半導體器件及其形成方法

專利名稱：半導體器件及其形成方法
技術領域：
本發明涉及低溫下，低至450℃或更低的溫度，制造絕緣柵半導體器件的工藝方法，還涉及以高成品率，制造包括有高集成度的所述器件的集成電路(IC)的方法。本發明涉及用上述工藝制造的半導體器件，進一步涉及高可靠性的半導體器件。依照本發明的半導體器件，適用于，例如，有源的陣列驅動液晶顯示器，圖象傳感器驅動電路等，以及用于SOI集成電路及通用半導體集成電路(例如，微處理機、微控制器、微機、半導體存貯器等)的薄膜晶體管。
近來，人們致力于研究在絕緣襯底上制造絕緣柵半導體器件(MOSFETS)。這種在絕緣襯底上有半導體集成電路的器件優點在于能高速驅動電路。與速度主要由存在于互連線與襯底之間電容造成的雜散電容而受限制的常規半導體IC相比，該新型半導體集成電路不會遇到這樣的雜散電容。將絕緣襯底上有薄膜有源層的所述MOSFET，標記為薄膜晶體管(TFT)。這種TFT也可能出現在常規半導體IC中。例如用作SRAM的負載晶體管。
最近，要求在透光的襯底上制造半導體IC，例如象液晶顯示器和圖象傳感器之類的光學器件中的驅動器電路。TFT也使用于這樣的應用領域。但是，其中所用的電路要在大面積上形成。所以，該工藝過程要在更低的溫度下進行。而且，當需要將半導體IC連接到在絕緣襯底上有多個端頭的一器件連線端時，就建議在同一絕緣襯底上形成單塊整個半導體IC，或至少形成其單塊初極品。
通常，制造TFT要將非晶、半非晶，或微晶的半導體薄膜在450℃到1200℃溫度范圍內退火，以獲得改善了結晶性和有很高遷移率的一種結晶薄膜。TFT包括利用非晶體材料用半導體薄膜的非晶TFT，這種TFT是不能用的，因為TFT所達到的遷移率低至5cm2/VS，甚至更低，而一般該遷移率降到約1cm2/VS或更低的數值。因非晶TFT工作速度低，且限定用在N-溝型TFT，所以如果采用非晶TFT就被限在很窄的應用范圍。所以這些TFT要在上述的溫度范圍內加速退火，以獲得5cm2/VS或較高的遷移率值。只有退火之后，這些TFT才能制作P-溝TFT(PTFT)。
但是，前述的熱處理卻對所用襯底材料有嚴格限制。所謂的高溫處理包括將溫度加熱到900至最高1200℃的步驟，使優質的熱氧化膜可用作柵介質，因而，能用于這樣的高溫處理的應選物就是象石英、藍寶石和尖晶石之類的昂貴襯底了，而且，這些昂貴的材料還難以獲得大面積的襯底。
與高溫處理情況比較，各種襯底材料卻可選用于低溫處理工藝，在溫度不超過450到750℃范圍內進行低溫處理。然而，低溫處理要長時間退火，由于熱影響，從而會造成襯底變形與收縮之損害。
此外，通過把厚絕緣體膜加到半導體襯底與器件之間以隔離半導體襯底與器件并獲得具有良好的結晶性，如同使用單晶半導體一樣的元件來實現絕緣表面上形成MISFET，即絕緣柵半導體器件是極困難的。因此，非單晶半導體，即不是單晶半導體的一種結晶半導體常常用于MISFET。
非單晶半導體含有高密度缺陷，一般先與某一元素，如氫，中性化，實際上成為無缺陷態。例如通過氧化作用實施中性化處理。氫和半導體元素，如硅之間的原子鍵通常很弱，施加大于幾十℃的熱能便會很容易地破裂而引起最后所得化合物的分解。所以，當長時間加電壓或電流時，由于半導體局部受熱，氫易受解吸。這個現象明顯地造成半導體特性退化。
根據上述情況的啟發提出了本發明，因此本發明的目的是提供一種加工方法，溫度不高于450℃，襯底材料不受限制，并且沒有形變收縮問題。本發明的另一目的是提供一種這樣結構的半導體器件，使用時能迅速釋放所產生的熱，以及還提供一種制造該器件的方法。
本發明的第1實施例提供一種薄膜半導體器件，該器件包括其上制備有薄膜的襯底，該薄膜包括用作主要構件的氮化鋁，其上直接或間接設置半導體薄膜，包括用作主要構件的硅，以及其上還直接或間接設置由金屬和半導體等材料制成的布線。
本發明還提供一種制造具有上述結構的薄膜半導體器件的方法。因而，本發明的第2實施例是提供一種方法，該方法包括形成一種含有氮化鋁的薄膜，作為主要構件，在其上直接或間接形成包括硅的半導體膜，作為主要構件，以及還在其上直接或間接設置由金屬和半導體之類材料制作的布線。
氮化鋁是優良的熱導體，并適合用在需要透光性的地方，因為它具有光學能隙6.2ev，因而對可見光與近紫外光透明。氮化鋁膜可由淀積法，諸如濺射法，反應濺射法，及從MOCVD(金屬一有機物化學汽相淀積)法形成。為用反應濺射法獲得氮化侶膜，該工藝最好在氮氣氣氛下，采用鋁靶實現。依照本發明的目的，為達到氮化鋁膜的足夠的熱發射，所淀積的氮化鋁膜較好厚度為100至5000
。氮化鋁膜為5000
或更厚不易實現，因為所淀積的薄膜易脫落。
這樣獲得的氮化鋁膜發揮一種阻擋作用，抵擋活動離子，如鈉離子的遷移。所以，該膜能保護半導體器件免受這種活動離子的侵害。
只要氮化鋁膜的熱導率不受損害，按理想配比，該膜不必含氮和鋁，一般，優選的鋁與氮化比值(鋁/氮)的范圍為0.9至1.4，而該膜的熱導率以0.6w/cm·k或更高為好。這個熱導率值已可與單晶氮化鋁的2w/cm·k相比較了。
該膜的張力通過改變氮與鋁的組份比率可以最恰當地加以控制。還可攙入微量的硼、硅、碳、氧等等來適當控制應力。該膜包括氮化鋁，作為主構件，可以是結晶的或非晶的。
一般，引入金剛石型材料，諸如多晶金剛石薄膜，硬碳膜，或類金剛石碳膜能實現高熱導率。根據本發明，當小面積時，象這樣一種材料，在器件中，可以考慮，但不會取得滿意的效果，因為金剛石型材料與氧化硅材料之間不會有緊密的粘合。氮化硅膜常常用于半導體工藝，作為阻擋層與鈍化層，而由于熱導率低，不適于此。為此評價了眾所周知的各薄膜特性，其結果綜合于下以便比較
AIN1) DLC2) SnO23) SiNx4)粘合性5)○△○○光透明性○△○○機械強度○○△○熱導率○○○△或X熱阻○△△○阻擋鈉的效果○△△○注釋1)AIN氮化鋁2)DLC類金剛石碳3)SnO2氧化錫，以及4)SiNx氮化硅5)“粘合性”意指與氧化硅的粘合能力。評估的各符號○，△與x，分別表示“良好”“好”與“差”。
就本發明的器件來說，金屬或半導體布線(如柵布線等)產生的熱量轉移到其下面的半導體膜(例如有源層等)上，而半導體膜加電流后，自身產生的熱量也施加在此。所以，半導體膜會被加熱到較高的溫度，然而這些熱量會迅速地轉移到半導體膜下設置的氮化鋁膜，而防止了半導體膜上發生熱量積聚。就這樣，遏制了布線和半導體膜溫度上升，而避免氫被解吸。
在本發明中，把半導體膜直接淀積在氮化鋁上并非最好。要是半導體膜直接被淀積在氮化鋁上，不僅粘合力不足，而且給半導體膜的電特性造成了不良影響。因此，最好要在半導體膜與氮化鋁膜之間設置一層既能松弛應力，又有適當電化學性能有效材料膜。
換句話說，在氮化鋁上面可以形成一層氮化硅膜，而其上還可以形成一層氧化硅膜。依照本發明的器件，柵接觸由單元素，諸如硅(包括能改善電導率的一種攙雜)鋁、鉭、鉻、鎢及鉬，或由其合金或多層薄膜組成。而且，正如后面所見的實例敘述的那樣，還可將其表面予以氧化。氮化鋁確實可用作刻蝕擋層，因為在原有的半導體器件制造工藝中，通常用來刻蝕氧化硅、硅、鋁等的任何刻蝕方法都不會刻蝕氧化鋁。
依照本發明的方法，其特征還在于，不是由熱平衡形態下的常規處理，而是用強光，如脈沖激光束或等效的強光對其輻照而改良該半導體膜的結晶度。由于采用了這種方法，可以明白本方法的最高溫度取決于該步驟的溫度而不是半導體膜退火這步工藝的溫度，亦即，不取決于諸如氫化作用退火和柵介質退火步驟的溫度。于是，本發明器件所用的襯底可選自更廣的材料范圍。更詳細地說，鈉鈣玻璃或無堿玻璃(例如Corning Incorporated的7059＃玻璃)，這些由于軟化點低，通常認為不宜用于做TFT襯底的玻璃，經對這些玻璃作適當處理之后都能用來裝配TFT。
依據本發明的方法，包括在絕緣體襯底上形成半導體膜，在所述半導體膜上形成能透射激光束或等效于激光束的強光的薄膜，使脈沖激光束或等效于激光束的強光輻照所述膜層，因而改善該半導體膜的結晶度;除去所述能透射激光束或等效強光的所述薄膜，露出半導體膜表;在所述半導體膜上形成一柵絕緣薄膜;
