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)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法，該器件含有在絕緣襯底上形成的TFT(薄膜晶體管)，該襯底由玻璃或類似物組成。
眾所周知，薄膜晶體管(下文稱TFT)使用薄膜半導(dǎo)體。通過在襯底上形成薄膜半導(dǎo)體和利用該薄膜半導(dǎo)體構(gòu)成這些TFTs。各種集成電路使用這些TFTs，但特別要注意，電光器件，尤其是有源矩陣型液晶顯示器中各象素的開關(guān)元件和外圍電路部分的驅(qū)動元件，都使用TFTs。
這些器件利用的TFTs通常使用薄膜硅半導(dǎo)體。薄膜硅半導(dǎo)體大體上分成兩種類型非晶硅半導(dǎo)體(α-Si)和結(jié)晶硅半導(dǎo)體。非晶硅半導(dǎo)體具有低制造溫度，用汽相工藝可以相對容易地制造它們，而且它們適用于大批量制造，因為上述原因，它們是最廣泛使用的一種類型，然而，和結(jié)晶硅半導(dǎo)體相比，它們的物理特性，例如導(dǎo)電率等，是劣質(zhì)的，因此，極力要建立制造結(jié)晶硅半導(dǎo)體TFTs的新方法，以便將來獲得更高速的特性。對于結(jié)晶硅半導(dǎo)體。已知有多晶硅，微晶硅，包含有結(jié)晶硅成分的非晶硅，處于固態(tài)結(jié)晶和非晶之間的中間態(tài)的半非晶硅。
眾所周知，用下述方法能獲得薄膜結(jié)晶硅半導(dǎo)體(1)在其形成期間直接形成結(jié)晶膜。
(2)形成非晶半導(dǎo)體膜，然后利用激光能量使非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶。
(3)形成非晶半導(dǎo)體膜，然后通過加熱使其結(jié)晶。
然而，方法(1)在技術(shù)上難以在整個襯底表面上形成具有滿意的半導(dǎo)體特性的均勻膜，另一個缺點(diǎn)是成本高，因為形成膜溫度高達(dá)600℃以上，不能使用廉價的玻璃襯底。方法(2)存在的第1個問題是激光輻照面積小，例如，從目前最廣泛使用的激發(fā)物激光器發(fā)出的激光造成一個低生產(chǎn)率，而激光器的穩(wěn)定性不足以保證均勻處理大表面襯底的整個表面，因此認(rèn)為這種方法是下一代技術(shù)。方法(3)比方法(1)和(2)相對優(yōu)良，它適用大表面積。但是它也要求600℃以上的高加熱溫度，而當(dāng)使用廉價玻璃襯底時，它需要降低的加熱溫度。特別是，在目前使用液晶顯示器的情況，不斷地向大尺寸屏幕發(fā)展，因此也必需使用大尺寸玻璃襯底。當(dāng)用此方法使用大尺寸玻璃襯底時，在加熱處理時產(chǎn)生收縮和翹曲對制造半導(dǎo)體不可避免的是引起掩模對準(zhǔn)等精度的降低。因此，產(chǎn)生的主要問題是固有的。特別，在目前最廣泛使用的玻璃類型是7059玻璃的情況，翹曲點(diǎn)是593℃，因此，主要缺陷是由用于加熱晶化的常規(guī)工藝所引起的。除溫度問題外，在現(xiàn)在工藝中用于晶化所需加熱時間常常達(dá)到幾十小時或更長，因此需要進(jìn)一步地縮短時間。
一個較大的問題是下列事實，由于使用這些方法制造結(jié)晶硅薄膜取決于同時發(fā)生的產(chǎn)生晶核和由此進(jìn)行的晶體生長，實際上不可能控制微粒的尺寸、取向等。到目前為止，為控制它們進(jìn)行了很多次努力，作為其中一個例子是日本專利申請公開平(HEI)NO.5-71993所敘述的專利發(fā)明。然而，目前象該專利公開所述那樣的方法，仍然采用在限制的范圍內(nèi)同時發(fā)生地產(chǎn)生的晶核，因此目前不能實現(xiàn)控制薄膜的取向，并且，絕對不能控制微粒的尺寸。
本發(fā)明提供一種克服上述問題的方法。具體地，其目的是在涉及非晶硅薄膜的加熱晶化的結(jié)晶硅半導(dǎo)體薄膜制造方法中，提供一種降低晶化溫度又縮短時間的工藝。當(dāng)然不言而諭，利用本發(fā)明的工藝制造的結(jié)晶硅半導(dǎo)體，和按現(xiàn)有技術(shù)制造的結(jié)晶硅半導(dǎo)體相比，有相等或優(yōu)良的物理特性，而且它可以用于TFT的有源層。
更具體地，提供一種制造結(jié)晶硅薄膜的新方法，將代替常規(guī)的同時產(chǎn)生晶核的方法，這是一種在較低溫度下具有足夠高的生產(chǎn)率的制造結(jié)晶硅薄膜的方法，其能控制微粒尺寸和相當(dāng)好地控制取向。


圖1.表示結(jié)晶硅膜中取向與催化劑元素濃度的關(guān)系。
圖2.表示解釋晶化機(jī)理的模型。
圖3.表示實施例的制造步驟。
圖4.表示結(jié)晶硅膜X射線衍射的結(jié)果。
圖5.表示實施例的制造步驟。
圖6.表示結(jié)晶硅膜X射線衍射的結(jié)果。
圖7.表示實施例的制造步驟。
圖8.表示實施例的制造步驟。
圖9.表示結(jié)晶硅膜的膜厚和取向之間的關(guān)系。
圖10.表示實施例的制造步驟。
圖11.表示實施例的外形圖。
圖12.表示實施例的制造步驟。
圖13.是表示硅膜晶體結(jié)構(gòu)的照片。
圖14.是表示硅膜晶體結(jié)構(gòu)的照片。
圖15.是表示硅膜晶體結(jié)構(gòu)的照片。
圖16.是表示硅膜晶體取向的示意圖。
圖17.是表示硅膜中含鎳的濃度。
圖18.是硅膜前部的剖面照片。
圖19.是表示硅膜結(jié)晶機(jī)理的示意圖。
本發(fā)明人就促進(jìn)熱晶在方法和控制微粒尺寸和取向方法進(jìn)行了下述實驗和觀察，以便克服根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)敘述的晶化非晶硅存在的問題。
首先敘述促進(jìn)熱晶化的方法。
根據(jù)對在玻璃襯底上形成非晶硅膜和通過加熱晶化該膜的機(jī)理的研究，作為實驗事實，發(fā)現(xiàn)在玻璃襯底和非晶硅之間的界面開始晶體生長，直到某一膜厚度，相對于襯底表面以垂直柱狀形狀進(jìn)行生長。
認(rèn)為上述現(xiàn)象是由于晶核存在的結(jié)果，該晶核成為在玻璃襯底和非晶硅膜之間界面進(jìn)行晶體生長(成為晶體生長基礎(chǔ)的種子)的基礎(chǔ)，以及晶體從此晶核進(jìn)行生長。認(rèn)為這些晶核是以微量在襯底表面上存在的摻雜金屬元素，或是玻璃表面上的晶體成分(象由詞句“晶化玻璃”表示那樣，氧化硅晶體成分存在玻璃襯底表面)或者由應(yīng)力形成。
認(rèn)為通過更有效地引入晶核可以降低晶化溫度，并且為了證實這種效果，我們進(jìn)行了實驗，其中，在襯底上形成微量的其它金屬的膜，再在其上形成非晶硅薄膜，為了晶化進(jìn)行加熱。結(jié)果，在襯底上形成含幾種金屬膜的某種情況，證實可以降低晶化溫度，假定當(dāng)外來物質(zhì)作為晶核時，發(fā)生晶體生長。我們更詳細(xì)地研究了為降低溫度利用各種金屬雜質(zhì)的機(jī)理。
認(rèn)為晶化包括兩個階段，即初始制造晶核和由晶核進(jìn)行晶體生長。通過測量恒溫下直到產(chǎn)生微小點(diǎn)狀晶體的時間來獲得初始制造晶核的速率，在所有已形成上述金屬雜質(zhì)膜的薄膜情況，縮短了這個時間，而且證實引入晶核有降低晶體溫度的效果。而且，相當(dāng)意外地，在制造晶核后，改變用于晶短生長的加熱時間，由此發(fā)現(xiàn)，在對形成于確定類型的金屬膜上的非晶硅膜進(jìn)行晶化時，在制造晶核后，晶體生長速率驚人地增加。后面將詳細(xì)地解釋其機(jī)理。
總之，發(fā)現(xiàn)，作為上述兩種作用的結(jié)果，利用某種微量金屬形成薄膜，在該膜上形成由非晶硅構(gòu)成的薄膜，然后加熱晶化，此時在580℃和小于約4小時的期間可達(dá)到充分的晶化，按照現(xiàn)有技術(shù)不能預(yù)見這樣的事實。對于具有上述作用的雜質(zhì)金屬，我們選擇鎳，它的作用是最顯著的。
作為由鎳影響程度的一個例子是，在一個未處理的襯底(Corning 7059)、即沒有在其上形成微量鎳膜薄膜的襯底上，用等離子CVD方法形成非晶硅薄膜，然后在氮?dú)庵袑⑵浼訜徇M(jìn)行晶化，加熱溫度為600℃，所需時間是10小時或者更長。然而，在已經(jīng)形成微量鎳薄膜的襯底上使用非晶硅薄膜，僅加熱約4小時就能獲得類似的結(jié)晶狀態(tài)。利用Raman光譜判斷此晶化。僅由此就可清楚地了解鎳的效果是優(yōu)良的。
由上述解釋可知，如果在由微量鎳形成的薄膜上形成非晶硅薄膜，就可能降低晶化溫度和縮短晶化所需的時間。假定制造TFT時使用該工藝，將對它進(jìn)行更詳細(xì)的解釋。后面的敘述會更具體，不僅在襯底上形成鎳膜時達(dá)到相同的效果，而且在非晶硅上，采用離子注入等形成它都達(dá)到相同的效果，因此以下在本說明書中，把這些依次的處理都稱為“添加微量鎳”。
首先解釋微量添加鎳的一種方法。顯然，對于微量添加鎳，采用在襯底上形成含微量鎳的薄膜，然后在其上形成非晶硅膜的方法，或者采用首先形成非晶硅膜然后形成含微量鎳薄膜的方法都可同樣達(dá)到降低溫度的效果，形成薄膜可以用濺射、汽相淀積，或等離子處理，于是發(fā)現(xiàn)達(dá)到該效果與薄膜形成方法無關(guān)。等離子處理涉及這樣一種工藝，其中利用含催化劑元素的一種材料作為平行板型或正輝光柱狀體型等離子CVD裝置中的電極，在氮、氫等氣氛中產(chǎn)生等離子，把催化劑元素添加到非晶硅膜中。
