專利名稱：薄膜半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用作有源陣列液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)基片或類似結(jié)構(gòu)的薄膜半導(dǎo)體器件，尤其涉及一種采用普通玻璃作為基片，通過低溫工藝制作的薄膜半導(dǎo)體器件。尤其還涉及這樣的技術(shù)，它用于防止玻璃中含有的堿性金屬的有害作用。
薄膜半導(dǎo)體器件是這樣的器件，其中薄膜晶體管在絕緣基片上形成，并且由于它們對(duì)諸如有源陣列液晶顯示展的驅(qū)動(dòng)基片的應(yīng)用很理想，所以在最近幾年它們有了極大的發(fā)展。尤其當(dāng)在大面積液晶顯示屏中使用薄膜半導(dǎo)體器件。對(duì)降低絕緣基片的成本是必需的，玻璃基片被用來替代過去使用的相對(duì)高質(zhì)量的石英基片。當(dāng)使用玻璃基片時(shí)，因?yàn)樗臒嶙柘喈?dāng)?shù)?，所以薄膜晶體管必須在低于600℃的低溫工藝中形成。現(xiàn)在用于構(gòu)成薄膜晶體管的有源層的半導(dǎo)體薄膜，使用的是非晶硅和多晶硅。然而，從薄膜晶體管的工作特性的觀點(diǎn)看，多晶硅優(yōu)于非晶硅。由于這個(gè)原因，在最近幾年通過低溫工藝制作多晶硅薄膜晶體管的發(fā)展有了很大的進(jìn)步。
當(dāng)多晶硅用作在玻璃基片上形成的薄膜晶體管的有源層時(shí)，玻璃基片中含有的堿性金屬如鈉(Na)引起的沾污就成為一個(gè)問題。多晶硅比非晶硅對(duì)堿金屬沾污更敏感，并且具有這樣沾污的多晶硅對(duì)薄膜晶體管的工作特性和可靠性具有有害影響。例如，如果堿性金屬擴(kuò)散進(jìn)入薄膜晶體管的柵絕緣層，器件的特性會(huì)改變。當(dāng)在高溫下，施加偏置并且進(jìn)行工作測試時(shí)，器件的特性會(huì)發(fā)生極大的變化，這是因?yàn)闁沤^緣層中的堿性金屬移動(dòng)，極化并且在一些位置聚集。因此，當(dāng)在玻璃基片上制作薄膜晶體管時(shí)，在實(shí)際制作中預(yù)先以氮化硅(SiNX)膜或含磷玻璃(PSG)作為緩沖層以做基層。通過插入這個(gè)緩沖層，從玻璃基片向柵絕緣層的堿性金屬的垂直擴(kuò)散受到抑制并且防止了柵絕緣層的沾污。
但是已經(jīng)弄清楚了只是防止堿性金屬的垂直運(yùn)動(dòng)是不夠的。那就是由于施加于薄膜晶體管的驅(qū)動(dòng)電壓偏置和堿性金屬離子的極化以及其在局部的聚集，在玻璃基片中的堿性金屬會(huì)產(chǎn)生水平擴(kuò)散。通過堿性金屬離子電荷的局部極化產(chǎn)生一個(gè)電場，并且這個(gè)電場反過來對(duì)薄膜晶體管的工作特性具有有害作用。已經(jīng)很清楚這樣會(huì)導(dǎo)致薄膜晶體管的閾值電壓和漏電流的波動(dòng)。要防止玻璃基片中堿性金屬的這種水平移動(dòng)是極其困難的。由于這個(gè)原因，例如在USP-5,349,456中公開了一種從玻璃基片中去除Na的方法。然而，這種方法并不總是有實(shí)效的，因?yàn)樗鼧O大削弱了使用低成本玻璃基片的優(yōu)勢。
因此，本發(fā)明的目的在于解決上面所述的問題和提供一種在玻璃基片上制作的包括薄膜晶體管的薄膜半導(dǎo)體器件，其中由于玻璃基片中堿性金屬的水平擴(kuò)散導(dǎo)致的上升電場對(duì)薄膜晶體管工作特性的有害作用被有效地、便宜地防止。
為了達(dá)到上述目的和其它目的，根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件，其基本構(gòu)成包括含有堿性金屬的玻璃基片，覆蓋這個(gè)玻璃表面的緩沖層和在這個(gè)緩沖層上制作的以多晶半導(dǎo)體薄膜為有源層的薄膜晶體管。作為本發(fā)明的一個(gè)特征部分，緩沖層包括至少一個(gè)氮化硅層并且防止薄膜晶體管被堿性金屬沾污以及具有保護(hù)薄膜晶體管免受由局部堿性金屬離子產(chǎn)生的電場的影響的厚度。在本發(fā)明的一種形式中，薄膜晶體管具有背柵(bettom gate)結(jié)構(gòu)，其中柵電極，柵絕緣層和半導(dǎo)體薄膜被從底部依次疊放在一起。