半導體器件及其制造方法

專利名稱：半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種制造半導體器件的方法，通過在由玻璃或類似物制成的絕緣襯底上或各種襯底上形成的絕緣膜上淀積非單晶硅(下文稱Si)膜制備半導體器件，如薄膜晶體管(TFT)、薄膜二極管(TFD)、以及包括晶體管和二極管的薄膜集成電路，特別是用于有源液晶顯示器(LCD)的薄膜集成電路。
近來已開發出一種半導體器件，其中的TFT被裝配在由玻璃或類似物制成的一種絕緣襯底上，如有源液晶顯示器，和一圖象傳感器，其中的TFT被用于驅動用象素。
一般薄膜Si半導體被用于上述器件中使用的TFT。上述薄膜Si半導體包括兩種類型半導體，它們是非晶Si半導體(a-Si)和結晶Si半導體。非晶Si半導體被使用得最普遍，因為它易于在低溫用汽相工藝制造，而且適于批量生產；但其導電性比結晶Si半導體低。
所以，人們強烈要求產生一種由結晶Si半導體來制作TFT的制作方法，可得到下文將述的高速特性。作為一種結晶Si半導體，多晶硅，微晶硅，包括結晶成分的非晶硅以及介于結晶和非晶中間狀態的半導非晶硅都是公知的。
作為薄膜結晶Si半導體的制作方法，下列方法是公知(1)直接淀積結晶膜。
(2)首先淀積非晶體半導體膜，然后用激光束能量使其結晶。
(3)首先淀積非晶半導體膜，然后長時間施加熱能(退火)使其結晶。
然而，用1)所述的方法在一個襯底的所有表面上形成有良好的半導電特性的膜，在技術上也是困難的。該法還有一個成本問題，低廉價格的玻璃襯底是不能使用的，因為膜的形成溫度是600℃或更高。用此法在低溫淀積其有良好特性的膜是困難的。當晶體垂直于襯底生長時，用此方法形成膜不適于具有均勻電導率的TFT。
例如，若將現今使用最普遍的準分子激光器用于2)所述的方法，該法也有生產量低的問題，因為激光束輻照的面積小。該法還有另一個問題，激光的穩定性不足以在大面積襯底的所有表面上形成均勻的膜。還有，該法還要求在真空中用激光輻照和加熱襯底，以使結晶完好。所以該法也存在著生產量的限的問題。
與(1)和(2)所述方法相比，(3)所述方法有其優越性，可用該法加工大面積的襯底。然而，此法也要求600℃或更高的溫度，加熱在其上形成非晶膜的襯底。若使用低廉的玻璃襯底，加熱溫度必定降低。特別是在現在，LCD屏變得愈來愈大，所以，對于這種大屏幕來說要求使用大尺寸的玻璃襯底，若使用大尺寸的玻璃襯底，則存在一個嚴重的問題，即制作半導體器件必不可少的加熱工藝將引起收縮和撓曲，這將降低掩模對準的精確度。特別是，使用現今應用得最普遍的由Corning公司生產的由No.7059玻璃制造的襯底，在593℃的溫度就發生撓曲，由于加熱在現有結晶工藝中會發生嚴重的形變。在常規工藝中結晶所要的加熱時間超過20～30小時，所以既要求降低加熱溫度，又要求縮短加熱時間。
本發明之目的在于提供解決上述問題的途徑。詳述之，其目的在于提供一種在較低的加熱溫度獲得良好結晶的工藝，換言之，減低玻璃襯底在使用一種靠加熱使由非晶硅制成的膜結晶的方法中的作用。
本發明的另一個目的在于提供一種降低或去掉已加入到硅膜中的金屬元素(催化金屬元素)以促進結晶化的途徑。
按本發明的第一種工藝，在一種包含10～90％的氯氣，諸如氯化氫(HCl)、四氯化碳(CCl4)及四氯化硅(SiCl4)或氟氣，諸如三氟化氮(NF3)及六氟化二碳(C2F6)的環境氣氛中，用強光輻照在被促進結晶化的金屬元素結晶的硅膜表面，選擇加熱結晶的硅膜。在用強光輻照過程中，用微波或高頻激發產生的等離子體具有促進反應的效果。
