以簡化的方法和低成本同時實現(xiàn)在溝道區(qū)中進行大尺寸晶粒的半導體的結(jié)晶和源/漏區(qū)的激活。
本發(fā)明的方法可以減小在溝道區(qū)中的晶晶粒邊界的數(shù)目和在該數(shù)目每個溝道區(qū)處的變化，從而容易地獲得一種可以大大地減小遷移率或工作閾值電壓的TFT。
本發(fā)明的方法可以減小由于在晶界處存在凸起而導致結(jié)晶層的表面的粗糙度，并且使得結(jié)晶層和柵絕緣膜層之間的界面平整，從而可以減小柵絕緣膜的厚度并且避免載流子在該界面區(qū)域上的分散。因此，可以獲得具有高遷移率或者高導通狀態(tài)電流的TFT。
本發(fā)明的方法可以通過對島狀薄膜層的點照射而執(zhí)行照射而大大地減小用于照射的成本。
本發(fā)明的方法可以使用多晶硅作為用于形成柵極的材料，而不是使用例如鎢這樣的昂貴材料，從而大大地減小該處理成本。


圖1為示出根據(jù)本發(fā)明用于制造薄膜半導體器件的實施例的步驟的示意圖；圖2為示出根據(jù)本發(fā)明而制造的薄膜半導體器件的柵極的表面區(qū)域的圖案的示意圖；圖3為示出在本發(fā)明的照射處理中的照射射束強度的分布模式的示意圖；圖4為示出用于制造薄膜半導體器件的典型常規(guī)處理的步驟的示意圖。
具體實施例方式
在用于制造根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導體器件的方法中，可以根據(jù)通常的方式執(zhí)行形成非單晶半導體的薄膜層以及把其處理為“島狀”的步驟。也就是說，通過使用化學汽相淀積或濺射這樣的方法，把例如硅(Si)、鍺(Ge)或者SiGe這樣的半導體材料被淀積(102)在由例如硅酸鹽玻璃、石英玻璃、藍寶石、塑料聚酰胺這樣的材料的薄片所構(gòu)成的基層(101)上(圖1(a))。需要使其厚度小于60nm。該非單晶半導體的薄膜層可以是一個無定型半導體的淀積層或半導體層，其中已經(jīng)形成小尺寸的晶體。
然后，在上述半導體薄膜層中，通過使用例如蝕刻這樣的方法形成大量島狀物(105)。每個島狀物的尺寸通常大約為30×10μm。
在形成該島狀物之后，按照這樣的模式淀積一個絕緣膜層(106)，以遮蔽該島狀物(圖1(b))。圖1(b)僅僅示出一個島狀物及其附近的情況，用于說明的目的。作為用于形成該絕緣膜層的材料，通常使用氧化硅(SiO2)，并且作為用于淀積這樣的材料的方法，可以使用利用四乙基原硅酸鹽(TEOS)或氧(O2)執(zhí)行的等離子體化學汽相淀積。
在由該絕緣材料所遮蔽的非單晶半導體的島狀薄膜層還沒有被退火的階段(圖1(c))，在該絕緣材料的淀積之后，柵極(107)形成在該絕緣膜層上。
利用例如鋁、摻雜有高濃度磷的多晶硅(p-Si)、鎢(W)、TiW、WSi2、MoSi2這樣的材料形成柵極。從而在照射階段，該柵極形成在對應(yīng)于非單晶半導體薄膜層的島狀物中的近似中央部分的上部位置處，以在該島狀薄膜層中形成兩個部分，即被該柵極遮蔽的中央部分和不被遮蔽的兩側(cè)部分。
希望該柵極可以吸收，并且在一定程度上發(fā)射激光束，而不完全反射它，從而一定量的激光束可以到達該島狀薄膜層的溝道區(qū)部分，并且退火條件變得適用于結(jié)晶，以獲得大尺寸的晶體。為了上述目的，最好使得該柵極(107)的表面(107A)變得平整(圖2(a))，或者在該柵極的表面上形成多層薄膜(107B)。
由例如磷這樣的雜質(zhì)摻雜的多晶硅膜可以被用作為柵極的材料。在常規(guī)的處理中，由于應(yīng)當在熔爐中在大約900℃的高溫下執(zhí)行退火步驟，因此如果多晶硅被用作為用于形成柵極的處理，則玻璃片不能夠被用作為該基底絕緣層。但是，由于在本發(fā)明的處理需要這樣的高溫，因此多晶硅可以被用作為用于柵極的材料，從而即使當玻璃片被用作為該基層時，不需要使用例如鎢這樣的昂貴材料。
在形成柵極之后，從上方執(zhí)行例如激光束(103)這樣的能量束的照射(圖1(d))，從而通過退火使得非單晶半導體薄膜層的薄膜層受到結(jié)晶。在此時，被該柵極所遮蔽的島狀物的中央部分(即，溝道區(qū))暴露在比照射到不被該柵極所遮蔽的島狀物的兩側(cè)部分(即，源/漏區(qū))的照射射束更弱的照射射束之下。
結(jié)果，通過受到強退火作用，兩側(cè)部分變?yōu)槲⑿〕叽缇Я５膶用?。另一方面，由于減弱的退火作用，一種晶體在該溝道區(qū)中產(chǎn)生并且生長到大尺寸晶粒?？梢栽诩す馐恼丈渲盎蛑髮u狀薄膜層執(zhí)行雜質(zhì)離子(108)的注入。圖1(c)示出在激光照射之前執(zhí)行離子注入的一種模式。在P型TFT的情況中，以大約1015/cm-2的BT2+這樣的量級執(zhí)行雜質(zhì)離子注入。通過把雜質(zhì)離子注入到島狀非單晶層，不被柵極遮蔽的兩側(cè)區(qū)域變?yōu)樵磪^(qū)(109)或漏區(qū)(110)，并且被柵極所遮蔽的中央?yún)^(qū)域變?yōu)闇系绤^(qū)(111)。