然而，如果在襯底上形成含微量鎳的薄膜，而不是直接在7059玻璃襯底上形成含微量鎳的薄膜，如果在襯底上首先形成氧化硅薄膜，然后在其上形成含微量鎳的薄膜，效果更是顯著。對此可以推測的原因之一是，硅和鎳之間直接接觸對出現(xiàn)低溫晶化是最重要的，認(rèn)為在7059玻璃的情況，與硅不同的成分可能妨礙硅和鎳之間接觸或反應(yīng)。
一般說來，當(dāng)使用微量添加鎳的方法不包含與非晶硅上部或底部接觸的薄膜的形成，而是通過離子注入添加鎳，證實有相同的效果。
關(guān)于鎳的含量，已證實添加1×1015原子/cm3或者更多，可降低溫度，但是添加量為1×1021原子/cm3或更多，產(chǎn)生Raman光譜的峰值，它的形狀和純硅有明顯的不同，因此認(rèn)為實際的范圍是1×1015原子/cm3到5×1019原子/cm3。而且考慮到要在TFT有源層使用的半導(dǎo)體物理特性，該量必須保持在1×1015原子/cm3到1×1019原子/cm3。
不過，不希望在半導(dǎo)體中存在大量的上述的元素，因為它將降低使用上述半導(dǎo)體的器件的可靠性和電穩(wěn)定性。
換句話說，上述促進(jìn)晶化的元素，例如鎳(在本說明書中，把促進(jìn)晶化元素稱為“催化劑元素”)對于非晶硅的晶化是必需的，但是希望在結(jié)晶硅Φ盡可能的少地含有。為此選擇那些在結(jié)晶硅中非常穩(wěn)定的元素作為催化劑元素，盡可能地減少催化劑元素的引入量，即，用最小量催化元素進(jìn)行晶化。關(guān)于此量，發(fā)現(xiàn)，如果有源層的鎳濃度不是1×1019原子/cm3或以下則將影響器件的特性。因此，在引入鎳時，必須嚴(yán)格地控制催化元素的上述劑量。
此外，當(dāng)形成非晶硅膜和用等離子處理添加作為催化元素的鎳以便制造結(jié)晶硅膜時，根據(jù)詳細(xì)研究晶化工藝等，下述各點(diǎn)變得很明顯(1)當(dāng)通過等離子處理把鎳引入非晶硅膜上時，即使在熱處理之前，鎳在非晶硅中的滲透厚度也很可觀。
(2)初始晶核生長在引入鎳的表面處發(fā)生。
(3)即使由汽相淀積利用鎳在非晶硅膜上形成膜，其晶化的產(chǎn)生與等離子處理也相同。
由上述各點(diǎn)可得出結(jié)論，并不是所有通過等離子處理引入的鎳都能有效地利用。即，即使引入大量的鎳，也有某些鎳沒有被被充分利用。由此認(rèn)為，鎳和硅之間的接觸點(diǎn)(面)是降低晶化溫度的關(guān)鍵。因此，可以推出結(jié)論，鎳必須盡可能地以分散方式細(xì)微地分布。即，可以推出結(jié)論，“必需的是，在靠近非晶硅膜的表面處，通過鎳本身以分離方式的分散在可能的范圍內(nèi)，引入盡可能低的濃度的鎳”。
作為只把微量的鎳引入到靠近非晶硅膜表面的區(qū)域的方法，即只把微量促進(jìn)晶化的催化劑元素引入靠近非晶硅膜表面的區(qū)域，有汽相淀積工藝，但是汽相淀積工藝存在控制性差和難于嚴(yán)格控制引入催化劑量的缺點(diǎn)。
此外，由于引入催化劑元素的量必須盡可能的少，常常產(chǎn)生晶化不滿意的問題，于是適當(dāng)調(diào)整催化劑元素的量是重要的。作為解決這些問題的一個方法，本發(fā)明人發(fā)明了利用溶液添加催化劑元素的方法，盡管在本說明書中省略了它的詳細(xì)敘述。利用此方法顯示出可把催化劑元素的濃度控制在1×1016原子/cm3到1×1019原子/cm3。經(jīng)過發(fā)明人研究的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)利用一種或多種選自由Pd，Pt，Cu，Ag，Au，In，Sn，Pb，As和Sb組成的組中的元素作為催化劑元素，該催化劑元素不是利用鎳，但起到與鎳相同的效果。
現(xiàn)在要說明加入微量鎳時晶體生長的特性和結(jié)晶形式，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步說明晶化機(jī)理。
如上所述，已報道過，如不加鎳，晶核從與襯底等交界的界面上的晶核開始隨機(jī)地產(chǎn)生。由這些晶核開始的晶體生長同樣是隨機(jī)的。并獲得了與制造方法有關(guān)的相對(11)或(111)取向的晶體。很自然的結(jié)果是在整個薄膜上看到了大致均勻的晶體生長。
為了確定機(jī)理，首先用DSC(微分掃措量熱計)分析。用等離子CVD在襯底上形成的非晶硅薄膜放入帶襯底的樣品容器中，并以恒定速度升溫。在700℃處看到了截然不同的發(fā)熱峰值，并看到了晶化。當(dāng)升溫速度為，例如，10℃/min時，在700.9℃開始晶化。隨后，用三種不同升溫速度測試，用ozawa法確定晶核最初產(chǎn)生之后的晶體生長激活能。這產(chǎn)生的激活能值約3.04ev。還有，當(dāng)反應(yīng)速度議程用合適的理論曲線確定時，發(fā)現(xiàn)定種現(xiàn)象用晶核的無序產(chǎn)生并由這些晶核開始生長的模型最容易解釋，因此，證實了從與襯底等物交界的界面上的晶核開始隨機(jī)地產(chǎn)生晶核，并從這些晶核開始晶體生長的模型的特性。
測試完全相同于上述的那些測試，其是由加入微量鎳造成的。這些發(fā)生在升溫速度為10℃/min的在619.9℃晶化的初始階段，用一系列這些測試確定的晶體生長的激活能約為1.87ev。這些所顯示出的數(shù)字表明晶體生長容易。此外，由合適理論曲線確定的反應(yīng)速度方程與假定晶體生長在某個方面取向的一維界面確定速度的模型近似。
由上述熱分析獲得的數(shù)據(jù)列于下表5中。
表5中所示的激活能由加熱時樣品放出的熱量和用已知的分析方法如ozwa法計算出的結(jié)果確定。
表5
上面的表5中所列激活能是表示晶化備用狀態(tài)的參數(shù)，較大的值表示較難晶化，較小的值表示較容易晶化。從表5判斷，加鎳的樣品在晶化進(jìn)程中有較小的激活能。也就是說，晶化進(jìn)程較容易。相反，表5表明，按現(xiàn)有技術(shù)制成的沒加鎳的結(jié)晶硅薄膜，晶化進(jìn)程的激活能升高。這表示晶化過程變得較困難。而且，比較激活能的平均值，加鎳的晶化硅薄的激活能值是不加鎳的結(jié)晶硅膜激活能的約62％，建議由加鎳的非晶硅膜進(jìn)行晶化。
下面說明用TEM(透射電子顯微鏡)觀察加有微量鎳，并用800A非晶硅作起始膜的硅膜結(jié)晶形狀的觀察結(jié)果。從TEM觀察結(jié)果表明的特征現(xiàn)象是，加鎳區(qū)域里的晶體生長與周圍部分的晶體生長不同。也就是說，加鎳區(qū)的剖視圖表明，波紋或柵形圖象式條紋大致垂直于襯底，這就可以判定，所加的鎳或它與硅構(gòu)成的化合物起晶核的作用與不加鎳的薄膜有相同的方式，晶體生長大致垂直于襯底。而且，在加鎳的周圍區(qū)域中看到了在平行于襯底方向上發(fā)生的針狀或柱狀晶體的生長。
用以下以晶相學(xué)領(lǐng)域為基礎(chǔ)的符號更詳細(xì)地說明這些現(xiàn)象。首先，用{hkl}表示與(hkl)平面相等的全部平面。同樣，用<hkl>表示與[hkl]軸相等的全部軸。
下面在將說明圍繞加鎳區(qū)的晶體的形態(tài)觀察結(jié)果。首先沒有預(yù)想到，產(chǎn)生晶化的區(qū)域中，從未直接引入微量鎳，但當(dāng)鎳濃集在加微量鎳部分時，用SIMS(二次離子質(zhì)譜儀)確定它周圍橫的晶體生長部分(以下稱為“橫向生長部分)和遠(yuǎn)的非晶部分(在很遠(yuǎn)的部分不會發(fā)生低溫晶化)的濃度，如圖17所示，在橫向生長部分檢測出的濃度低于微量加鎳區(qū)的濃度，在非晶部分表示出的濃度低約1個數(shù)量級。換言之，鎳已擴(kuò)散到相當(dāng)寬的范圍，而且所加的微量鎳對加鎳區(qū)周圍的區(qū)域的晶化也有影響。
首先，在圖13中示出了環(huán)繞的鎳加有800A厚的非晶硅的區(qū)域的表面TEM照片。該圖清晰地示出總的平行于襯底方向上的具有均勻?qū)挾鹊尼槧罨蛑鶢罹Щ匦浴＿€有，與晶體其他部分有不同反差的層處于晶體前部。并且，從高清晰度TEM和TEM-EDX的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這部分是NiSi2，顯示出NiSi2層垂直于晶體生長方向(這隨膜厚改變，以下還會說明)。
已看到基本上平行于襯底的橫向生長從加微量鎳的區(qū)域開始延伸到幾百微米。還發(fā)現(xiàn)，生長度隨時間和溫度的增加而成比例地增長。作為例子，在550℃下經(jīng)4小時，晶體生長約20μm。隨后，圖14中示出了在上述針狀或柱狀晶體生長區(qū)中三個點(diǎn)的TED圖形(電子束衍射照片)。該TEK圖形是從垂直于襯底的方向開始。圖形顯示出硅膜的晶形結(jié)構(gòu)。查看該圖形，清楚的顯示出這是非常簡單的，表明是由單晶組成或至多是由成對晶體的組成，而且這些晶體的取向非常一致。從該圖形表明，用上述的800厚非晶硅膜作起始膜的橫向晶體生長的晶軸方向為<111>方向。這種關(guān)系示于圖16中。
根據(jù)上述試驗事實，本發(fā)明大指示，用以下的機(jī)理可以促進(jìn)晶化。
首先，看垂生長，在晶化初始階段產(chǎn)生晶核，由于有微量鎳，此時的激活能較低。顯然，加入鎳而使在較低的溫度下開始晶化，其原因可以認(rèn)為除鎳起到外來材料的作用外，而且在低于用非晶硅作晶化核的晶化溫度下生成的由Ni和Si組成的金屬間化合物(NiSiz)的晶格常數(shù)與結(jié)晶硅的晶格常數(shù)接近。而且，在加鎳區(qū)的整個表面上幾乎同時生成晶核。因此，晶體生長的機(jī)理是，晶體生長成一個平面，在這種情況下，反應(yīng)速度方程式就反映了在基本上垂于襯底方向生長的晶體的一維界面速度決定步驟。然而，由于膜厚，應(yīng)力等因素的限制使晶軸不完全一致。