在所述柵絕緣膜上又形成布線或柵接觸區，通過諸如離子輻照、離子注入與離子摻雜之類的過程，以布線或柵接觸區為掩膜，用自對準的方式將雜質引入所述半導體膜，以及引入步驟之后，以布線或柵接觸區為掩膜，又用脈沖激光束或等效的強光，輻照所述半導體膜，從而恢復引入雜質元素的步驟中一度受破壞的半導體膜的結晶性。最后兩個步驟可由本發明人(參見，例如日本專利申請號平4-100479)申請披露的激光攙雜方法來替代。在本發明中，用作柵接觸區與互連線的材料，最好為低電阻率的金屬材料，如鋁。本發明所用的脈沖激光束最好產生自發射紫外光激光器，例如使用KrF，ArF，XeCL及XeF氣體作為激發物。最好，制作在所述絕緣體襯底與所述半導體膜之間的絕緣體膜材料選自氮化硅，氧化鋁及氮化鋁，或者這些與氧化硅膜組合的成層膜，氧化膜設置在絕緣襯底和半導體膜之間。制作的該氧化硅膜厚度為300至3000 ，而厚度從500-1500 更好。制作的絕緣膜材料選自氮化硅，氧化鋁及氮化鋁，厚度為300-3000 ，而厚度從1000至2000 較好。鹵素紅外線光發射燈可用作輻照強光源。等效于激光束的強光(或脈沖光)意思是光能或其與輔助的熱能的混合，在很短的時期內，一般為5分鐘的期間，把它施加到半導體膜上，以使恢復該膜的結晶度。
本發明的特征在于，在除去先前設置的，用來防護激光束或與其等效的強光輻射有源層，以恢復該有源層結晶性的層之后，可以用一層不同于保護膜的薄膜用作柵絕緣膜。這個步驟明顯地改善了所得到的TFT的特性。能改善TFT特性的原因認為如下，由非晶態轉為結晶體，往往發現許多非化學計量配比的混合物在界面處擴大了，尤其是，富硅的硅氧化物存在界面附近勢必形成。而這些非化學計量配比的混合物既不足以起絕緣體又不足以起半導體的作用。因此很清楚，出現非化學計量配比的硅氧化物妨礙了獲得良好特性，因為已確證，在絕緣柵元件中，界面起著重要的作用。
假如不用任何保護膜，讓激光束或與其等效的強光直接輻照該膜，于是，其上就會演變成一種不規則的表面。結果這種不平的表面，將制成特性很差的元件。除去一度設置的保護層的步驟，相當于移去上述非化學計量配比的硅氧化物，提供有良好結晶的純硅。更具體地說，人們發現，用氫氟酸之類的濕式刻蝕劑來除去保護膜可以得到很好的效果。干式刻蝕法對硅膜會造成損傷，但是，濕式刻蝕由于在硅原子的形成雙鍵之前，終止于氟與氫的懸鏈鍵，所以就具有一極穩定的表面。
本發明中，由激光束或其等效強光退火形成區的深度，根據日本專利申請號平-3-50793所披露的本發明人的發明，可以隨所要求任意設定與控制。就這樣，可以獲得包括雙層的有源的結構，而減小源區的漏區之間的漏電流。
依照本發明，選用激光束或由IR燈產生的紅外線(IR)光退火處理，而另外加熱襯底從100到500℃，典型為300到400℃。在這種情況下，可以獲得改善了均勻性的薄膜。
依照本發明應用的第一實施例提供一種采用非晶硅(a-Si)TFT的有源陣列(AM)驅動液晶顯示(LCD)器件的外圍電路。在用一無堿玻璃，諸如康寧＃7059玻璃(Corning公司生產)制作的襯底上，通常在400℃或更低的溫度范圍內形成a-Si TFT，由此獲得a-Si TFT-AMLCDa-Si TFT具有高關斷電阻，因而是最適用的一種開關元件，然而，早已說過，它不能制作CMOS，又只允許低速工作。因此，外圍驅動電路往往用單晶IC制成，而陣列端頭與IC端頭的連接則用自動帶焊接(TAB)的方法實現。但是，這種安裝類型要減小象素尺寸會碰到更大的困難，故此，安裝成本要按總的模塊成本的較大百分比上升。
由于發熱的限制，在陣列的相同的襯底上，用常規工藝難以制成外圍電路。然而對于本發明，卻可以在相當于常規a-SiTFT形成的溫度下，制成具有較高遷移率的TFT。
應用本發明的第二實施例，包括在材料，如鈉鈣玻璃上，也就是說，在與無堿玻璃比成本還要低的材料上形成TFT。這樣情況下，最好先要在玻璃上加上一層絕緣體途層，以免TFT與鈉鈣玻璃直接接觸，因為象鈉離子之類的活動離子會從玻璃侵入TFT。該絕緣涂層，作為主構件可以包括象氮化硅、氧化鋁或氮化鋁。于是，將由氧化硅之類的基底絕緣膜，形成在所得的絕緣物涂層上，再次依照本發明的工藝方法制成TFT。而且，通過優化，用PTFT覆蓋在NTFT上作陣列TFT，還能避免該器件的失效。當活動離子由襯底侵入到NTFT時，往往會形成一溝道，使NTFT出現開(ON)態。然而，在此情況下，PTFT不會有溝道形成。
應用本發明的第三實施例，包括直接多路驅動型，也就是一種靜態單陣列驅動的液晶顯示器(LCD)的外圍電路。例如，鐵電體液晶具有存貯功能，因此，即使當它們由單陣列驅動時，也提供高對比度的顯示。但通常，為此按a-SiTFTAMLCD的相同方法，采取TAB法之類連接IC而制成外圍電路。同樣，用于由膽甾醇(Cholesteric)相到向列(nematic)相的有相變特點的靜態工作LCD的外圍電路也已經按TAB連接法按常規方法制成了。JP-A-61-1152(術語“JP-A”意指一未經審查已公開的日本專利申請)中，建議了一包括向列液晶與鐵電體聚合物的組合物的靜態驅動LCD，然而該LCD還包括TAB連接的外圍電路。
上述枚舉的所有LCD都是直接多路驅動的，因此它們都備有采用低成本襯底的高精度大面積顯示器。要是能減小端頭之間的距離，就可獲得精巧的顯示器，但只是IC安裝困難，制作昂貴。所以，可以看出，本發明能提供一種用低成本襯底的外圍電路單塊，而且還不受熱問題困擾。
應用本發明的第四實施例是提供一種所三維IC，該IC包括在已制成金屬互連線的半導體IC上形成TFT。還有其它及各種各樣的應用都可利用本發明的優點。


圖1(A)-(E)是TFT的剖面圖，說明根據本發明連續進行制造TFT的各步驟;
圖2(A)-(E)是另一種TFT的剖面圖，說明根據本發明連續進行制造TFT的各步驟;
圖3(A)-(E)是又一種TFT的剖面圖，說明根據本發明連續進行制造TFT的各步驟;
圖4(A)-(C)是圖解說明根據本發明的LCD工作原理圖;
圖5是說明根據本發明的LCD單元結構的剖面圖;
圖6(A)和(B)是顯示根據本發明的TFT特性曲線圖;
圖7(A)-(D)是說明根據本發明制造TFT的方法的剖面圖;
圖8(A)-(E)是說明根據本發明制造TFT的另一種方法的剖面圖;
圖9(A)-(E)是說明根據本發明制造TFT的又一種方法的剖面圖;
圖10(A)-(E)是說明根據本發明制造TFT的再一種方法的剖面圖;
圖11是根據本發明的有源陣列電路和外圍電路的電路圖解中的局部正視圖;
圖12(A)-(E)是說明根據本發明制造TFT的還有一種方法的剖面圖;
圖13(A)-(D)是說明本發明制造TFT的還進一步的方法的剖面圖;
圖14(A)-(D)是說明根據本發明制造TFT的另外的方法的剖面圖;
圖15(A)-(D)是說明根據本發明制造TFT的再另外的方法的剖面圖;
圖16(A)-(E)是說明根據本發明制造TFT的再進一步的方法的剖面圖;以及圖17(A)-(E)是說明根據本發明制造TFT的還有一種方法的剖面圖。
參見下面非限定性的實施例，更詳細地說明本發明。應當知道，無論如何，本發明不應認為限于此。
實施例1依照本發明已制成了采用a-SiTFT的有源陣列(AM)驅動液晶器件(LCD)的外圍電路。如上所述，常規的基于a-SiTFT的AMLCD由TAB互連法制造，因此，不能形成陣列的單塊外圍電路。
然而，TAB法加工昂貴，由于高互連的成本要加到IC的成本中。IC和互連的總成本合計要占整個板塊成本的20%或更大。依照本發明實現一種低成本的板塊，這是由于在單個玻璃襯底上制成單塊陣列與外圍電路之故。
首先，用氧氣氣氛下濺射或分解TEOS和通過等離子體CVD淀積氧化硅，在康寧＃7059玻璃襯底101(面積為300mm×300mm或100mm×100mm)上形成厚度100到300nm的氧化硅膜102作為基底氧化膜，接著在溫度范圍為450到650℃下退火。
