專利名稱：制造半導體器件的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及薄膜晶體管(TFTs)以及制造TFTs的方法。另外本發(fā)明涉及使用多個TFTs的半導體電路及制造這種半導體器件的方法?；蛟诓ＡУ冉^緣襯底或者在硅單晶半導體襯底上，形成按照本發(fā)明制造的薄膜晶體管。尤其本發(fā)明適用于半導體器件，該器件包括低速陣列電路和用于驅(qū)動陣列電路的高速外圍電路，例如用于驅(qū)動液晶顯示管中的單片有源陣列電路。本發(fā)明具有極大優(yōu)點。
在最近幾年，研究了薄膜型有源層(亦稱有源區(qū)域)的絕緣柵半導體器件。尤其認真研究了叫做TFT的薄膜型絕緣柵晶體管。在透明的絕緣襯底上形成這類晶體管，或者用以控制在諸如有陣列結構的液晶顯示的顯示器件中的每個象素或者用以構成驅(qū)動電路。根據(jù)所使用的半導體結晶狀態(tài)或材料，他們被分類為非晶硅TFTs或晶體硅TFTs。
通常，非晶半導體具有小的場遷移率，因此，他們不能用來作要求高速工作的TFTs。所以，近幾年，研究了晶體硅TFTs，并開展了制造具有較高特性的器件。
由于晶體半導體比非晶半導體具有更高的場遷移率，所以晶體半導體能以較高的速度工作。就晶體硅來說，可制造PMOSTFTs以及NMOS TFTs。例如，眾所周知的是由類似于有源陣列電路部分的CMOS晶體TFTs組成有源陳列液晶顯示器的外圍電路。就是說，這是一種單片結構。
圖3是用作液晶顯示器的單片有源陣列電路的框圖。在襯底7上構成列譯碼器1和行譯碼器2，以形成外圍驅(qū)動電路。在陣列區(qū)域3形成每個包括一個晶體管和一個電容器的象素電路4。通過導電互連線5和6使陣列區(qū)域和外圍電路連接。用于外圍電路的TFTs被要求以高速工作，同時用于象素電路的TFTs還被要求具有低漏電流。在物理上來看，這些是相矛盾的特性，但是必須在同樣的襯底上同時形成這二類TFTs。
然而，用相同的工藝過程制造的所有TFTs顯示出相同的特性。如使用由熱退火制造的晶體硅TFTs、用于陣列區(qū)域的TFTs和外圍驅(qū)動電路中的TFTs全都具有相同的特性。難以同時獲得適合于象素電路的低漏電流和適用于外圍驅(qū)動電路的高遷移率。通過同時使用熱退火和利用選擇性激光退火結晶化便能解決上述困難。在這種情況下，可在陣列區(qū)域使用通過熱退火制造的TFTs，而可在外圍驅(qū)動電路區(qū)域使用通過激光退火制造的TFTs。但是，利用激光退火結晶的硅的結晶度的均勻性很低，尤其是，在要求無缺陷的外圍驅(qū)動電路中難以應用這些TFTs。
為了獲得晶體硅，還可使用依賴于激光退火的結晶過程。如果由激光退火結晶的這種硅來制造半導體器件，那么在陣列區(qū)域的TFTs和在外圍策動電路的TFTs全都具有相同的特性。因此，可設想另一種使硅晶化的方法。尤其是利用熱退火形成在陣列區(qū)域的TFTs，利用激光退火形成在外圍驅(qū)動電路的TFTs。然而，采用熱退火，必須在600℃溫度下長達24小時地使硅退火，或必須在超過1000℃的高溫下使硅退火。前者方法生產(chǎn)率低；后者方法可用的襯底材料局限于石英。
本發(fā)明目的在于提供一種制造半導體器件的方法，該方法不依賴于復雜的工藝過程，不影響產(chǎn)量或生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種方法，該方法有最少的工藝變化，易于大量生產(chǎn)二種TFTs。其中一種要求具有高的遷移率，另一種要求具有低漏電流。
我們的研究已揭示對于實質(zhì)上非晶硅膜來說增加微量催化材料促進結晶，降低結晶溫度，縮短結晶時間。催化材料的例子包括鎳(Ni)、鐵(Fe)、鈷(Co)、鉑及其硅化物的單一成分物質(zhì)。更確切地說，使用含這種催化元素、元素粒子、或元素組的膜，在非晶硅的上下形成第一膜，以致于使第一膜與非晶硅膜緊密接觸。另一方面，用離子注入或其他方法把這樣的催化元素注入到非晶硅膜中。然后，在適當溫度下對膜作熱退火，一般溫度低于580℃，時間縮短至8小時內(nèi)。結果非晶膜被結晶化。
用這樣催化元素制造膜的情況下，元素的濃度充分低，因此膜非常之薄?？墒褂谜婵毡萌鐬R射或真空蒸發(fā)的方法形成該膜。另外，也可采用在常壓下如自旋涂敷或浸漬實現(xiàn)的方法。這用常壓方法易于實施，并且提供高的生產(chǎn)率。在這種情況下，把包括醋酸鹽，硝酸鹽，有機鹽等這樣的催化元素溶解在適當?shù)娜軇﹥?nèi)，并且將其濃度調(diào)整到適當?shù)闹怠?br> 由CVD法形成非晶硅膜時，把催化材料加到原材料氣體中，用物理蒸發(fā)淀積如濺射形成非晶硅膜時，可把催化材料加到靶子或形成膜的蒸發(fā)源中。當然，隨退火溫度上升，結晶時間減小。此外，隨鎳、鐵、鈷和鉑濃度增加，結晶溫度下降，結晶時間縮短。研究顯示為了促進結晶，至少這些元素之一的濃度必須超過1017/cm3，超過5×1013/cm3更好。