然而，由于平行于襯底方向比垂方向更均勻，用所加的鎳作晶核的橫向生長的針狀或柱狀晶體生長均勻，生長面方向為<111>；例如，用800厚的非晶硅膜，晶體生長同樣是<111>方向。同樣，這種情況下反應(yīng)速度方程被認(rèn)為是五維界面速度決定型。如上所述，由于加鎳使晶體生長激活能降低，要求橫向生長速度非常高，而事實上也是如此。
現(xiàn)在要說明加微量鎳區(qū)域的上面部分和環(huán)繞橫向生長部分的電性能。關(guān)于加微量鎳區(qū)域的電性能，電導(dǎo)率與不加鎳區(qū)的電導(dǎo)率，或在600℃下加熱幾十小時的膜的電導(dǎo)率相同。還有，當(dāng)根據(jù)電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系確定了激活能時，如果上述的鎳的加入量為1017原子/om3至1018原子/cm3時，看來沒有什么性能是由鎳的加入量造成的。換句話說，試驗表明，假定在上述濃度范圍內(nèi)，膜可以用作TFT等有源層。
相反，橫向生長部分的電導(dǎo)率比加微量鎳區(qū)的電導(dǎo)率高一個以上的數(shù)量級，這對結(jié)晶硅半導(dǎo)體是高的電導(dǎo)率值。這是因為，電流流經(jīng)方向與晶體的槽向生長方向一致，在電子通過的電極之間的部分只有很少晶界或?qū)嶋H上不存在晶界，這與透射電子顯微鏡示出的結(jié)果不矛盾。這就是說，由于沿針狀或柱狀晶體的晶界產(chǎn)生的載流子遷移，確定了載流子最容易遷移的條件。
圖15是表示硅晶體結(jié)構(gòu)的TEM照片，它將圖13中所示的針狀或柱狀晶體生長的前部放大了。圖15中，在前部看到的黑色，這部分顯然是NiSi2，如上所述。就是說，鎳聚集在平行于襯底生長的鐘狀或柱狀晶體的結(jié)晶前部?？梢哉J(rèn)為，在中間區(qū)的鎳濃度低。
本發(fā)明的作用之一可以認(rèn)為是，由于基本上沿晶界的方向與半導(dǎo)體器件中(例如，TFT)載流子的遷移方大致一致，而使載流子遷移率增大。而且，避開平行于襯底方向中的移晶體生長區(qū)的前部，而且中間區(qū)，即橫向結(jié)晶硅膜生長的前部與加鎳區(qū)之間的區(qū)域，具有載流子遷移的結(jié)晶硅膜與用紙鎳濃度的膜同樣好。
沿晶界的方向是針狀或柱狀晶體生長的方向，膜存為800(更正確地說，對于更厚的膜也同樣如此)的晶體生長方向是在<111>晶軸方向中的結(jié)晶方向，如上所述，該方向也是比其它方向具有選擇的高電導(dǎo)率的方向(例如，垂于晶體生長的方向)。還有，實際的問題是晶體生長方向與載流子流方向很難完全一致，而且，在整個表面上晶體也不會在一致的方向中生長。而且，實際上晶體生長方向取決于各方向的平均狀況。還有，當(dāng)在±20℃范圍內(nèi)并采用800厚的非晶硅時，那個方向與載流子流的方向被認(rèn)為是一致的，也已發(fā)現(xiàn)在該范圍內(nèi)顯然是好的。
現(xiàn)在說明有關(guān)控制微粒大小和取向的方法。對為晶化所引入的催化元素的樣品經(jīng)過X射線衍射，而且把以下各項作為參數(shù)進(jìn)行研究。
比較非晶硅膜表面上引入的催化元素與膜下的界面處引入的催化元素。
比較催化劑加入?yún)^(qū)(本說明書中稱為“垂直生長”)與橫向生長的周圍區(qū)。
與非晶硅膜厚變化的依賴關(guān)系。
與催化劑濃度的依賴關(guān)系。
采用橫向生長工藝的情況下，為了選擇、比較位于橫向生長在上面的頂層和底層間加氧化硅的夾層中的結(jié)構(gòu)與頂層上沒有氧化硅的結(jié)構(gòu)。
而且，當(dāng)上述參數(shù)改變后定量地(評估觀察到的趨勢，(111)取向率的確定如下列的方程式1所示，氫離(111)取向率的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定成(111)取向率為0.67或更高，(對完全隨機(jī)的微粒，按以上定義，(111)取向率為0.33，如果取向率為該取向率的兩倍或更高，將其視為(111)取向是沒問題的)。方程式1(111)取向率＝1(常數(shù))(220)取向率＝[樣品的(22)至(111)的相對強(qiáng)度]/[顆粒的(22)至(111)的相對強(qiáng)度)(311)取向主＝[樣品的(311)至111)的相對強(qiáng)度了/[顆粒的(311)至(111)的相對強(qiáng)度]。(111)取向率＝[(111)取向率]/[(111)取向率+(220)取向率+(311)]取向率了。從(111)取向率結(jié)果獲得表1至表4和圖1所示的結(jié)果。表1<
<p>表2
表3
表4
除參數(shù)之外，所用的各種制造方法全部與所列于表中相同，用鎳作催化元素，鎳由溶劑中加入(以下稱為液相法)，在沒有指定橫向生長的情況下，采用垂生長，將溶液加到硅表面。然而，為了比較橫向生長工藝中表面上有或無氧化硅膜的性能而進(jìn)行試驗，為了在無氧化硅的頂表面上進(jìn)行橫向生長，要用加鎳溶液，SOG，如OCD或類似物，并與其他橫向生長工藝不同，OCD只用在直接加鎳區(qū)中垂直生長區(qū)，以確定橫向生長的沒有氧化硅的區(qū)域的結(jié)構(gòu)。而且，用在550℃下加熱8小時引入固相生長(在固在圖中也用SPC表示)，隨后以300mJ/cm2用激光晶化(用這種輔助處理可使結(jié)晶率急劇增大)。
改變催化劑加入位置的結(jié)果示于表1中，表1示出了甚至只改變催化劑加入位置，但有完全不同取向的特有趨勢。實際上，顆粒大小與催化劑的添加位置完全無關(guān)，在任何位置測顆粒大小時發(fā)現(xiàn)，分布寬度是沒加催化劑時的一半，因而毫無疑問地獲得了均勻的顆粒大小。
表2給出了改變結(jié)晶方法的結(jié)果，它比較了在全部表面上(垂直生長)引入鎳的情況與和在非晶硅上形成氧化硅膜(氧化硅復(fù)蓋層)引入鎳的情況，把該氧化硅構(gòu)圖，形成引入催化元素的開口，并由此開口開始橫向生長。結(jié)果，垂直生長部分是比較隨機(jī)，而用氧化硅膜覆蓋的幾乎全部橫向生長部分有(111)取向，盡管它與膜厚有關(guān)(與膜厚的關(guān)系將在下面說明)。
表3給出了與膜厚的關(guān)系，對3000至5000的膜厚進(jìn)行試驗，對相同的膜厚，在橫向生長部分觀察到明顯地傾向較強(qiáng)的(111)取向。在400至800的范圍內(nèi)所觀察到的線性度基本上在誤差范圍內(nèi)，如圖9所示。由于垂直生長部分從開始就是隨機(jī)的，因此沒發(fā)現(xiàn)明顯趨勢。
表4給出了在橫向生長工藝中有或無表面氧化硅膜的作用的比較結(jié)果。如上所述，在頂面上無氧化硅的經(jīng)過橫向生長工藝的樣品，盡管取向隨膜厚改變了，但沒有一種取向是(111)取向，如上所述，在表面上有氧化硅的用橫向生長工藝獲得的結(jié)晶硅取向是強(qiáng)的(111)取向，特別是，如圖9有力地說明的，在800?；虻偷暮穸认率窍喈?dāng)強(qiáng)的(111)取向。由此斷定，使膜厚為800或低于800?？梢栽鰪?qiáng)(111)取向。
圖1是隨鎳劑量變化的橫向生長曲線圖，水平軸表示用乙酸鎳或硝酸鎳作液相添加劑的鎳劑量，垂直軸表示(111)取向率，右垂直軸表示激光晶化之前固相生長的結(jié)晶硅膜區(qū)的比例。從該圖可以了解，改變催化元素的濃度可以由隨機(jī)的(111)取向任意改變(111)取向率。而且，知道這些完全的適應(yīng)在未進(jìn)行激光晶化前的固相生長中的按比例改變，改變加熱溫度和加熱時間而不是改變添加催化元素的濃度，即在激光晶化之前改變固相生長比例的其他情況中觀察到的同樣趨勢也證明了這點(diǎn)。
顆粒大小在附圖中未表示，用光學(xué)顯微鏡(目前不清楚物體是否是單晶，還是不清晰)觀測顆粒大小證明，隨著劑量增大顆粒大小從33μm減小到20μm。
關(guān)于上述試驗結(jié)果的機(jī)理，就取向而言，全部作用可以解釋成固相生長時硅/氧化硅界面的影響程度。按此觀點(diǎn)，上述機(jī)理解釋如下。
關(guān)于表1所示結(jié)果，在與襯底的界面處引入了催化元素時，在晶核產(chǎn)生時襯底早已影響了取向。在該點(diǎn)的(111)取向幾率高。相比之下，當(dāng)頂表面上產(chǎn)生了晶核時，晶核可以不受襯底的任何影響向隨意產(chǎn)生。因此，可以認(rèn)為這些因素控制晶體生長的整個過程。
關(guān)于表2所示結(jié)果，垂直生長部分有與上述機(jī)理相同的機(jī)理，就橫向生長而言，由于生長長在襯底和氧化硅覆蓋層的接觸位置，因而認(rèn)為襯底對晶體生長有很大影響。
表3中給出了與膜厚的關(guān)系，從表3看到如膜厚增大在與底下的氧化硅交界的界面處的能量相對于總的自然能的比例相對地減少，因此，(111)取向力減弱。
關(guān)于表4中的兩個橫向膜生長(在頂表面上有和無氧化硅膜的膜)的結(jié)果，可以認(rèn)為，頂表面覆蓋有氧化硅的膜變成了頂表面和底表面覆蓋有氧化硅的膜，并有穩(wěn)定界面的(111)取向。相反，在沒有氧化硅的頂表面上的橫向生長工藝中，界面的影響僅僅只有一半大，因而以同樣程度減弱了取向，因此取向不是(111)。而且，如上所述，無氧化硅的頂表面上進(jìn)行的橫向生長工藝中，膜厚與取相確實有關(guān)。例如，用500非晶硅，看到了強(qiáng)的(220)或(311)取向。關(guān)于這一點(diǎn)可以從晶相分析和圖18所示的與相同于圖19的機(jī)理的晶體生長照片得到證實。也就是說，晶體生長平面501或506是(111)平面。而且它始終是不變的。該平面與襯底的夾角幾乎是無條件地由膜厚決定的。而且，如膜厚改變，例如，膜厚為800晶體生長可視方向504與晶體生長平面501基本垂直，所產(chǎn)生的取向(該取向通常稱為垂于襯底方向的取向)是在垂于晶軸&lt;111&gt;的方向。然而，膜厚為500A時，晶體生長平面506和晶體生長的可視方向505不垂直，因而取向也改變。換句話說，在沒有氧化硅的頂表面上的橫向生長工藝中，改變膜厚能控制取向。