如果根據本發明輻照強光束，如介于近紅外線和可見光之間的光，最好波長為0.5～4μm的光(例如峰值波長為1.3μm的紅外線)，只要求光束輻照10～1000秒的較短時間，加熱硅膜表面，直至900～1200℃。因上述波長的光被硅膜吸收，而基本上不被襯底吸收，若光束只輻照上述的短時間，能對Si膜選擇加熱，而對襯底不起作用。
尤其是可見光，特別是0.5μm或更短波長的光被本征或基本上本征的非晶硅吸收得很好，能轉變為熱。波長為0.5～4μm的近紅外線或可見輻射能有效地被本征或基本上本征只含1017cm-3或更低的磷或硼的結晶硅膜吸收，能轉變為熱。另一方面波長為10μm或更長的遠紅外輻射被玻璃襯底吸收，能轉變為熱。然而，若大多數光是波長4μm或更短的光，僅有很少一點光被玻璃吸收。即，波長為0.5～4μm的近紅外線或可見輻射適宜來選擇加熱在玻璃襯底上形成的結晶Si膜。
若使用的是波長短于上述光的紫外線，它們不僅被Si膜吸收，同時也被大多數襯底材料吸收，因面，輻照光的最合適的時間應更短。例如，對波長為248nm的光，則要求上述時間為1秒或更短。若上述光輻照時間長于上述時間，光將被襯底吸收很多，這將引起襯底的形變。如上所述，光的總量必須這樣來選擇，用光輻照極短的時間即能使硅膜表面的溫度暫時超過1000℃。由于Si膜表面的溫度的瞬時上升或下降使第一次輻照不能完全氧化Si膜。所以，要求多次輻照。在此情況下，所形成的氧化膜的厚度與輻照次數有關。
用準分子激光器一類的脈沖振蕩激光作光源，以其紫外線輻照上述的極短時間是理想的。各種準分子激光器發射脈寬為100ns或更短的激光。可使用一種等效于激光的光。
當襯底溫度為600℃或更低時，最好為400℃或更低，同時根據本發明用強光束輻照襯底上形成的膜，可增強氧化作用。
在上述高溫下，Si膜中的一種金屬元素將與環境氣氛中的氯氣或氟氣反應，盡管這種反應進行的時間極短，便在Si膜表面已形成金屬氯化物或氟化物。因其沸點低，而蒸發到環境氣氛中，減低了硅膜中此種金屬元素的濃度。還有，在強光輻照工藝完成后，也可用純水清洗Si膜表面，完全去掉所形成的金屬氯化物或氟化物。用上述工藝還可以同時去掉Si膜中所含的其余元素，例如硅性元素，如鈉和鉀。
在此類退火中，Si膜往往起皮，因Si膜和襯底的熱膨脹系不同及所說Si膜表面和所說的襯底和所說的Si膜間的界面之間的溫度差異所致。若膜覆蓋整個襯底或襯底的大面積上，膜的起皮尤為明顯。因而，最好的將膜分割成適宜的小面積，充分拉開膜與膜之間的間距，不吸收過量的熱來防止膜的起皮。因為根據上述方法可防止經Si膜使整個襯底被加熱，可把襯底因熱而收縮限制到最小程度。
因輻照強光使膜的溫度上升，更促進了Si膜的結晶化，這是本發明的第二位的效果。人們觀察到，在由添加的鎳使Si膜結晶過程中，針狀晶體不是在膜厚的方向而是沿襯底表面的方向生長。上述針狀晶體的寬度大約是Si膜厚度的0.5～3倍，橫向即沿側邊方向不怎么生長。因而，在晶體之間留下非晶區或程度正好與它們相同的結晶區。在上述非晶區內，甚至經長時間退火也未完全結晶化，若將此類半導體用于TFT，則完全會發生不能增強TFT特性的問題。
根據本發明采用強光束輻照工藝可獲得600℃或更高的高溫，本發明有助于促進上述僅在低程度結晶的面的進一步結晶化。即，這是因為根據本發明，晶體沿針狀晶體側面外延生長，使非晶區結晶。
根據本發明，當用強光輻照時，可被熱能形成許多硅的懸空鍵。在含氫的氣氛中在200～450℃溫度下的熱退火可減少(即中和)這些懸空鍵，可以增強各種半導體器件，如薄膜晶管(TFT)和薄膜二極管(TFD)的特性和可靠性。
在根據本發明方法的第二種工藝中，在含10～90％的氯氣或氟氣的氧化環境氣氛中，在由催化劑金屬元素結晶的受熱Si膜表面上形成氧化。就氧化溫度而論，以不使襯底翹曲或收縮的溫度是理想的。例如，在550℃的溫度下，在該膜的表面上，形成厚度為40～100的氧化膜。