由于全部上述催化材料不是硅所要求的，所以希望它們的濃度盡可能低。我們的研究揭示這些催化材料的總濃度最好不超過1×1020/cm3，并且，最好局部濃度(例如在晶界處的濃度)不超過1×2020/cm3。
在本發(fā)明，通過激光結晶選擇性地形成高速工作并用作驅(qū)動有源陣列電路TFTs的TFTs。另一方面，通過由上述催化元素促進的結晶性質(zhì)的實際使用，制造以較低速度工作并用作有源陣列電路象素的低漏電流TFTs的TFTs。為形成后者TFTs，在低溫下短時間內(nèi)使硅晶化。結果，在同一個襯底上可形成包括多個晶體管的、既要實現(xiàn)低漏電流又要實現(xiàn)高速工作、通常這二者特性是相矛盾的電路。
還發(fā)現(xiàn)當用激光或強度等于激光的光照射含催化元素如鎳、鐵、鈷、鉑和鈀的膜時，即使催化元素的濃度比在熱平衡狀態(tài)通常所需引起結晶的濃度要小得多，也發(fā)生非常迅速的晶體生長。典型的是，前者濃度小于后者濃度的十分之一。
更具體地說，通過把這些催化元素的濃度調(diào)整到1×1015～1×1019/cm3，較好地為1×1016～5×1017/cm3也能促進晶化。然后，用適當能量的激光或其他相當強度的光照射該膜，激光或其他強度相等的光的能量密度變化，取決于照射光的波長、脈沖持續(xù)時間、非晶硅膜的溫度(或晶體硅)以及其他因素。例如，若把非晶硅的溫度調(diào)至100～450℃，較好地是250～350℃，也能用較小的催化元素濃度完成晶化。
本發(fā)明利用上述催化材料結晶的特性來形成非晶硅膜。由含催化元素的材料制成的膜與非晶硅膜緊密連接，或元素加至非晶硅膜，然后用激光或強度等于激光的光照射非晶膜，以使非晶硅膜結晶。這時，含催化元素的材料與襯底的選擇部分緊密接觸或摻入這些部分。接著，用激光或強度等于激光的光照射或掃描該膜。用該方法，在同一襯底上可形成結晶度不同的硅膜。在激光照射前，還可在350～650℃，較好為400～550℃下，經(jīng)1～24小時，較好為2～8小時作預退火。
用該方法可改善結晶度。此外，作熱退火雖不能除去的晶界勢壘，但只要能降低晶界勢壘就好了。另外，甚至可使留在晶界的非晶部位結晶。在這種情況下所采用的該方法，即使通過熱退火達到的結晶度下降，通過后續(xù)的激光照射也能完成全部結晶。因此可降低利用催化元素的濃度。
在本發(fā)明，通過后續(xù)激光照射改善用催化元素摻雜的區(qū)域結晶度，要優(yōu)于用催化元素的摻雜較少區(qū)域結晶度，而不管在激光照射之前是否實施了退火。此外，所獲得TFTs表現(xiàn)的特性相當于或優(yōu)于由用激光照射非晶膜的一般激光退火所制造的TFTs特性。此處，所用激光或強度等于激光的光的能量要小于在通常激光退火中用的激光能量，就可穩(wěn)定地獲得這些特性。另一方面，經(jīng)激光照射也可使沒有用催化元素摻雜的區(qū)域結晶。并且在該情況下，使激光或強度等于激光的光的能量小于在通常激光退火中使用的激光能量，也能獲得穩(wěn)定的特性。當然，沒有用催化元素摻雜的區(qū)域特性要劣于用催化元素摻雜的區(qū)域的那些特性。
利用這些特點，把催化元素輕摻雜區(qū)域用于形成有源陣列電路的象素電路中的低漏電流TFTs。而將催化元素重摻雜區(qū)域用于外圍驅(qū)動電路中的高速型TFTs。結果，在一個襯底上可形成這樣的一種電路，該電路包括獲得既有低漏電流又有高速工作，往往特性相矛盾的各個晶體管。
在本發(fā)明，在形成要求低漏電流的TFTs部分內(nèi)的催化元素濃度必須低于在形成高速TFTs的部分內(nèi)的催化元素的濃度。為了使他們的差異變得更大或再降低漏電流，需要低漏電流的在TFTs的源區(qū)域內(nèi)的金屬元素的濃度最好小于1×1015/cm3。
通過在下面的描述，本發(fā)明的其他目的和特點會更清楚。


圖1(A)～1(E)是按照本發(fā)明實施例1的半導體器件剖面圖，說明制造半導體器件的連續(xù)進行的各步驟；圖2(A)～2(E)是類似于圖1(A)～1(E)的剖面圖，說明按照實施例2的半導體器件；圖3是單片有源陣列電路的示意圖；圖4(A)～4(E)是按照本發(fā)明實施例3的剖面圖；說明制造半導體器件的連續(xù)進行的各步驟；并且，圖5(A)～5(E)是類似于圖4(A)～4(E)的剖面圖，說明按照實施例4的半導體器件。