通過識別上述的隨機(jī)的垂生長工藝，和激光晶化顯示(111)取向，很容易解釋圖1所示結(jié)果。圖2所示出的是該機(jī)理的簡化方案。該圖中，A是催化元素劑量小的實例，激光晶化是在很小的隨機(jī)部分中有固相生長的晶體，激光晶化使較多部分(111)取向；B是幾乎全部固相生長的樣品，它幾乎沒有由激光晶化造成的(111)取向部分。為支持以上論述，打算進(jìn)行能量密度和輻照時間在激光晶化期間改變的試驗。試驗表明隨著能量密度和輻照時間的增加(111)取向率增大。該結(jié)果證明激光晶化比例的提高與(111)取向率直接相關(guān)。
關(guān)于顆粒大小，上述現(xiàn)象可以根據(jù)一個假定，即晶核產(chǎn)生的密度無條件地由催化元素的劑量決定而不是催化元素所處的位置決定，同樣，決定晶粒生長的大小。
總之，控制低溫晶化和取向的方法概述如下，首先，用液相法在表面加以鎳為代表的催化元素法，結(jié)晶是由固相生長與激光晶化共同進(jìn)行。因此，加微量催化元素有可能降低晶化溫度，并明顯減少所需時間。
關(guān)于有高(111)取向的膜。
用橫向生長工藝或在激光晶化前減少晶化率。用該方法可將(111)取向率調(diào)節(jié)到所需的0.67至1的范圍內(nèi)。降低晶化率所選用的方法可以是減少催化元素劑量或改變固相生長條件的方法。
關(guān)于隨機(jī)薄膜用垂生長工藝提高激光晶化前的晶化率。提高晶化率所選用的方法可以是增大催化元素的劑量或改變固相生長的條件。
關(guān)于具有中間取向的薄膜用垂直生長工藝適當(dāng)調(diào)節(jié)激光晶化前的晶化率。用該方法可以將(111)取向率調(diào)節(jié)在所需的0.33至1的范圍內(nèi)。將晶化率調(diào)到合適值所選的方法可以是改變催化元素劑量或改變固相生長的條件。
關(guān)于具有其他取向的膜。
在頂表面在氧化硅的膜上用橫向生長工藝改變膜厚來控制取向。從可控性的觀點(diǎn)出發(fā)，膜厚較好的是在800A型300A范圍內(nèi)變化。在上述的膜厚范圍內(nèi)柱狀晶體的寬度小于膜厚，而且較大地傾向于隨機(jī)性，而膜厚小于300A時晶體生長困難。
改變晶體顆粒大小的方法可以是下述方法。
對于較大的顆粒尺寸，所加的催化元素濃度減小。
對于較小的顆粒，所加的催化元素濃度增大。
控制上述催化元素劑量，能有效控制固相生長的溫度和時間。然而，上述催化元素的劑量能無條件地決定增大顆粒的最大程度。
按本發(fā)明，用鎳作催化元素能獲得最顯著的效果。任可以用作催化元素的其他種元素包括Pt、Cu、Ag、Aa、In、Sn、Pd、Pb、As和Sb。此外，也可以選用由VIII、IIIb、IVb和Vb族元素構(gòu)成的元素組中的一種或多種元素。
而且，催化元素的引入方法也不限于使用諸如乙醇之類的水溶性溶液的液相法，而可以用含催化元素的很廣范圍的物質(zhì)。例如，可以用含催化元素的金屬化合物或氧化物。
最后，要解釋把上述各性能應(yīng)用于TFT的方法，這幾TFT的應(yīng)用范圍段定是用TFT作圖象元素的驅(qū)動器的有源陣列液晶顯示器。
如上所述，在近代的大屏幕有源陣列型液晶顯示器中將玻璃的收縮減至最小是很重要的，按照本發(fā)明加入微量鎳的工藝可以在此玻璃翹曲點(diǎn)充分低的低溫度下晶化，因此是特別適用的方法。按本發(fā)明，加入微量鎳并在500至550℃經(jīng)4小時晶化獲得的結(jié)晶硅很容易代替常用的非晶硅部分。顯然，為適應(yīng)專用的設(shè)計規(guī)則需要作某些改變。但本發(fā)明用現(xiàn)有的器件和工藝能令人滿意地實現(xiàn)，因此它的優(yōu)點(diǎn)是明顯的。
實施例1本實施例說明具有高(111)取向的硅膜制造方法，它包括選擇1200A氧化硅膜用作選擇性引入鎳并橫向生長的橫模。
本實施例的制備工藝示于圖3中。首先，在玻璃襯底上(Corning7059的10cm正方形玻璃)的非晶硅膜(用等離子CVD制成的500膜)上，形成厚1000以上，本例中為1200，的氧化硅膜21作為掩模(二氧化硅覆蓋層)。發(fā)明人實驗證明，二氧化硅膜21的厚度超過500不會出現(xiàn)任何特別的損壞，但是認(rèn)為較薄的膜會具有好的質(zhì)量。
用常規(guī)的光刻構(gòu)圖工藝將二氧化硅腹21刻成所需圖形。隨后在氧氣氛中用紫外線輻照形成薄的二氧化硅膜20。在氧氣氛中用紫外線輻照5分鐘有效地制成二氧化硅膜20。認(rèn)為適當(dāng)?shù)亩趸韪?0的厚度約20-50(圖3(A7))。該氧化硅膜措施改進(jìn)了濕潤度。由于作為掩模的二氧化硅膜具有親水性，因此只有在溶液與圖形有同樣大小時可能相當(dāng)有效。然而，這是特殊情形，為了保險，在大多數(shù)情況下建議用二氧化硅膜20。
在本步驟給襯底滴加5毫升含100ppm鎳的乙酸鹽溶液。同時用50轉(zhuǎn)/分的旋涂和涂覆10秒鐘在全部襯底表面上形成均勻的含水膜14。該步驟之后再保持一分鐘，使旋涂機(jī)在2000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)干燥60秒。減速時，旋涂機(jī)以轉(zhuǎn)速為0至100轉(zhuǎn)/分鐘進(jìn)行旋轉(zhuǎn)(附加的一分鐘)(圖3(B))。
隨后在550℃熱處理8小時(在氮?dú)夥罩?使非晶硅膜12晶化。此處橫向晶體生長從含鎳區(qū)22開始至沒有引入鎳的區(qū)域，如23所示。按本條件的橫向生長量約為30μm。隨后用緩沖液氫氟酸剝離氧化硅覆蓋層，隨后用KrF激發(fā)物激光器(248nm)在300mJ/cm2功率密度下進(jìn)行激光晶化。
這樣制的硅膜經(jīng)過X-射線衍射并發(fā)現(xiàn)有很高的(111)取向量。具有的(111)取向率為0.917。結(jié)果示于圖4中。實施例2本實施例的全部工藝步驟與實施例1相同。僅僅是將非晶硅厚度改為4000和800兩個厚度。厚度為400的樣品用X-射線衍射獲得的(111)取向率約為1.0，該結(jié)果表明樣品幾乎是完全的(111)取向薄膜。厚度為800的樣品的(111)取向率為0.720，或稍微少于500厚樣品的(111)取向率。實施例3本實施例是關(guān)于在水溶性溶液中獲得的促進(jìn)晶化的催化元素，隨后把催化元素加到非晶膜上，經(jīng)過加熱晶化后，用激光輻照進(jìn)一步改善結(jié)晶性。這是上述的垂生長，能提供具有相當(dāng)隨機(jī)的取向膜。
參見圖5說明催化元素的摻入工藝(在該情況下，用鎳)，本實施便中用100mm×100mm的Corning 7059玻璃作襯底11。
首先，用等離子CVD或LPCVD形成厚度為100°至1500A的非晶硅膜12。在該特殊情況下，用等離子CVD形成500厚的非晶硅膜12(圖5(A))。
隨后，為了除去污物和天然的氧化膜，在形成厚度為10-50A的氧化膜13之后，用氫氟酸氫把它腐蝕掉。如污物極少時可用天然的氧化膜代替氧化膜13。
由于氧化膜13極薄，因此不可能測出精確的膜厚；盡管如此，可以認(rèn)為膜厚為大致為20A。本例中，用紫外線輻照在氧氣氛中形成氧化膜13。膜形成條件是在氧氣氛中，用紫外線(UV)輻照5分鐘。用熱氧化工藝形成氧化膜13。用過氧化氫進(jìn)行處理會有同樣的效果。
氧化膜13有助于乙酸鹽溶液在整個非晶硅膜表面展開；也就是說，在后面的加含鎳的乙酸鹽溶液的步驟，改善濕潤性。例如，如直接將乙酸鹽溶液加到非晶硅膜上。隨后，由于非晶硅膜排斥乙酸鹽溶液。這樣，鎳不能進(jìn)入非晶硅膜的全部表面。換句話說，不能實現(xiàn)均勻晶化。
隨后，制造含鎳水溶性乙酸鹽溶液，將鎳含量調(diào)制25ppm。給非晶硅膜12上的氧化膜13的表面滴加2ml合成的乙酸鹽溶液，以形成含水膜14。讓該狀態(tài)保持5分鐘。用旋涂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)干燥(2000轉(zhuǎn)/分鐘.60秒)(圖5(C)(D))。
鎳的實際濃度可以是1/ppm或更低，但在本實施例中考慮到取向問題，規(guī)定鎳濃度為25ppm。用非極性溶劑中的溶液，例如甲苯中的鎳2-乙基-己酸作溶液，則不需用氧化膜13，使催化元素直接引入非晶硅膜。
施加鎳溶液的步驟可以重復(fù)一至幾次，以便并旋轉(zhuǎn)干燥的非晶硅膜12的表面形成含鎳層，其平均厚度為幾至幾百。按此結(jié)構(gòu)，在后續(xù)的加熱步驟中，層中的鎳擴(kuò)散進(jìn)入非晶硅膜，并起到促進(jìn)晶化的催化劑作用。這里，該層并不總是一個完結(jié)的膜。本例中1僅施加了一種處理。
在上述的溶液施加之后，保持該狀態(tài)一分鐘。調(diào)節(jié)持續(xù)時間，也可以控制硅膜12中所含鎳的最終濃度，但最有效控制因素是溶液中的濃度。
然后在氮?dú)夥罩校?50℃下進(jìn)行8小時的爐內(nèi)熱處理。結(jié)果可在襯底11之上形成部分晶化的硅膜12。采用計算機(jī)輔助圖象分析，可以確定此階段的晶化率為98.84％。
上述熱處理可在450℃以上進(jìn)行，盡管溫度越低，加熱時間越長，將導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低。在550℃以上，必須注意因用作襯底的玻璃襯底的耐熱等級所引起的問題。