此時，用微波或高頻激發產生的等離子體具有促進反應的效果。在上述氣氛中，不僅可用加熱法，而且也可用強光輻照法形成氧化物。
存在于Si膜內，特別是靠近表面大量金屬元素被上述氧化膜的形成選擇吸收到氧化物中。然后，在腐蝕工藝中，去掉所說的氧化膜，可將此類金屬元素除掉或減少。在此類工藝中，通過熱氧化和輻照強光的氧化將熱能或光能賦給該Si膜，同時改善了該硅膜的結晶性。
在此類強光束輻照工藝之后，再次實行退火，還可進一步增強本發明的效果。
根據本發明，如上所述硅膜中的催化劑金屬元素作為氯化物或氟化物被淀積在Si膜的表面，或蒸發或大量轉移成氧化物再腐蝕掉。其結果是Si膜中的金屬元素的濃度可降至工藝處理前的五分之一或更低。同時，在氧化過程中用輻照強光或加熱使Si膜變熱，可以增強結晶化。即使用強光輻照玻璃襯底，它幾乎不怎么吸收紅外線，因而不用加熱即可實行光退火，以致在工業上因為軟化或收縮而不能使用玻璃襯底。
在根據本發明方法的第三種工藝中，在600℃或更低的溫度下由熱而結晶的非單晶半導體膜上輻照強光或激光，以便促進過一步結晶化。同時因輻照強光或激光，也使所說膜的性能致密。第三種工藝之特征在于上述膜性能致密。詳述之，在所說的第三種工藝中，用激光輻照在所說的硅膜上，或用近紅外線和可見光之間的光，最好是波長為0.5～4μm的光，例如峰值波長為1.3μm的紅外線，在所說的硅膜上輻照約10～1000秒較短的時間。加熱促進結晶化。第三種工藝之特征在于促進結晶化。理想的是所用光的波長基本上被吸收到Si膜，而不被玻璃襯底吸收。還有在此種退火中，因為Si膜和襯底熱膨脹系數之間的不同以及Si膜表面和襯底與Si膜間的界面溫度的差異，常使Si膜起皮。若膜覆蓋在整個襯底上，則起皮尤為明顯。所以，將膜全分割成小面積并使膜與膜之間留出足夠的間隔，使之不吸收過量的熱量，防止膜的起皮。因為通過Si膜僅加熱襯底表面的一部分，則可將由熱導致的所說襯底的收縮抑制到最小。
本發明包括第一步，用退火產生結晶硅膜；第二步，實行與對Si膜刻圖有關的工藝處理；以及第三步，用強光加熱該Si膜。在第二和第三步工藝之間，在Si膜上可形成用于第三步工藝不吸收光(即透過強光)的絕緣膜。該絕緣膜可由氮化硅或氧化硅制成。對在第三步工藝實行的輻照，可使用激光。
可見光，特別是波長短于0.5μm的光能很好的被本征或基本上本征的非晶硅吸收并能轉變為熱。按根據本發明的一種工藝，波長為0.5μm～4μm的光被用于輻照。上述波長的光可有效地被本征或基本上本征(含1017cm-3或更低的磷或硼)的結晶硅膜所吸收，并能轉變為熱。波長為10μm或更長的極遠紅外線可被玻璃襯底吸收，使所說的襯底變熱，然而，若大多數光的波長為4μm或更短，玻璃就不怎么變熱。即為使結晶硅膜進一步結晶，則要求波長為0.5～4μm的光。
在采取使用促進已結晶的硅結晶化的金屬元素，如鎳進行結晶化的作本發明的上述的第一步、以便在此普通固相晶體生長溫度低的溫度下實現結晶化的情況下，本發明的效果是顯著的。適宜于本發明可促進結晶化的元素，可使用屬于第八族元素的Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir以及Pt。也可以使用屬于3d元素的Sc、Ti、V、Cr、Mn、Cu及Zn。還有實驗證明，Au及Ag也能促進結晶化。在上述元素當中，Ni具有顯著的效果，并用由它結晶的結晶硅膜校驗TFT的運作。
顯而易見，在添加這些元素中任一種元素的Si膜中，針狀晶體不是在膜厚的方向而是沿襯底表面的方向生長。然而，整個表面不是均勻結晶，在晶體之間留下非晶區或結晶低到與非晶區相同程度的區域。