然后，通過等離子CVD或LPCVD法淀積非晶硅膜103，厚度為30到150nm，以50到100nm為好，在其上又淀積氧化硅膜或氮化硅膜用作保護層104，厚度為20到100nm，以厚度50到70nm為好。工作波長248nm，脈寬20nsec的KrF激發物激光脈沖，通過氧化硅或氮化硅膜輻照非晶硅膜103，以改良硅膜103的結晶度。該步驟示于圖1(H)。所加激光束能量密度為250到400mj/cm2，而以密度為250到300mj/cm2為好，于是，研究所淀積硅膜的結晶度，拉曼(Raman)散射譜表明，相應的寬峰約位于515cm-1，就是說，該峰不同于單晶硅所給出的應出現在521cm-1的峰。當用激光輻照時，通過對其實施輔助加熱，加熱到100至500℃，還能得到更均勻的結晶體。所得的結晶體再在350℃下的氫氣中退火2小時。
隨后，除去保護層104，使硅層103露出，并且，將露出的表面刻成類似島形的圖案，制成NTFT區105和PTFT區106。而且，由在氧氣氛中濺射或由分解TEOS與離子CVD法淀積所得到的薄膜，還要在450到650℃的溫度范圍內退火，以形成柵氧化膜107。而后的過程，即等離子CVD過程，在處理大面積襯底中要很小心，因為在加工期間，襯底會因加熱產生形變與收縮。如果在襯底上發生這樣的形變與收縮，以后進行制作步驟中的掩模對準過程，就會出現困難。另一方面，在濺射過程中，可以把襯底保持在溫度150℃或更低。而且，最好在氫氣中約450℃下進行退火，以使薄膜內側的懸鏈鍵之類減小，因而防止柵氧化膜受固定電荷的影響。
此后，用電子束蒸發淀積法，再淀積厚度為200nm到5nm鋁膜，然后刻成圖案，得到如圖1(B)說明的柵接觸區108與109。與形式柵接觸區108與109的同時，還形成有源陣列電路的TFT(反錯列型)的柵接觸110。
圖1(C)說明在柵接觸區周圍形成陽極氧化層111到113的方式。該過程包括把電流加在浸到電解液中的襯底的柵接觸區上。在進行該步驟中，最好在外圍電路區域的TFT(該TFT位于圖的左側)上制作的陽極氧化膜要盡可能地薄，以增加遷移率，而與有源陣列部分TFT(位于圖右側反錯列TFT)相應的部分則制成作厚陽極氧化膜，因而能防止柵漏電。在本實施例中所形成的陽極氧化膜厚度在200到250nm范圍。
將雜質摻入各個TFT的島形硅膜，這是以柵接觸部分(即柵接觸區及周圍的陽極氧化膜)為掩蔽，用自對準方法進行離子摻雜的。進行該工藝中，先用磷烷(PH3)作為摻雜氣體，整個表面都注入磷，然后，只用光刻膠覆蓋島區105，再用乙硼烷(B2H6)為摻雜氣體注入硼，使硼只摻入島區106。本步驟所摻入的磷和硼的劑量分別為2×1015到8×1015/cm2與4×1015到10×1015/cm2，這樣，硼的劑量就要高于磷的劑量。
然后，最后所得的結構如圖1(D)所示，要經受KrF激發物激光器所發射的波長為248mm，工作脈寬為20nsec的光的激光來輻照，使因接受摻雜而損傷的部分恢復其結晶度。所加激光束的能量密度為200到400mj/cm2，最好為250到300mj/cm2通過實行輔助加熱法，加溫到100到500℃的范圍，還能獲得均勻的晶體。
就這樣獲得了N-型區114和115，及P-型區116和117。這些區的薄層電阻率都在200到800Ω/□的范圍內。
接著，在整個表面內，濺射沉積一層300nm的厚氧化硅膜，用作中間絕緣層108。該氧化硅膜也可以用等離子CVD淀積的氮化硅膜來替換。這樣獲得的薄膜，在外圍電路中僅起中介絕緣層的作用，但是，當把該層應用于有源陣列部分時，在制造中必須當心，因為以后該層還要作為TFT的柵絕緣層。
接著，在有源陣列部分的柵接觸區110上淀積厚度20到50nm的非晶硅層119，而用作α-SiTFT的源/漏的微晶硅層，則用等離子CVD法淀積，形成厚度為50到100nm。將所得到的微晶硅膜刻成圖案，從而獲得源/漏120與121。
接著，在外圍電路的TFT源/漏上開出接觸孔，制成鋁互連線122，123和124。由這種情況，可以看見，在左邊，NTFT和PTFT形成了一個反相器電路。而且，由光透明導電材料，如ITO在有源陣列部分的TFT上形成了象素電極125。最后，將所得的結構在氫氣中，在350℃下退火2小時，使硅膜中的懸空鍵減小，以獲得帶有源陣列電路的集成單塊外圍電路。本實施例中，將反錯列型的TFT用作有源陣列的α-SiTFT，以防止入射光進入溝道部位，因為α-Si的電導率易隨輻射光而改變。不必再說，若要采取有效的防范措施，來屏蔽TFT不受外部光輻照的話，同樣能用于平面TFT。
依照本實施例制造的外圍電路中所配置的TFT特性的說明性實例，表示在圖6中。在真空下，用KrF激光束輻照由LPCVD淀積的50nm厚硅膜，在該膜上形成20nm厚保護膜，而使硅膜結晶化，由此得到TFT。這個KrF激光器在能量密度250mj/cm2下工作，對硅膜施行10次照射。于是，除去保護層后，在其上再由濺射淀積厚120nm氧化硅，而獲得柵介質。形成柵接觸區后，用陽極氧化形成厚206nm的陽極氧化膜，用作后續離子注入的掩膜。通過加速到65Kev能量的磷離子與加速到80Kev的硼離子，轟擊該結構，而進行離子注入，用自對準方式制成摻雜區，此后，在空氣中，以能量密度為300mj/cm2的脈沖KrF激光束輻照10次，來進行激活。
圖6(A)和圖6(B)分別示出NTFT與PTFT的特性。該TFT的溝道長3.5μm而寬15μm，所見的場遷移率，在NTFT中為60cm2/vs，而在PTFT中為30cm2/vs。而且，表明TFT開/斷的陡度的S值，對NTFT得出0.42V/單位，而PTFT為0.53V/單位。所見NTFT閾值電壓為3.9V，而所見的PTFT閾值電壓則為-5.4V。對1V或-1V漏電壓下的開/斷比值，對NTFT為8.7計量單位，而PTFT為6.9單位。
實施例2本實施例提供一種在鈉鈣玻璃襯底上形成的有源陣列。由于鈉鈣玻璃富含鈉，所以要在厚1.1mm，面積300×400mm2的鈉鈣玻璃襯底201的整個表面上用等離子CVD法淀積厚5到50nm，最好厚5到20nm的氮化涂層202。上面的氮化硅用于防止鈉從鈉玻璃基片擴散進入薄膜晶體管。通過用氮化硅或氧化鋁膜覆蓋基片，從而在基片上設置阻擋層的這種技術公開于日本專利申請平-3-238710和平-3-238714，這是由本發明人申請的。此外，覆蓋層202也可以是氮化鋁膜。
這樣，在作為基底氧化膜203的氧化硅膜形成之后，采用等離子體CVD或LPCVD工藝淀積硅膜204，其厚度為30至150nm，最好是30至50nm，并在其上淀積氧化硅膜205作為保護層。如圖2(A)所示，使形成的結構接受KrF激發物的激光照射，以此改善硅膜204的結晶度。所施加的激光束的能量密度為150至200mj/cm2，即稍低于實施例1所采用的激光束的值。而且僅施加10次發射。因此，發現如此淀積的硅膜的結晶度比實施例1更接近于非晶態。事實上，本例中產生的硅膜空穴遷移率，具體地講，該值在3至10cm2/vs的范圍，低于實施例1的硅膜的值。
接著，除去保護層使硅層暴露，把暴露的表面制成島狀圖形區206，從而通過濺射在其上建立起柵極氧化膜207，厚度為50至300nm，最好為70至150nm。然后，按實施例1的方式，淀積鋁膜并使其布圖，由此獲得柵極接點208，而且柵極接點被陽極氧化物209所圍繞。形成的結構如圖2(B)所示。
以自對準方式通過離子攙雜，把硼作為P型雜質導入硅層，由此形成薄膜晶體管的源/漏。接著，如圖2(C)所示，采用KrF激發物激光對形成的結構進行激光束照射，以便使因導入雜質而受到損害的部分的結晶度得以恢復。所施加的激光束的能量密度高達250至300mj/cm2。因此，薄層電阻率在400至800Ω/□，此值優于實施例1的值，并適用于薄膜晶體管的源/漏。
如此獲得的薄膜晶體管包含一個具有較小場遷移率的有源層。但最好的還是使用有源矩陣，更具體地講，本例獲得的薄膜晶體管具有高的開通電阻，然而，其關斷電阻仍足夠地大于開通電阻。因此，通常所需的附加電容已不再需要。特別是，在N溝道MOS中的泄漏電流的源，即遷移離子如鈉，不會在本例引用的P溝道型器件中造成問題。
