專利名稱：半導(dǎo)體薄膜及其制造方法以及半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種半導(dǎo)體器件，尤其是涉及一種用半導(dǎo)體薄膜作有源層的半導(dǎo)體器件及其制造方法。本發(fā)明還涉及具有晶體硅薄膜制成有源層的薄膜半導(dǎo)體晶體管。
近來，半導(dǎo)體薄膜晶體管(TFT)器件更加廣泛地應(yīng)用于電子部件或元件、特別是降低厚度的顯示裝置以及數(shù)字集成電路(IC)組件的制造，這些裝置的速度及成本優(yōu)勢增加。由于這些電子裝置要求更高組裝密度、更高的速度和低的能量消耗，TFT的性能及可靠性變得更加重要。一些現(xiàn)有已知TFT由硅薄膜形成在有電介質(zhì)表面的襯底上，典型地薄膜厚度測量是幾十到幾百納米(nm)。
典型地，TFT具有在分開的源極和漏極區(qū)之間限定的有源區(qū)，用于在此選擇地形成溝道區(qū)。有源區(qū)，即溝道形成區(qū)，以及其相關(guān)的源/漏結(jié)區(qū)總體上對確定TFT的性能起著重要作用。能這樣說是由于從源極通過溝道到漏極的電流通道的電阻，或者少數(shù)電荷載流子的遷移率能嚴(yán)格反映TFT的總體電性能。
通常，非晶硅膜一般用作構(gòu)成TFT的有源層的半導(dǎo)體薄膜。這些非晶硅膜可由等離子體化學(xué)蒸氣沉積(CVD)和低壓熱CVD技術(shù)制作。
遺憾的是，使用此種非晶膜遇到的問題是要求TFT顯示更高的操作速度，而由于非晶膜固有的低的電荷載流子的遷移率，非晶膜不能跟上此趨勢。為此，需要增加結(jié)晶度的硅薄膜(后面稱“晶體硅膜”)。
例如，在要轉(zhuǎn)讓給本受讓人的、已公布的未審查日本專利申請(PUJPA)No.6-232059中已公開了一種在襯底上形成此種晶體硅膜的現(xiàn)有已知方法。在此現(xiàn)有技術(shù)中，采用選擇的金屬元素來促進(jìn)或加速硅的晶體生長，硅在550℃的溫度下進(jìn)行熱處理4小時。由此，所得的晶體硅膜呈現(xiàn)增加的結(jié)晶度。類似方法也在PUJPA No.6-244103中公開。
在PUJPA No.7-321339中公開了另一種現(xiàn)有技術(shù)方法，使用類似技術(shù)使硅基本平行于載體，例如支承基板，即襯底的晶面生長。所得結(jié)晶區(qū)在某些情況下稱為“橫向生長區(qū)”。
由于柱狀或毛發(fā)狀晶體以相互很好平行的晶體生長方向增長，使用上述技術(shù)形成的橫向生長區(qū)提高了結(jié)晶度。使用此區(qū)域來形成-有源層或多個有源層可有助于增加TFT性能。
由于商業(yè)上要求半導(dǎo)體制造者不斷地進(jìn)一步提高TFT的速度，即使用這種橫向生長膜作有源層的TFT由于其提高結(jié)晶度時的固有限制也將無法滿足嚴(yán)格要求。
對各圖形單元或“相術(shù)”采用薄膜晶體管(TFT)的改進(jìn)的有源矩陣液晶顯示(LCD)器或無源LCD是例子。這些類型的LCD包含外圍電路系統(tǒng)，外圍電路系統(tǒng)包括用于電驅(qū)動相關(guān)的LCD相術(shù)陣列的驅(qū)動器電路，用于以想要格式處理視頻信號的圖形數(shù)據(jù)處理器/控制器，用于存儲多種信息項目的存儲器陣列等。這些電路元件中，嚴(yán)格要求數(shù)據(jù)處理器/控制器和存儲器陣列在性能上等同于目前使用的由單晶片制造的高級集成電路(IC)芯片。相應(yīng)地，這些LCD驅(qū)動器電路利用形成在襯底表面上的半導(dǎo)體薄膜而結(jié)合到襯底上，這就要求此種薄膜的特性最大的類似于單晶體的結(jié)晶度。遣憾的是，提出的現(xiàn)有技術(shù)中沒有能克服此問題。一個原因是由于用于促進(jìn)晶體生長的金屬元素可能仍殘留在所得的硅膜內(nèi)，不利地降低重現(xiàn)性，所以橫向生長硅膜伴隨著可靠性和生產(chǎn)率持續(xù)低下的問題。這嚴(yán)重妨礙進(jìn)一步提高半導(dǎo)體制造技術(shù)。
本發(fā)明的一個目的是提供一種新的改進(jìn)方法，能克服現(xiàn)有技術(shù)面臨的問題。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能克服現(xiàn)有技術(shù)面臨問題的新的改進(jìn)半導(dǎo)體器件以及形成此器件的方法。
本發(fā)明的再一目的是提供一種能呈現(xiàn)增強(qiáng)功能和可靠性的半導(dǎo)體集成電路器件，而不必利用單晶半導(dǎo)體晶片。
本發(fā)明的又一目的是在有電介質(zhì)表面的載體上形成具有等同于單晶的優(yōu)良結(jié)晶度的單疇區(qū)。
本發(fā)明的還一目的是提供一種具有有源層的半導(dǎo)體器件，有源層覆蓋在具有電介質(zhì)表面的襯底上并且由結(jié)晶度等同于單晶材料的單疇區(qū)構(gòu)成。
為實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，具有載體的一特定器件設(shè)置有半導(dǎo)體薄膜，半導(dǎo)體薄膜形成在載體的絕緣表面，其特征在于薄膜包括單疇區(qū)，單疇區(qū)包括基本平行于載體的多種晶體的混合物，晶體可是柱狀晶體和/或毛細(xì)狀晶體。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種在載體的電介質(zhì)表面上的半導(dǎo)體薄膜。薄膜包括單疇區(qū)，單疇區(qū)包含基本平行于載體的多種晶體混合物。晶體可是柱狀晶體和/或毛細(xì)狀晶體。非常重要地，在單疇區(qū)那里不包括任何晶粒邊界。構(gòu)成單疇區(qū)的部分薄膜包含仔細(xì)選定比例、等于或少于五個(5)原子百分比的氫和鹵族元素。鹵族元素最好是氯、溴和/或氟。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，半導(dǎo)體器件僅利用單疇區(qū)來形成有源層。在這種情況下，單疇區(qū)內(nèi)不存在晶粒邊界。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種形成半導(dǎo)體薄膜的方法，該方法包括步驟用低壓化學(xué)沉積在具有電介質(zhì)表面的載體上形成非晶硅膜；在非晶硅膜上選擇地形成氧化硅膜；保留金屬元素以促進(jìn)非晶硅膜晶化；通過第一熱處理使至少部分非晶硅膜改變成晶體硅膜；除去氧化硅膜；在含鹵族元素的選定氣氛中進(jìn)行第二熱處理，以在非晶硅膜和/或晶體硅膜上形成含鹵素的熱氧化膜，同時使晶體硅膜的性質(zhì)改變成相應(yīng)的單疇區(qū)，并除去熱氧化膜。然后采用所得的單疇區(qū)來形成半導(dǎo)體器件的有源層。
這里應(yīng)當(dāng)注意在此所用的術(shù)語“單疇區(qū)”指利用本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜制造方法形成的橫向生長晶體區(qū)，并考慮到此區(qū)域具有增加的優(yōu)良結(jié)晶度，足以基本上當(dāng)成單晶材料。單疇區(qū)的主要特征是在它的整個區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)晶粒邊界，相應(yīng)地抑制或排除了由于存在躍遷和堆垛層錯(層間缺陷)而發(fā)生的晶格缺陷或位錯。另一特征是單疇區(qū)避免摻雜嚴(yán)重影響半導(dǎo)體器件基本性能的任何金屬元素。
也應(yīng)該注意，不存在晶界也意味著即使存在少數(shù)晶界，仍保持電的不活性。作為此種電不活性晶界，已報道有{111}孿晶界，{111}堆垛層錯，{221}孿晶界，和{221}螺孿晶界(R.Simokawa和Y.Hayashi，Jpn. J. Appl.Phys.，27(1987) PP.751至758)。
本發(fā)明人認(rèn)為包含在單疇區(qū)中的晶界更大可能仍是電的不活性晶界。換句話說，甚至觀察到一些晶界，它們也是不再影響電荷載流子移動的電不活性區(qū)域。在這種意義上，如果有，這些晶界對內(nèi)部電流保持電的“穿透”。
從本發(fā)明優(yōu)選實施例的如下詳細(xì)描述中，本發(fā)明的這些和其它目的、特性及優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，如附圖所示。


圖1A至1C是根據(jù)本發(fā)明原理，用以說明半導(dǎo)體器件中的橫向晶體生長區(qū)的圖形表示。
圖2A至2F根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，用示意橫截面說明形成具有單疇區(qū)的半導(dǎo)體薄膜的一些主要步驟。
圖3A至3E以示意橫截面圖表示制造本發(fā)明半導(dǎo)體器件的一些主要步驟。
圖4是表示氯化鎳的蒸氣壓與溫度的關(guān)系曲線圖。
圖5是表示薄膜晶體管(TFT)的電性能圖。
圖6是表示晶體硅膜中含有的氯濃度分布圖。
圖7是用于有源矩陣液晶顯示(LCD)器件中的襯底結(jié)構(gòu)透視圖，具有單疇區(qū)形成的有源層陣列。
圖8A至8K根據(jù)本發(fā)明另一實施例以示意橫截面圖說明形成半導(dǎo)體器件的一些主要步驟。
圖9A至9D根據(jù)本發(fā)明另一實施例以示意橫截面圖說明形成半導(dǎo)體器件的一些主要步驟。
圖10和12描繪動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)的存儲器陣列的一個單元部分和靜態(tài)RAM(SRAM)的存儲器陣列的一個單元部分，圖11和13表示前述圖的每個單元的橫截面圖。
圖14是用于說明已知絕緣體上半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)所面臨問題的圖形表示。
圖15是說明人造石英靶的組分表。
圖16A至16D根據(jù)本發(fā)明另一實施例以示意橫截面圖表示形成半導(dǎo)體器件的一些主要步驟。
圖17A至17F表示本發(fā)明半導(dǎo)體器件最好應(yīng)用的一些典型電子器件。
在提供本發(fā)明的一些示意實施例前，為了便于理解本發(fā)明要點(diǎn)，結(jié)合圖1A至1C將首先描述作為本發(fā)明關(guān)鍵的制造單疇區(qū)域的主要概念。
參看圖1A。這是在襯底表面上生長的半導(dǎo)體薄膜的平面圖的圖形描繪(未按比例繪制)。這種薄膜由選定的半導(dǎo)體材料而制成，這里是硅。如圖所示，選定的金屬元素?fù)诫s區(qū)101選擇地形成在襯底表面上。此區(qū)域101作為晶種，柱狀或毛發(fā)狀晶體102按基本平行于襯底表面晶面的方向橫向地生長。
金屬元素可促進(jìn)或加速晶體生長或結(jié)晶。這些元素可是鐵(Fe)、鉆(Co)、鎳(Ni)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)、銅(Cu)或金(Au)，或它們的任何可能的組合。這里，選定Ni作為例子。