實施例1本實施例涉及一種半導體器件，如圖3所示，該半導體器件包括在單個玻璃襯底上形成的有源陣列電路和在有源陣列電路周圍形成的驅(qū)動電路。圖1(A)～(E)是按照本實施例半導體器件的橫剖面圖，說明連續(xù)進行制作該器件的各個步驟。首先，在由Corn-ing7059制成的襯底10上濺射氧化硅厚2000作為底膜11。用LPCVD法在硅氧化膜11上形成具有500～1500，例如1500厚的本征非晶硅膜12。此后立即通過濺射淀積硅化鎳厚度為5～200例如20作為膜13(圖1A)。硅化鎳膜13的化學分子式為NiSix，而0.4≤X≤2.5，例如X＝2.0。
然后，用激光有選擇性地照射該疊層制品，以使該選擇區(qū)域結晶。作為照射光使用具有248nm波長和脈沖持續(xù)時間為20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光。其他激光器可用如波長353nm的XeF準分子激光器發(fā)射的光，波長為308nm的XeCl準分子激光器發(fā)射的光，波長為193nm的ArF準分子激光器發(fā)射的光，以及其他激光器。激光能量密度為200～500mJ/cm2，例如350mJ/cm2。在每個位置發(fā)射激光2～10次，例如2次。在激光照射期間，襯底被加熱至200～450℃，如300℃。
如圖3可見，要利用激光照射結晶化的外圍電路區(qū)域與足以承受通過熱退火處理的陣列電路相隔很大距離。因此無需光刻步驟。
其后，在還原氣氛環(huán)境中，在500℃條件下使疊層制品作4小時退火，以使沒有用激光照射過的區(qū)域(有源陣列電路的象素電路)結晶化。結果，獲得兩種結晶硅區(qū)域12a和12b。通過激光結晶化步驟，提高了區(qū)域12a的場遷移率，反之，由熱退火結晶的區(qū)域12b則成為低漏電流區(qū)(圖1(B))。
將用此方法得到的硅膜進行光刻構圖，以作成形成外圍驅(qū)動電路的島狀硅區(qū)域14a和形成陣列電路區(qū)域的島狀區(qū)域14b。通過濺射，淀積厚度為1000的氧化硅作為柵絕緣膜15。在濺射工藝時，使用含氧化硅的靶子。在濺射期間，襯底溫度為200～400℃例如350℃。濺射環(huán)境氣氛含氧和氬。氬與氧的比率在0和0.5之間，例如小于0.1。利用LPVD淀積厚度達6000～8000 例如6000，含0.1～2％磷的硅，以形成硅膜。最好連續(xù)進行形成硅氧化膜的步驟和形成硅膜的步驟。對硅膜進行構圖以形成柵電極16a、16b和16c(圖1(C))。
然后，用柵電極掩蔽硅區(qū)域，利用等離子摻雜法把包括磷或硼的雜質(zhì)注入硅區(qū)域。把磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)用作氣體摻雜劑。當使用前一種氣體時，加速電壓為60～90KV，如80KV；當使用后一種氣體時，加速電壓為40～80KV如65KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2。在用磷情況下劑量為2×1015/cm2；在用硼情況下劑量為5×1015/cm2。結果，形成N型摻雜區(qū)域17a，P型摻雜區(qū)域17b和17c。
其后，通過激光退火激活雜質(zhì)。使用波長為248nm和脈沖持續(xù)時間為20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光作激光退火，其他激光器比如波長為353nm的XeF準分子激光器發(fā)射的光，波長為308nm的XeCL準分子激光器發(fā)射的光，以及其他激光都可使用。激光能量密度為200～400mJ/cm2，比如250mJ/cm2，激光照射期間，向每個位置發(fā)射激光2～10次比如2次，襯底可加熱到200～400℃。可以在450～500℃溫度下對疊層制品作2～8小時退火而不是激光照射。用該方法，使摻雜區(qū)域17a～17c激活(圖1(D))。
然后，通過等離子CVD，淀積6000厚的氧化硅作為層間絕緣體18。接著濺射厚度為500～1000比如800的銦錫氧化物(ITO)，并構圖以形成象素電極19。在層間絕緣體18中形成接觸孔。由金屬材料如氮化鈦和鋁的多層膜構成用于形成外圍驅(qū)動電路的TFTs的電極和各各導電互連線20a、20b、20c，以及用于形成陣列象素電路的TFTs的電極和各導電互連線20d，20e。最后，在氫環(huán)境中，一個大氣壓，溫度為350℃的條件下使該疊層制品經(jīng)30分鐘退火。這樣，就完成了半導體器件(圖1(E))。
用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測定所獲得的TFTs的有源區(qū)域內(nèi)的鎳濃度。對于外圍驅(qū)動電路和陣列電路兩者來說，濃度為1×1018～5×1018/cm3。