根據本實施例中的處理工藝可以在上限為350℃的低溫下實施。在氮化硅膜或氧化硅膜的形成時可達到最高可允許溫度。如果溫度上升超過上限，鈉鈣玻璃將會軟化。在這種低溫處理中，有時柵極氧化膜中的缺陷會導致問題。在實施例1的情形，在低于450℃的溫度對柵極氧化進行退火，因為基片具有相當高的耐熱性，所以可在如此高的溫度下進行熱退火。但是，本實施例采用鈉鈣玻璃基片，所以不能實施這種熱退火。因此，大量的固定電荷主要是正電荷將留存于柵極氧化膜內。由此可見，所形成的結構不能用于N溝道型MOS，因為這些固定電荷的存在產生了過大的泄漏電流。然而，在P溝道MOS中，盡管固定電荷肯定會影響閾值電壓，但泄漏電流能被抑制得較小，因而用于有源矩陣工作的基本特性能得以實現。而且，用高能量密度激光束對源/漏進行退火，從而產生小的薄層電阻。這導致抑制信號延遲。
然后，用聚酰亞胺形成夾層絕緣體212。該步驟之后，使用ITO形成象素電極213。然后設置接觸孔用于在薄膜晶體管TFT的源/漏區形成鋁接點214和215。如此形成的接點之一215與ITO連接。最后，在300℃下在氫氣對最后形成的結構進行2小時的退火，從而完成硅的氫化。
在最后所獲得的單個基片上形成四個有源矩陣，整個結構被切成四塊，由此獲得四個有源矩陣極。這樣獲得的有源矩陣沒有外圍電路，并且只有需通過TAB之類工藝與驅動器IC連接之后，才能使其驅動。然而，由于用低成本的鈉鈣玻璃基片替代了α-Si薄膜晶體管AMLCD中通常使用的無堿玻璃基片，因而總成本優于傳統的板的成本。特別是，根據本實施例的板特別適合用于大面積的細微顯示。如此獲得的有源矩陣顯示于圖11。有源矩陣925與外圍電路951連接，外圍電路包括驅動器薄膜晶體管和偏移電阻。有源矩陣的象素935包括薄膜晶體管956，液晶層954和輔助電容955。
例如，一個α-Si薄膜晶體管具有0.5至1.0cm2/vs范圍內的遷移率，它不能用于超過1000行的大規模矩陣。相反，根據本實施例的薄膜晶體管具有的遷移率是傳統的薄膜晶體管的3至10倍，它能用于這種大規模的矩陣而不存在任何問題。此外，它能令人滿意地響應于模擬式的分層顯示。
而且，由于柵極線和數據線均由鋁制成，因而即使在對角線超過20英寸的大顯示屏上，也能明顯降低信號的延遲和衰減。
實施例3本實施例提供一種高對比度液晶顯示器LCD，具有二極管特性和鐵電聚合物的存儲功能這兩項優點，采用把外圍電路單塊地集成于單個基片上的工藝從而降低制造成本。該液晶顯示器的結構類似于例如日本專利申請昭-61-1152所公開的結構。
這種類型的液晶顯示器允許半靜態的工作。因此，盡管TN液晶是以直接多路驅動的方式工作的，仍能獲得極高對比度的顯示。此外，與MIM型非線性元件相反，在制造工藝中不存在問題。其工作原理如圖4所示。
一般地，鐵電體的E(電場)-(電通量密度)特性呈滯變曲線，如圖4(A)所示。即在一定的外電場下鐵電材料內形成恒定的極化強度，當施加的電場超過一確定值后，極化強度發生反轉。如果考慮一個電路，這就意味著電荷傳輸，因而其中就產生電流。例如，可以考慮一個串聯電路，包括一個在電極之間內設鐵電體的電容(FE)和一個在電極之間內設一種材料例如液晶的電容(LC，電容量為C)。在實際應用中，通常與鐵電電容器并聯一個相當高的電阻R。因此，一個實際電路形成的結構如圖4(C)所示。然而，應該注意，PE不僅起到一個簡單電容器的功能，而且還是一個非線性電阻器。在形成的電路中，基于施加給電路的交流電的電流變化如圖4(B)所示，呈現出非線性特性從而構成滯變曲線。
當在面對著的電極之一上施加-Vo或O電壓，而在另一個電極上施加O或Vo電壓時，單元的電壓將是±2Vo和O中之一。如果電壓成為±2Vo或-2Vo，如圖4(B)所示，FE的電阻其變化過程中急劇下降，這意味著有足夠量的電荷施加給LC。如果電壓變化為+Vo、-Vo和O值中的任何一個，FE的電阻此時不會顯著下降。因此，此時來自并聯電阻R的泄漏電流應給予考慮。由于泄漏電流，LC出現放電。由此可看出，±2Vo的階段對應于選擇階段，其它階段對應于非選擇階段。
參看圖4(B)，通過座標原點并由虛線畫出的直線代表由于R出現的泄漏電流，在使用該器件作為液晶顯示器LCD時，R與C之間的關系特別重要。盡管這里沒有詳細的討論，但如果時間常數τ＝RC遠小于幀時間，則僅形成低對比度，因為這意味著FE的貢獻很小。另一方面，如果比幀時間大很多，結果是圖象之后充滿干擾顯示。因此，應該設定為盡可能地接近幀時間。
圖5示意地表示一個單元。這個單元是這樣構成的，液晶材料512夾在兩個基片501和502之間，與通常的液晶顯示器相同。為了使單元厚度均勻，把隔離物511插入基片之間。可使用的液晶材料包括扭曲向列型液晶、超扭曲向列型液晶，采用雙折射的非扭曲的向列型液晶、鐵電液晶，包括聚合物的彌散型液晶(PDLC)，其中液晶如向列型液晶或膽甾醇(Cholesteric)液晶被彌散。
與通常采用的簡單矩陣液晶一樣，設置由ITO或其它類似材料制成的透明帶狀電極505和506，使它們相互垂直交叉，與通常的簡單矩陣結構不同之處是，ITO或其它材料的透明導電覆蓋層為島狀，該島狀層形成于并遍及電極506，兩者之間設有鐵電聚合物507。形成定向膜509和510用以覆蓋這些電極。這種結構在日本專利申請1152/1986中有詳細說明。
按傳統方式通過TAB連接IC，對如此構成的液晶顯示器進行驅動。這種構型有某些限制。首先，這種裝置的液晶顯示器中，假設施加給液晶的電壓值為1或0，該電壓在一幀的整個期間，持續施加以此達到高對比度，這是該裝置的一個特征。因此，以各種灰色標準顯示圖象時，很難完成模擬式灰度顯示，這是薄膜晶體管液晶顯示器通常所做的。而且，對于STN液晶顯示器中所采用的脈沖調制方法和幀調制方法均不適用。結果，液晶顯示取決于二維灰度，這極大地增加了象素的數量。
上述問題對于本液晶顯示器來說是不存在本質上的困難的。這就是說，由于這種液晶顯示器的結構簡單，能相當容易地實現大容量矩陣。然而，實際上，當連接的端子達到20線/毫米的密度時，已不適合使用TAB裝置。此外，很難采用COG把芯片覆蓋在玻璃上方法制造液晶顯示器。因此，必須把外圍電路整體地形成在同一基片上。
例如，為了達到64灰色標準的二維灰度，每個象素需要6個子象素。因而，所需行的數量是通常矩陣結構的行數的兩或三倍。如果本裝置用于按照XGA標準的高清晰度屏幕，行的數量將達1500至3000。即使在對角線為15英寸的大尺寸屏幕的情形，需要10至15線/毫米的密度。當屏幕變窄時，需要較高密度的圖象壓縮。特別地，當采用本系統的液晶顯示器和高透射率液晶PDLC束構成投影式屏幕時，基片的對角線小于5英寸。
此時，除了高密度圖象壓縮之外，還需要高速集成電路工作。在這種情形，絕緣基片上的電路比單晶半導體基片上的電路較為不易損耗，并且能以高速工作。然而，如果場遷移率象實施例2那樣小于10cm2/vs，則采用那種構型會產生問題。因此，需要遷移率大于30cm2/vs，最好大于50cm2/vs。
為此，希望采用激光退火或類似于激光的強光做低溫處理。以下說明圖3所示外圍電路的制造工藝。用康寧(Corning)7059玻璃或其它類似的無堿玻璃基片作基片301。該基片尺寸為300mm×400mm。在基片上，由氧化硅制成的氧化膜302作為基層。此外，形成硅層303和保護層304，如圖3(A)所示，在與實施例1相同的條件下，用激光輻射對迭層進行照射。
接著，把硅層光刻布圖成島狀，以此形成N型薄膜晶體管(NTFT)區305和P型薄膜晶體管(PTFT)區306，而且由氧化硅制造柵極氧化膜307。如圖3(B)所示，形成鋁柵電極308和309，由于鋁必須經受后面的激光照射，采用電子束蒸發形成鋁柵電極，以便使其上具有高反射率，由濺射形成的鋁晶粒大小約1μm，并且鋁覆蓋層的表面非常粗糙。因此，當鋁覆蓋層被激光輻射照射時，覆蓋層被嚴重損壞。由電子束蒸發形成的鋁膜表面是如此地平滑，以致于用光學顯微鏡無法看到晶粒的存在。由電子顯微鏡觀察揭示晶粒尺寸小于200nm。這就是說，晶粒尺寸必須小于所使用的激光輻射的波長。