在600℃的溫度下保持6小時，在鎳摻雜區(qū)101周圍形成的橫向生長區(qū)102測量橫向生長寬度X約100至200微米(μm)。
如圖1A所示，所得的橫向生長區(qū)102分成8個子區(qū)域A至H。每個子區(qū)域可看成單個晶粒。這是因為例如躍遷滑動這樣的晶體缺陷和畸變發(fā)生在子區(qū)域A-H的相鄰區(qū)域相互沖突的邊界處，導(dǎo)致晶界出現(xiàn)。
參看圖1B，圖1B是橫向生長晶粒A-H的部分放大圖。在顯微鏡下，單個橫向生長區(qū)102由許多柱狀或毛細(xì)狀晶體的混合物或組合物構(gòu)成。各個柱狀和/或毛細(xì)狀晶體是單疇區(qū)，單疇區(qū)基本不包含任何晶界，因此能當(dāng)成單晶材料。在顯微鏡下，由于此晶體的“堆”，觀察所得的組合物似乎是圖1A所示的單個晶粒。
應(yīng)該注意，因為當(dāng)單個晶體生長時，從其內(nèi)部排除例如鎳的摻雜元素，所以金屬硅化物出現(xiàn)在晶體表面上。因此，一些金屬元素的偏析出現(xiàn)在圖1B數(shù)字103所示的晶界處。這說明圖1B的結(jié)構(gòu)僅僅是多個單疇區(qū)的組合，至少在此步驟還不能使各個橫向晶體生長區(qū)102變成此單疇區(qū)域，雖然它表現(xiàn)出良好的結(jié)晶度。
為獲得本發(fā)明組成，必然在選定氣氛中進(jìn)行熱處理。具體地說，在從700至1100℃，較好的是800～1000℃，更好是950℃的溫度下，在含鹵素的氣氛中加熱橫向生長區(qū)102。
通過此熱處理，在橫向晶體生長區(qū)102中含有的金屬元素被鹵素的吸收劑作用而除去。當(dāng)這樣做時，與金屬元素緊密偶合的硅原子斷開并由此解耦，結(jié)果形成許多未配對的側(cè)(懸空鍵)。結(jié)果一些硅原子與相鄰硅原子重新結(jié)合。熱處理后獲得的重新結(jié)合的結(jié)合而由圖1C中的虛線104表示。在圖1C的狀態(tài)中，在橫向生長子區(qū)域A-H中的柱狀或毛細(xì)狀晶體重新結(jié)合到一起，同時呈現(xiàn)良好的晶格匹配，實現(xiàn)了極大降低或沒有晶界。
橫向晶體生長后的熱處理設(shè)計成在950℃附近的相對高溫下進(jìn)行。此高溫的設(shè)定可用于排除或最大程度減小可能的位錯和/或堆垛層錯(層間缺陷)的發(fā)生，同時使熱處理后仍存在的懸空鍵末端是包含在所得晶體生長膜中的氫或鹵原子。結(jié)果，子區(qū)域A-H的各個中不包含晶界和如Ni這樣的雜質(zhì)，同時幾乎完全避免了包含或存在晶體缺陷或錯位。這就產(chǎn)生了結(jié)晶度極大提高的單疇區(qū)。
在圖1C所示的單疇區(qū)的重要特性是氫和鹵元素以5個原子百分比(at％)或更少包含在膜中。這是由于氫或鹵原子試圖填充硅原子的懸空鍵。
參見圖2A至2F，將詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的這種“假單晶”單疇區(qū)的半導(dǎo)體薄膜的制造方法。本實施例假設(shè)在有電介質(zhì)表面的襯底上制作晶體硅薄膜。本發(fā)明也假設(shè)使用特定設(shè)備來進(jìn)一步增加由例如晶體硅構(gòu)成的橫向晶體生長區(qū)的結(jié)晶度，從而達(dá)到增加單疇區(qū)的結(jié)晶度。這里應(yīng)注意，在此采用的結(jié)晶技術(shù)是選擇地?fù)郊舆x定的金屬元素-鎳(Ni)原子或鐵，它們促進(jìn)或加速非晶硅的晶體生長，從而使晶體生長在基本平行于襯底表面的方向上進(jìn)行，以形成晶體硅薄膜。此技術(shù)已在PUJPA No.7-321339中詳細(xì)描述，在此引用供參考。
在圖2A中，首先制備具有電介質(zhì)表面的襯底201。襯底201可由硅構(gòu)成，在其上淀積作為底涂層的氧化硅膜202到預(yù)定厚度，例如，3000埃(A)，即300納米(nm)。氧化硅涂膜202由使用人造石英靶(組分比參見圖15所示)的濺射技術(shù)淀積。使用人造石英靶的這種特定濺射技術(shù)推薦來制作氧化硅涂膜202，這是因為濺射膜的晶體結(jié)構(gòu)更緊密，這可能又導(dǎo)致實現(xiàn)后來形成在其上的晶體硅膜改進(jìn)結(jié)晶度，正如本發(fā)明實驗結(jié)果所教導(dǎo)的。
氧化硅涂膜202在提供平滑晶面的頂面上是平的。我們的實驗表明膜202的可能表面結(jié)構(gòu)是高3nm或更小、寬10nm或更小。這保證了甚至使用原子熒光顯微鏡檢查法(AFM)也幾乎不能觀察到即使存在的任何可能的表面不規(guī)則。
然后，用等離子體化學(xué)蒸氣淀積(CVD)、濺射或低壓CVD技術(shù)把非晶硅膜203沉積在氧化硅涂膜202上，預(yù)定厚度為10至75nm，優(yōu)選15至45nm。當(dāng)采用低壓CVD方法時，使用的膜形成氣體可是乙硅烷(Si2H6)、丙硅烷(Si3H8)、或類似物。非晶硅膜203的厚度應(yīng)該仔細(xì)控制，使其落入上述推薦的范圍內(nèi)。這是基于在后面將詳細(xì)討論的所得到的晶體硅膜用作每個TFT的有源層的情況下，此厚度設(shè)定允許制造例如低斷路電流的薄膜晶體管(TFT)這樣的所需半導(dǎo)體器件。應(yīng)該注意，在后面的結(jié)晶制作步驟期間使用低壓CVD方法形成的非晶膜203仍保持低的固有核外觀比。由于在相鄰各晶體之間的相互干擾(當(dāng)出現(xiàn)粉碎或碰撞時晶體生長停止)率降低，這有利于橫向晶體生長寬度增加。
在覆蓋在氧化硅涂層202上的非晶硅膜203淀積之后，然后圖2A的結(jié)構(gòu)受紫外線(UV)作用，在膜203的曝露表面內(nèi)形成極薄的氧化膜(未示出)。當(dāng)鎳(Ni)原子或離子攙入或注入其中時，在溶液涂覆過程中此氧化膜用于提高所采用溶液的濕度。
如圖2B所示，采用選定石英作靶的濺射方法，在圖2A的結(jié)構(gòu)上氧化硅膜204淀積成50～120nm的厚度。然后用蝕刻去除選定的部分所得膜204，從而形成圖形層。此圖形層起掩膜作用，用于選擇的攙入如鎳的“雜質(zhì)”到下面的非晶硅膜203中。正如從圖2B所見，膜203以通過圖形掩蔽層204的對應(yīng)開口的表面區(qū)域205部分曝露于大氣中。曝露的表面區(qū)域205具有類似于狹縫的平面狀，狹縫以垂直于圖2B的示意圖紙面方向延長。
接著，如圖2C所示，圖2B的結(jié)構(gòu)放置在已知支承臺(未示出)上，支承臺設(shè)有許多涂覆溶液的下降口，然后以足以離心地旋轉(zhuǎn)涂覆溶液、使其均勻輻射地越過掩膜204的上表面和膜205的圓周旋轉(zhuǎn)速度來轉(zhuǎn)動支承臺。由此淀積涂覆溶液206來覆蓋所示結(jié)構(gòu)的上表面。部分溶液206使鎳保持在膜203的曝露表面區(qū)域205上，而膜203上具有位于其間的極薄氧化膜(未示出)。此溶液是醋酸鎳。然而應(yīng)注意，鑒于后面要討論的在一次或多次熱處理期間雜質(zhì)趨于繼續(xù)殘留的可能性，硝酸鎳可是優(yōu)選涂覆溶液。這是由于醋酸鎳中本身含碳(C)，可能嚴(yán)重碳化部分熱處理膜，導(dǎo)致不希望的殘留雜質(zhì)繼續(xù)存在其中。
圖2C的結(jié)構(gòu)放入充滿惰性氣體的氣氛中，在450℃下加熱1小時，以除去其中含的氫。所得結(jié)構(gòu)在例如500～700℃，優(yōu)選550～600℃的預(yù)定溫度下進(jìn)一步加熱4～8小時。此熱處理是用于晶化非晶硅膜203，后面稱為“第一熱處理”。結(jié)果，在襯底201上獲得晶體硅膜207。
在第一熱處理期間，在區(qū)域205中，鎳從充填劑206通過薄氧化膜(未示出)擴(kuò)散到底下的非晶硅膜203中，并起作加速晶體生長或結(jié)晶的催化劑作用。更具體地說，鎳和硅能一起化學(xué)反應(yīng)，形成硅化物，硅化物作為后面結(jié)晶的生長源或“種籽”。
在結(jié)晶期間，柱狀和/或毛細(xì)狀晶體以基本平行于襯底頂面的方向生長。在此實施例中，因為曝露的狹縫狀表面區(qū)域205正如前面論討的以垂直于示圖紙面的方向延伸，晶體生長實質(zhì)上企圖以圖2D的數(shù)字208表示的特定方向進(jìn)行。此時，表明晶體生長超過幾百微米或更大。
在此步驟中，由于進(jìn)行熱處理，自然的晶核生成能發(fā)生。如果是這種情況的話，所得的柱狀或毛細(xì)狀晶體相互影響，相互干擾晶體生長。這將導(dǎo)致橫向生長區(qū)域?qū)挾冉档汀橐种苹蚺懦@種情況，最好是設(shè)定特定條件，使引入的鎳原子僅供晶體生長速度之用。在溶液涂覆過程中通過調(diào)節(jié)鎳基溶液的鎳濃度就能容易地控制鎳濃度。
由于生長的橫向晶體在生長方向上是一致的，圖2D的步驟中生長的橫向晶體不受其它相鄰晶體的任何影響或作用。因此，橫向生長晶體能作為整體看成單個放大的晶粒，大小是幾百微米(μm)或更大。然而，在顯微鏡下所得結(jié)構(gòu)僅是多個柱狀和/或毛細(xì)狀晶體的高密度混合物或組合物。當(dāng)它們各個性質(zhì)上呈現(xiàn)單疇時，形成的整個晶體結(jié)構(gòu)總體上僅是具有相對好的結(jié)晶度的區(qū)域。這意味著晶體硅膜207至少在圖2D的步驟中不能當(dāng)作單疇區(qū)。
在第一熱處理完成后，然后除去掩蔽層204，如圖2E所示。除去掩蔽層204可用稀釋的氫氟酸來完成。所得結(jié)構(gòu)接著進(jìn)行進(jìn)一步熱處理(第二熱處理)，曝露的晶體硅膜207在從700～1100℃范圍內(nèi)的高溫下加熱1-24小時。優(yōu)選地，膜207在800～1000℃下加熱6-12小時。這里所用的氣氛中包含鹵元素。在本實施例中，第二熱處理在950℃的溫度下在含濃度比(體積密度)為3％的HCl的選定氧氣氛中進(jìn)行6小時。這里應(yīng)注意，還包含氮化物的氣體也可推薦來達(dá)到足夠的吸收劑效果，這是因為它能降低任何氧化物膜的形成速率。應(yīng)該注意，在HCl氣體用作引入材料的本實施例中Cl選作鹵元素，也可另外使用其它氣體，例如HF，NF3，HBr，Cl2，F(xiàn)2和/或Br2。其它可能的例子有鹵素的氫化物或有機(jī)物質(zhì)(碳?xì)浠?。
在圖2E的第二熱處理步驟期間，由于氯的作用，在加熱的晶體硅膜207中的鎳被吸收，因此，由于吸收到上覆熱氧化膜209中和/或釋放到大氣中的結(jié)果，鎳被去除。結(jié)果，包含的鎳元素幾乎全部從膜207中除去，得到由熱氧化膜209覆蓋的無鎳晶體硅膜210，如圖2E所示。
在結(jié)晶期間由于鎳推出到晶界的結(jié)果(參看圖1B的103)，在圖2E的吸收劑步驟期間除去的鎳已分凝。因此能夠認(rèn)為Ni在晶界處以硅化鎳存在。當(dāng)在晶界處切去鎳原子后，鎳以氯化鎳的形式從此分離開，導(dǎo)致存在許多硅的懸空鍵。幸而，在950℃的第二次熱處理期間迫使許多硅原子的懸空鍵相互重新結(jié)合。即使有也很少的懸空鍵由晶體硅膜210中也含有的氫和鹵原子充滿。由于硅原子的這種重新組合，保證了晶界相互連接，增加匹配特性，本質(zhì)上使膜210的橫向生長區(qū)變成了想要的單疇區(qū)。而且，由于第二次熱處理的結(jié)果，例如柱狀和毛細(xì)狀晶體內(nèi)的躍遷、位錯或堆垛層錯這樣的晶體缺陷幾乎完全消失，增加了結(jié)晶度。