如上所述，在Si膜中添加這些金屬元素中的任一種，晶體生長成針狀，然而，它們幾乎不怎么橫向即不沿其側向生長。上述針狀晶體的寬度大約為Si膜厚度的0.5～3倍。因而，在所說的非晶區，經長期退火結晶化是不完全均勻的。若TFT使用了帶有上述非晶區的半導體，就發現了TFT特性未完全增強的問題。
本發明的第三步，通過在800～1300℃(用熱電偶與硅接觸測量)有助于促進位于針狀晶體如梳齒狀之間結晶度低的區的進一步結晶化。這是因為晶體沿針狀晶體側面方向外延生長，使非晶區結晶。
在400～650℃，典型的在500～600℃溫度下退火結晶的薄膜Si半導體中，除有源元件，例如形成薄膜晶體管(TFT)的區域之外的部分可在圖形轉移和腐蝕工藝中去掉。用輻照可見輻射或近紅外線，硅膜可被選擇加熱，促進其進一步結晶化，使針狀晶體橫向生長的疏散區如島區的結晶。此時，因玻璃襯底或類似物幾乎不吸收紅外線，不用加熱可實施光退火，以致于因為軟化或收縮使所說的玻璃襯底不能經在工業上使用。
特別是，若在退火中使用促進結晶化的金屬元素，通過促進沿結晶不充分的針狀晶體側向的結晶化，可產生結晶很致密的半導體薄膜。上述的實施例1表示，根據本發明，例如用Raman波譜儀可增大Si膜中的結晶區。
實施例2～4表示根據本發明制作的TFT工藝的實例。
根據本發明另一方面的制造半導體器件的一種方法包括在一襯底上形成含有催化元素的非單晶硅膜；經熱退火使非單晶硅膜結晶；形成呈島狀的非單晶硅膜的圖形；用光輻照非單晶硅膜促進其結晶化；在圖形中形成柵電極；用柵電極作掩膜，將雜質引入圖形；以及加熱使雜質激活。


圖1(A)～圖1(E)表示根據實施例1和2的TFT制造工藝。
圖2(A)～圖2(E)表示根據實施例3的TFT制造工藝。
圖3(A)～圖3(E)表示根據實施例4的TFT制造工藝。
圖4表示用Raman波譜儀測得的根據實施例1制成的Si膜的結果。
圖5(A)～圖5(B)表示在實施例1所設定的溫度的實例。
圖6(A)～圖6(E)表示根據實施例5的TFT的制造工藝。
圖7(A)～圖7(E)表示根據實施例6的TFT制造工藝。
圖8(A)～圖8(E)表示根據實施例7的TFT制造工藝。
圖9(A)～圖9(E)表示根據實施例8的TFT制造工藝。
實施例1涉及在玻璃襯底上形成的Si薄膜結晶度的改善。將參照圖1(A)～(C)給以說明。首先，通過濺射在襯底101(No.7059，CorningInc制)形成厚200的氧化硅底膜102，然后，設置一金屬掩模或氧化硅或氮化硅制的掩模103。在掩膜103的狹縫處露出所說的底膜102。即，當從上看圖1(A)所示的狀態，在所說的狹縫處露出所說的底膜102，而其余部分被掩蔽。設置掩模103之后，通過濺射，在100所示的區域上選擇淀積5～200，例如20厚的鎳膜。鎳被選擇引入所說區域100。
然后，去掉掩模103。通過等離子CVD淀積厚300～1500，如800的本征(I型)非晶Si膜。
接著，在不活潑的氮氣氣氛(低于常壓)在550℃溫度下退火8小時或在600℃退火4小時，使所說的本征非晶硅膜結晶。在選擇淀積鎳膜的所說區域100，所說的結晶Si膜104是垂直于所說的襯底101結晶的。如箭頭105所示，晶體生長從所說的區域100開始，在除所說的區域100的區域內朝橫向(平行于襯底)進行(圖1(B))。
在此工藝之后，對Si膜光刻腐蝕10～1000μm通過圖形轉移和腐蝕工藝在襯底上形成許多個100μm見方的島狀Si膜104’。用峰值為0.5～4μm，在本工藝中用0.8～1.4μm的可見光或近紅外線或激光輻照30～600秒，以促進所說的Si膜104’的結晶化(圖1(C))。
對紅外線的光源，使用鹵素燈。可見光和近紅外線的強度調節到，從監視器上測出的單晶硅片上的溫度可在800～1300℃，典型值為900～1200℃。