實施例2圖2(A)～2(E)是橫剖面圖，該圖說明構成該實施例的各連續(xù)執(zhí)行步驟。在由Corning7509構成的襯底21上，濺射氧化硅厚為2000，作為硅氧化膜22。并且，利用LPCVD在硅氧化膜22上形成厚度為200～1500例如500的非晶硅膜23。注入鎳離子，在非晶硅膜表面形成區(qū)域24，而該區(qū)域24的摻鎳濃度為1 ×1018～2×1019/cm3例如5×1018/cm3。摻雜區(qū)域24的深度為200～500。還根據(jù)摻雜區(qū)域的深度選擇加速能量(圖2(A))。
并且，用激光對非晶硅膜作選擇性照射，以使所選定的部位結晶。用作激光照射的是波長為248nm用脈沖持續(xù)時間20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光。激光的能量密度為200～500mJ/cm2，例如350mJ/cm2。在每個位置發(fā)射激光2～10次，例如2次。在激光照射期間，襯底加熱至200～450℃例如400℃。在還原氣氛中，溫度為500℃下，使疊層制品經(jīng)4小時的退火，以使非晶硅膜未被照射過的部位結晶。作為該結晶步驟的結果，獲得二種結晶化的硅區(qū)23a和23b(圖2(B))。
其后，使硅膜構圖，以形成島狀區(qū)域26a(外圍驅(qū)動電路區(qū)域)和26b(陣列象素電路區(qū)域)。作為TFTs的柵絕緣膜，由四乙氧硅烷[四乙基原硅酸鹽，Si(OC2H5)4]和氧形成厚度為1000的硅氧化膜27。還將三氯乙烯(C2HCl3)加到原料氣體中。在該膜成形之前，把流量為400SCCM的氧送入腔室。在襯底溫度為300℃，總壓力5Pa，以及RF功率為150W下產(chǎn)生等離子。這種條件保持10分鐘。接著分別以300SCCM，15SCCM和2SCCM的流量把氧，四乙基原硅酸鹽和三氯乙烯導入腔室。這樣就形成硅氧化膜，而襯底的溫度是300℃，RF功率為75W，總壓為為5Pa。膜制成后，在100torr的壓力下把氫輸入腔室。在350℃溫度下，將該疊層制品退火35分鐘。
接著，用濺射法淀積厚度6000～8000如6000的含2％硅的鋁作為鋁膜。還可用鉭、鎢、鈦或鉬替代鋁。最好連續(xù)執(zhí)行形成硅氧化膜27的步驟和形成鋁膜的步驟。將鋁膜刻成圖形，以形成TFTs的柵電極28a、28b和28c。將鋁互連線的表面作陽極氧化，在表面形成氧化層29a、29b和29c。在酒石酸的1～5％乙二醇溶液內(nèi)實施陽極氧化處理。所獲得氧化層的厚度為2000(圖2(C))。
然后利用等離子摻雜法，把雜質(zhì)或磷注入到硅區(qū)域。利用磷化氫(PH3)作為氣體摻雜劑，加速電壓為60～90KV例如80KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2。這樣就形成N型摻雜區(qū)域30a。用光刻膠掩蔽左邊的TFT(N溝道TFT)，再用等離子摻雜法把雜質(zhì)或硼注入到右邊的外圍電路區(qū)域TFT的硅區(qū)域，以及注入構成陣列電路TFTs的硅區(qū)域。利用乙硼烷(B2H6)作為氣體摻雜劑加速電壓為50～80KV例如65KV，劑量為1×1015～8×1015/cm2例如5×1015/cm2例如5×1015/cm2，上述劑量要大于先前注入磷的劑量。這樣就形成了P型摻雜區(qū)和30c。
然后，用激光退火激活雜質(zhì)。用作激光照射的有波長為248nm和脈沖持續(xù)時間20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光。激光能量密度為200～400mJ/cm2例如250mJ/cm2。對每個位置照射激光2～10次例如兩次(圖2(D))。
接著，通過等離子CVD，用四乙基原硅酸鹽(TEOS)形成厚度2000°A的硅氧化膜31作為層間絕緣體。利用濺射法，淀積500～1000例如800厚的銦錫氧化物(ITO)作為銦錫氧氧化膜?？涛g該膜，形成象素電極32。在層間絕緣體31內(nèi)形成接觸孔。由金屬材料例如氮化鈦和鋁的多層膜形成源、漏電極、用于外圍驅(qū)動電路的TFTs的導電互連線33a、33b、33c和各電極以及用于陣列象素電路的TFTs的導電互連線33d、33e。這樣就完成了半導體器件(圖2(E))。
制造半導體器件的外圍驅(qū)動電路TFTs的性能決不劣于用已有技術激光結晶制作的TFTs性能。利用按照本實施例的這些TFTs構成移位寄存器。我們已經(jīng)征實用15V漏電壓，該移位寄存器能在11MHz下工作，用17V漏電壓，則能在16MHz下工作。并且在可靠性測試中，沒有看出新型TFTs和由公知技術方法制造的TFTs之間存在差異。就在陣列區(qū)域象素電路內(nèi)的TFTs的性能而論，漏電流小于10-13A。