我們使用二次離子質(zhì)譜(SIMS)分析的實驗表明在圖2E的第二次熱處理過程完成后，晶體硅膜210的Ni濃度降低1至3個數(shù)量級。
在Ni吸收劑處理完成后，圖2E的上覆“吸收劑-引用”熱氧化膜209用公知技術(shù)除去，從而防止吸收的鎳原子或離子試圖反擴(kuò)散或“再擴(kuò)散”到圖2E的晶體硅膜210中。最終獲得圖2F的結(jié)構(gòu)，在其頂面上具有Ni濃度降至最小的晶體硅膜211。膜211具有“假單晶”區(qū)域，其中生長晶體以大體平行于圖2D的數(shù)字208表示的襯底表面方向延伸。
很重要地，在圖2F的膜211的此區(qū)域中，通過在鹵氣氛中進(jìn)行熱處理，Ni被除去或降低至所需要的濃度，Ni濃度低到足以保證任何所得殘留Ni原子或離子不再影響制造或制作包括TFT這樣的所要半導(dǎo)體器件——例如，每立方厘米1×1018個原子(atoms/cm3)，最好是1×1017atoms/cm3或更少。這又導(dǎo)致結(jié)晶度增加至某種程度，使所得膜211呈結(jié)晶度最大的單疇區(qū)并且在晶體結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于單晶材料。
假單晶硅膜211的另一顯著特征是單疇區(qū)極大降低了表面形狀，以保證表面形狀高度的任何可能變化是正或負(fù)3nm(我們實驗表明的更佳值±2nm)。這種極好限制表面形狀認(rèn)為是由于氧化硅掩蔽層204在晶體生長期間在適宜壓力下有利地抑制了底晶體硅膜的曝露表面。建議可采用單疇區(qū)作為期望的其頂表面的平面度最大的有源層。
根據(jù)本發(fā)明原理的TFT結(jié)構(gòu)的制造方法如圖3A-3E所示。本方法利用具有單疇區(qū)的假單晶硅膜211的圖2F結(jié)構(gòu)。當(dāng)這里結(jié)合頂柵TFT結(jié)構(gòu)來描述示意實施例時，本發(fā)明不僅僅局限于此。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易明白圖3A-3E的方法也可應(yīng)用于形成或制作底柵TFT，其柵電極由高熱電阻的選定材料制成的柵電極代替。
如圖3A所示，硅襯底301有氧化硅膜302和假單晶硅膜203，它們依次層疊在襯底301的表面上。膜302，303用圖2A-2F所示的方法制作。硅膜303有前述的單疇區(qū)。膜303由圖3A所示的圖案形成方法形成圖案。形成圖案的膜303將在后面用作TFT結(jié)構(gòu)的有源層。
在圖3A的結(jié)構(gòu)中，另一氧化硅膜304用等離子體CVD方法淀積到預(yù)定厚度，例如，150nm。膜304將在后面用作TFT的柵絕緣膜。膜304也可由氮氧化硅或硝酸硅構(gòu)成。然后鋁膜305通過濺射淀積在膜304上，厚度500nm。膜305覆蓋在膜304上面并當(dāng)作TFT的柵電極。膜305中可含有0.2重量百分比(wt％)的鈧雜質(zhì)。膜305也可由其它導(dǎo)電材料構(gòu)成，例如鉭、鉬等。
然后對圖3A的結(jié)構(gòu)形成一般厚10nm的陽極氧化膜(未示出)，陽極氧化膜覆蓋在鋁膜305上。此形成過程采用用氨水中和的含3％酒石酸1，2-亞乙基二醇溶液作電解溶液。陽極氧化是這樣進(jìn)行的當(dāng)此結(jié)構(gòu)放入電解溶液時，膜305用作陽極，而鉑層(未示出)用作陰極。在此步驟中由此形成的陽極氧化膜足夠致密，以提高與后面形成在其上的保護(hù)膜的接觸或附著性。
如圖3B所示，鋁膜305在氧化硅膜304上構(gòu)圖形成島306。鋁島306用作TFT柵電極的底層。雖然圖3B省略3，但用于圖3A的圖案構(gòu)成膜305的掩蔽層還沒除去并在此步驟中繼續(xù)存在。
圖3B的結(jié)構(gòu)又進(jìn)行陽極氧化處理，島306作陽極。此處電解溶液可是3％的草酸水溶液。在此步驟中由于上述保護(hù)膜(未示出)存在，陽極氧化僅在島306的側(cè)壁處進(jìn)行。這導(dǎo)致陽極氧化膜307形成在相對的島側(cè)壁，如圖3C所示。這些側(cè)壁膜307是多微孔的并且能夠規(guī)則地生長，跨越幾微米的增長距離。多孔側(cè)壁膜307測量厚度700nm。通過調(diào)節(jié)氧化時間長度就能很好控制厚度。膜307形成后，除去保護(hù)膜。又進(jìn)行陽極氧化處理，形成覆蓋島309的薄而致密的陽極氧化膜308。此處理條件類似于上述陽極氧化，除了膜308的測量厚度是80nm。在此步驟中應(yīng)注意，形成此陽極氧化膜308是由于所用電解溶液試圖進(jìn)入或滲進(jìn)多孔陽極氧化膜307。增加膜308的厚度達(dá)150nm或更大在后面的注入選定的雜質(zhì)離子步驟中能夠形成所需的偏移柵區(qū)。這種致密膜308在后面步驟中能夠抑制或排除在TFT柵里極(后面用數(shù)字309表示)的表面處出現(xiàn)小丘。
在薄的致密陽極氧化膜308形成后，選定的導(dǎo)電類型的雜質(zhì)——這里，制造N溝道TFT(NTFT)的P離子——由離子注入攙入底層已構(gòu)圖硅膜303中，從而形成間隔開的重?fù)诫s區(qū)310，311，當(dāng)完成時，重?fù)诫s區(qū)310，311作為TFT結(jié)構(gòu)的源和漏。
使用醋酸、磷酸和硝酸混合物的精選蝕刻劑對多孔陽極氧化膜307進(jìn)行選擇性蝕刻。此后，P離子又注入所得結(jié)構(gòu)。此離子注入的電荷量可能少于用于形成膜303中的源和漏區(qū)310，311的。間隔開的輕摻雜區(qū)312，313因此限定在膜303中，它們與重?fù)诫s的源和漏區(qū)310，311的內(nèi)邊緣接觸，如圖30所描繪的，同時使區(qū)312，313之間的中間區(qū)314自動對準(zhǔn)上覆的柵電極島309。中間區(qū)314作為TFT結(jié)構(gòu)中的溝道區(qū)。
在雜質(zhì)注入后，然后用激光束，紅外線束或紫外線(UV)柬照射對圖30的結(jié)構(gòu)進(jìn)行光退火處理。這樣，就能獲得稱為“輕摻雜漏(LDD)”的基本TFT結(jié)構(gòu)，它具有源區(qū)310、輕摻雜區(qū)(LDD區(qū))312，313、溝道區(qū)314和漏區(qū)311。
建議在此制作步驟中在300～350℃的溫度下進(jìn)行等離子體氫化作用處理0.5～1小時。此處理是為了按預(yù)定濃度把氫攙入有源層303，例如5原子％(1×1021個原子/cm3或更少)，優(yōu)選為約1×1015～1×1021個原子/cm3。因為攙入的氫是活性的，攙入的氫能排除有源膜303中硅原子的懸空鍵或者通過中和作用排除在有源層和柵絕緣膜之間的界面能級。
接著，如圖3E所示，作為層間絕緣的電介質(zhì)膜315淀積在圖3D的結(jié)構(gòu)上。膜315由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、樹脂或它們可能的多層組合構(gòu)成。使用氮化硅是優(yōu)選的，這是由于能排除從先前步驟中攙入的氫反擴(kuò)散到器件結(jié)構(gòu)的外部。然后構(gòu)圖層間絕緣膜315，限定用作布線接觸孔的開口。接著，淀積金屬層316，317充滿這些接觸孔，提供TFT的源和漏電極。在該TFT用作有源矩陣液晶顯示(LCD)板的圖象元件或“像素”晶體管的情況下，不需要用來提供電信號給圖3E的柵電極309的任何凸出或盤電極；另一方面，在TFT用在外圍驅(qū)動器電路系統(tǒng)中的情況下，要求與柵309電氣相聯(lián)的凸出或盤電極同時形成。然后通過在350℃的氫氣氛中進(jìn)行熱處理對所得結(jié)構(gòu)進(jìn)行氫化作用。由此完成TFT結(jié)構(gòu)，如圖3E所示。
由此制作的TFT結(jié)構(gòu)可提供良好的場效應(yīng)載流子遷移率，足以獲得所需的高速開關(guān)操作。這是由于有源層完全由單疇區(qū)組成。由于在溝道區(qū)以及漏結(jié)處實際上沒有晶界，同時排除了那里的鎳化合物的凝結(jié)，所以可靠性也增加了。
現(xiàn)在將解釋在含鹵元素的氣氛中熱氧化處理來形成圖2E的單疇區(qū)211的優(yōu)點(diǎn)。
看圖4，此圖表示氯化鎳(NiCl2)的蒸氣壓與溫度的關(guān)系。如圖所示，因為NiCl2是升華材料，在圖2E的單疇晶體硅膜210中的鎳-被氯吸收就呈現(xiàn)升華性。所得的氯化鎳化合物通過擴(kuò)散到空氣中或被它的上覆熱氧化膜209吸收而從膜210中釋放出來。這有利于使Ni從膜210中成功的除去。
參考圖5，將描述圖3E的TFT結(jié)構(gòu)的電性能，圖5表示TFT的柵電流(Vg)與漏電壓(Id)的關(guān)系。在此圖中繪制兩條Vg-Id特性曲線曲線501是根據(jù)本發(fā)明的圖3E的TFT的曲線；曲線502是未進(jìn)行熱處理和氮化物退火步驟制作的一個標(biāo)準(zhǔn)TFT。
比較兩晶體管特性501，502，表明在本發(fā)明TFT中流過的接通電流比標(biāo)準(zhǔn)TFT大2至4個數(shù)量級。當(dāng)供給0～5V的柵電勢，TFT變得導(dǎo)電時，接通電流是流過的漏電流，如圖5所示。
從圖5可見，圖3E的TFT的亞閾值特性大于標(biāo)準(zhǔn)TFT。這里所用的“亞閾值”特性指代表TFT開關(guān)操作銳度的大小正如技術(shù)人員已認(rèn)識到的，當(dāng)TFT從斷開切換到接通狀態(tài)時Id-Vg曲線的上升角愈尖銳，亞閾值特性越好。
也應(yīng)當(dāng)注意，標(biāo)準(zhǔn)TFT的亞閾值特性保持在350mV/十進(jìn)位(decade)附近，而本發(fā)明是低至約100mv/十進(jìn)位。這說明了本發(fā)明的TFT在開關(guān)性能方面也增加了。關(guān)于用作估計TFT工作速度的關(guān)鍵參數(shù)的場效應(yīng)載流子遷移率，標(biāo)準(zhǔn)TFT是80-100cm2/vs，而本發(fā)明大至180-200cm2/vs。這意味著后者能以高速度工作。從上所述，從實驗可見，本發(fā)明的TFT結(jié)構(gòu)能提高電性能。
我們的實驗表明了用氯作金屬元素的吸收作用的顯著優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合圖2E的TFT結(jié)構(gòu)進(jìn)行陳述。