與常規(guī)方法相同，激光束的照射可以向一個晶片的整個表面執(zhí)行。但是，在本發(fā)明的處理中，由于在照射階段，要被照射的半導體層已經(jīng)被處理為島狀，因此通過點照射可以僅僅向島狀半導體層及其附近執(zhí)行照射?？梢酝ㄟ^改變激光束強度的分布而控制在溝道區(qū)中的晶粒的形成模式。例如，當不均勻強度的激光束被照射到如圖3(a)中所示的一個島狀層時，在該溝道區(qū)的中央部分中雙向地生長大結(jié)晶粒度的晶體，從而晶界出現(xiàn)在該溝道區(qū)的中央部分中。另一方面，當照射具有從一側(cè)到另一側(cè)增加或降低的傾斜分布射束強度的激光束時，晶粒在從溝道區(qū)的一端到另一端的方向上生長，從而在該溝道區(qū)中形成大尺寸的單晶顆粒。
在執(zhí)行激光束的照射之后，在對應(yīng)于源區(qū)和漏區(qū)的位置處，在該柵絕緣膜層中形成接觸孔。然后，通過把電極材料填充到該孔中而形成源極和漏極，從而完成薄膜半導體器件。
權(quán)利要求
1.一種用于制造薄膜半導體器件的方法，包括如下步驟形成非單晶半導體層，通過用能量束的照射對非單晶半導體進行結(jié)晶或再結(jié)晶而形成用于薄膜半導體器件的基片，以及在用于薄膜半導體器件的基片上形成具有柵極、源極和漏極的電路，該方法的特征在于包括如下步驟(a)在一個絕緣材料的基層上形成非單晶半導體的多個島狀薄膜層，(b)形成遮蔽該島狀薄膜層的絕緣膜層，(c)在對應(yīng)于該島狀薄膜層的上部分處的非單晶半導體的絕緣膜層上形成柵極，(d)通過使用該柵極作為照射掩膜用來自上方的激光束照射非單晶半導體的島狀薄膜層，從而通過使得被該柵極所遮蔽的島狀薄膜層的中央部分結(jié)晶而形成一個溝道區(qū)，并且同時通過對不被該柵極所遮蔽的島狀薄膜層的兩側(cè)部分退火而形成源區(qū)和漏區(qū)，以及(e)在該絕緣層中形成接觸孔之后，在該源區(qū)和漏區(qū)上形成源極和漏極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中在照射之前，雜質(zhì)離子被注入到該半導體的島狀薄膜層中，該柵極被用作為一個注入掩膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中在激光照射之后，雜質(zhì)離子被注入到該半導體的島狀薄膜層中，該柵極被用作為一個注入掩膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中形成該柵極，使得具有在頂部具有薄膜層，其可以至少部分地防止激光照射的反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中形成該柵極，使得在頂表面上具有不均勻性，其可以至少部分地防止激光照射的反射。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中該柵極包括摻雜有雜質(zhì)離子的多晶硅。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中通過對半導體的島狀薄膜層進行點照射而執(zhí)行該激光照射。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中利用基本上均勻的激光束強度對半導體的島狀薄膜層的整個區(qū)域執(zhí)行照射。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于制造薄膜半導體器件的方法，其中采用梯度分布的激光束強度對島狀薄膜層執(zhí)行照射。
10.一種薄膜半導體器件，其中包括一個絕緣材料的基層，形成在該基層上的薄膜半導體層，其中形成有源極區(qū)、漏極區(qū)和溝道區(qū)，在該溝道區(qū)的上側(cè)形成一個柵極，通過使用柵極作為照射掩膜從上方照射激光束而使得所述溝道區(qū)結(jié)晶。
全文摘要
在此描述一種用于制造薄膜半導體器件的方法。在該方法中，在激光照射步驟之前，在玻璃的基層上淀積的非單晶半導體薄膜層被處理為島狀薄膜層。在該島狀薄膜層上形成絕緣膜層和柵極之后，通過使用柵極作為照射掩膜，執(zhí)行對非單晶半導體薄膜層的激光照射，從而被該柵極所遮蔽的島狀薄膜層的中央?yún)^(qū)域被結(jié)晶，并且不被該柵極所遮蔽的兩側(cè)區(qū)域被退火。接著，在被退火區(qū)域中形成一個源極和漏極?？梢栽诩す庹丈渲盎蛑髨?zhí)行雜質(zhì)離子的注入。通過上述步驟，與由常規(guī)方法所制造的器件相比，可以獲得對每個電子電路單位具有少量晶體和較少晶體粒度變化的薄膜半導體器件。另外，可以使得在該器件中的結(jié)晶層和絕緣層之間的邊界表面平整。
文檔編號H01L21/336GK1568549SQ02820338
公開日2005年1月19日 申請日期2002年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月19日
發(fā)明者木村嘉伸, 松村正清, 西谷干彥, 平松雅人, 十文字正之, 山元良高, 小關(guān)秀夫 申請人:株式會社液晶高新技術(shù)開發(fā)中心