實施例3圖4(A)～4(E)是半導體器件的橫向剖面圖，諸圖說明制造按照本實施例器件的各連續(xù)執(zhí)行步驟。首先，在由Corning7059制成的襯底上濺射厚度2000°A的氧化硅，作為底層11。利用等離子CVD在基層11上形成厚度為500～1500例如500的本征(I)型非晶硅膜12。然后，立即用濺射法，有選擇性地形成含濃度為1×1018/cm3的鎳并用厚度為5～200例如50的硅膜13如所示。利用剝離(lift-off)工藝制作這鎳膜13。還可使用旋涂法代替濺射法(圖4(A))。
用激光照射非晶硅膜12的整個表面，使其結晶化。就這種激光照射而言，可使用波長為248nm和脈沖持續(xù)時間為20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光。
也可用其他激光器如波長為353nm的XeF準分子激光器，波長為308nm的XeCl準分子激光器，波長為193nm的ArF準發(fā)子激光器和其他激光器。激光的能量密度為200～500mJ/cm2，例如350mJ/cm2。向每個位置發(fā)射激光2～10次，例如2次。在激光照射期間，襯底被加熱到100～450℃，例如300℃。結果，使非晶硅膜的整個表面結晶化。然而，位于硅鎳膜13下面的硅膜12a那些部位的結晶度要優(yōu)于在其他區(qū)域內(nèi)硅膜12b的結晶度，這是因為鎳促進了結晶化(圖4(B))。
將硅膜光刻成圖形，以形成島狀硅區(qū)域14a(外圍驅(qū)動電路區(qū)域)和14b(陣列區(qū)域)。用濺射法，淀積1000厚的硅氧化物作為柵絕緣膜15。在濺射工藝中，使用含氧化硅的靶子。在該工藝過程中，襯底的溫度為200～400℃，例如350℃。濺射的氣氛環(huán)境含氧和氬。氬與氧的比率在0和0.5之間，例如小于0.1。接著，通過LPCVD法，形成厚為3000～8000，例如6000以及含0.1～2％磷的硅膜。最好，連續(xù)實施形成硅氧化膜15的步驟和形成硅膜的步驟。再將硅膜刻成圖形，以形成柵電極16a、16b和16C(圖4(C))。
于是，利用柵電極作為掩模，用等離子摻雜法，把雜質(zhì)或磷和硼注入硅區(qū)域。磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)都可用作摻雜劑氣體。使用磷化氫時，加速電壓為60～90KV，例如80KV；使用乙硼烷時，加速電壓為40～80KV，例如65KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2。例如磷劑量為2×1015/cm2；硼的劑量為5×1015/cm2，結果，形成了N型摻雜區(qū)域17a，P型摻雜區(qū)域17b、17c。
此后，由激光退火激活雜質(zhì)。就該激光退火而言，使用波長為248nm和脈沖持續(xù)時間20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光。其他激光器如XeF準分子激光器發(fā)射的波長為353nm的光、XeCl準分子激光器發(fā)射的波長為308nm的光、ArF準分子激光器發(fā)射的波長為193nm的光以及其它的激光器的光。激光的能量密度為200～400mJ/cm2例如250mJ/cm2向每個位置照射激光2～10次，例如2次。在激光退火期間，襯底被加熱到100～450℃，例如250℃。這樣就激活了摻雜區(qū)域17a～17c(圖4D)。
然后，用等離子CVD法，形成厚度為6000的硅氧化膜18作為層內(nèi)絕緣體。通過濺射形成厚度為500～1000例如800的銦錫氧化物膜(ITO)。將該膜刻成圖形，形成象素電極19。再在層間絕緣體內(nèi)形成接觸孔。用金屬材料例如氮化鈦和鋁的多層膜制作電極，外圍驅(qū)動電路的TFTs的導電互連線20a、20b、20c和電極，以及陣列象素電路的TFTs的導電互連線20d、20e和電極。最后在350℃、1個大氣壓下以及氫環(huán)境中經(jīng)30分鐘，使疊層制品退火。這樣，就完成了半導體器件(圖4(E))。
用SIMS來測試定本實施例所獲得TFTs有源區(qū)域內(nèi)所含鎳的濃度，外圍驅(qū)動電路內(nèi)TFTs中的鎳濃度為1×1017～5×1017/cm3。象素電路內(nèi)TFTs中的鎳濃度低于檢測下限，這個下限為1×1016/cm3。