在這種情況下，半導(dǎo)體薄膜具有位于柵電極正上方的溝道區(qū)，高濃度雜質(zhì)區(qū)位于溝道區(qū)兩端，低濃度雜質(zhì)區(qū)插在溝道區(qū)和高濃度雜質(zhì)區(qū)之間。通過緩沖層，低濃度雜質(zhì)區(qū)可免受玻璃基片內(nèi)形成的電場的影響。更好的是，柵絕緣層包括氮化硅層并且與緩沖層疊加在一起，這兩層共同保護(hù)和隔離薄膜晶體管。在這種情況下，相互疊放的柵絕緣層和緩沖層的總厚度超過200nm。緩沖層最好是由氮化硅和二氧化硅構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。在特定結(jié)構(gòu)中，形成至少連接薄膜晶體管一部分的象素電極，并且這種薄膜半導(dǎo)體器件能夠用于有源陣列顯示屏的驅(qū)動(dòng)基片。
本發(fā)明中，在玻璃基片和薄膜晶體管之間插入了緩沖層。這個(gè)緩沖層包括至少一個(gè)氮化硅層，并且能阻礙堿性金屬的垂直移動(dòng)，所以抑制了柵絕緣層的沾污。氮化硅層具有致密的組分，并且通過使它的厚度在20nm以上就可以確實(shí)完全地防止Na和類似堿性金屬通過它。加上這個(gè)氮化硅層，緩沖層也可以包括例如一個(gè)二氧化硅層，具有雙層結(jié)構(gòu)。由于二氧化硅層的膜應(yīng)力低于氮化硅層的膜應(yīng)力，所以就可能使得緩沖層的整個(gè)厚度厚從而使薄膜晶體管與玻璃基片電隔離。通過使緩沖層的厚度至少為100nm，就可以在電學(xué)上保護(hù)薄膜晶體管免受玻璃基片的影響。所以就可以保護(hù)薄膜晶體管免受由于玻璃基片中堿性金屬水平擴(kuò)散形成的電場的有害作用的影響。結(jié)果就是即使使用含有堿性金屬的玻璃基片也可以保證薄膜晶體管的可靠性和工作特征。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件的第一最佳實(shí)施方式的截面簡圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件的第二最佳實(shí)施方式的截面簡圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件的第三最佳實(shí)施方式的截面簡圖；并且圖4是根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件組成有源陣列液晶顯示屏的例子的透視簡圖。
參照附圖將詳細(xì)描述本發(fā)明的最佳實(shí)施方式。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件的第一最佳實(shí)施方式，并且是一個(gè)實(shí)例，其中，在玻璃基片上形成了N溝、頂柵(top gate)結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管。如圖1所示，這個(gè)薄膜半導(dǎo)體器件利用含有諸如鈉的堿性金屬的玻璃基片1制成。玻璃基片1的上表面被緩沖層2覆蓋。在緩沖層2上形成薄膜晶體管3。薄膜晶體管3是場效應(yīng)晶體管，具有作為有源層的含有多晶硅或類似成分的多晶半導(dǎo)體薄膜4。薄膜晶體管3具有頂柵結(jié)構(gòu)，在多晶半導(dǎo)體薄膜4上的柵絕緣層5之上通過掩膜形成柵電極G。結(jié)果是溝道區(qū)Ch在柵電極G正下方形成，而柵絕緣層5在它們之間。少量P型雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)溝道區(qū)和多晶半導(dǎo)體薄膜4的一部分，用于調(diào)整閾值。源區(qū)S和漏區(qū)D以高濃度N型雜質(zhì)注入，形成于溝道區(qū)Ch的相對(duì)兩側(cè)。具有這樣的結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管3被由PSG或類似成分構(gòu)成的夾層絕緣層6所覆蓋。在夾層絕緣層6內(nèi)形成接觸孔并且通過這些接觸孔互連電極7S，7D分別與源區(qū)S和漏區(qū)D電連接。在這個(gè)例子中N型雜質(zhì)注入形成N溝類型薄膜晶體管3，但是本發(fā)明當(dāng)然不局限于此，也能應(yīng)用于P溝類型的薄膜晶體管。