具體地講，監視埋入Si片的熱電偶的溫度，將其值返饋給紅外線的光源。在實施例1中，溫度的上升或下降如圖5(A)和5(B)所示。溫度以50～200℃/S的恒定速率上升，通過自然冷卻以20～100℃/S的速度下降。
圖5(A)表示由升溫時間‘a’、恒溫時間‘b’及降溫時間‘c’三步過程組成的普通溫度操作過程。然而，在此情況下，當襯底被快速地從室溫到1000℃的高溫加熱，然后快速地從高溫到室溫冷卻時，該變化對Si膜和襯底具有極大的影響，而使Si膜起皮。
為解決此問題，如圖5(B)所示，擬定預熱時間‘d’和后加熱時間‘f’，最好是在恒溫時間之前，將襯底保持在200～500℃的溫度，這對襯底和Si膜就沒有顯著的影響。
較理想的是為輻照紅外線時，在所說的襯底上形成氧化硅或氮化硅膜作為保護膜。這是因為能使Si膜104的表面狀態保持得較好。因而，所說的保護膜在H2氣氛中形成的。在所說的H2氣氛中可混入0.1～10％的HCl、氫的鹵化物、氟化物、氯化物及溴化物的混合物。
因對結晶的Si膜實行選擇可見光和近紅外線的輻照，因而可將對玻璃襯底的加熱抑制到最低程度。這種方法對降低Si膜中的缺陷或懸空鍵是很有效的。在加熱結晶工藝之后輻照可見光或近紅外線也是極其重要的。若突然將紅外線輻照在非晶Si膜上，未經事先退火結晶，不可能得到良好的晶體。
圖4表示根據實施例1制得的結晶Si膜的Raman波譜。“C-Si”表示作為參考樣品測得的單晶硅片Raman掃描的強度。圖4中的“1100℃，180sec”是指輻照紅外線的溫度是1100℃、輻照180秒。如圖所示，Raman散射的強度隨紅外線的輻照而增強，然而，它表示晶體的體積百分比的增加。以此方式，使結晶化不充分的區域，經過輻照紅外線而結晶。
實施例2描述如圖1(A)～(E)所示，通過在玻璃襯底上形成的結晶Si膜，形成P溝TFT(PTFT)和N溝TFT(NTFT)的互補電路的工藝過程。實施例2的構形用于有源LCD的象素電極的開關元件、外圍驅動電路、還有圖象傳感器以及集成電路。
圖1表示根據實施例2的工藝的剖面圖。首先，通過濺射在襯底101(No.7059，Corning Inc制)上淀積厚2000的氧化硅底膜102。當所說的襯底被冷卻到發生撓曲的溫度(下文稱撓曲溫度)時，或在底膜淀積之前或之后，在比撓曲溫度高的溫度將襯底退火之后，以0.1～1.0℃/min降溫，可降低在后序的，使所說的襯底溫度上升的工藝(包括根據本發明的紅外線輻照)中所說的襯底的收縮，并簡化了掩模的對準。理想的是在將No.7059襯底(Corning Inc制)在620～660℃溫度退火1～4小時之后，以0.1～1.0℃/min最好以0.1～0.3℃/min工在溫度下降到450～590℃時取出襯底。
在所說的底膜淀積之后，設置由氮化硅膜等等形成的掩膜103。通過掩模103的狹縫露出底膜102。即，當從上方觀看圖1(A)所示的狀態，通過所說的掩膜的狹縫露出底膜102，其余部分被掩蔽。在設置掩模103之后，通過濺射在區域100選擇淀積厚5～200例如厚20的硅化鎳膜(化學式NiSiX，0.4＜X＜2.5例如X＝2.0)。鎳被選擇地引入區域100(圖1(A))。
接著，去掉掩模103，通過等離子CVD淀積厚300～1500例如厚500的本征(I型)非晶Si膜104。在550℃不活潑的氣氛(含低于大氣壓的氮或氬)退火4～8小時，使非晶硅膜結晶。此時，在選擇淀積了硅化鎳膜的區域100內，促進結晶Si膜104沿垂直所說的襯底101的方向的結晶化。在除所說的區域100以外的區域內，如箭頭105(圖1(B))所示促進晶體從所說的區域100橫向(平行于所說的襯低)的生長。