本例中展示了這樣一種方法，即把催化元素引入非晶硅膜之上，但也可采用同樣好的另一種方法，即把催化元素引入在非晶硅膜之下。按照后一方法，應(yīng)該注意可實現(xiàn)極高度的(111)取向，如上所述。
對于熱處理后所得的部分晶化硅膜12，在氮?dú)夥罩?00至350mJ/cm2的功率密度KrF激發(fā)物激光(波長248nm，脈沖寬度30nsec)照射幾次，在本實例中，在300mJ/cm2下照射一次，以完成硅膜12的晶化。該工藝步驟也可以采用照射紅外光來完成，如上所述。
采用X射線衍射，測量了如比制備的結(jié)晶硅膜的取向。結(jié)果如圖6所示?？汕宄赜^察到(111)、(220)和(311)峰，并基于此觀察計算出(111)取向率為0.405，證實已獲得了所期望的隨機(jī)取向膜。實施例4本例是實施例3的改型，其中催化元素鎳鹽的濃度改為1PPM。其它條件與實施例3相同。這種構(gòu)型可使每個晶粒的顆粒尺寸增大。本例中，在4和16小時兩種固態(tài)生長時間條件下，進(jìn)行實驗。
對熱處理后的膜的顯微觀察顯示，鎳鹽濃度降低且進(jìn)行4小時固態(tài)生長的樣品，其非晶硅的比例較大，包含結(jié)晶硅的晶核數(shù)量較少。接著，對激光品化過的樣晶進(jìn)行無水(secco)腐蝕，然后用SEM觀察。結(jié)果，發(fā)現(xiàn)如本例中降低溶液濃度，與實施例2相比，可增大各個晶粒的尺寸。
此外，把激光晶化的樣品進(jìn)行X射線衍射，由已進(jìn)行4小時固態(tài)生長的樣品，可形成(111)取向率為0.730的(111)取向膜。另一方面，由16小時固相生長所獲得的樣品，其取向率降低為0.4，并且膜是隨機(jī)的。實施例5本例的情形是，采用本發(fā)明的方法制備的結(jié)晶硅膜用于構(gòu)成TFT。本例的TFT可用作有源矩陣式液晶顯示的驅(qū)動電路部分或圖象元素部分。就此而論，該TFT的應(yīng)用范圍不僅包括液晶顯示，而且包括所謂的薄膜集成電路；這是不言而諭的。按照本實施例的制備工藝如圖7所概述的。首先，在玻璃襯底11之上形成厚2000的氧化硅底膜(未示出)。設(shè)置這一層氧化硅膜，是用來防止來自玻璃襯底的雜質(zhì)擴(kuò)散。
然后按實施例1相同的方式形成厚500的非晶硅。之后用氫氟酸進(jìn)行處理，除去天生的氧化膜，接著在氧氣氛中用紫外光照射，形成厚約20的氧化薄膜。制備該氧化薄膜的工藝可以用過氧化氫處理或熱氧化來代替。
把含25ppm鎳的醋酸鹽溶液施于膜上，保持1分鐘，然后用離心機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)干燥。之后，用緩沖級氫氟酸除去二氧化硅膜20和21(圖3(A))，隨后在550℃加熱8小時，以使硅膜晶化(上述的工序與實施例1相同)。
上述的熱處理提供一種包含非晶和結(jié)晶部分的混合硅膜。結(jié)晶部分組成晶核存在于其中的某些區(qū)域內(nèi)。進(jìn)一步輻照200-300mJ/cm2、本例中用300mJ/cm2的KrF激發(fā)物激光輻照，以此改善硅膜的結(jié)晶度。在用激光照射的這個處理期間，襯底被加熱至400℃左右。該工藝有利于進(jìn)一步改善結(jié)晶。
然后把結(jié)晶的硅膜刻圖制成島形區(qū)104。該島形區(qū)104構(gòu)成TFT的有源層。之后形成厚200于1500的氧化硅薄膜105。本例中為1000。該氧化硅膜還起到柵絕緣膜的功能(圖7(A))。
在上述氧化硅膜105的制備期間必須特別小心。在150至600℃、最好300至450℃的襯底溫度下，采用RF等離子CVD使原始材料TEOS分解并與氧共淀積。TEOS與氧氣的壓強(qiáng)比設(shè)定為1∶1至1∶3，同時壓強(qiáng)和RF功率分別設(shè)定為0.05至0.5E和100至250W。作為替換，TEOS用作原始材料與臭氧一起用于膜的形成，該原始材料在350至600℃、最好是400至550℃的襯底溫度下經(jīng)受低壓或大氣壓CVD處理。在氧氣或臭氧氣氛中，400至600℃下對形成的膜進(jìn)行退火。
可以直接用KrF激發(fā)物激光(波長248nm，脈沖寬度20nsec)或者相同功率的任何其它光照射所形成的膜，促進(jìn)硅區(qū)104的晶化。特別是，通過紅外線的RTA(快速熱退火)選擇地加熱硅，而不加熱玻璃襯底，由此降低了硅與氧化硅膜之間的界面處的界面能級，因而有利于制備絕緣柵型均效應(yīng)半導(dǎo)體器件。
采用電子束蒸發(fā)形成厚2000至1μm的鋁膜并刻圖制成柵電極106。鋁中可摻入0.15至0.2％(重量)的鈧(Se)。然后襯底浸入含1到3％酒石酸的乙二醇溶液，PH值為7，使用鉑作為陰極、鋁柵電極作為陰極，進(jìn)行陰極氧化。就陽極氧化而言，首先以恒流將電壓升至220V，然后將此條件保持1小時從而完成該工藝。在本例中，在恒流條件下，以2至5V/分的電壓上升速度是適當(dāng)?shù)?。由此形成?500至3500A、如2000A的陽極氧化層109(圖7(B))。
之后，按自對準(zhǔn)方式，以柵電極部件作為掩模，采用離子摻雜(或者等離子摻雜)，把雜質(zhì)(磷)注入每個TFT的島型硅膜。摻雜所用氣體是磷化氫(PH3)。劑量為1至4×1015cm-2。
然后，如圖7(c)所示，用KrF激發(fā)物激光(波長248nm，脈沖寬度20nsec)照射該膜，以此改善因引入上述雜質(zhì)而導(dǎo)致結(jié)晶度惡化的那些部位的結(jié)晶度。激光的能量密度是150至400mJ/cm2，最好是200至250mJ/cm2。由此形成N型雜質(zhì)區(qū)108和109。這些區(qū)的表面電阻為200至800Ω/口。
在此步驟中，可用其它任何類型的光代替激光，只要功率與激光相同，包括所謂的RTA(快速熱退火)(或者RTP快速熱處理)，從而用閃光燈在短時間內(nèi)使樣品加熱至100至1200℃(硅監(jiān)測器的溫度)。
然后通過采用氧氣的等離子CVD或者采用臭氧的低壓CVD或臭氧的大氣壓CVD，在整個表面上形成厚3000的氧化硅膜，作為與原始材料TEOS的層間絕緣。基片溫度設(shè)為250至450℃，例如350℃。對所形成的氧化硅膜進(jìn)行機(jī)械研磨，以此提供光滑的表面(圖7(D))。
隨后，如圖7(E)所示，在層間絕緣110中進(jìn)行蝕刻，從而在TFT的源/漏中制成連接孔和氮化鉻或氮化鈦連線112和113。
最后，在氫氣中、300至400℃下進(jìn)行1至2小時退火，完成硅的氫化、于是TFT就制成了。同時制備的許多TFT布置成為有源矩陣型液晶顯示裝置。TFT具有源/漏區(qū)108/109和溝道形成區(qū)114。此外，115代表導(dǎo)電連接N1。
按照本實施的結(jié)構(gòu)，有源層中的鎳的濃度假設(shè)約為3×1018原子/cm3以下，更具體地為1×1016原子/cm3至3×1018原子/cm3。
本例制備的TFT其N溝道的遷移率為75cm2/Vs以上。而且證實具有小Vtn的良好特性。因此證實遷移率在±5％的范圍內(nèi)。相信這種變化的減小是因為隨機(jī)的取向，這不會引起器件工作特性的各向異性。盡管僅用激光可以容易地使N溝道型達(dá)到100cm2/Vs以上，但變化增大了，而且無法達(dá)到本例的均勻性。實施例6本例是實施例5的改型，其中鎳濃度變?yōu)?ppm，而且晶粒尺寸增大。其余與實施例5完全相同。
由此導(dǎo)致N溝道的遷移率的程度為150cm2/Vs以上。這被認(rèn)為是較大晶粒尺寸的作用。然而，遷移率的變化約為±30％，因而均勻性不高。其原因尚不清楚，但可假設(shè)是因為具有某種程度的(111)取向，器件中存在出現(xiàn)各向異性的某種可能性。實施例7
本例中，如實施例2所示那樣選擇地引入鎳，采用從引入部分開始在橫向方向上(平行于基片)的晶體生長區(qū)來形成電子器件。采用這種結(jié)果時，可以降低器件有源層區(qū)中的鎳濃度，就器件的電穩(wěn)定性和可靠性來看，這是非常合乎要求的結(jié)構(gòu)。此外，給出厚400的非晶硅膜，可以獲得幾乎完全是(111)取向的膜。
圖8展示了本實施例的制備步驟。首先，清洗基片201，然后使用TEOS(四乙氧基硅烷)和氧作為原始?xì)怏w，通過等離子CVD方法，形成厚2000的氧化硅底膜。而且，還使用等離子CVD法形成本征(I型)非晶硅膜203，其厚度為300至1500，本例中為400。采用等離子CVD法以連續(xù)方式，形成厚500至2000、如1000A的氧化硅膜205。然后對氧化硅膜205進(jìn)行選擇地蝕刻，形成曝露非晶硅206的區(qū)。
采用實施例2的方法，施加含有作為促進(jìn)晶化的含催化元素的元素鎳的溶液(這里是醋酸鹽溶液)。醋酸鹽溶液中的鎳濃度為100ppm。各步驟的詳細(xì)順序和條件同樣與實施例1相同。也可按實施例5或6的方法進(jìn)行此工藝。
在這之后，在氮?dú)夥罩小?00至620℃如550℃下進(jìn)行8小時熱退火，硅膜203被晶化。隨著晶體在平行于基片的方向上生長，晶化的促進(jìn)起始于鎳與硅膜的接觸區(qū)206，如箭頭所示。圖中1區(qū)204是直接添加鎳的晶化部位，區(qū)203是在橫向方向晶化的部位。203所指示的橫向晶化約為25μm(圖8(A))。
在采用上述熱處理進(jìn)行的晶化步驟之后，使用激光照射來進(jìn)一步促進(jìn)硅膜203的晶化。本步驟與實施例1完全相同，但為了完成激光晶化而不除去氧化硅膜205，本例中，以305mJ/cm2進(jìn)行晶化，甚至高于實施例1的能量。