作為本發(fā)明的特征部分，緩沖層2包括至少一層氮化硅并防止薄膜晶體管3被堿性金屬沾污。氮化硅層(SiNX)具有相對(duì)致密的組分，通過使它的厚度至少為20nm就可以確實(shí)完全阻礙玻璃基片1中諸如Na這樣的堿性金屬的向上垂直擴(kuò)散。該緩沖層2也具有這樣的厚度以使它能夠保護(hù)薄膜晶體管3免受局部堿性金屬離子(Na+)和類似成分導(dǎo)致的電場的影響。例如該緩沖層2具有由氮化硅層(SiNX)和二氧化硅層(SiO2)構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)并且具有至少100nm的總厚度。
作為本發(fā)明的一個(gè)特征部分，現(xiàn)在對(duì)緩沖層2的電場屏蔽功能進(jìn)行詳細(xì)描述。當(dāng)薄膜晶體管3工作時(shí)，存在這樣的時(shí)候例如地電平(0V)施加在源區(qū)S一端上的互連電極7S上，并且正向偏置電壓施加在連接到漏區(qū)D的互連電極7D上。當(dāng)這種偏置施加到器件時(shí)，具有正電荷的Na+離子從漏區(qū)D附近排斥出來并且水平運(yùn)動(dòng)到源區(qū)S的附近。如附圖1所示，其結(jié)果是正電荷(Na+)在源區(qū)S附近接近玻璃基片1的表面處聚集，并且形成正電荷區(qū)8。同時(shí)，在漏區(qū)D附近接近玻璃基片1的表面處由于電荷平衡被與排出的Na+相一致的量打破，形成一個(gè)負(fù)電荷區(qū)9。這樣在玻璃基片1的表面的附近，從形成Na+的位置導(dǎo)致了一個(gè)電場。薄膜晶體管3的工作特性受到這個(gè)電場的有害影響，結(jié)果導(dǎo)致了它的閾值電壓的波動(dòng)和它的漏電流的增加。為了避免這個(gè)，本發(fā)明中在薄膜晶體管3和玻璃基片1之間插入了緩沖層2。因?yàn)榫彌_層2具有由SiNX和SiO2構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)并且具有足夠的厚度，它確實(shí)完全地屏蔽薄膜晶體管3免受玻璃基片1中形成的電場的影響。此外，因?yàn)榫彌_層2包括一個(gè)SiNX層，它能以與相關(guān)技術(shù)相同的方式確實(shí)完全阻礙Na的垂直運(yùn)動(dòng)，并因此防止了柵絕緣層5的沾污。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件的第二最佳實(shí)施方式并且示出了一個(gè)背柵結(jié)構(gòu)的例子?；窘Y(jié)構(gòu)與如圖1所示的第一最佳實(shí)施方式的基本結(jié)構(gòu)相同，并且為了便于理解，相對(duì)應(yīng)部分賦予了相同的標(biāo)號(hào)。如圖2所示，薄膜晶體管3a具有背柵結(jié)構(gòu)，其中由金屬或類似成分制作的柵電極G，柵絕緣層5和多晶半導(dǎo)體薄膜4從底部依次疊加在一起。具有這種結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管3a通過緩沖層2與玻璃基片1隔離受到保護(hù)。薄膜晶體管3a被夾層絕緣層6覆蓋并且在夾層絕緣層6上形成互連電極7S和象素電極10。象素電極10通過接觸孔電連接到薄膜晶體管3a的漏區(qū)D。具有這種結(jié)構(gòu)的薄膜半導(dǎo)體器件能夠用于諸如有源陣列液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)基片。即薄膜晶體管3a就作為象素電極10的開關(guān)元件來制作。