實施例4圖5(A)～5(E)是半導體器件的橫剖面圖。諸圖說明連續(xù)進行制造按照本實施例的器件的各個步驟。利用濺射在由Corn-ing7059制成的襯底21上，形成厚度2000的硅氧化膜22。然后，用等離子CVD法，在硅氧化膜22上形成厚度為200～1500例如500的非晶硅膜23。在用光刻膠24掩蔽該膜同時，用離子注入法，有選擇性地把鎳離子注入到非晶硅膜23內(nèi)。這樣，形成濃度為1×1015～1×1018/cm3例如5×1016/cm3的含鎳區(qū)域25。這些區(qū)域25的深度是200～500。根據(jù)這個深度確定加速電壓。由于本實施例采用離子注入法，在控制鎳濃度方面比起實施例3的技術就更加有效(圖5(A))。然后，在350～650℃，最好是400～550℃例如500℃，在氮氣氛中使襯底退火2小時。作為結果，鎳摻雜區(qū)域的晶化過程初步得到推進，而后，用激光照射非晶硅膜23的整個表面，使這些區(qū)域晶化。就該激光照射來說，使用波長248nm和脈沖持續(xù)時間20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光。激光的能量密度為200～500mJ/cm2例如350mJ/cm2。向每個位置發(fā)射激光2～10，例如2次。在激光照射期間，襯底加熱到100～450℃例如350℃。結果，硅膜晶化。用鎳摻雜硅膜的那些區(qū)域23a在結晶度方面要優(yōu)于未摻雜區(qū)域23b(圖5(B))。
其后，使硅膜刻成圖形，形成島狀硅區(qū)域26a(外圍驅(qū)動電路區(qū)域)和26b(陣列象素電路區(qū)域)。用等離子CVD法，形成厚度1000的硅氧化膜27作為TFTs的柵絕緣膜，上述過程使用四乙氧硅烷(四乙基原硅酸鹽Si(OC2H5)4)和氧作為氣體原料。三氯乙烯(C2HCl3)被加到氣體原料中。在膜成形前，以400SCCM的流量把氧送入腔室內(nèi)。在襯底溫度為300℃，總壓力為5Pa，RF功率為150W條件下產(chǎn)生等離子。接著，分別以300SCCM、15SCCM和2SCCM的流量把氧、四乙基原硅酸鹽和三氯乙烯導入腔室。這樣就形成硅氧化膜。襯底的溫度為300℃，RF功率為75W，總壓力為5Pa。做成膜后，把氫導入在100torr壓力下腔室。再在350℃下經(jīng)35分鐘使疊層制品退火。
然后，用濺射法淀積厚度為6000～8000，例如6000的含2％硅的鋁。也可用鉭、鎢、鈦或鉬代替鋁。最好是連續(xù)實施形成硅氧化膜27的步驟和形成鋁膜的步驟。將鋁膜刻成圖形，形成TFTs柵電極28a、28b和28c。使鋁互連線表面陽極氧化，以在表面形成氧化層29a、29b和29c。在酒石酸的1～5％乙二醇溶液內(nèi)進行陽極氧化處理。所獲得氧化層厚度為2000(圖5C)。
用等離子摻雜法，把雜質(zhì)，或磷注入硅區(qū)域。用磷氫(PH3)作為氣體摻雜劑。加速電壓為60～90KV，例如80KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2例如2×1015/cm2。這樣就形成N型摻雜區(qū)域30a。由光刻膠掩蔽左邊的TFT(N溝道TFT)，再次利用等離子摻雜法，把雜質(zhì)，或硼注入右邊的外圍電路區(qū)域TFT的硅區(qū)域和形成陣列電路TFTs的硅區(qū)域。把乙硼烷(B2H6)用作氣體摻雜劑。加速電壓為50～80KV，例如65KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2，例如5×1015/cm2，該劑量要大于在該注入磷的劑量。就用該方法，形成P型摻雜區(qū)域30b和30c。
此后，由激光退火激活雜質(zhì)。就這激光退火來說，可使用波長248nm及脈沖持續(xù)時間20nsec的KrF準分子激光器發(fā)射的光。激光的能量密度為200～400mJ/cm2，例如250mJ/cm2。向每個位置發(fā)射激光2～10次，例如2次(圖2(D))。
然后，通過等離子CVD法，由四乙基原硅酸鹽形成厚度為2000的硅氧化膜31作為層間絕緣體。通過濺射，形成厚度為500～1000，例如800的銦錫氧化物膜(ITO)。將該膜刻成圖形，形成象素電極32。然后，在層間絕緣體31內(nèi)形成接觸孔。由金屬材料，如氮化鈦和鋁的多層膜制作外圍驅(qū)動電路的TFTs電極和電互連線33a、33b、33c，以及陣列象素電路的TFTs的電極和導電互連線33d、33e。這樣，就完成了半導體器件(圖5(E))。
所制成的半導體器件的外圍驅(qū)動電路的TFTs的性能決不低于由公知的激光晶化技術制造的TFTs的性能。利用按照本實施例的這些TFTs構成移位寄存器。我們已經(jīng)確認用15V漏電壓，移位寄存器能在11MHz下工作，用17V漏電壓，則移位寄存器能在16MHz下工作。還有，在可靠性測試中，沒有觀測到新型TFTs和由公知技術方法制作的TFTs之間的差異。就陣列區(qū)域(象素電路)內(nèi)TFTs的性能來說，漏電流小于10-13A。