之后，把N型攙雜劑或磷離子注入310區和311區，把P型攙雜劑或硼離子導入312和313區。如圖3(C)所示，實施激光退火處理。在與實施例1和例2相同的條件下進行激光照射。在這個處理過程中，鋁柵電極基本上不受損壞。
最后，如圖3(D)所示，由氧化硅制成夾層絕緣體314并在其中形成接觸孔。形成鋁互連引線315-317，用于互連薄膜晶體管。由此完成外圍電路。然后形成帶狀ITO膜(未示出)和象素電極。把基片四等分，每個尺寸為150mm×200mm。按這種方式，獲得四塊基片。按以上引用的日本專利申請1152/1986所述方法，在兩塊基片上淀積鐵電聚合物或類似物，然后把兩塊基片按圖5所示那樣粘結在一起，從而構成一個液晶顯示器。
實施例4本實施例如圖7所示。這是在薄膜晶體管液晶顯示的外圍電路中采用新型的激光晶化硅薄膜晶體管。與實施例1不同，有源矩陣電路區內的TFTS(薄膜晶體管)由頂端柵極非晶硅構成，即柵極位于基片的相對一側。在此例中，可以采用相同的制造工藝來制備兩種薄膜晶體管的有源層，但條件稍要嚴格些，因為需要較好的激光晶化特性和較好的非晶硅特性。有源矩陣電路和外圍電路設置在絕緣基片上。
首先，通過濺射把構成基層的氧化膜702淀積在康寧(Corning)7059玻璃的基片上，厚度達20至200nm。通過等離子體CVD把單甲硅烷或乙硅烷的實質上為非晶硅膜淀積在氧化膜702之上，厚度為50至150nm。此時，實質上為非晶硅膜需要直接用于非晶硅薄膜晶體管，并經受激光照射。我們會發現，如果在實質上為非晶硅膜的制備期間基片溫度設定在300-400℃，則可改善該非晶硅膜的特性，通過濺射再次在該非晶硅膜之上形成厚度為10至50nm的氧化硅保護膜705。接著，用光刻膠706覆蓋有源矩陣電路區，而且僅對外圍電路進行激光照射，以此提高外圍電路的實質上為非晶硅膜的結晶度。
在這種條件下，如圖7(A)所示那樣完成激光照射。所使用的激光種類和條件與實施例1相同。然而，此時，由于以下原因，激光的能量密度最好是200至250mj/cm2。在由等離子體CVD形成的非晶硅薄膜中含有過量的氫，如果用強激光對其照射，氫會變為氣態并膨脹，從而損壞薄膜。如上述所言硅膜被晶化而且形成晶化區704。另一方面，被光刻膠覆蓋的那些部分未經激光照射，因而保持為非晶態。
接著，對硅膜進行島形布圖，使其形成用于外圍電路的島區707和用于有源矩陣區的島區708，如圖7(B)所示。在這些島區上濺射氧化硅形成柵極絕緣膜709。按實施例1的方式形成其表面具有陽極氧化膜的柵極金屬電極710、711和712。
然后，如圖7(C)所示，用柵極電極710和712作為掩膜，把N型雜質導入區713和715。用柵極電極711作為掩膜把P型雜質注入區714。在與實施例1相同的條件下，用柵極電極作為掩膜，對這些區進行激光照射，使注入的區晶化。在那里獲得高結晶度的硅。區716和區717在圖7(A)的階段早已結晶，但區718在本步驟尚未結晶。這就是說，在圖7右側的薄膜晶體管(有源矩陣區的薄膜晶體管)中，源和漏已晶化，但有源區實質上仍是非晶硅半導體。圍繞有源矩陣電路的外圍電路中薄膜晶體管的有源區716和717包含晶化半導體。
最后，通過四乙基原硅酸鹽(TEOS)等離子體CVD淀積厚度為400至1000nm的氧化硅膜作為夾層絕緣體719。然后，在有源矩陣區形成厚度為100至300nm的ITO膜720。對該ITO膜進行布圖形成象素電極。在夾層絕緣體中形成接觸孔。在夾層絕緣體上形成金屬布線層721-724。由此制成薄膜晶體管有源矩陣液晶顯示器。
在該液晶顯示器中，有源矩陣電路中薄膜晶體管的有源區的結晶度比外圍電路中薄膜晶體管的有源區的要低。有源矩陣電路中薄膜晶體管的有源區實質上是非晶硅膜，在暗時其電阻率為109Ωcm或更大。
在本實施例中，按與實施例1相同的方式，構成象素的薄膜晶體管由非晶硅薄膜晶體管制成，在關斷條件下其呈現高電阻率。然而，實施例1采用的薄膜晶體管為反向交錯式的。在本實施例中，薄膜晶體管為頂端柵極式的。在實施例1中，除了柵極電極的制備工藝，外圍電路的薄膜晶體管的制備步驟不同于有源矩陣電路的薄膜晶體管的制備步驟。因此，增加了步驟數量。在本實施例中，外圍電路的薄膜晶體管和有源矩陣電路的薄膜晶體管同時制成。因而能減少制造步驟的數量。
適用于非晶硅薄膜晶體管的硅膜還需要含有大量的氫。然而，為了用激光照射使薄膜晶體管晶化。必須盡可能地減少氫含量。由于這兩種需求相互矛盾，必須形成能滿足兩種條件的硅膜。例如，當采用等離子體CVD時，如果用高能量等離子體如電化學反應(ECR)等離子體或微波等離子體來形成硅膜，則膜中含有大量的結晶簇。這對本實施例的目的是完美的。然而，它存在關斷條件下電阻率稍低的問題。
實施例5本實施例如圖8所示。在實施例1-4，薄膜晶體管區被分離，從而使其相互電絕緣。在本實施例中，在整個表面上形成硅膜并選擇地晶化。而且，使用厚絕緣膜來使薄膜晶體管相互絕緣。
首先，在絕緣基片801上淀積構成基層的氧化硅膜802。在氧化硅膜802上形成厚50至150nm的實質上為非晶硅膜或者具有與該非晶硅膜的結晶度不相上下的低結晶度的硅膜。在本實施例中，實質上為非晶硅膜必須經受足夠的激光照射并呈現高電阻率。因此，在與實施例4相同的條件下制備實質上為非晶硅膜。然后，通過等離子CVD，在非晶硅膜的整個表面上，形成厚10至500nm，最好10至50nm的氧化硅膜(絕緣膜)。對氧化硅膜(絕緣膜)進行選擇地蝕刻，從而獲得在該處除去氧化硅膜(絕緣膜)的區域或者氧化硅膜(絕緣膜)被減薄的區域。由此形成厚氧化硅膜區805和薄氧化硅膜區806。此時，如果采用各向同性的蝕刻技術，則形成平滑傾斜的臺階。如圖8(H)所示。因此，能避免因陡峭臺階而引起的金屬布線層的斷裂。
在此條件下，用硼離子對一迭層做輕微的摻雜，并用激光照射使硅膜晶化。結果如圖8(A)所示，非晶硅層被晶化在氧化硅膜除去或變薄的所述區域之下設置的硅膜部分804的結晶度被提高了。其它區803保持為非晶態。由于硼摻雜，區804實質上呈現本征或弱P型。
可以按圖8(E)所示方法實施本步驟具體地講，在形成氧化硅膜之后，在氧化硅膜上形成一覆蓋層，其厚度為20至500nm，并由反射激光的光線的材料制成。對該覆蓋層進行光刻布圖。利用該覆蓋層819作為掩膜，對氧化硅膜進行各向同性的蝕刻。由此，在氧化硅層形成厚區817和薄區818。用激光輻射對迭送層進行照射，同時留下掩膜819，對非晶硅膜進行選擇地晶化。按這種方式，形成晶化區816和非晶硅區815。
如圖8(B)所示，然后形成柵極氧化膜807或氧化硅，用來產生柵極金屬電極808并且其上設有陽極氧化層。由于采用濕法蝕刻對金屬柵極進行蝕刻，所以柵極的側表面呈斜坡。這種形狀能有效的防止導電布線層在交叉點的斷裂。
如圖8(C)所示，以柵極電極和厚氧化硅膜區805作掩膜，用離子摻雜把至少一種雜質選擇地注入硅膜，從而形成N型區809和P型區810。用激光輻射對這些區進行照射以此使其激活。之后，如圖8(D)所示，淀積夾層絕緣811，并在其中形成接觸孔。形成金屬布線層812-814，從而完成電路。在本實施例中，大量的不透光非晶硅留在基片上，因此這種結構不能用做液晶顯示的源矩陣區。然而，它能用做外圍電路區或者圖象傳感器的驅動電路。在本實施例中如果需要相當厚(100nm)的有源層，用于絕緣各元件的步驟就少。因此，能大大地減少導電布線層斷裂的可能性。在高密度集成電路中，這種優點尤為顯著。
實施例6本實施例如圖9所示，與實施例5類似，在整個表面形成硅層并選擇地晶化以使各元件相互隔離。由于不采用實施例5中的不平坦氧化膜，因而能更有效地避免布線層的斷裂。
首先，在絕緣基片901上淀積氧化硅膜902作為基層。在氧化硅膜902上，形成厚50至150nm的實質上為非晶硅的膜，或者淀積具有與該非晶硅膜的結晶度不相上下的低結晶度的硅膜。在本實施例中，實質上為非晶硅的膜同樣也必須經受足夠的激光照射并呈現高電阻率。因此，在與實施例4相同的條件下制備實質上為非晶硅的膜。然后，在該非晶硅膜上形成厚20至100nm的氧化硅保護膜905。可以把這個氧化硅膜905留下并隨后構成薄膜晶體管的柵極絕緣膜。如前所述，應該注意這些薄膜晶體管具有低的遷移率。然后在氧化硅膜上，形成厚20至500nm的覆蓋層，該覆蓋層由反射激光的材料如鋁、鈦，鉻等制成，或者由不透射激光的材料制成。對這個覆蓋層進行光刻布圖。如圖9(A)所示，利用這個覆蓋層906作為掩膜，用激光照射非晶硅膜，使非晶硅層選擇的晶化。由此，形成晶化區(結晶半導體區)904和非晶硅半導體區903。