同如圖1所示的具有頂柵的結(jié)構(gòu)一樣，具有背柵的結(jié)構(gòu)也是當(dāng)在漏區(qū)D一端施加偏置時(shí)，這個(gè)偏置的影響會(huì)導(dǎo)致玻璃基片1中電荷分布極化的上升并且形成正電荷區(qū)和負(fù)電荷區(qū)。因此，提供了緩沖層2保護(hù)薄膜晶體管3a免受玻璃基片1中形成的電場的影響。因?yàn)樵谶@種背柵結(jié)構(gòu)情況下，在多晶半導(dǎo)體薄膜4和玻璃基片1之間插入了由金屬或類似成分做成的柵電極G，所以半導(dǎo)體薄膜4受玻璃基片1中形成的電場的影響的比例低于頂柵結(jié)構(gòu)的情況。那就是即使在溝道區(qū)Ch下面的玻璃基片1中存在Na的偏置，由于除緩沖層2以外還有柵電極G的隔離作用，溝道區(qū)Ch本身不太受玻璃基片1中電場的影響。此外，在背柵結(jié)構(gòu)情況下，因?yàn)橄鄬?duì)于源區(qū)S和漏區(qū)D之間的偏置，柵電極G上施加的柵電壓總是處在源區(qū)和漏區(qū)之間的電位上，所以玻璃基片1中電荷偏置的存在將不會(huì)象頂柵結(jié)構(gòu)上那樣大。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件的第三最佳實(shí)施方式的部分截面圖。第三最佳實(shí)施方式與如圖2所示的第二最佳實(shí)施方式基本一致并且為了便于理解，相對(duì)應(yīng)的部分賦予了相同的標(biāo)號(hào)。不同之處在于第三最佳實(shí)施方式中薄膜晶體管具有LDD(低摻雜漏)結(jié)構(gòu)。如圖3所示，薄膜晶體管3a具有背柵結(jié)構(gòu)，其中柵電極G，柵絕緣層5和多晶半導(dǎo)體薄膜4從底部依次疊加在一起。多晶半導(dǎo)體薄膜4在柵電極G的正上方具有溝道區(qū)Ch，高濃度雜質(zhì)區(qū)(N+)位于溝道區(qū)Ch的相對(duì)兩側(cè)而低濃度雜質(zhì)區(qū)(N)位于溝道區(qū)和高濃度雜質(zhì)區(qū)之間。高濃度雜質(zhì)區(qū)(N+)構(gòu)成漏區(qū)D，而低濃度雜質(zhì)區(qū)(N)構(gòu)成LDD區(qū)。在圖3中只示出了薄膜晶體管3a的漏區(qū)D端，而源區(qū)S端省略。在這個(gè)例子中，至少LDD區(qū)被緩沖層2屏蔽免受玻璃基片1的負(fù)電荷區(qū)9中形成的電場的影響。當(dāng)在離開柵電極G的地方形成LDD區(qū)時(shí)，不同于如圖2所示的例子，將如圖1所示的頂柵結(jié)構(gòu)情況，半導(dǎo)體薄膜將受玻璃基片1中的電荷的影響。由于這個(gè)原因，本例中在玻璃基片1和多晶半導(dǎo)體薄膜4之間提供了用于削弱電荷影響的緩沖層2。本例中柵絕緣層5包括一個(gè)氮化硅層，并與緩沖層2疊加，這兩層共同保護(hù)和隔離薄膜晶體管3a。相互疊加的柵絕緣層5和緩沖層2的總厚度超過200nm。因?yàn)樵诒硸沤Y(jié)構(gòu)中，緩沖層2和柵絕緣層5疊加，以此獲得了共同對(duì)電場的隔離作用，所以可以確實(shí)完全將LDD區(qū)與玻璃基片1的負(fù)電荷區(qū)9電隔離。
圖4所示的是一個(gè)用如圖2或圖3所示的薄膜半導(dǎo)體器件構(gòu)成的有源陣列液晶顯示屏的例子的透視簡圖。如圖4所示，液晶顯示屏由玻璃制成的驅(qū)動(dòng)基片101，也由玻璃制成的面基片102和夾于兩者之間的液晶103構(gòu)成。象素陣列部分104和驅(qū)動(dòng)電路部分于驅(qū)動(dòng)基片101上形成。驅(qū)動(dòng)電路部分，劃分為垂直驅(qū)動(dòng)電路105和水平驅(qū)動(dòng)電路106。還在驅(qū)動(dòng)基片101的周邊形成了用于外部連接的電極部分107。電極部分107通過互連108連接到垂直驅(qū)動(dòng)電路105和水平驅(qū)動(dòng)電路106。象素陣列部分104包括相互交叉的柵引線109和信號(hào)線110。柵引線109連接到垂直驅(qū)動(dòng)電路105而信號(hào)線110連接到水平驅(qū)動(dòng)電路106。象素電極111和用于開關(guān)它們的薄膜晶體管112形成于線109和110交叉的地方。雖然沒有在附圖中示出，但在面基片102的內(nèi)表面上是形成有面電極和顏色濾波器的。本發(fā)明中，普通玻璃材料用作驅(qū)動(dòng)基片101，并且在驅(qū)動(dòng)基片101表面覆蓋緩沖層后，在其上形成薄膜晶體管112和象素電極111。并且，同時(shí)也形成了垂直驅(qū)動(dòng)電路105和水平驅(qū)動(dòng)電路106。因此由于可以使用便宜的玻璃材料，就可以以相對(duì)低的成本制作大面積有源陣列液晶顯示屏。