如上述實施例所述，本發(fā)明在同樣的襯底上可制作能高速工作的TFTs和顯示出低漏電流的TFTs。該結構可應用于液晶顯示器，易于大批量生產(chǎn)TFTs，而且性能得到改善。當然，在襯底上也可制作僅僅展示這兩個特征之一的TFTs。
此外，在本發(fā)明中還可以低溫，如500℃，和短時，如4小時使硅晶化，而改善生產(chǎn)率。采用高于600℃進行的傳統(tǒng)工藝，會使玻璃襯底縮變，扭曲，導致生產(chǎn)成品率下降。而采用本發(fā)明使這個問題完全得到解決。這還意味著用一次操作中處理具有很大面積的襯底。尤其是，通過把大面積的襯底切成許多半導體器件，比如陣列電路，這樣可極大地降低每個器件的價格。這樣一來，本發(fā)明對工業(yè)上更有利。
權利要求
1.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在一硅襯底上形成含非晶硅的半導體膜；形成與所述半導體膜至少一部分接觸的催化材料，該催化材料用于促進所述半導體膜的晶化；然后，用激光照射所述半導體膜和所述催化材料，以使該半導體膜晶化。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化材料選自鎳、鐵、鈷、鉑和其硅化物一組材料。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化材料是用離子注入法形成的。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述照射激光過程是以加熱方式進行的。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述照射步驟之后，將磷離子引入所述半導體膜的一部分中；然后，在450°或450℃以上溫度使所述半導體膜退火兩小時或兩小時以上。
6.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在一玻璃襯底上形成含非晶硅的半導體膜；形成與所述半導體膜至少一部分接觸的催化材料，該催化材料用于促進所述半導體膜的晶化；然后，用激光照射所述半導體膜和所述催化材料，以使該半導體膜晶化。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述催化材料選自鎳、鐵、鈷、鉑和其硅化物一組材料。
8.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述催化材料是用離子注入法形成的。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述照射激光過程是以加熱方式進行的。
10.如權利要求6所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述照射步驟之后，將磷離子引入所述半導體膜的一部分中；然后，在450°或450℃以上溫度使所述半導體膜退火兩小時或兩小時以上。
11.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在二氧化硅膜上形成含非晶硅的半導體膜；形成與所述半導體膜至少一部分接觸的催化材料，該催化材料用于促進所述半導體膜的晶化；然后，用激光照射所述半導體膜和所述催化材料，以使該半導體膜晶化。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述催化材料選自鎳、鐵、鈷、鉑和其硅化物一組材料。
13.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述催化材料是用離子注入法形成的。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述照射激光過程是以加熱方式進行的。
15.如權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述照射步驟之后，將磷離子引入所述半導體膜的一部分中；然后，在450°或450℃以上溫度使所述半導體膜退火兩小時或兩小時以上。