看圖6，是實驗結(jié)果的圖形表示，代表沿晶體硅膜210的斷面的濃度分布，用SIMS測量。應(yīng)該注意，由于存在可能的表面外觀和其內(nèi)吸收殘余物質(zhì)的影響或作用的風(fēng)險，相對于膜表面附近的某些區(qū)域的測量數(shù)據(jù)可能多少是無意義的。也應(yīng)該注意，由于同樣原因，靠近界面的數(shù)據(jù)也可能包含誤差。正如從圖6的曲線所見，氯非常多的存在于或靠近在晶體硅膜210和它的上覆熱氧化膜209之間的界面。這可能是由于在熱處理開始時在膜210的表面內(nèi)吸收的氯擴(kuò)散到吸收有Ni的熱氧化膜209中。也認(rèn)為這是由于在膜209形成之前在膜20的表面處已存在的許多稱為“懸空鍵”的未配對偶結(jié)側(cè)充滿(結(jié)合)氯。結(jié)果，對制作半導(dǎo)體器件，期望氯確實存在器件有源層的表面——更精確地，在或靠近有源層和柵絕緣層之間的界面——具有增加的濃度分布。
如圖7所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)700，用于具有薄膜晶體管的有源矩陣液晶顯示(LCD)器件，每個薄晶體管具有由本發(fā)明單疇區(qū)構(gòu)成的有源層。如圖所示，結(jié)構(gòu)700包括具有絕緣或電介質(zhì)表面的襯底701，在其上薄膜晶體管(TFT)的已構(gòu)圖有源層704的排列是按行或列布置。在襯底701的相對側(cè)邊上的兩條形延長表面區(qū)域702是已設(shè)定成選擇的Ni摻雜區(qū)的確定位置。在圖7中繪制的虛線703表示在此形成的線狀晶界的位置，這是由于橫向生長區(qū)以圖1A-1C已討論過的方式相互沖突。使用虛線是因為在完成制作已構(gòu)圖的有源層704后，此晶界703將成功地消失并相應(yīng)地變得不可見。
如圖7所示，有源層704的陣列形成在襯底701的頂面上，并排除了含有Ni摻雜區(qū)域702和晶界703的位置。這也符合于襯底701上總共約106的TFT有源層的其它層(未示出)。
圖8A-8K表示互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)晶體管的制作方法，本方法利用圖3A-3E所示的TFT形成過程，雖然本發(fā)明不僅局限于此。
如圖8A所示，制備絕緣襯底801，氮氧化硅膜802淀積在其上。襯底801由玻璃、石英或類似物制成。膜802具有一表面，以類似于前面已討論的方法中使用的技術(shù)，單疇晶體硅膜形成于此表面上。然后對此硅膜構(gòu)圖，限定分開的單疇有源層803，804∶803用在N溝道TFT (NTFT)；804用在P溝道TFT (PTFT)。這里僅繪制兩個晶體管，目的僅用于解釋。實際上，當(dāng)本發(fā)明用于實際時，形成幾百萬P和N溝道TFT并由微電子制作技術(shù)集成在同一襯底上。接著，用等離子體CVD方法淀積上覆柵絕緣膜805到預(yù)定厚度，例如50～200nm，最好是100～150nm。膜805可由氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、或其它可用電介質(zhì)材料制成。
如圖8B所示，由濺射或電子束淀積把導(dǎo)電膜806沉積在圖8A的結(jié)構(gòu)上。膜806可由鋁構(gòu)成并且在隨后的步驟中構(gòu)圖后用作TFT的柵電極。膜806內(nèi)含有0.2重量百分比(wt％)的鈧，以排除小丘或晶須的出現(xiàn)。這是指由于鋁的不正常晶體生長而產(chǎn)生的刺狀或發(fā)狀凸起。這種凸起的存在將嚴(yán)重導(dǎo)致在相鄰引線之間或在層疊的布線之間的不想要的短路和相互干擾。膜806也可由可陽極化材料制成，例如鉭。
在圖8B的步驟中，在膜806作陽極的電解溶液中通過已知的陽極氧化處理，致密薄膜807形成在鋁膜806上。這里所用的電解溶液是氨中和的含3％酒石酸的乙二醇。采用此陽極氧化能形成密度及厚度增加的平而均勻的氧化膜，厚度由供給電壓控制。這里膜807厚10nm，并用于提高后面將形成在其上的保護(hù)膜的附著性能。
接著，如圖8C所示，在圖8B的結(jié)構(gòu)上形成具有掩蔽部分808，809的已構(gòu)圖的光敏保護(hù)層。借助光刻膠掩蔽部分808，809，對底層鋁膜806和陽極氧化作用的氧化膜807進(jìn)行構(gòu)圖處理，獲得具有相應(yīng)已構(gòu)圖膜部分810，811的圖8C結(jié)構(gòu)。然后對此結(jié)構(gòu)進(jìn)行陽極氧化處理，膜810，811作陽丸在此處理期間陽極氧化僅在每個膜810，811的側(cè)壁選擇地進(jìn)行。這是由于致密膜807和掩蔽部分808，809的疊層存在于膜810，811的上面。結(jié)果，多孔氧化膜812，813在膜810，811的側(cè)壁上生長到幾微米厚。此陽極氧化的發(fā)展距離——即側(cè)壁氧化膜812，813的厚度——例如是700nm。陽極氧化距離將確定后面形成的輕摻雜區(qū)域的長度。我們的實驗建議膜812，813的厚度最好落入600～800nm。在此步驟中圖80的結(jié)構(gòu)是具有柵電極81，82，如圖所示。
在保護(hù)膜808，809去除后，圖8D的結(jié)構(gòu)又用類似電解溶液進(jìn)行陽極氧化。在此過程中，溶液試圖進(jìn)入和充滿多孔側(cè)壁氧化膜812，813的內(nèi)部。由此形成致密的陽極氧化物814，815，如圖8E所示。此氧化物一般是50～400nm厚。通過調(diào)節(jié)外部提供的電壓可控制此厚度。早先形成的致密氧化物807的任何剩余部分變得與氧化物814，815連成一體。
在圖8E的步驟中，所得結(jié)構(gòu)用例如磷(P)的N型雜質(zhì)攙入在整個表面上。電荷量高至2×1014～5×1015cm-2，最好是在1-2×1015cm-2的范圍中。采用已知等離子體或離子摻雜技術(shù)。結(jié)果，重?fù)诫s區(qū)816-819限定在圖8E所示的單疇有源層803，804中。一對816，817自對準(zhǔn)其相應(yīng)的具有側(cè)壁氧化膜812的柵電極81，而另一對818，819自對準(zhǔn)具有側(cè)壁氧化膜813的柵電極82。
此后，用選好的鋁混合酸蝕刻劑來去除側(cè)壁氧化膜812，813。此時，由于抑制任何離子摻入其中，氧化膜812，813正下面的有源區(qū)基本保持本征純度。
在氧化膜812，813去除后，如圖8F所示，選擇地形成光刻膠保護(hù)層820，覆蓋PTFT將形成在其中的右側(cè)表面區(qū)域。圖8F結(jié)構(gòu)的左側(cè)表面區(qū)域保持如圖所示的曝露。
然后，如圖8G所示，與圖8E的步驟相比以相對低的電荷量的P離子攙入此結(jié)構(gòu)。此電荷量可設(shè)定在1×1013至5×1014cm-2，優(yōu)選地，3×1013至1×1014cm2。由于此雜質(zhì)攙入的結(jié)果，間隔開的輕摻雜區(qū)822，824限定在單疇有源層803的選定部分內(nèi)，選定部分位于現(xiàn)在已去除的側(cè)壁氧化膜812的下面。這些區(qū)域822，824自對準(zhǔn)所示的柵電極81。重?fù)诫s區(qū)821，825也限定在有源層803的外面位置處，使區(qū)域821接觸區(qū)域822，而區(qū)域825接觸區(qū)域824。這些外面的重?fù)诫s區(qū)821，825分別當(dāng)成NTFT的源和漏。里面的輕摻雜區(qū)822，824橫向地位于本征溝道形成區(qū)823的相對端，自對準(zhǔn)柵電極81。在溝道區(qū)823和漏825之間的區(qū)824當(dāng)成所謂的“輕摻雜漏(LDD)”區(qū)。
在圖8G中應(yīng)該注意，未摻雜區(qū)(未示出)存在在溝道823和輕摻雜區(qū)822，824之間，這是因為在雜質(zhì)攙入期間覆蓋柵電極81表面的薄氧化膜814的存在避免了離子注入其中。此未摻雜區(qū)的寬度相當(dāng)于氧化膜814的厚度，并且在本發(fā)明有關(guān)的技術(shù)中一般稱為“偏移柵”區(qū)。偏移柵區(qū)實質(zhì)上是本征的，沒有雜質(zhì)攙入其中，然而，在沒有任何柵電勢的情況下，它們無助于溝道的形成，因此作為電阻元件減弱內(nèi)部電場強(qiáng)度來抑制或消除材料性質(zhì)的破壞，增加TFT的使用壽命。在此應(yīng)注意，偏移寬度減小，所得的偏移區(qū)將不再發(fā)揮此作用。然而，在這方面至今還沒完全建立任何數(shù)量分析。
在NTFT形成后，如圖8H所示，除去保護(hù)膜820，然后淀積另一已構(gòu)圖的光刻膠層826，覆蓋示圖左側(cè)的NTFT。保護(hù)膜826作掩蔽膜，P型雜質(zhì)，例如硼(B)攙入到圖8H的結(jié)構(gòu)中。電荷量是2×1014至1×1016cm-2；優(yōu)選地，1～2×1015cm-2，如果需要的話它也可是圖8E步驟中同樣的。摻雜區(qū)827，831因而限定在單疇有源層804的相對側(cè)。當(dāng)這些區(qū)域包含N型和P型兩種雜質(zhì)時，它們本質(zhì)上起接觸盤作用，用于與相關(guān)的引出電極相互電連接。換句話說，不同于左手側(cè)NTFT結(jié)構(gòu)，PTFT在功能上它的源和漏區(qū)不同于區(qū)域827，831。在這方面，可以看出PTFT的源和漏由其它摻雜區(qū)828，830構(gòu)成，摻雜區(qū)828，830分別自對準(zhǔn)它的對應(yīng)柵電極82。這些區(qū)域828，830通過注入僅B離子至某一位置來限定，該益的性質(zhì)實際上是本征的。由于此原因，任何其它離子不存在，益于雜質(zhì)濃度可控制性，這就能實現(xiàn)有優(yōu)良匹配特性的PI結(jié)，同時降低由于離子注入而產(chǎn)生的晶體不均勻性。應(yīng)該注意，在某些情況下如果需要的話，偏移柵區(qū)的形成可利用覆蓋柵82表面的氧化膜815來獲得，然而，考慮到與NTFT相比，PTFT幾乎不衰化，正如本發(fā)明人所做實驗表明的，示意結(jié)構(gòu)沒有此偏移區(qū)。
這樣，如圖8H所示，源和漏區(qū)828，830形成在PTFT的單疇有源層804。定位在源和漏828，830之間的中間未摻雜區(qū)限定溝道形成區(qū)。在有源層804的相對側(cè)部分的摻雜區(qū)827，831當(dāng)成接觸盤，用于提供電流給源828或從漏830中得到電流。
在保護(hù)膜826除去后，如圖8I所示，然后用激光束照射所得結(jié)構(gòu)，用于攙入雜質(zhì)的激發(fā)以及摻雜區(qū)的退火。在實施激光照射同時，減小在一對NTFT的源和漏區(qū)821，825與另一對PTFT的源和漏區(qū)828，830之間的結(jié)晶度差異。在那之間沒有明顯的結(jié)晶度差別是源于在圖8H的步驟中在離子注入期間源和漏區(qū)828，830沒有被顯著破壞。結(jié)果，激光退火可修復(fù)兩個TFT的已摻雜源和漏區(qū)，以保證P和N溝道TFT在晶體管性能上相似或相同。
接著，如圖8J所示，用等離子或熱CVD技術(shù)淀積層間電介質(zhì)膜832在圖8I結(jié)構(gòu)的整個表面上，厚度400nm。膜832由氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、或它們以多層方式的任何組合構(gòu)成。