然后，如圖9(B)所示，在結晶半導體區904之上新形成的柵極絕緣膜上，形成柵極金屬電極907和908，該柵極電極的表面上具有陽極氧化膜。由于采用濕法蝕刻對金屬柵極進行蝕刻，柵極電極的側面變為斜坡。這種形狀能有效地避免布線層在交叉點的斷裂。此外，施加光刻膠909和進行布圖，僅暴露出N溝道薄膜晶體管。
利用光刻膠和柵極電極作為掩膜，把N型雜質注入硅膜。在這種條件下，用激光輻射對迭層進行照射，以此激活這些注入區912。此時，非晶硅將被晶化，除了不是注入區而且還保留光刻膠區之外。在本實施例中不能采用相當厚的氧化膜來隔離各元件，將會不希望地在各元件間產生泄漏。
同樣，與P溝道薄膜晶體管對應，對910施加光刻膠。在僅暴露P溝道薄膜晶體管時，注入P型雜質以此形成P型摻雜區913。然后，如圖9(C)所示，用激光輻射對迭層進行照射，同時留下光刻膠，以此激活早已摻雜的P型區913。在至此已說明的步驟中，激光線不照射在位于N型摻雜區912與P型摻雜區913之間的區914。因此，中間區914保持在實質上為非晶硅狀態。因此，如果在其是柵極絕緣膜的迭加絕緣層905上形成布線層，而且如果該布線層形成反型層，則泄漏電流極小，因為非晶硅的場遷移率非常小而且電阻率很高。實際上，不會產生問題。
隨后，如圖9(D)所示，淀積層絕緣體915，并在絕緣體中形成接觸孔。形成布線層916-918，從而完成電路。在本實施例中，與實施例5一樣，基片上留有大量不透明的非晶硅，因此這種構型不能用作例如液晶顯示器的有源矩陣區，但能用做外圍電路區或者用作驅動圖象傳感器的電路。在本實施例中，與實施例5不同，各柵極電極之間幾乎不存在臺階。因此，布線層斷裂的可能性能顯著地降低。這種優點對于高密度集成電路來源尤為顯著。
圖9(E)表示了本實施例制備的薄膜晶體管電路的另一剖面圖。這是沿圖9(D)的剖視線A-B通過N溝道薄膜晶體管的剖面圖。由此圖可見晶化的摻雜區912、913和中間的元件隔離區(分離的半導體)914位于同一平面，因此，柵極電極917是平坦的。與摻雜區913'和柵極電極907接觸的布線層917'，僅在接觸孔的位置和夾層絕緣的位置有臺階。既不存在實施例1那樣的島形半導體區的臺階，也不存在實施例5那樣的用于元件隔離的厚絕緣的臺階。這對于以高生產率制造高密度集成電路是個優點。在圖9(D)的器件中，由設置在結晶半導體區904之間的分離半導體914把各晶體管相互分開。
實施例7以下給出一個在鈉鈣玻璃基片上形成有源矩陣電路的實例。厚1.1mm、面積為300mm×400mm的鈉鈣玻璃基片用作基片201。把SiO2膜216形成在基片201上，如圖10(A)所示。然后在基片的整個表面上形成AlN，SiN或Al2O3的膜202，如圖10(A)所示。之后，按與實施例2相同的方式實施各步驟，從而完成有源矩陣電路。亦即，在形成氧化膜203或者氧化硅膜構成基層后，通過LPCVD或等離子體CVD形成硅膜204，其厚度為30至150nm，最好是30至50mm，隨后，形成氧化硅保護層205。
如圖10(A)所示，用KrF激光輻射照射迭層，改善硅膜204的結晶度。此時，激光輻射的能量密度設定在150至200mj/cm2，比實施例1的能量密度稍低。激光輻射的發射次數為10。形成的硅膜的結晶度比實施例1更接近于非結晶態。實際上，在這種條件下，所獲得的硅膜中帶正電的空穴的場遷移率是3至10cm2/vs，這低于實施例1所獲得的場遷移率。然后，除去保護膜，把硅膜布圖成為島形區206。通過濺射形成柵極氧化膜207，其厚度為50至300nm，最好是70至150nm。按實施例1的方式形成柵極鋁電極208。這些柵彬電極208由陽極氧化209所覆蓋，如圖10(B)所示。
采用自對準技術，把硼離子作為P型摻雜離子注入硅層，以此形成每個薄膜晶體管源/漏210和211。如圖10(C)所示，用KrF激光照射迭層，改善因離子摻雜而引起的惡化的硅膜結晶度。此時，激光輻射的能量密度設定為比較高的值250至300mj/cm2，因此，這些有薄膜晶體管的源/漏的薄層電阻400至800/cm2，這與實施例1的純電阻類似。
盡管有源層的遷移率較小，當它用于有源矩陣薄膜晶體管時，這種小遷移率仍具有優點的，具體地講，開通電阻率高，但關斷電阻率更高。這就使得無需象已有技術那樣設置輔助電容。特別是，活動離子如鈉離子導致來自N溝道MOS的泄漏電流。在本例中，不存在這種問題，因為是P溝道型的。
在本例中，在氮化硅膜或氧化硅膜的制備中，可適用的最高處理溫度是350℃。鈉鈣玻璃在較高溫度下會發生軟化。在需要這種低溫度處理的工藝，柵極氧化膜中的缺陷會造成問題。在實施例1中，基片的耐熱性相當好，所以柵極氧化膜能在高達450℃的溫度下退火。在鈉鈣玻璃基片的情況下，這是不可能達到的。這導致大量的固定電荷被留在柵極氧化膜。在這種情形，固定電荷主要是正電荷。因此，在固定電荷的影響下，N溝道MOS在源和漏之間產生了大量的泄漏，所以N溝道MOS不能實際應用。然而，在P溝道MOS中，固定電荷會影響閾值電壓，但是保持了對于有源矩陣電路的工作來源是必不可少的低泄漏特性。由于用高能激光束對源/漏進行退火，所以薄層電阻較低，并且能抑制信號的延遲。
之后，用聚酰亞胺制備夾層絕緣212。用ITO形成象素電極213，并形成接觸孔。在薄膜晶體管的源/漏區上形成鋁電極214和215。一個電極215與ITO電極連接。最后，在氫氣氛中，在300℃下對迭層退火2小時，由此完成硅的氫化。
在按這種方法在制備的一塊基片上，形成四個有源矩陣電路。該基片被分為四塊有源矩陣板。在本例中，有源矩陣電路沒有外圍電路。因此，驅動集成電路必須通過TAB等與外圍電路連接。由于鈉鈣玻璃基片比已有的非晶硅TFTAMLCD所采用的無堿玻璃基片便宜，所以本例中的基片是非常有利的。特別是，本例中制備的板適合用于大尺寸高清晰度的板。所獲得的有源矩陣示意地表示于圖11，其中有源矩陣用952表示。外圍電路951具有驅動器薄膜晶體管和移位寄存器。有源矩陣的一個象素由參考標號953表示。還顯示了有源矩陣的薄膜晶體管956，液晶層954和輔助電容955。
在已有的非晶硅薄膜晶體管中，遷移率的數量級為0.5至1.0cm2/vs。因而，這種薄膜晶體管不可能用于具有大于1000行的大尺寸矩陣。在本例中，遷移率是非晶硅的遷移率的3至10倍，所以不存在問題。此外，本例中的薄膜晶體管足以響應于模擬灰度顯示。而且，柵極線和數據線由鋁制成。在對角線超過20寸的大尺寸屏幕中，能顯著地降低信號的延遲和衰減。
實施例8
表Ⅱ
因此，實施例4的組合物效果最好。
所用脂肪A、B和C的來源和/或組合物，敘述如下A如下組合物的(H2M+M2H)-脂肪的中間餾分C12＝26.5%;C14＝9%;C16＝21%;C18∶0＝38%;C30-C38＝8.1;C40-C46＝61.4。比值 (C40-C46)/(C30-C38) ＝7.58B濕式分餾棕櫚油(%(U3+U2S)＝72%)的油精餾分。
C可可脂(N20，n.s.＝58)。
實施例5由巧克力類似物組合物制備棒狀制品。配方如下wt.%冰糖52.5
然后，如圖12(A)所示，用KrF激發物激光輻射對迭層進行照射，激光波長為248nm，脈沖寬度為nsec，以便使硅區1104晶化。激光輻射的能量密度為200-400mj/cm2，最好為250-300mj/cm2。在激光輻射期間，基片被加熱至300-500℃。按這種方法形成的硅膜的結晶度由對喇曼光譜分析，在515cm-1附近觀察相當寬的尖峰，這不同于單晶硅的峰(512cm-1)。然后，在氫氣氣氛中，在350℃下對迭層退火2小時。
接著，通過電子束蒸發形成厚2000