此時(shí)，因?yàn)槭褂昧司哂蟹乐箟A性金屬沾污和電場隔離雙重作用的緩沖層，所以沒有了玻璃基片對(duì)薄膜晶體管可靠性和工作特性有害作用的危險(xiǎn)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在玻璃基片和薄膜晶體管之間插入了緩沖層。這個(gè)緩沖層包括至少一個(gè)氮化硅層，并且在防止薄膜晶體管被堿性金屬沾污的同時(shí)，它具有這樣的厚度能夠使薄膜晶體管免受局部集中的堿性金屬離子產(chǎn)生的電場的影響。因此就可以避免遭受玻璃基片中的電場的影響并且獲得穩(wěn)定的薄膜晶體管工作特性。并且因?yàn)樗梢苑乐贡∧ぞw管的堿性金屬沾污，所以它的可靠性也提高了。
權(quán)利要求
1.一種薄膜半導(dǎo)體器件，包括含有堿性金屬的玻璃基片；覆蓋所述玻璃基片表面的緩沖層；以及在所述緩沖層上形成的薄膜晶體管，并且具有作為有源層的多晶半導(dǎo)體薄膜，其中所述緩沖區(qū)包括至少一個(gè)氮化硅層，并防止所述薄膜晶體管被堿性金屬沾污，而且具有這樣的厚度使得它能夠保護(hù)所述薄膜晶體管免受局部集中的堿性金屬離子產(chǎn)生的電場的影響。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜半導(dǎo)體器件，其中所述的氮化硅層具有至少20nm的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜半導(dǎo)體器件，其中所述的緩沖層具有至少100nm的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜半導(dǎo)體器件，其中所述的薄膜晶體管具有背柵結(jié)構(gòu)，包括從底部依次疊加的柵電極，柵絕緣層和多晶半導(dǎo)體薄膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的薄膜半導(dǎo)體器件，其中所述的多晶半導(dǎo)體薄膜在柵電極的正上方具有溝道區(qū)，高濃度雜質(zhì)區(qū)位于所述溝道區(qū)的每一側(cè)，而低濃度雜質(zhì)區(qū)位于所述溝道區(qū)和所述高濃度雜質(zhì)區(qū)之間，所述低濃度雜質(zhì)區(qū)通過所述緩沖層保護(hù)免受所述玻璃基片中產(chǎn)生的電場的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的薄膜半導(dǎo)體器件，其中所述的柵絕緣層包括一個(gè)氮化硅層并且與所述緩沖層疊加在一起，兩層共同保護(hù)和隔離所述薄膜晶體管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的薄膜半導(dǎo)體器件，其中相互疊加的柵絕緣層和緩沖層的總厚度至少為100nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的薄膜半導(dǎo)體器件，其中所述的柵絕緣層和緩沖層的總厚度至少為200nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜半導(dǎo)體器件，其中所述的緩沖層是由氮化硅層和二氧化硅層構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜半導(dǎo)體器件，其中形成的象素電極連接到至少所述的薄膜晶體管的一部分。
全文摘要
一種在玻璃基片上形成的能提高薄膜晶體管工作特性和可靠性的薄膜半導(dǎo)體器件。該薄膜半導(dǎo)體器件具有在含有堿性金屬的玻璃基片1上形成的薄膜晶體管3。玻璃基片1被緩沖層2覆蓋。在這個(gè)緩沖層2上形成的薄膜晶體管3具有作為有源層的多晶半導(dǎo)體薄膜4。該緩沖層2包括至少一個(gè)氮化硅層，并且能防止薄膜晶體管3被諸如Na的堿性金屬沾污，而且具有這樣的厚度，它能使薄膜晶體管3免受局部集中的堿性金屬離子(Na
文檔編號(hào)H01L29/786GK1155166SQ9611273
公開日1997年7月23日 申請(qǐng)日期1996年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月13日
發(fā)明者林久雄, 下垣內(nèi)康, 加藤慶二 申請(qǐng)人:索尼株式會(huì)社