最后，如圖8K所示，一些需要的開口限定成層間膜832的接觸孔。然后選擇地形成已構(gòu)圖的導(dǎo)電膜833-836，以填充接觸孔，當(dāng)成P和N溝道TFT的源和漏電極。也形成布線圖案，使NTFT的漏電極834電聯(lián)接PTFT的836，同時使絕緣柵電極81，82之間相互連接。由此完成CMOSTFT結(jié)構(gòu)，它能應(yīng)用于高級的高速/高精度顯示板，包括有源矩陣LCD，有源矩陣電發(fā)光(EL)器件，和其它。
圖示TFT制作方法的重要性是在圖8E，8G和8H的步驟中，單疇有源層803，804被氧化硅膜805完全覆蓋在表面上，在構(gòu)圖后氧化硅膜805當(dāng)成柵絕緣膜。對氧化膜805覆蓋的有源層803，804進(jìn)行離子摻雜有利地降低了有源層表面上不均勻性和剩余雜質(zhì)出現(xiàn)的風(fēng)險。這極其有助于增加生產(chǎn)率以及所得TFT的可靠性。
應(yīng)當(dāng)注意，如圖2F所示的單疇晶體硅膜211也可制作在如硅晶片的半導(dǎo)體襯底上。在這種情況下，要求附加電介質(zhì)膜淀積在襯底的頂面上。為此目的可采用已知的熱氧化膜。為此在通常700-1300℃的溫度范圍下進(jìn)行熱處理一預(yù)定時間長度，預(yù)定時間長度隨目標(biāo)厚度的變化而變化。在燃燒O2，O2-H2O，H2O，O2-H2的選定氣氛中進(jìn)行熱氧化處理。在半導(dǎo)體技術(shù)中的最新進(jìn)展建議氧化作用也可在包含選定的鹵元素，例如HCl，Cl2等的氣氛中進(jìn)行。由于在硅晶片上形成多種半導(dǎo)體元件的擴(kuò)展可能性，硅晶片對最新半導(dǎo)體微制作技術(shù)是關(guān)鍵。在此半導(dǎo)體晶片上形成單疇硅膜可進(jìn)一步把本發(fā)明應(yīng)用在現(xiàn)有采用的硅晶片制作技術(shù)的組合方面。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖9A-9D，表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的單疇晶體硅膜的制作方法，設(shè)計形成具有此膜的TFT結(jié)構(gòu)，TFT結(jié)構(gòu)位于集成電路(IC)上，在制作期間IC形成在硅晶片上。
在圖9A中，表示用已知微制作方法制作的MOSFET IC器件(未按比例顯示)。IC有硅襯底11，MOSFET和相關(guān)的元件間隔電介質(zhì)層12，13一起形成在襯底的頂面上，電介質(zhì)層12，13一般以熱氧化膜形成。MOSFET具有在襯底11表面內(nèi)的間隔開的源和漏區(qū)14，15。這些可通過把選定電導(dǎo)類型的雜質(zhì)攙入到襯底11的注入步驟和接著的擴(kuò)散步驟來制作。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，如果襯底11是P導(dǎo)電型，選擇如磷(P)的N型雜質(zhì)注入；如果襯底11是N型，那么如硼(B)的P型雜質(zhì)攙入其中。MOSFET也具有限定在襯底表面的源14和漏15之間的溝道形成區(qū)16，并且絕緣柵電極17覆蓋在溝道16上面。柵電極17由多晶硅制成。柵17被柵絕緣膜與襯底11電絕緣，柵絕緣膜夾在它們之間。正如專家容易理解，此膜是在離子注入形成源14和漏15之后在擴(kuò)散步驟期間通過厚度控制而形成的熱氧化膜的剩余部分。柵17由氧化硅膜18覆蓋，與襯底11上的源電極19、漏電極20或其它相鄰元件電絕緣。
如圖9B所示，層間電介質(zhì)膜21淀積在圖9A的MOSFET-IC結(jié)構(gòu)上。膜21可由氧化硅、氮化硅、或其它構(gòu)成。接觸孔限定在膜21中的選定位置。然后，已構(gòu)圖的導(dǎo)電布線層22形成作為芯片引線，使漏電極20與任何需要部分或IC的部分相互電連接。
接著，用已知化學(xué)和機(jī)械拋光(CMP)技術(shù)對圖9B的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面拋光處理，獲得圖9C所示的表面平整的IC結(jié)構(gòu)。如圖所示，由于此表面拋光處理，所得的層間電介質(zhì)層23呈現(xiàn)平坦、光滑頂表面24，任何不希望的引線22的凸起從它上面除去。在圖9C中數(shù)字25表示引線22的平坦部分，在其上形成引線26，用于與漏電極20相互連接。建議由仔細(xì)挑選的耐熱材料制成源電極19，漏電極20和引線26，它能夠經(jīng)受住施加增升到1100℃的熱量。這是鑒于后面在單疇晶體活性層形成期間的熱量施加。
接著，如圖9D所示，層間電介質(zhì)膜27淀積在圖9C結(jié)構(gòu)的整個表面上。用作TFT的有源層的單疇晶體硅膜形成在此膜27上。此有源層的形成在原理上類似于圖2A-2F所示。更具體地說，已構(gòu)圖的單疇晶體硅有源層28形成在層間電介質(zhì)膜27上。柵絕緣膜29淀積覆蓋膜27和有源層28。然后形成柵電極30，絕緣地覆蓋在有源層28的溝道區(qū)上。接著，選擇導(dǎo)電類型的選好雜質(zhì)攙入到有源層28。
在雜質(zhì)注入后，絕緣膜31選擇地形成在柵電極30的相對側(cè)壁上。此側(cè)壁絕緣膜31的形成包括步驟淀積氧化硅膜(未示出)，氧化硅膜厚度大于柵30并覆蓋其整個表面；進(jìn)行非均質(zhì)的干蝕刻，除去此絕緣膜的已選擇部分，從而使絕緣膜僅保留在柵30的各個相對側(cè)壁上，如圖所示。
進(jìn)行進(jìn)一步的雜質(zhì)注入，限定有源層28中的重?fù)诫s源和漏區(qū)，同時使側(cè)壁絕緣膜31掩蔽的確定部分仍然是輕摻雜區(qū)。然后用熱處理和/或激光束照射來完成雜質(zhì)激活處理。此后，淀積由氧化硅或氮化硅制成的電介質(zhì)膜，作為層間絕緣層。對此絕緣層進(jìn)行蝕刻處理，形成接觸孔。最后，通過接觸孔形成源和漏電極33，34，提供有源層28內(nèi)的源和漏的相互電連接。
圖9A-9D所示實施例的明顯優(yōu)點(diǎn)是多層或“三維(3D)竹結(jié)構(gòu)的TFT能制作在目前現(xiàn)有的IC器件上。更具體地說，由于圖9D的3D MOS-IC/TFT結(jié)構(gòu)，高TFT能發(fā)揮附加的增強(qiáng)晶體管作用，在速度及可靠性方面相當(dāng)于制作在例如已描繪的硅晶片或襯底11這樣的單晶基片上的低標(biāo)準(zhǔn)MOSIC。這為IC器件有利地提供了增加的集成或裝配密度，而不降低它們的固有性能。
圖10和11表示實施本發(fā)明的動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)器件，它采用本發(fā)明的TFT結(jié)構(gòu)。DRAM包括一個電容器/一個晶體管存儲器單元的陣列，存儲器單元的一個在圖10中可見。如圖所示，存儲器單元包括具有柵的數(shù)據(jù)傳送晶體管123，柵耦結(jié)到相對應(yīng)的一個并行字線121；源，它耦結(jié)到對應(yīng)的比特線122；和漏。晶體管123是具有有源層的TFT，有源層由前面描述的單疇晶體硅膜制成。此單元也包括一個電極耦結(jié)到TFT123的漏而另一電極耦結(jié)到固定電勢，例如地的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲電容器124。在圖10的DRAM單元中，當(dāng)在字線121提供選定電勢的電壓信號時，此電勢提供給柵使TFT 123導(dǎo)電。這使數(shù)據(jù)信號從比特線122通過TFT123傳送給電容器124，使用于寫入數(shù)據(jù)的相應(yīng)電荷載流子積累或存儲其中。在讀操作期間，存儲的載流子通過TFT123傳送到比特線122。
參看圖11，表示圖10的DRAM單元的橫截面圖。如圖所示，硅村底125具有氧化硅膜126形成在其上的頂面，提供所謂的在絕緣膜上的半導(dǎo)體(SOI)結(jié)構(gòu)。膜126可是熱氧化膜。形成在膜126上的是TFT，TFT具有根據(jù)本發(fā)明原理的單疇晶體硅有源層127。
從圖11明顯可見，有源層127由上覆的柵絕緣膜128覆蓋，絕緣的柵電極129布置在膜128上。層間絕緣膜130層疊在覆蓋柵129的膜128上。膜130具有接觸孔，源電極131通過接觸孔以類似于前述實施例的方式電耦結(jié)到有源層127的源區(qū)。源電極131也耦結(jié)到圖10的相應(yīng)比特線122。另一導(dǎo)電層132在層間絕緣膜130的上面，作為圖10的數(shù)據(jù)存儲電容器124的一個電極，限定在它和下面的有源層127中TFT的漏區(qū)之間的預(yù)定電容。源電極131，電容器電極132和比特線122一次形成。絕緣層133覆蓋在單元的整個頂面上，作為保護(hù)層。
圖10和11所示實施例的顯著特征是能抑制或排除漏電流。這是因為采用TFT123來形成使結(jié)區(qū)域最小的低成本/高集成一個電容器/一個晶體管DRAM單元中的SOI結(jié)構(gòu)，又導(dǎo)致了數(shù)據(jù)存儲可靠性的增加。
另一優(yōu)點(diǎn)是能實現(xiàn)低電壓運(yùn)行，這是由于SOI-DRAM單元結(jié)構(gòu)使存儲電容降低而不降低可靠性及性能。
圖12和13表示采用本發(fā)明的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)器件，也采用本發(fā)明的TFT結(jié)構(gòu)。SRAM包括NMOS或CMOS存儲器單元的陣列，每個單元具有圖12所示的雙穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器(F/F)電路系統(tǒng)。SRAM單元依據(jù)在供電繼續(xù)的情況下F/F電路是接通還是斷開來靜態(tài)地存儲邏輯“0”或“1”的二進(jìn)制1比特數(shù)據(jù)。如圖12所示，單元是在字線221和一對位線222之間的交叉處，包括F/F電路，F(xiàn)/F電路由一對交叉耦合的驅(qū)動器晶體管224和相關(guān)的高電阻負(fù)載元件223組成。一對負(fù)載223和晶體管224通過存取晶體管225在公共結(jié)點(diǎn)處與一個位線222相互連接，存取晶體管225具有耦合到字線221的柵；另一對負(fù)載和晶體管通過類似的晶體管225連接到另一位線222。
圖13表示用在SRAM單元中的TFT的橫截面圖。襯底226可由石英或硅制成。氧化硅膜227在襯底226上，作為TFT的單疇晶體硅有源層228形成在其上的底涂層。有源層228被柵絕緣膜229覆蓋，已構(gòu)圖的柵電極230形成在膜229上。上覆層間電介質(zhì)膜231具有接觸孔，通過此接觸孔源和漏電極232，233電耦合到以前述方式形成的有源層228的源和漏區(qū)。源和漏電極232，233和位線222一起制作。層間電介質(zhì)膜234和多晶膜235依次層疊。后面的膜235當(dāng)作圖12的高電阻負(fù)載元件223。整個多層結(jié)構(gòu)被保護(hù)膜236覆蓋，膜236由選定的電介質(zhì)材料制成。由此布置，SRAM單元能發(fā)揮高速工作，具有最大的可靠性和可裝配性。這是由于使用的TFT具有在SOI襯底結(jié)構(gòu)上制作的單疇有源層228。