-5μm的鋁膜并進行光刻布圖形成柵電極1106。用0.5-2%的硅對鋁摻雜。基片浸漬在PH值為7的含1-3%酒石酸的乙二酸溶液中。采用鉑板作為陰極，該柵極鋁電極作為陽極，對基片進行陽極氧化處理。在陽極處理的開始時，以恒定電流把所加電壓升至220V。把這種條件保持1小時，然后結束處理。在本例中，在恒定電流狀態下，適當的電壓上升速率為2-5v/min，按這種方式，厚2000
的陽極氧化層1107被形成(圖12(B))。
接著，采用自對準離子摻雜工藝(也稱為等離子體摻雜工藝)，同時利用柵極電極作為掩膜，向薄膜晶體管的島形硅區注入雜質離子或磷離子。采用磷化氫作為摻雜氣體。劑量為2-8×1015離子/cm2。
然后，如圖12(C)所示，用KrF激發物激光照射迭層，其波長為248nm，脈沖寬度為20nsec，以此改善因離子摻雜而引起惡化的硅膜結晶度。此時，激光輻射的能量密度為150-400mj/cm2，最好是200-250mj/cm2。在這種方法中，形成N型磷摻雜區1108和1109。這些區的薄層電阻為200-800Ω/cm2。
隨后，通過等離子體CVD采用四乙基硅酸鹽和氧，或者通過低壓或常壓CVD采用四乙基硅酸鹽和臭氧，在整個表面淀積厚3000 的氧化硅膜，作為夾層絕緣體1110。基片溫度150-400℃，最好為200-300℃。在此膜形成之后，對這層氧化硅膜進行機械拋光，使表面平整。此外，濺射淀積ITO并光刻本圖，形成象素電極1111(圖12(D))。
如圖12(E)所示，在每個薄膜晶體管的源/漏區形成接觸孔。形成鉻或氮化鈦的布線層1112和1113，布線層1113與象素電極1111連接。最后，在氫氣中，200-300℃下對迭層退火0.1-2小時，由此完成硅的氫化。按這種方法構成薄膜晶體管。同時制成的大量薄膜晶體管按行和列設置，從而構成有源矩陣液晶顯示器。
實施例9根據本發明的薄膜晶體管的制備實例如圖B所示，首先，通過反應濺射方法，在康寧(Corning)7059玻璃的基片401上，淀積厚1000-2000 的氮化鋁膜402。使用鋁作為靶，在氮和氫氣氛中進行濺射。其中氮含量超過20％，由此獲得具有良好導熱性的覆蓋層。在濺射時，壓強為1×10－4－1×10－2torr可產生良好結果。淀積速率是20－200
／min。淀積時，基片溫度可升至100－500℃。
然后，形成厚1000－3000
的氧化硅膜，作為構成基層的氧化膜403。為了形成這層氧化膜，可在氧氣氛中進行濺射。另外，可在氧氣環境中通過等離子體CVD分解并淀積四乙基硅酸鹽，形成的薄膜可以在450℃－650℃退火。
之后，通過等離子體CVD或LPCVD淀積非晶硅膜，其厚度為1000－3000
，最好為1000－1500
。在氮氣氛中600℃下對迭層退火48小時。對所獲得的結晶硅膜進行光刻布圖，使其成為島形硅區404。淀積氧化硅作為柵極絕緣407，其厚度為200－1500
，最好為500－1000
。
通過電子束蒸發形成厚2000
－5μm的鋁膜并進行光刻布圖。在與實施例8相同的條件下對迭層進行陽極氧化處理，形成柵電極409和布線層408。然后，采用自對準離子摻雜工藝(也稱為等離子體攙雜工藝 )同時利用柵極電極作為掩模，向薄膜晶體管的島形硅區注入攙雜離子或磷離子，使用磷化氫(PH3)作為攙雜氣體。劑量為2-8×1015離子／cm2。
用KrF激發物激光照射迭層，其波長為248nm，脈沖寬度為20nsec，以此改善因離子攙雜引起惡化的硅膜結晶度。激光輻射的能量密度為150-400mj/cm2,最好為200－250mj/cm2。按這種方式，形成N型摻雜區405和406。這些區的薄層電阻為200－800／cm2(圖13(A))。
表Ⅱ
因此，實施例4的組合物效果最好。
所用脂肪A、B和C的來源和/或組合物，敘述如下A如下組合物的(H2M+M2H)-脂肪的中間餾分C12＝26.5%;C14＝9%;C16＝21%;C18∶0＝38%;C30-C38＝8.1;C40-C46＝61.4。比值 (C40-C46)/(C30-C38) ＝7.58B濕式分餾棕櫚油(%(U3+U2S)＝72%)的油精餾分。
C可可脂(N20，n.s.＝58)。
實施例5由巧克力類似物組合物制備棒狀制品。配方如下wt.%冰糖52.5
接著，通過等離子體CVD或LPCVD淀積非晶硅膜，厚度為1000-3000 ，最好為1000-1500 。在氮氣氣氛中在600℃下對迭層退火48小時。對獲得的結晶硅膜進行光刻布圖，形成島狀硅區604。淀積氧化硅作為柵極絕緣膜605，厚度為200-1500 ，最好為500-1000 。
通過電子束蒸發形成厚2000 -5μm的鋁膜，并進行光刻布圖。在與實施例8相同的條件下對迭層進行陽極氧化處理，形成柵極電極606和布線層607(圖14(A))。
然后，采用自對準離子摻雜工藝(也稱為等離子體摻雜工藝)，同時利用柵極電極作為掩膜，向薄膜晶體管的島狀硅區注入雜質離子或磷離子。使用磷化氫(PH3)作為摻雜氣體。劑量為2-8×1015離子/cm2(圖14(B))。
對作為基層的氧化硅膜603進行蝕刻。蝕刻終止于作為防護層的氮化鋁膜602。在這種條件下，用KrF激發物激光照射迭層，其波長為248nm，脈沖寬度為20nsec，以此改善因離子攙雜而引起惡化的硅膜結晶度。激光輻射的能量密度為100-400mj/cm2，最好為100-150mj/cm2。由于含有磷或硼的氧化硅膜吸收紫外線輻射，緊接著如實施例8的全部攙雜，進行激光退火，需要使用強激光光線。在本實施例中，如果攙雜后除去氧化硅膜或柵極絕緣膜，則只需要較小的激光能量即可。這能改善激光處理的生產率。按這種方式，形成N型磷攙雜區608和609。這些區的薄層電阻是200-800Ω/cm2(圖14(C))。
然后，通過等離子體CVD、LPCVD或常壓CVD，在整個表面上淀積氧化硅作為夾層絕緣610，其厚度為2000-3000
。形成厚2000
-5μm的鋁膜作為布線層材料。對這層鋁進行光刻布圖，形成與薄膜晶體管的源和漏連接的布線層611和612。如圖所示，布線層612與布線層607交叉(圖14(C))。
最后，在1個大氣壓的氫氣中在350℃下，對按這種方式處理的迭層退火30分鐘。由此，完成迭層的氫化。按這種方法構成薄膜晶體管。同時，用硼對攙雜區攙雜，制成P溝道薄膜晶體管，制成CMOS。N溝道和P溝道型的典型場遷移率，分別是80-150cm2/vs和40-100cm2/vs。我們已經證實，由這些薄膜晶體管構成的移位寄存器，當漏電壓為17V時工作于11MHZ。
即使在柵極和漏區上長時間(約96小時)施加超過20V的高電壓，性能也僅稍有下降。這是因為，薄膜晶體管中局部產生的熱量被很快耗散，抑制了從半導體覆蓋層的界面處和從柵極絕緣膜的界面處的氫原子析出。
實施例11按圖2(A)-(E)所示步驟，在鈉鈣玻璃基片201上形成有源矩陣電路。在基片201的整個表面上，形成導熱率高于氧化硅203的絕緣膜202。在本例中，薄膜202由氮化鋁制成。在與本實施例8相同的條件下，通過濺射形成氮化鋁膜。
然后，按與實施例2相同的方式，形成氧化硅膜203作為基層。接著，按類似于實施例2的步驟形成如圖2(E)所示的薄膜晶體管。
實施例12按如圖15所示的步驟，在康寧(Corning)7059玻璃的基片701上，形成用于構成外圍電路的激光晶體管的硅膜晶體管用于有源矩陣電路的非晶硅薄膜晶體管。在襯底701上形成了比氧化硅702熱導率高的絕緣膜725。在本實施例中，該膜725由透明的氧化鋁組成。這個氧化鋁膜725是在與實施例8相同的條件下，濺射形成。隨后，所形成的基層氧化硅膜702，要淀積到厚20到200nm。此后，進行與實施例4各步驟相同的各個步驟，再在氧化硅膜702上形成TFT(薄膜晶體管)，如圖15(D)所示。
實施例13所要形成TFT的各步驟，表示在圖16(A)-16(E)內，在絕緣襯底901上，形成了比氧化硅902熱導率高的絕緣膜925。在本實施例中，該膜925由氮化鋁組成，這個氮化鋁膜925是在與實施例8相同的條件下，濺射形成。然后，形成了構成基層的氧化硅膜902，隨后，進行與實施例6各步驟同樣的以各步驟來形成TFT，如圖16(E)所示。