16.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在一絕緣表面上形成含非晶硅的半導體膜；形成與所述半導體膜至少一部分接觸的催化材料，該催化材料用于促進所述半導體膜的晶化；然后，用激光照射所述半導體膜和所述催化材料，以使該半導體膜晶化，其中所述半導體膜是用CVD法形成的。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述催化材料選自鎳、鐵、鈷、鉑和其硅化物一組材料。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述催化材料是用離子注入法形成的。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述照射激光過程是以加熱方式進行的。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述照射步驟之后，將磷離子引入所述半導體膜的一部分中；然后，在450°或450℃以上溫度使所述半導體膜退火兩小時或兩小時以上。
21.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在一絕緣表面上形成含非晶硅的半導體膜；形成與所述半導體膜至少一部分接觸的催化材料，該催化材料用于促進所述半導體膜的晶化；然后，用激光照射所述半導體膜和所述催化材料，以使該半導體膜晶化，其中所述激光為脈沖式激光。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，所述催化材料選自鎳、鐵、鈷、鉑和其硅化物一組材料。
23.如權利要求21所述的方法，其特征在于，所述催化材料是用離子注入法形成的。
24.如權利要求21所述的方法，其特征在于，所述照射激光過程是以加熱方式進行的。
25.如權利要求21所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述照射步驟之后，將磷離子引入所述半導體膜的一部分中；然后，在450°或450℃以上溫度使所述半導體膜退火兩小時或兩小時以上。
26.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在一絕緣表面上形成含非晶硅的半導體膜；形成與所述半導體膜至少一部分接觸的催化材料，該催化材料用于促進所述半導體膜的晶化；然后，用激光照射所述半導體膜和所述催化材料，以使該半導體膜晶化，其中所述激光為準分子激光。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述催化材料選自鎳、鐵、鈷、鉑和其硅化物一組材料。
28.如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述催化材料是用離子注入法形成的。
29.如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述照射激光過程是以加熱方式進行的。
30.如權利要求26所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述照射步驟之后，將磷離子引入所述半導體膜的一部分中；然后，在450°或450℃以上溫度使所述半導體膜退火兩小時或兩小時以上。
31.如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述準分子激光選自KrF準分子激光、XeF準分子激光、XeCl準分子激光和ArF準分子激光一組中的一種。
32.一種制造半導體器件的方法，包括以下步驟在一絕緣表面上形成含非晶硅的半導體膜；形成與所述半導體膜至少一部分接觸的催化材料，該催化材料用于促進所述半導體膜的晶化；然后，用激光照射所述半導體膜和所述催化材料，以使該半導體膜晶化，其中所述激光的能量密度為200至500mJ/cm2。
33.如權利要求32所述的方法，其特征在于，所述催化材料選自鎳、鐵、鈷、鉑和其硅化物一組材料。
34.如權利要求32所述的方法，其特征在于，所述催化材料是用離子注入法形成的。
35.如權利要求32所述的方法，其特征在于，所述照射激光過程是以加熱方式進行的。
36.如權利要求32所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟在所述照射步驟之后，將磷離子引入所述半導體膜的一部分中；然后，在450°或450℃以上溫度使所述半導體膜退火兩小時或兩小時以上。
全文摘要
本發(fā)明的制造半導體器件的方法由形成非晶硅膜著手,然后,如此形成含至少一種催化元素的第二層,以便與非晶硅膜緊密連接,或催化元素摻入非晶硅膜中,用激光或其他強度等于激光的光對該非晶硅膜作選擇性照射,再使該非晶硅膜晶化。
文檔編號G02F1/1362GK1255733SQ9912672
公開日2000年6月7日 申請日期1994年3月12日 優(yōu)先權日1993年3月12日
發(fā)明者張宏勇, 高山徹, 竹村保彥 申請人:株式會社半導體能源研究所