圖11和13所示TFT-SOI結(jié)構(gòu)的一個特征是能成功地抑制或排除摻雜任何有害的參數(shù)元素，這些元素會影響或干擾所得單疇晶體有源層的晶體性能，例如管道密度、界面能級、固定電荷、穿透躍遷等。更具體地說，由于最新研究的結(jié)果在SOI結(jié)構(gòu)能呈現(xiàn)能量消耗的進(jìn)一步降低時，也患有問題?？磮D14，此圖是示意圖，總結(jié)在一典型SOI結(jié)構(gòu)中能影響結(jié)晶度的一些可能因素界面能級和硅膜中的固定電荷，它們源于晶體結(jié)構(gòu)；和，金屬雜質(zhì)及硼濃度——這是由于外部影響。這些因素的有害作用能由本發(fā)明的制作方法降至最小，具體包括步驟在含鹵元素的氣氛中加熱晶體硅膜，從而使硅膜的單晶化和金屬元素的吸收兩者一次完成。進(jìn)行吸收處理除去其內(nèi)任何可能的金屬雜質(zhì)。這主要由于鹵元素的作用，附加地增加了已從鎳原子脫離的硅原子的懸空鍵總數(shù)。由熱退火處理的單晶化呈現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是能抑制或排除例如管道密度、界面能級、固定電荷、穿透躍遷等的不利因素。在圖14示出的沉積或淀積物是硅化物基材料的情況下，這些不利因素通過鹵元素的吸收劑作用能成功地除去。如果是氧化物材料，由于熱處理期間氧的擴(kuò)散再分離的結(jié)果，能期望這些不利因素消失。
應(yīng)該注意，具有圖3E所示的單疇有源層的TFT結(jié)構(gòu)和圖8K的CMOSTFT可以結(jié)合集成在單個襯底上，提供具有有源矩陣顯示部分的LCD板和在同一板襯底上用于電驅(qū)動顯示部分的相關(guān)外圍驅(qū)動器電路系統(tǒng)，襯底可由石英或硅制成。有源矩陣LCD板包括有源矩陣相術(shù)的行和列的陣列，每個包括至少一個開關(guān)TFT。驅(qū)動器電路是在圍繞相術(shù)陣列的板襯底的外圍上。在性能上相當(dāng)于單晶MOSFET的圖3E的TFT結(jié)構(gòu)用作此相術(shù)TFT，而圖8K的CMOSTFT用作驅(qū)動器TFT。
本實施例的顯著優(yōu)點(diǎn)是相術(shù)晶體管中的開路電流能降低或減至最小。原因如下因為TFT有源層由前述的單疇晶體硅膜構(gòu)成，不再存在任何晶界，而晶界不利地產(chǎn)生開路電流優(yōu)選一下流動過去的電流通道。這又增加了在單個相術(shù)電極處信號電荷包的可保持性。
本實施例的另一優(yōu)點(diǎn)是利用圖8K的CMOSTFT結(jié)構(gòu)能增強(qiáng)驅(qū)動器CMOSTFT的性能及在PMOSTFT和NMOSTFT之間的晶體管特性的相等。
圖3A-3E所示的制作過程的修改如下。以與結(jié)合圖2A-2F討論的過程類似的方式，形成其內(nèi)包含單疇區(qū)的半導(dǎo)體薄膜，單疇區(qū)選擇地用于提供TFT有源區(qū)。
然后，用CVD或PVD技術(shù)淀積主要由硅構(gòu)成的絕緣膜到預(yù)定厚度，例如，20-150mm--優(yōu)選地，80nm-覆蓋有源層。絕緣膜由氧化硅、氮氧化硅、氮化硅或類似物構(gòu)成。依據(jù)制作TFT最終要求的電介質(zhì)擊穿電壓來仔細(xì)地選擇厚度。
在氧化硅膜形成后，進(jìn)一步--這里，第三--在含鹵元素的氣氛中進(jìn)行熱處理。此處理條件類似于前面提到的第二熱處理。
在進(jìn)行第三熱處理期間，總之在有源層內(nèi)仍存在的象鎳這樣的金屬元素降低，相應(yīng)地提高了單疇區(qū)的結(jié)晶度。在此處理期間，熱氧化反應(yīng)在有源層和上面的氧化硅膜之間的界面處進(jìn)行，氧化硅膜形成20nm厚的熱氧化膜。此時建議有源層的最終厚度落在20-30nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選地25nm。這可能有利于降低或使開路電流的值為最小。
在完成第三熱處理后，所得結(jié)構(gòu)在950℃在氮化物氣體氣氛中進(jìn)行進(jìn)一步熱處理1小時，以修復(fù)熱氧化和氧化硅膜的任何可能熱破壞，提高膜質(zhì)量。而且，由于在含鹵素的氣氛中熱處理的結(jié)果，鹵元素以增加的濃度繼續(xù)存在在有源層和上覆柵絕緣膜之間的界面附近。我們的SIMS測量表明鹵的濃度在從1×1019到1×1020原子/cm3的范圍內(nèi)。也應(yīng)注意，在有源層和氧化硅之間的界面處形成的熱氧化膜和氧化硅膜一起將用于構(gòu)成柵絕緣膜。在熱氧化膜形成期間任何缺陷態(tài)和晶格間的硅原子減少，增加了有源層和柵絕緣膜之間的產(chǎn)生的界面態(tài)。正如結(jié)合圖2A-2F的實施例已描述的，有源層的頂表面呈現(xiàn)最大的平面性；結(jié)果，熱氧化反應(yīng)規(guī)則地進(jìn)行使柵絕緣膜變得厚度均勻。這提高了界面態(tài)，同時增加?xùn)沤^緣膜的耐電壓或擊穿電壓特性。
本實施例的優(yōu)點(diǎn)是能降低有源層中摻雜例如Ni的金屬元素，同時使有源層和它的上覆柵絕絕膜之間的界面態(tài)優(yōu)良。這導(dǎo)致能夠提供具有增強(qiáng)的電特性和可靠性的半導(dǎo)體器件。圖2A-2F所示實施例的第二熱處理和上述實施例的第三熱處理兩者可任意地一次進(jìn)行。為這樣做，圖2D的晶體硅膜207-此膜是在第一熱處理進(jìn)行之前-構(gòu)圖形成有源層，然后進(jìn)行本實施例的規(guī)定處理。
可改進(jìn)前述實施例以不同方式完成改進(jìn)有源層和絕緣膜之間的界面態(tài)，正如下面論述的。
首先，象圖2A-2F所示的實施例方法一樣，形成包含相似單疇區(qū)的半導(dǎo)體薄膜，選擇地用于形成TFT有源層。然后，用CVD或PVD技術(shù)淀積氧化硅膜在其上到一厚度，例如20-150nm。然后，對所得結(jié)構(gòu)在500-700℃，典型地640-650℃下進(jìn)行熱處理。此溫度范圍幾乎限定下限，以便可進(jìn)行熱氧化。這里的熱處理可在僅有氧氣的氣氛或者含鹵元素的氣氛中進(jìn)行。另一方面，能采用含水蒸氣的“濕”氣氛。進(jìn)行0.5-2小時的熱處理，淀積熱氧化膜，膜的測量厚度小于10nm，典型地1-9nm。當(dāng)熱氧化膜的厚度變成等于此時，此熱氧化膜的生長完成。
此改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)是通過減少或去除在或靠近界面的任何剩余固定電荷或缺陷態(tài)就能獲得在有源層和柵絕緣膜之間的優(yōu)良界面態(tài)。通過僅熱氧化有源層頂面部分的有限薄層區(qū)就能實現(xiàn)減少或沒有此缺陷，薄層區(qū)是1-3nm深或厚。換句話說，對此實施例，通過專門形成厚度受限制的很薄熱氧化膜就能實現(xiàn)優(yōu)良的界面態(tài)。這里的氧化是指提供薄1-3nm的有源層同時形成2-6nm厚的新熱氧化膜。能獲得這樣的好界面的一種可能解釋是存在的剩余固定電荷和/或晶體缺陷趨于只集中在有源層的上述確定薄表面區(qū)，薄表面區(qū)落在界面作為中心、跨越有源層和柵絕緣膜的1-3nm的狹窄區(qū)域內(nèi)。因此，通過用熱氧化來除去和代替薄的表面區(qū)，能幾乎完全排除夾雜或存在此缺陷。
此改進(jìn)的另一優(yōu)點(diǎn)是能提高制作半導(dǎo)體器件的效率——即，生產(chǎn)率——這是由于這里所用的熱氧化處理能在相對低的溫度下進(jìn)行，降低了所用設(shè)備的任務(wù)(負(fù)擔(dān))。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)到圖16A-16D，表示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的TFT制作過程，在制作時采用多晶硅(多晶硅)膜作為TFT的柵電極。
在圖16A中，制備絕緣襯底1601，襯底1601可由玻璃構(gòu)成。玻璃襯底1601具有頂表面，在頂表面上依次形成底涂層1602，已構(gòu)圖的單疇晶體有源層1603，柵絕緣膜1604，和已構(gòu)圖的柵電極1605。結(jié)合圖2A-2F用前面討論的實施例工藝過程制作有源層1603。柵1605可由多晶硅制成。
然后用已知離子注入技術(shù)在圖16A的結(jié)構(gòu)中攙入雜質(zhì)，這樣間隔開的摻雜區(qū)1606，1607以自對準(zhǔn)圖16B所示的上覆柵1605的方式限定在有源層1603內(nèi)。然后，電介質(zhì)膜1608用低壓CVD、等離子CVD或濺射技術(shù)淀積在所得的結(jié)構(gòu)上，厚度0.5-1μm。膜1608可由氧化硅或氮化硅構(gòu)成。
然后，對16B的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深腐蝕處理，選擇地蝕刻上覆膜1608，僅使它的部分仍留在圖16C所示的柵1605的相對側(cè)壁上。這些側(cè)壁絕緣膜這里用數(shù)字1609標(biāo)記。在蝕到期間，柵絕緣膜1604也被蝕刻，除了在柵1605和側(cè)壁絕緣膜1609構(gòu)成的保護(hù)膜下面的某些部分外，大部分被除去。
接著，用離子注入技術(shù)對圖16C的結(jié)構(gòu)又?jǐn)v入選定雜質(zhì)。這里電荷量大于前面的雜質(zhì)離子注入。在第二次離子注入期間由于正好位于側(cè)壁絕緣膜1609下面的確定區(qū)域1610，1611沒有雜質(zhì)注入其中，其雜質(zhì)濃度保持不變。有源層1603的剩余、曝露區(qū)1612，1613中進(jìn)一步攙入雜質(zhì)離子，增加了那里的攙入雜質(zhì)濃度。通過第一和第三離子注入步驟，有源層1603變成具有重?fù)诫s源和漏區(qū)1612，1613以及正好在側(cè)壁絕緣膜1609下面的輕摻雜LDD區(qū)1610，1611。有源層1603也具有未摻雜的中間區(qū)1614，它正好在柵1605的下面，在所得的TFT中當(dāng)成溝道形成區(qū)。
現(xiàn)在30nm厚的鈦膜(未圖示)形成在圖16C的結(jié)構(gòu)上，使鈦膜和硅膜化學(xué)反應(yīng)。去除鈦膜后，用已知線性退火技術(shù)加熱所得結(jié)構(gòu)在圖16D所示的源1612、漏1613和柵1605的曝露表面區(qū)域上形成硅化鈦膜1615-1617。注意鈦膜可由鉭、鎢和鉬膜中的任何一個代替。然后淀積氧化硅膜1618作為層間絕緣膜，厚度500nm；然后形成用于源1612、漏1613和柵1605的電相互連接的多種合適的已構(gòu)圖引線1619-1621，由此完成圖16D所示的TFT結(jié)構(gòu)。