實施例14用圖17(A)-17(E)說明的各步驟，來形成TFT。在絕緣襯底801上形成比氧化硅802熱導率還高的絕緣膜825。本實施例中，該膜825由氮化鋁組成。這個氮化鋁膜825是在與實施例8相同的條件下，濺射形成。然后，形成構成基層的氧化硅膜802。隨后進行與實施例5各步驟相同的各步驟，來形成TFT，如圖17(D)所示。
本發明可以用來制造一種即使長時間加電壓也顯示出高可靠性的TFT。由此可見，本發明在工業上是很有益的。尤其是，這里的TFT形成在大面積襯底上，并可用于有源陣列電路或用于驅動器電路，獲得了巨大的工業效益。
根據本發明，可在低溫下，以很高的生產成品率，制造出TFT。正如上述各實施例所描述的那樣，依照本發明可以產生出各種LCD結構，因為，按本發明，可以隨意的設定TFT所需的電特性。
雖然上述各實施例中沒有敘述過，但本發明可以應用于建立在單晶IC之類半導體電路之上的三維IC結構。上述各實施例主要限于本發明在各種LCD中的應用。顯然，本發明也可用之于其它需要制作在絕緣襯底上，如圖象傳感器之類的電路中。
權利要求
1.一種形成半導體器件的方法，包括下列各步驟在一絕緣襯底上形成一半導體膜；在所述半導體膜上形成一透明的薄膜；用激光脈沖照射所述半導體膜；除去所述透明薄膜，使所述半導體膜的表面露出；在所述半導體膜上形成一柵絕緣膜；在所述柵絕緣膜上形成布線；以所述的布線為掩膜，按自對準方式，將離子輻射到半導體膜內；以及在所述離子輻射步驟之后，以所述布線為掩膜，用激光脈沖輻照所述半導體膜。
2.按權利要求1的方法還包括在所述絕緣襯底與所述半導體膜之間形成絕緣膜的步驟，而絕緣膜包括選自由氮化硅，氧化鋁和氮化鋁構成的組中的一種材料。
3.按權利要求1的方法，其中所述透明薄膜包括氧化硅。
4.按權利要求3的方法，還包括在所述襯底與所述透明薄膜之間，形成一熱導率比所述透明薄膜的熱導率為高的絕緣膜。
5.按權利要求1的方法，其中所述的激光脈沖是穿過所述透明薄膜而輻射到所述半導體膜的。
6.一種形成包括非晶硅晶體管與結晶硅晶體管半導體器件的方法，所述方法包括下列各步驟在一絕緣襯底上，形成一基本上為非晶的硅膜;第1輻照，用一激光有選擇的輻射所述基本上為非晶的硅膜，以提高含有所述結晶硅晶體管區域的那個部分的結晶度;在所述部分上形成一柵電極，而其它柵電極則在含有所述非晶硅晶體管區域的所述基本上為非晶的硅膜部分上;第2輻照，以所述柵極電極為掩膜，用激光輻射所述基本上為非晶硅膜，在所述基本上為非晶硅膜內獲得高結晶硅。
7.按權利要求6的方法，還包括所述柵電極為掩膜，將雜質注入所述基本上為非晶硅膜的步驟。
8.按權利要求7的方法，其中所述的注入步驟是在所述第2輻照步驟之前進行。
9.按權利要求6的方法，其中所述第1輻照步驟是在所述柵電極形成步驟之前進行。
10.按權利要求6的方法，還包括下列各步驟在所述襯底上形成氧化硅膜，以及在所述襯底與所述氧化硅膜間形成絕緣膜，而該絕緣膜的熱導率要比所述的氧化硅膜的熱導率高。
11.按權利要求6的方法，還包括下列步驟在所述襯底上形成氧化硅膜;以及在所述襯底與所述氧化硅膜之間形成一絕緣膜，而該絕緣膜包括選自由氮化硅，氧化鋁和氮化鋁構成的組中的一種材料。
12.按權利要求6的方法，其中所述基本上為非晶的硅膜具有電阻率109Ω.cm或更大。
13.一種形成半導體器件的方法，包括下列各步驟在一絕緣襯底上，形成一基本上為非晶硅的膜;第1輻射，用激光有選擇地輻射所述基本上為非晶硅的膜，提高所輻射部分的結晶度;在所述基本上為非晶硅膜上形成一柵電極;以掩膜材料與所述的柵電極做掩膜，將至少一種雜質有選擇地注入到所述基本上為非晶硅膜內;以及第2輻射，用激光輻射與所述至少注入了一種雜質區域實際上相同的區域。
14.按權利要求13的方法，其中所述第1輻射步驟在所述柵電極形成步驟之前進行。
15.按權利要求13的方法，其中所述注入步驟在所述第2輻射步驟之前進行。
16.按權利要求13的方法，其中至少一種雜質具有N-型、P-型或兩者類型皆有。
17.按權利要求13的方法，還包括下列步驟在所述襯底上形成氧化鋁硅膜，以及在所述襯底與所述氧化硅膜之間，形成熱導率要比所述氧化硅膜的熱導率為高的絕緣膜。
18.按權利要求13的方法，還包括下列步驟在所述襯底上形成氧化硅膜;以及在所述襯底與所述氧化硅膜之間，形成包括選自氮化硅，氧化鋁和氮化鋁構成的組中的一種材料的絕緣膜。
19.按權利要求13的方法，其中所述基本上為非晶硅的膜具有電阻率為109Ωcm或更大。
20.一種形成半導體器件的方法，包括下列各步驟在一絕緣襯底上形成一基本上為非晶的硅膜;選擇地刻蝕所述絕緣膜，以獲得由此除去了所述絕緣膜或其中減薄了所述絕緣膜的區域;用激光輻射所述基本上為非晶的硅膜，來提高所述區域下該處的結晶度。在所述基本上為非晶的硅膜上形成一柵電極;以所述柵電極與不是所述區域的所述絕緣膜的部分作為掩膜，將至少一種雜質選擇地注入所述基本上為非晶的硅膜內;以及用激光輻射所述至少注入了一種雜質的區域，以激活所述的至少注入了一種雜質的區域。
21.按權利要求20的方法，其中所述至少一種雜質為N-型的，P-型的或兩者皆有。
22.按權利要求20的方法，還包括下列步驟在所述襯底上形成氧化硅膜;以及在所述襯底和所述氧化硅膜之間，形成一熱導率要比所述氧化硅膜的熱導率高的絕緣膜。
23.按權利要求20的方法，還包括下列步驟在所述襯底上形成氧化硅層;以及在所述襯底和所述氧化硅膜間形成包括選自由氮化硅、氧化鋁和氮化鋁構成的組中的一種材料的絕緣膜。
24.按權利要求20的方法，其中所述基本上為非晶的硅膜具有電阻率109Ωcm或更大。
25.一種半導體器件包括在一絕緣襯底上設置有源陣列電路，該陣列電路包括具有有源區的晶體管，而有源區包括基本上為非晶的半導體，以及在所述絕緣襯底上設置圍繞所述有源陣列電路的外圍電路，并包括具有有源區的晶體管，而有源區包括結晶半導體。
26.按權利要求25的器件，其中所述有源陣列電路和所述外圍電路的所述晶體管的每一個包括設置在相應的有源區上的柵電極，和設置在所述柵電極表面上的陽極氧化膜。
27.按權利要求25的器件，其中所述基本上為非晶的半導體具有電阻率為109Ω.cm或更大。
28.一種半導體器件包括在一絕緣襯底上設置至少兩個晶體管，所述至少兩個晶體管各有結晶的半導體區;以及在所述絕緣襯底上的所述結晶半導體區之間設有隔離半導體，而該隔離半導體包括基本上為非晶的半導體;其中所述至少兩個晶體管相互之間用所述隔離半導體隔開。
29.按權利要求28的器件，其中所述至少兩個晶體管的每一個包括設置在相應的所述結晶半導體區之一上的柵電極。
30.按權利要求29的器件，其中所述至少兩個晶體管的每一個還包括設置在相應柵電極表面的陽極氧化膜。
31.按權利要求28的器件，其中所述基本上為非晶的半導體具有電阻率109Ω.cm或更大。
32.一種半導體器件包括在一襯底上設有第一薄膜，其包括氮化鋁;在所述第一薄膜上設有第二薄膜，其包括硅;以及在所述第二薄膜上設有布線，其包括金屬或半導體。
33.一種半導體器件包括在一襯底上設有氧化硅膜;在所述襯底與所述氧化硅膜之間設有一透明薄膜;以及在所述氧化硅膜上設有晶體管;其中所述透明薄膜具有比所述氧化硅膜的熱導率為高的熱層率。
全文摘要
薄膜半導體器件，例如TFT及其制造方法。TFT形成在絕緣襯底上。在該襯底上先形成基本上為非晶半導體涂層。再在該涂層上形成對激光輻射透明的保護涂層。用激光輻射照射該疊層，以改善半導體涂層的結晶度。然后，除去保護涂層使半導體涂層的表面露出。形成柵絕緣膜的涂層，隨后形成柵電極。還涉及在絕緣襯底上制造半導體器件，例如TFT。形成主要由氮化鋁組成第1涂層后，再形成主要由氧化硅組成的第2涂層，其上可制作半導體器件。
文檔編號H01L21/77GK1085352SQ9310987
公開日1994年4月13日 申請日期1993年7月6日 優先權日1992年7月6日
發明者山崎舜平, 張宏勇, 竹村保彥 申請人:株式會社半導體能源研究所