接著，除去氧化硅膜205。同時，也除去形成于區(qū)206的表面之上的氧化膜。采用于腐蝕把硅膜刻圖制成島形有源層區(qū)208。這里，圖8(A)串206所示區(qū)是直接引入鎳的區(qū)，其具有高濃度的鎳。正如期望的，在晶體生長的前端也發(fā)現(xiàn)鎳濃度高。在這些區(qū)，鎳濃度明顯高于中部區(qū)。因此，本例中不允許這些高鎳濃度區(qū)搭接有源層208中的溝道形成區(qū)。
在此之后，把有源層(硅膜)208在500至600℃、典型地550℃下、10個大氣壓的100％(體積)水蒸氣氣氛中經(jīng)受一小時，使其表面氧化，形成氧化硅膜209。該氧化硅膜的厚度為1000。在采用熱氧化形成氧化硅膜209之后，在400℃把襯底置于氨氣氛中(1個大氣壓、100％)。在此狀態(tài)下于襯底之上照射峰值波長為0.6至4μm、例如0.8至1.4μm的紅外線，持續(xù)30至180秒，由此使氧化硅膜209氮化。在此，氣氛中可混入0.1至10％ HCl(圖8(B))。
接著，采用濺射法形成鋁膜(含0.01于0.2％鈧)，其厚度為3000至8000，例如6000。把該鋁膜刻圖制成柵電極210(圖8(C))。
對該鋁電極表面進(jìn)行陽極氧化，在其表面上形成氧化層211。陽極氧化是在含1至5％酒石酸的乙二醇溶液中進(jìn)行的。所得的氧化層211的厚度為2000A。由于該氧化層211達(dá)到在以下的離子摻雜步驟中形成偏置相柵區(qū)的厚度，因而在上述陽極氧化步驟中可以確定偏置柵區(qū)的長度(圖8(D))。
采用柵電極部位、即柵電極210和圍繞它的氧化層211作為掩模，以自對準(zhǔn)方式，通過離子摻雜法(或等離子摻雜法)把提供N導(dǎo)電型的雜質(zhì)(這里是磷)添加到有源層區(qū)(包括源/漏和溝道)。以磷化氫(PH3)作為摻雜氣體，加速電壓是60至90KV，如80KV。劑量為1×1015至8×1015cm-2，如4×1015cm-2。結(jié)果可形成N型雜質(zhì)區(qū)212和213。從圖中還可清楚地看出，在雜質(zhì)與柵電極之間的距離X構(gòu)成了偏置條件。施于柵電極反向電壓(對于N向道TFT是負(fù)的)時降低泄漏電流(也稱為斷路電流(off-current))的角度來看，這種偏置條件是特別有效的。特別是，根據(jù)本實施例的TFT，其中對有源矩陣的圖象元素進(jìn)行控制，最好具有低的泄漏電流，以使圖象元素電極中累積的電荷不會逸失，對于獲得更滿意的圖象而言，提供偏置是有效的。
然后采用激光照射退火。所用激光是KrF激發(fā)物激光(波長248nm，脈沖寬度20nsec)，但也可使用其它激光。激光照射的條件是，能量密度為200至400mJ/cm2，例如250mJ/cm2，每個部位照射2至10次，例如2次、在激光照射的同時把襯底加熱到約200到450℃可獲得更好的效果(圖8(E))。
接著采用等離子CVD法形成厚6000A的氧化硅膜214作為層間絕緣。而且，采用旋轉(zhuǎn)涂覆法形成透明的聚酰亞胺膜215，使表面平整。
在層間絕緣214、215中形成連接孔，并且采用金屬材料的多層膜、例如氮化鈦和鋁形成TFT電極/連線217、218。最后在一個大氣壓的氫氣氣氛中、350℃下進(jìn)行30分鐘的退火，由此制成帶有TFT的有源矩陣的圖象元素電路(圖8(F))。
本例中制備的TFT具有較高的遷移率，因此可用于有源矩陣型液晶顯示的驅(qū)動電路。具體地，在N溝道中達(dá)到了250cm2/Vs以上的遷移率?？梢约僭O(shè)，這種高遷移率是由于晶界勢壘的降低所引起的，而晶界熱壘的降低是起因于晶體的高度取向。實施例8。
本例是把實施例7中的橫向生長方法變?yōu)槭褂肙CD的方法。亦即，在緊接著500的本征(I型)非晶硅膜203形成省去之后，以含鎳的SOG膜代替，連續(xù)形成厚500至2000、如1000的氧化硅膜205，本例中采用OCD2型無摻雜材料Si-59000-SG、Tokyo OhkaKogyoCo.，Ltd.的產(chǎn)品，來形成含鎳化合物襯底。在該膜形成之前，把表面曝露在臭氧中，以此形成非常薄的氧化膜，然后形成OCD。
在80℃和150℃進(jìn)行預(yù)烘干，隨后在250℃固化。如果這一固化溫度過高，則必須特別小心，因為在此步驟期間鎳將早已在非晶硅中分散。而且，由臭氧所產(chǎn)生的非常薄的氧化膜，將對固化步驟中的分散起到阻擋作用，如果沒有該氧化膜，則必須特別小心，因為即使在250℃鎳也將分散。
隨后，進(jìn)行規(guī)定的刻圖。對于這一刻圖，使用實施例7中的掩模，并用光刻膠進(jìn)行正--負(fù)反演。關(guān)于刻圖后的腐蝕，最好采用干式法而不用濕式法，因為OCD的腐蝕速率極快。
以后的步驟與實施例7相同，因此略去其說明。所獲得的TFT的性能幾乎與實施例7相同。
當(dāng)剝開TFT的柵部位通過電子衍射來確定其下面的有源層的取向時，發(fā)現(xiàn)幾乎其整體均為(200)取向。實施例9本例是形成包括P--溝道型TFT(稱為(PTFT)和N--溝道型TFT(稱為NTFT)的互補(bǔ)集成電路，兩者均是采用在玻璃襯底上的結(jié)晶硅膜制成的。本例的結(jié)構(gòu)可用于有源型液晶顯示的圖象元素電極的開關(guān)元件和外圍驅(qū)動電路，或者圖象傳感器或其它集成電路。
圖10給出了展示本例制備步驟的截面圖。首先，采用濺射法在襯底(Corning 7059)301中形成厚2000的氧化硅基膜302。接著，設(shè)置掩模303，它是金屬掩?；蛘哐趸枘さ?。在300所指示的區(qū)，該掩模供給底膜302一條曝露狹縫。亦即；圖10(A)從頂部觀看時，底膜302暴露出一狹縫，而其它部位被掩蓋。
設(shè)置了上述掩模303之后，采用濺射法在區(qū)300之上選擇地形成硅化鎳膜(化學(xué)式NiSix其中0.4≤X≤2.5，如X＝2.0)，其厚度為5至200，例如20。
接著，采用等離子CVD法，形成本征(I型)非晶硅膜304，其厚度為500至1500，例如1000。在氫還原氣氛(最好氫分壓為0.1至1個大氣壓)中、550℃下，或者在惰性氣氛(大氣壓)中、550℃下，退火4小時進(jìn)行晶化。這里，在選擇地形成硅化鎳膜的區(qū)300中，結(jié)晶硅膜304垂直于襯底301結(jié)晶。而且，在區(qū)300之外的區(qū)中，如箭頭305所示，于區(qū)300開始橫向晶體生長(平行于基片)。
作為上述步驟的結(jié)果，通過晶化非晶硅膜304可以獲得結(jié)晶硅膜。接著，采用濺射法形成厚1000的氧化硅膜306作為柵絕緣膜。濺射中，用氧化硅作靶，濺射期間襯底溫度為200至400℃，例如350℃，濺射氣氛由氧和氬組成，氬/氧比為0至0.5，例如0.1以下。然后分離各元件，以便獲得用于TFT的有源層區(qū)。這時，重要的是在將要成為溝道形成區(qū)的部位內(nèi)，不存在如305所示的晶體生長前端。按這種方式，可以防止亢素鎳對在溝道形成區(qū)的源與漏之間的載流子遷移的影響。
隨后，采用濺射法形成鋁膜(含0.1至2％硅)，厚度為6000至8000，例如6000。
把鋁膜刻圖制成柵電極307、309。然后對這些鋁電極表面進(jìn)行陽極氧化，形成氧化層308、310。該陽極氧化是在含1至5％酒石酸的乙二醇溶液中進(jìn)行的。每個所形成的氧化層308、310的厚度為2000。在后續(xù)的離子摻雜步驟中，這些氧化層308和310的厚度足以形成偏置柵區(qū)，因而在上述陽極氧化步驟中可以確定偏置柵區(qū)的長度。
采用離子摻雜法(離子注入法)添加雜質(zhì)，賦予有原層區(qū)一種導(dǎo)電型(制成源/漏和溝道)。在此摻雜步驟中，采用柵電極307及其周圍氧化層308和柵電極309及其周圍氧化層310作為掩模，注入雜質(zhì)(磷和硼)。摻雜氣體磷化氫(PH3)或者乙硼烷(B2H6)，前者的加速電壓是60至90KV，例如80KV，后者加速電壓為40至80KV，例如65KV。劑量為1×1015至8×1015cm-2，例如2×1015cm-2的磷和50×1015cm-2的硼。摻雜期間，通過用光刻膠覆蓋其它區(qū)，選擇地?fù)诫s每種元素。結(jié)果，形成N-型雜質(zhì)區(qū)314和316，并形成P-型雜質(zhì)區(qū)311和313，由此可形成P溝道型TFT(PTFT)區(qū)和N溝道型TFT(NTFT)區(qū)。
隨后，用激光照射進(jìn)行退火。所用激光是KrF激發(fā)物激光(波長248nm，脈沖寬度20nsec)，但也可用其它激光。激光照射的條件是，能量密度200至400mJ/cm2，例如250mJ/cm2，每部位照射2至10次，例如2次。照射激光時把襯底加熱至200至450℃是有利的。在該激光退火工藝步驟中，由于鎳分散于預(yù)結(jié)晶區(qū)，因而激光照射快速促進(jìn)結(jié)晶，并且可容易地激活賦予P型雜質(zhì)摻雜的雜質(zhì)區(qū)311和313以及賦于N型雜質(zhì)摻雜的雜質(zhì)區(qū)314和316。
該步驟可使用紅外線(如1.20μm)的燈光退火。紅外線可被硅快速吸收，因而可進(jìn)行等效于1000℃以上的熱退火的有效退火。另一方面，由于玻璃襯底吸收紅外線較差，因而玻璃襯底不會受到高溫加熱，可在短時間內(nèi)完成處理，據(jù)此原因，可以說這對于存在玻璃襯底收縮的工藝來說是一種理想方法。
然后，采用等離子CVD法，形成厚6000A的氧化硅膜318作為層間絕緣，其中形成連接孔，利用金屬材料的各層膜、例如氮化鈦和鋁，形成TFT電極/連線317、320、390。最后，在一個大氣壓的氫氣氛中，350℃下進(jìn)行30分鐘退火，制成互補(bǔ)TFTs結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體電路(圖10(D))。