本實施例的一個優(yōu)點(diǎn)是在TFT結(jié)構(gòu)中能實現(xiàn)好的歐姆接觸，這是因為在TFT和引線之間通過硅化鈦膜1615-1617來形成電相互連接。
實施本發(fā)明的前述TFT的任一個能應(yīng)用于各種類型的半導(dǎo)體器件，包括例如有源矩陣LCD，EL或EC器件這樣的光電顯示板；例如DRAM，SRAM，VRAM，SDRAM，ROM，PROM，EEPROM，閃光EEPROM，NAND/NOR EEPROM或類似物這樣的存儲器；以及用于高級電子裝置或系統(tǒng)，例如TV攝像機(jī)、單人用顯示器、汽車導(dǎo)航系統(tǒng)、正或背投式顯示單元，家庭用攝像機(jī)、個人計算機(jī)等任何其它等同物。
看圖17A，描繪可攜式計算機(jī)。此計算機(jī)一般由主體2001，攝像機(jī)部分2002，圖像接收部分2003，控制開關(guān)2004和顯示單元2005構(gòu)成。本發(fā)明的TFT可應(yīng)用于裝配在顯示單元2005和主體中的IC。
圖17B表示單人用顯示器。此顯示器一般由主體2101，顯示單元2102，和帶部分2103構(gòu)成。顯示單元2102包括一對相對小型的顯示板。
圖17C表示汽車導(dǎo)航裝置。如圖所示，此裝置包括主體2201，顯示單元2202，控制開關(guān)2203，和天線2204。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件可應(yīng)用于顯示單元2201和內(nèi)裝電子設(shè)備的IC。顯示單元2202當(dāng)作監(jiān)視器，用于可視的表示公路圖形；結(jié)果，這可能是相對寬的分辨范圍。
圖17D表示便攜式或手持可移動電話，有主體2301，音頻輸出部分2302，音頻輸入部分2303，顯示單元2304，控制開關(guān)2305，和天線2306。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件能應(yīng)用于顯示單元2301和內(nèi)裝電子設(shè)備的IC。
圖17 E表示攝像機(jī)，包括主體2401，顯示單元2402，音頻輸入部分2403，控制開關(guān)2404，電池組件2405，和圖像接收器2406。本發(fā)明的半導(dǎo)體器件能應(yīng)用于顯示單元2402和內(nèi)裝電子線路的IC。
圖17F表示正投式裝置，可由主體2501，光源2502，反射型顯示單元2503，光學(xué)系統(tǒng)2504(包括已知的束分離設(shè)備，偏光鏡等)，和相關(guān)的屏幕2505。屏幕2505是大屏幕，適用于開會和學(xué)術(shù)會議的顯示，因此要求顯示單元2503高分辨率。
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件也能應(yīng)用于任何類型的光電組件或裝置，而不僅是示意表示的，包括背投式系統(tǒng)，如便攜終端這樣的便攜式電子智能工具。從前面的描述明顯可見，本發(fā)明可提供增加的可應(yīng)用性，覆蓋幾乎全部目前應(yīng)用的電子顯示系統(tǒng)。
已描述了本發(fā)明能在具有電介質(zhì)表面的襯底上形成或制作單疇區(qū)，該區(qū)在晶體結(jié)構(gòu)上與單晶材料實質(zhì)上是相同的。利用結(jié)晶度等于單晶的晶體硅膜又能實現(xiàn)例如TFT這樣的半導(dǎo)體器件的優(yōu)良有源層。能夠組織具有增強(qiáng)性能的半導(dǎo)體電路系統(tǒng)，性能相當(dāng)于用目前所用單晶晶片制作的IC。
在結(jié)合優(yōu)選實施例特別地表示和描述本發(fā)明時，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解在不脫離本發(fā)明的精神范圍時能夠在形式及細(xì)節(jié)上作出前述及其它變化。
權(quán)利要求
1.一種在襯底的絕緣表面上形成的半導(dǎo)體薄膜，包括由多種晶體的混合物構(gòu)成的單疇區(qū)，晶體實質(zhì)上與所述襯底平行，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜，其特征在于所述單疇區(qū)中基本避免包含晶界。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜，其特征在于所述單疇區(qū)厚度是15-45納米(nm)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的薄膜，其特征在于形成所述單疇區(qū)的所述薄膜的一部分包含氫，氫以1×1015-1×1021原子/cm3攙入。
5.一種在具有電介質(zhì)表面的襯底上的半導(dǎo)體薄膜，所述薄膜包括具有多種晶體的混合物的單疇區(qū)，晶體實質(zhì)上與所述襯底平行，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇；以及所述單疇區(qū)中基本沒有晶界。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜，其特征在于所述單疇區(qū)厚度是15-45nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的薄膜，其特征在于形成所述單疇區(qū)的所述薄膜的一部分包含氫，氫以1×1015-1×1021原子/cm3攙入。
8.一種在襯底的電介質(zhì)表面上的半導(dǎo)體薄膜，所述薄膜包括由多種晶體的混合物構(gòu)成的單疇區(qū)，該晶體實質(zhì)上與所述襯底平行，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇；實質(zhì)上避免包含晶界的所述單疇區(qū)；構(gòu)成所述單疇區(qū)的部分所述薄膜，單疇區(qū)包含選定比例的氫和鹵元素，選定比例等于或少于5個原子百分比；以及從氯、溴和氟構(gòu)成的組中選擇的所述鹵素。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的薄膜，其特征在于所述單疇區(qū)的厚度是15-45nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的薄膜，其特征在于形成所述單疇區(qū)的部分所述薄膜包含以1×1015-1×1021原子/cm3攙入的氫。
11.用一種方法形成的半導(dǎo)體薄膜，方法包括步驟用低壓化學(xué)蒸氣淀積在具有電介質(zhì)表面的襯底上形成一非晶硅膜；在所述非晶硅膜上選擇地形成氧化硅膜；在所述非晶硅膜附近保持金屬元素，以促進(jìn)所述非晶硅膜的晶化；通過第一熱處理使至少部分所述非晶硅膜變化成晶體硅膜；除去所述的氧化硅膜；在含鹵素的氣氛中進(jìn)行第二熱處理，在至少部分所述非晶硅膜和所述晶體硅膜上形成含鹵素的熱氧化膜，同時使所述晶體硅膜的性質(zhì)改變成相應(yīng)的單疇區(qū)；及除去所述熱氧化膜。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的薄膜，其特征在于所述鹵素在或靠近所述半導(dǎo)體薄膜表面處濃度增加。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的薄膜，其特征在于所述單疇區(qū)的厚度是15-45nm。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的薄膜，其特征在于形成所述單疇區(qū)的部分所述薄膜包含以1×1015-1×1021原子/cm3攙入的氫。
15.一種制作半導(dǎo)體薄膜的方法，所述方法包括步驟用低壓化學(xué)蒸氣淀積在具有電介質(zhì)表面的襯底上形成非晶硅膜；在所述非晶硅膜上選擇地形成氧化硅膜；在靠近所述非晶硅膜附近保持金屬元素，以促進(jìn)所述非晶硅膜的結(jié)晶；通過第一熱處理使至少部分所述非晶硅膜變成晶體硅膜；除去所述氧化硅膜；在含鹵素的氣氛中進(jìn)行第二熱處理，在至少部分所述非晶硅膜和所述晶體硅膜上形成包含鹵素的熱氧化膜，同時使所述晶體硅膜轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的單疇區(qū)；以及除去所述熱氧化膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于所述晶體硅膜以多種晶體的混合物形成，該晶體大體上與所述襯底平行，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于采用石英襯底和硅襯底中的一個作為所述襯底，所述石英襯底具有氧化硅膜，由使用人造石英靶的濺射技術(shù)形成在其表面上，所述硅襯底在其表面上具有熱氧化膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于所述金屬元素從鐵(Fe)、鉆(Co)、鎳(Ni)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)、銅(Cu)和金(Au)構(gòu)成的組中選擇。
19.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于包含鹵素的氣氛是加入一種或幾種氣體元素的氧氣，且其中所述氣體元素是從HCl、HF、HBr、Cl2、NF3、F2和Br2構(gòu)成的組中選擇。
20.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其特征在于所述第一熱處理是在500-700℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，而所述第二熱處理是在700-1,100℃的溫度下進(jìn)行。
21.一種半導(dǎo)體器件，包括具有電介質(zhì)表面的襯底；和在所述襯底上作為有源層的半導(dǎo)體薄膜，其特征在于所述薄膜具有含有多種晶體的混合物的單疇區(qū)，該晶體大體上與所述襯底平行，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇，以及所述有源層僅由所述單疇區(qū)構(gòu)成。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的器件，其特征在于所述有源層實質(zhì)上避免含有晶界。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的器件，其特征在于所述有源層厚度是15-45nm。
24.根據(jù)權(quán)利要求21的器件，其特征在于所述有源層以1×1015-1×1021原子/cm3攙入氫。
25.一種半導(dǎo)體器件，包括具有電介質(zhì)表面的襯底；和在所述襯底上作為有源層的半導(dǎo)體薄膜，其特征在于所述薄膜具有含有多種晶體的混合物的單疇區(qū)，該晶體實質(zhì)上與所述襯底平行，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇；其中所述有源層僅由所述單疇區(qū)構(gòu)成，同時實質(zhì)上避免存在晶界。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的器件，其特征在于所述有源層厚度是15-45nm。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的器件，其特征在于所述有源層以1×1015-1×1021原子/cm3攙入氫。
28.用一種方法形成的半導(dǎo)體器件，方法包括步驟用低壓化學(xué)蒸氣淀積在具有電介質(zhì)表面的襯底上形成非晶硅膜；在所述非晶硅膜上選擇地形成氧化硅膜；在所述非晶硅膜附近保持金屬元素，以促進(jìn)所述非晶硅膜的結(jié)晶；通過第一熱處理使至少部分所述非晶硅膜變成晶體硅膜；除去所述的氧化硅膜；在含鹵素的氣氛中進(jìn)行第二熱處理，在所述非晶硅膜和所述晶體硅膜上形成含鹵素的熱氧化膜，同時使所述晶體硅膜的性質(zhì)變化成單疇區(qū)；以及除去所述的熱氧化膜，僅由所述單疇區(qū)形成所述半導(dǎo)體器件的有源層。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的器件，其特征在于所述有源層厚度是15-45nm。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的器件，其特征在于所述有源層以1×1015-1×1021原子/cm3攙入氫。
31.根據(jù)權(quán)利要求28的器件，其特征在于在或靠近所述有源層表面處所述鹵濃度增加。
32.一種具有半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成有源層的半導(dǎo)體器件，所述器件由包括下列步驟的方法制作用低壓化學(xué)蒸氣淀積在具有電介質(zhì)表面的襯底上形成非晶硅膜；在所述非晶硅膜上選擇地形成氧化硅膜；在所述非晶硅膜附近保持金屬元素，以促進(jìn)所述非晶硅膜的結(jié)晶；通過熱處理使至少部分所述非晶硅膜變成晶體硅膜；除去所述氧化硅膜；僅用所述晶體硅膜來形成有源層；用氣相生長來形成絕緣膜，絕緣膜包括作為主要成分的硅并且覆蓋在所述有源層上；在含鹵素的氣氛中進(jìn)行熱處理，在所述有源層和所述絕緣膜之間的界面處形成熱氧化膜，同時通過從所述有源層吸收-排除所述金屬元素使所述有源層變成單疇區(qū)；以及在氮?dú)夥罩屑訜崴鼋^緣膜和所述熱氧化膜，增強(qiáng)膜質(zhì)量。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征在于在或靠近所述有源層表面處所述鹵素濃度增加。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征在于所述有源層厚度是15-45nm。
35.根據(jù)權(quán)利要求32的器件，其特征在于所述有源層以1×1015-1×1021原子/cm3攙入氫。
36.一種半導(dǎo)體器件，包括具有絕緣表面的襯底；在所述襯底上作為有源層的半導(dǎo)體薄膜；所述薄膜具有單疇區(qū)，單疇區(qū)實質(zhì)上避免包含晶界并且由大體與所述襯底平行的多種晶體形成，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇；所述有源層僅由包含氫和鹵元素的所述單疇區(qū)構(gòu)成，氫和鹵元素以等于或小于5個原子百分比的選定濃度攙入；以及所述鹵素從氯、溴和氟構(gòu)成的組中選擇。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的器件，其特征在于在或靠近所述有源層表面處所述鹵素濃度增加。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的器件，其特征在于所述有源層厚度是15-45nm。
39.根據(jù)權(quán)利要求36的器件，其特征在于所述有源層以1×1015-1×1021原子/cm3攙入氫。
40.一種半導(dǎo)體器件，包括具有集成電路系統(tǒng)的硅襯底；和由覆蓋在電路系統(tǒng)上的半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的有源層；其中所述薄膜具有多種晶體的混合物形成的單疇區(qū)，該晶體實質(zhì)上與所述襯底平行，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇；以及其中所述有源層僅由所述單疇區(qū)構(gòu)成，同時實質(zhì)上避免含有晶界。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的器件，其特征在于所述有源層包含氫和鹵元素，氫和鹵元素以等于或小于5個原子百分比的選定濃度攙入，并且鹵素是從氯、溴和氟構(gòu)成的組中選擇。
42.一種制造由半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成有源層的半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟用低壓熱化學(xué)蒸氣淀積在具有電介質(zhì)表面的襯底上形成非晶硅膜；在所述非晶硅膜上選擇地形成氧化硅膜；在所述非晶硅膜附近保持金屬元素，以促進(jìn)所述非晶硅膜的晶化；通過第一熱處理使至少部分所述非晶硅膜轉(zhuǎn)化成晶體硅膜；除去所述氧化硅膜；在含鹵素的氣氛中進(jìn)行第二熱處理，在所述非晶硅膜和所述晶體硅膜上形成含鹵素的熱氧化膜，所述第二熱處理用于使所述晶體硅膜的性質(zhì)改變成單疇區(qū)；以及除去所述熱氧化膜；其中所述有源層僅使用所述單疇區(qū)形成。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其特征在于所述晶體硅膜包括大體上與所述襯底平行的多種晶體混合物，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇。
44.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其特征在于采用石英襯底和硅襯底中的一種作為所述襯底，所述石英襯底具有氧化硅膜，由使用人造石英靶的濺射技術(shù)形成在其表面上，所述硅襯底在它的表面上具有熱氧化膜。
45.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其特征在于促進(jìn)結(jié)晶的所述金屬元素是從鐵(Fe)、鉆(Co)、鎳(Ni)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)、銅(Cu)和金(Au)構(gòu)成的組中選擇的一種或多種元素。
46.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其特征在于含有鹵素的氣氛包含氧和從HCl、HF、HBr、Cl2、NF3、F2和Br2構(gòu)成的組中選擇的一種或多種氣體元素。
47.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其特征在于所述第一熱處理是在500-700℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，而所述第二熱處理是在700-1,100℃的溫度下進(jìn)行。
48.一種制造由半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成有源層的半導(dǎo)體器件的方法，包括步驟用低壓熱化學(xué)蒸氣淀積在具有電介質(zhì)表面的襯底上形成非晶硅膜；在所述非晶硅膜上選擇地形成氧化硅膜；在所述非晶硅膜附近保持金屬元素，以促進(jìn)所述非晶硅膜的結(jié)晶；通過第一熱處理使至少部分所述非晶硅膜轉(zhuǎn)化成晶體硅膜；除去所述氧化硅膜；僅使用所述晶體硅膜來形成有源層；由氣相生長形成絕緣膜，絕緣膜包括作為主要成分的硅并且覆蓋在所述有源層上；在含鹵素的氣氛中進(jìn)行第二熱處理，在所述有源層和所述絕緣膜之間的界面處形成熱氧化膜，同時用吸收劑技術(shù)從所述有源層中除去所述金屬元素，從而使所述有源層的性質(zhì)變化成單疇區(qū)；以及在氮?dú)夥罩屑訜崴鼋^緣膜和所述熱氧化膜，以增強(qiáng)膜質(zhì)量。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其特征在于所述晶體硅膜包括大體上與所述襯底平行的多種晶體混合物，所述晶體從柱狀晶體和毛細(xì)狀晶體構(gòu)成的組中選擇。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其特征在于采用石英襯底和硅襯底中的一種作為所述襯底，所述石英襯底具有氧化硅膜，由使用人造石英靶的濺射技術(shù)形成在其表面上，所述硅襯底在它的表面上具有熱氧化膜。
51.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其特征在于促進(jìn)結(jié)晶的所述金屬元素是從鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)、銅(Cu)和金(Au)構(gòu)成的組中選擇的一種或多種元素。
52.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其特征在于含有鹵素的氣氛包含氧和從HCl、HF、HBr、Cl2、NF3、F2和Br2構(gòu)成的組中選擇的一種或多種氣體元素。
全文摘要
一種薄膜半導(dǎo)體晶體管結(jié)構(gòu)具有帶有電介質(zhì)表面的襯底和由半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的有源層，半導(dǎo)體薄膜呈現(xiàn)相當(dāng)于單晶的結(jié)晶度。為制作此晶體管，半導(dǎo)體薄膜形成在襯底上，此膜包括多種晶體的混合物，晶體可是大體上與襯底平行的柱狀和/或毛發(fā)狀晶體。然后，所得結(jié)構(gòu)在含鹵素的選定氣氛中進(jìn)行熱氧化，從而除去在膜中含有的任何金屬元素。這就能形成單疇區(qū)，在單疇區(qū)中各柱狀或發(fā)毛狀晶體接觸任何相鄰晶體并且能大體認(rèn)為是其中不存在或包含任何晶界的單晶區(qū)。此區(qū)用于形成晶體管的有源層。
文檔編號H01L21/77GK1166048SQ9710950
公開日1997年11月26日 申請日期1997年2月23日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月23日
發(fā)明者山崎舜平, 小山潤, 宮永昭治, 福永健司 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所