上述電路為具有以互補(bǔ)方式設(shè)置的PTFT和NTFT的CMOS結(jié)構(gòu)，但在上述工藝中，可同時構(gòu)成兩個TFT并截開，以此同時制備兩個分離的TFT。
圖11顯示的是從圖10(D)頂部觀看的外形。圖11中的符號與圖10中的對應(yīng)。如圖11所示，晶化方向如箭頭所指，晶體生長于源/漏區(qū)的方向(源區(qū)與漏區(qū)之間連線方向)。在具有此結(jié)構(gòu)的TFT工作時，載流子沿著在源與漏之間以針狀或柱狀生長的晶體遷移。亦即，載流子沿著針狀或柱狀晶粒的晶界遷移。因此，可以降低載流子遷移時所經(jīng)受的電阻，獲得具有高度遷移率的TFT。
本例中，引入鎳的方法是，鎳用來在基膜302之上、非晶膜304之下(由于膜非常薄，故不易認(rèn)為是膜)選擇地形成鎳膜所用的鎳，并從該部位引起晶體生長，但也可以在形成所用的鎳非晶硅膜304之后，選擇地形成硅化鎳膜中的鎳。亦即，可在非晶硅膜的頂表面或底部引起晶體生長。此外，所用方法也可是，先形成非晶硅膜，然后用離子摻雜，在非晶硅膜304中選擇地注入鎳。這種方法的特點(diǎn)是可控制元素鎳的濃度。該方法也可用等離子處理或CVD替換。實施例10本例的情形是，設(shè)置有作為每個圖象元素的開關(guān)元件的N溝道型TFT的有源型液晶顯示裝置。以下就單個圖象元素給出說明，但大量(通常為幾十萬個)圖象元素以相同結(jié)構(gòu)形成。當(dāng)然，不言而諭，也可采用P溝道型而不用N溝道型。而且，也可用于液晶顯示的外圍電路部分，而不是圖像元素部分。也可用于圖像傳感器或其它任何類型的器件。換言之，對其用途并無特別限制，只要是用作薄膜晶體管。
圖12展示了本例的制備步驟的外型圖。本例中使用Corning 7059玻璃片(厚1.1mm，300×400mm)作為玻璃襯底401。首先，采用濺射法形成厚2000A的底膜402(氧化硅)。然后，為了選擇地引入鎳，由金屬掩模、氧化硅膜或光刻膠等構(gòu)成掩模403。采用濺射法再形成硅化鎳膜。由濺射法形成的硅化鎳膜其厚度為5至200，例如20。該硅化鎳膜的化學(xué)式為NiSix其中0.40≤x≤2.5，例如X＝2.0。由此在區(qū)404上選擇地形成硅化鎳膜。
采用LPCVD法或等離子CVD法，形成厚1000的非晶硅膜405，并在400℃脫氫一小時，之后通過熱退火進(jìn)行晶化。在氫還原氣氛(最好氮?dú)鈮簽?.1至1大氣壓)中、550℃下進(jìn)行4小時退火處理。1也可在惰性氣氛如氮?dú)怏w等中進(jìn)行熱退火處理。
在本退火處理中，由于在位于非晶硅膜405之下的部分上已形成硅化鎳膜，晶化開始于該部位。晶化期間，如圖12(B)中的箭頭所示，在已形成硅化鎳膜的部位404處，硅晶體在垂于襯底401的方向上生長。此外，如其它箭頭所示，在未形成硅化鎳的區(qū)(除區(qū)405之外的區(qū))中，晶體在平行于襯底的方向生長。
按此方式，可以獲得包含結(jié)晶硅的半導(dǎo)體膜405。接著把上述半導(dǎo)體膜405刻圖制成島形半導(dǎo)體區(qū)(TFT的有源層)。這里，在有源層內(nèi)特別是溝道形成區(qū)內(nèi)不存在如箭頭所指的晶體生長的前端是重要的。特別是，如果由圖12(B)中的箭頭所示的前部是晶體生長的端頭(前端)，用腐蝕法除去鎳引入部位404處和箭頭尾端(圖的左側(cè))的結(jié)晶硅膜405，并使用在平行于襯底的方向上生長的結(jié)晶硅膜405的晶體中間部位作為有源層是有利的。因為，鎳聚集在晶體生長的前端，并且應(yīng)避免聚集在前端的鎳對TFT性能的不利影響。
而且，使用四乙氧基硅烷(TEOS)作為原始材料，采用等離子CVD法，在氧氣氛中形成氧化硅柵絕緣膜406(厚度70至120nm，典型地為100nm)。襯底溫度設(shè)為400℃以下，最好是200至350℃，以防止玻璃的收縮和彎曲。
接著，采用CVD法形成主要由硅組成的公知的膜，并將其刻圖制成柵電板407。然后通過離子注入摻雜磷作為N型雜質(zhì)，以自對準(zhǔn)方式形成源區(qū)408、溝道形成區(qū)409和漏區(qū)410。用KrF激光照射以改善由于離子注入使其結(jié)晶度已受損害的硅膜的結(jié)晶度。激光的能量密度設(shè)為250至300mJ/cm2。激光照射的結(jié)果，該TFT的源/漏的表面電阻為300至800Ω/cm2。也可采用紅外線燈光退火來有效地完成退火步驟。
用氧化硅形成層間絕緣411，用ITO形成圖象元素電級412。此外，在其中形成連接孔，采用鉻/鋁多層膜在TFT的源/漏區(qū)形成電極413、414，電極413中的一個還與ITO412連接。最后，在氫氣中，200至300℃下進(jìn)行2小時退火，完成硅的氫化。由此制成TFT。其它圖象元素區(qū)同時在該工藝過程中制成。
本例制備的TFT采用晶體在流子載流動方向上生長的結(jié)晶硅膜作為構(gòu)成源區(qū)、溝道形成區(qū)和漏區(qū)的有源層，因而由于載流子沿針狀或柱狀體的晶界遷移，而不與晶界相交，所以TFT的載流子具有高遷移率。本例制備的TFT是N溝道型，其遷移率為90至130(cm2/Vs)?？紤]到使用600℃下48小時普通熱退火進(jìn)行晶化所獲得的結(jié)晶硅的N溝道型TFT的遷移率是80至100(cm2/Vs)，因此，性能的改進(jìn)是顯著的。
此外，采用與上述工藝相同的方法制備的P溝道型TFT，測量其遷移率，發(fā)現(xiàn)為50至80(cm2/Vs)?？紤]到使用600℃下48小時普通熱退火進(jìn)行晶化所獲得的結(jié)晶硅膜的P溝道型TFT的遷移率是30至60(cm2/Vs)，性能的改進(jìn)也是明顯的。實施例11本例是實施例10的TFT的改型，其中在與晶體生長方向垂的方向上設(shè)置源/漏。亦即在這樣的結(jié)構(gòu)中，載流子遷移方向垂直于晶體生長方向，因而載流子的遷移橫跨針狀或柱狀晶體的晶界。按這種結(jié)構(gòu)，可提高源與漏之間的電阻。這是因為載流子必須遷移，從而導(dǎo)致橫跨針狀或5，并使用在平行于襯底的方向上生長的結(jié)晶硅膜405的晶體中間部位作為有源層是有利的。因為，鎳聚集在晶體生長的前端，并且應(yīng)避免聚集在前端的鎳對TFT性能的不利影響。
而且，使用四乙氧基硅烷(TEOS)作為原始材料，采用等離子CVD法，在氧氣氛中形成氧化硅柵絕緣膜406(厚度70至120nm，典型地為100nm)。襯底溫度設(shè)為400℃以下，最好是200至350℃，以防止玻璃的收縮和彎曲。
接著，采用CVD法形成主要由硅組成的公知的膜，并將其刻圖制成柵電板407。然后通過離子注入摻雜磷作為N型雜質(zhì)，以自對準(zhǔn)方式形成源區(qū)408、溝道形成區(qū)409和漏區(qū)410。用KrF激光照射以改善由于離子注入使其結(jié)晶度已受損害的硅膜的結(jié)晶度。激光的能量密度設(shè)為250至300mJ/cm2。激光照射的結(jié)果，該TFT的源/漏的表面電阻為300至800Ω/cm2。也可采用紅外線燈光退火來有效地完成退火步驟。
用氧化硅形成層間絕緣411，用ITO形成圖象元素電級412。此外，在其中形成連接孔，采用鉻/鋁多層膜在TFT的源/漏區(qū)形成電極413、414，電極413中的一個還與ITO412連接。最后，在氫氣中，200至300℃下進(jìn)行2小時退火，完成硅的氫化。由此制成TFT。其它圖象元素區(qū)同時在該工藝過程中制成。
本例制備的TFT采用晶體在流子載流動方向上生長的結(jié)晶硅膜作為構(gòu)成源區(qū)、溝道形成區(qū)和漏區(qū)的有源層，因而由于載流子沿針狀或柱狀體的晶界遷移，而不與晶界相交，所以TFT的載流子具有高遷移率。本例制備的TFT是N溝道型，其遷移率為90至130(cm2/Vs)?？紤]到使用600℃下48小時普通熱退火進(jìn)行晶化所獲得的結(jié)晶硅的N溝道型TFT的遷移率是80至100(cm2/Vs)，因此，性能的改進(jìn)是顯著的。
此外，采用與上述工藝相同的方法制備的P溝道型TFT，測量其遷移率，發(fā)現(xiàn)為50至80(cm2/Vs)?？紤]到使用600℃下48小時普通熱退火進(jìn)行晶化所獲得的結(jié)晶硅膜的P溝道型TFT的遷移率是30至60(cm2/Vs)，性能的改進(jìn)也是明顯的。實施例11本例是實施例10的TFT的改型，其中在與晶體生長方向垂的方向上設(shè)置源/漏。亦即在這樣的結(jié)構(gòu)中，載流子遷移方向垂直于晶體生長方向，因而載流子的遷移橫跨針狀或柱狀晶體的晶界。按這種結(jié)構(gòu)，可提高源與漏之間的電阻。這是因為載流子必須遷移，從而導(dǎo)致橫跨針狀或柱狀晶體的晶界。為了實現(xiàn)本例的結(jié)構(gòu)，只需確定實施例10的結(jié)構(gòu)中TFT的取向即可。實施例12本例的要點(diǎn)在于，把實施例10的結(jié)構(gòu)中TFT的取向(這里，該取向確定為源/漏區(qū)之間的連線，即TFT的方向由載流子流動的取向確定)由結(jié)晶硅膜的晶體生長方向與襯底表面之間的所要求的角度來確定，以此選擇TFT的性能。
如上所述，如果使載流子在晶體生長方向遷移，則它將沿晶界遷移，因而其遷移率可改善。另一方面，如果使載流子垂于晶體生長方向遷移，則載流子必須橫跨多個晶界，因而載流子遷移率將會下降。
這里，通過在這兩條件之間的適當(dāng)選擇，亦即，把晶體生長方向與載體流子遷移方向之間的角度定在0至90℃的范圍內(nèi)，由此可控制載流子的遷移率。從不同角度來看，通過設(shè)定晶體生長方向與載流子遷移方向之間的上述角度，可以控制源與漏區(qū)之間的電阻。自然，這種結(jié)構(gòu)也可用于實施例1的結(jié)構(gòu)。這時，圖11所示的鎳微量添加的狹縫狀區(qū)400在0至90°的范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以此在0至90°之間選擇箭頭405所指的晶體生長方向與源和漏區(qū)的連線之間的角度?？砂言摻嵌榷ǖ媒咏?°，以此提高源與漏區(qū)之間電阻較低的結(jié)構(gòu)的遷移率。而且，可把該角度定得接近90°，以此降低源與漏區(qū)之間的電阻較高的結(jié)構(gòu)的遷移率。
如上所述，對于采用形成在實底上的非單晶硅半導(dǎo)體膜。并且具有平行于襯底表面生長的晶體的結(jié)晶度的TFT，在TFT中遷移的載流子的流動方向可與晶體生長方向一致，以實現(xiàn)載流子的遷移是沿著(平行于)針狀或柱狀晶體的晶界的結(jié)構(gòu)，獲得高遷移率的TFT。
而且，由于促進(jìn)晶化的金屬催化劑聚集在平行于襯底生長的晶體前端，所以可以不使用這些區(qū)來形成TFT，以此提高TFT的工作穩(wěn)定性和可靠性。此外，通過引入催化元素，并隨之用激光或其它強(qiáng)光照射，在低溫下進(jìn)行短時間晶化，由此來制備結(jié)晶硅膜，進(jìn)而用制成的結(jié)晶硅膜制成半導(dǎo)體器件，可獲得具有高生產(chǎn)率和
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它包括下列步驟；形成一個晶體管，晶體管的源區(qū)和漏區(qū)遍及整個襯底，所述遍及整個襯底的源區(qū)與漏區(qū)之間為溝道形成區(qū)，與所述溝道形成區(qū)毗鄰的是一個柵電極，溝道形成區(qū)與柵電極之間是一個柵絕緣膜；在整個所述晶體管上形成氧化硅膜；和打磨所述氧化硅膜使整個所述晶體管表面平坦。
2.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它包括下列步驟形成一個晶體管，晶體管的源區(qū)和漏區(qū)遍及整個襯底，遍及整個襯底的所述源區(qū)與漏區(qū)之間為溝道形成區(qū)，與所述溝道形成區(qū)毗鄰的是一個柵電極，溝道形成區(qū)與柵電極之間是一個柵絕緣膜；在整個所述晶體管上形成一個氧化硅膜；和機(jī)械打磨所述氧化硅膜使整個所述晶體管的表面平坦。
3.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它包括下列步驟形成一個晶體管，晶體管的源區(qū)和漏區(qū)遍及整個襯底，遍及所述襯底的源區(qū)與漏區(qū)之間為溝道形成區(qū)，與所述溝道形成區(qū)毗鄰的是一個柵電極，溝道形成區(qū)與柵電極之間是一個柵絕緣膜，所述源區(qū)、所述漏區(qū)和所述溝道形成區(qū)在一個半導(dǎo)體島中形成；在整個所述晶體管上形成一個氧化硅膜；和打磨所述氧化硅膜，使整個所述半導(dǎo)體的表面平坦。
4.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它包括下列步驟形成一個晶體管，晶體管的源區(qū)和漏區(qū)遍及整個襯底，遍及所述襯底的所述源區(qū)和漏區(qū)之間為溝道形成區(qū)，與所述溝道形成區(qū)毗鄰的是一個柵電極，所述溝道形成區(qū)與所述柵電極之間是一個柵絕緣膜，所述源區(qū)、漏區(qū)和所述溝道形成區(qū)在一個半導(dǎo)體島中形成；在整個所述晶體管上形成氧化硅膜；和機(jī)械研磨所述氧化硅膜，使整個所述晶體管的表面平坦。
5.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它包括下列步驟在整個襯底上形成一個硅半導(dǎo)體膜；在整個所述半導(dǎo)體膜上形成一個掩模，掩模由氧化硅膜組成，其上有一個孔眼；通過所述孔眼往所述半導(dǎo)體膜中加入含催化元素的溶液；用所述催化元素通過加熱使所述半導(dǎo)體膜晶化；在晶化過的半導(dǎo)體膜上繪制布線圖案使其形成晶體半導(dǎo)體島；在整個所述晶體半導(dǎo)體島上形成柵絕緣膜；在整個所述柵絕緣膜上形成柵電極；在整個所述柵電極上形成氧化硅層間絕緣膜；打磨所述氧化硅層間絕緣膜，使整個所述半導(dǎo)體島、所述柵絕緣膜和所述柵電極的表面平坦。
6.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，其特征在于，它包括下列步驟在整個襯底上形成硅半導(dǎo)體膜；在整個所述半導(dǎo)體膜上形成一個掩模，掩膜由氧化硅膜組成，其上有一個孔眼；通過所述孔眼往所述半導(dǎo)體膜中加入含一種催化元素的溶液；用所述催化元素通過加熱使所述半導(dǎo)體膜晶化；在晶化過的半導(dǎo)體膜上繪制布線圖案，使其形成一個晶體半導(dǎo)體島；在整個所述晶體半導(dǎo)體島上形成柵絕緣膜；在整個所述柵絕緣膜上形成柵電極；在整個所述柵電極上形成氧化硅層間絕緣膜；機(jī)械打磨所述氧化硅層間絕緣膜，使整個所述時導(dǎo)體島、所述柵絕緣膜和所述柵電極的表面平坦。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化硅膜構(gòu)成層間絕緣膜。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶體管是個設(shè)在一個有源矩陣液晶顯示器的像素中的薄膜晶體管。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶體管是個設(shè)在有源矩陣液晶顯示器的驅(qū)動電路中的薄膜晶體管。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述晶體管構(gòu)成一個集成電路。
11.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述氧化硅膜構(gòu)成層間絕緣膜。
12.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶體管是個設(shè)在有源矩陣液晶顯示器的像素中的薄膜晶體管。
13.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶體管是個設(shè)在有源矩陣液晶顯示器的驅(qū)動電路中的薄膜晶體管。
14.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶體管構(gòu)成一個集成電路。
15.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述氧化硅膜構(gòu)成層間絕緣膜。
16.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述晶體管是個設(shè)在有源矩陣液晶顯示器的像素中的薄膜晶體管。
17.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述晶體管是設(shè)在有源矩陣液晶顯示器的驅(qū)動電路中的一個薄膜晶體管。
18.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述晶體管構(gòu)成一個集成電路。
19.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述氧化硅膜構(gòu)成層間絕緣膜。
20.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述晶體管是個設(shè)在有源矩陣液晶顯示器的像素中的薄膜晶體管。
21.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述晶體管是個設(shè)在有源矩陣液晶顯示器的驅(qū)動電路中的薄膜晶體管。
22.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述晶體管構(gòu)成一個集成電路。
23.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述催化元素選自Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、In、Sn、Pb、As和Sb組成的元素群。
24.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述催化元素選自Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、In、Sn、Pb、As和Sb組成的元素群。
全文摘要
公開了一種半導(dǎo)體器件。該半導(dǎo)體器件具有作為有源層區(qū)的結(jié)晶硅膜。結(jié)晶硅膜有平行于襯底取向的針狀或柱狀晶體,并且晶體生長方向為(111)軸。制備半導(dǎo)體器件的方法包括以下步驟,把催化劑元素添加到非晶硅膜中;在低溫把含有催化劑元素的非晶硅膜加熱使其成為結(jié)晶硅膜。
文檔編號H01L21/20GK1267907SQ9912481
公開日2000年9月27日 申請日期1994年6月24日 優(yōu)先權(quán)日1993年6月25日
發(fā)明者張宏勇, 高山徹, 竹村保彥, 宮永昭治, 大谷久, 竹山順一 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所