在上述工藝之后，在所說的Si膜上設置圖形，形成分散的有源層104’，如TFT島區。此時，重要的是確定設有晶體生長的前緣存在即設有結晶和非晶Si區域之間的含高濃度鎳的邊界的存在。照此方式，可使源漏之間的遷移不受溝道形成區的影響。綜合考慮TFT溝道的長度和寬度，規定有源層104’的尺度。該有源層最小尺寸為50μm×20μm，最大尺寸為100μm×1000μm。
在一襯底上形成大量的此種有源層。通過輻照峰為0.5～4μm的紅外光或激光，根據本實施例輻照30～180秒，進一步促進所說的有源層的結晶。對所說的層的溫度應當為800～1300℃，一般為900～1200℃。在本實施例中，當輻照紅外線或激光時，溫度為1100℃。為較好的保持有源層表面的狀態，在含H2的氣氛中實行輻照。正如在本工藝中那樣，有源層被選擇加熱，將玻璃襯底上的熱抑制到最小限度。對降低有源層中的缺陷或懸空鍵(圖1(C))，選擇加熱是很有效的。
然后，通過等離子CVD淀積厚1000的氧化硅膜106作柵絕緣膜。對于化學汽相淀積(CVD)中所用的材料氣體使用四乙氧基硅烷(TEOS，Si(OC2H5)4)和氧，在淀積工藝中襯底的溫度應是300～550℃。本實施例中當淀積氧化硅膜時的襯底溫度是400℃。
當淀積作為柵絕緣膜的氧化硅膜106之后，再次通過輻照可見光或近紅外線實施退火。由于退火，可能取消主要在氧化硅膜106和硅膜104間界面及靠近界面的能級。退火對絕緣柵場效應半導體器件是極其有用的，器件中柵絕緣膜和溝道形成區之間界面的特性是極為重要的。
接著，通過濺射淀積厚6000～8000，例如厚6000的鋁(含0.01～0.02％的鈧)。將鋁膜圖形轉移并腐蝕，再形成柵電極107和109。將所說的鋁電極表面陽極氧化，在其表面形成氧化層108和110。在含1～5％的酒石酸的乙二醇溶液中進行陽極氧化。氧化層108和110的厚度為2000。因為氧化層108和110的厚度正是在后序的離子注入工藝中形成柵極區域偏移的距離，所說的偏移柵極區域的長度可在所說的陽極氧化工藝中確定。
然后，用柵電極107和周圍的氧化層108及柵電極109和周圍的氧化層110作掩模，通過離子注入(也稱等離子摻雜)，將P型或N型導電雜質引入有源層區域(包括源、漏和溝道)。把磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)用作摻雜氣體。在前一種情況下，加熱電壓應為60～90KV，例如使80KV。在后一種情況，應是40～80KV，例如使用65KV。劑量應是1×1015～8×1015cm-2，例如摻磷時為2×1015cm-2，摻硼時為5×1015cm-2。摻雜中，通過用光刻膠掩蔽一個區域，選擇摻雜每個元素。其結果，形成N型摻雜區114和116，以及P型摻雜區111和113。這表示形成P溝道TFT(PTFT)區和N溝道TFT(NTFT)區。
然后，輻照激光實施退火。對于激光使用波長為248nm、脈寬為20nsec的KrF準分子激光，但是也可使用其它激光。至于輻照光的條件，能量密度應是200～400mJ/cm2，例如使用250mJ/cm2。至于激光輻照的照射次數應是每個地方照2～10次，例如采用分兩次照射。當輻照所說的激光時，襯底被加熱到200～450℃，以增強其效果(圖1(D))。
在本工藝中，也可用可見光或近紅外線實行燈光退火。可見光或近紅外線容易添加1019～1021cm-3的磷或硼的結晶硅或非晶硅吸收可實行等效于在100℃或更高溫度下退火的有效退火。若摻入了磷或硼，即使近紅外線也能完全被雜質散射吸收。即使用裸眼觀測也可看到，因為它是黑的。另一方面，可見光或近紅外線幾乎不怎會被玻璃襯底吸收。因為玻璃襯底僅被加熱很短時間，玻璃襯底不會被加熱到高溫，僅僅是因為時間短，上述燈光退火是最適宜于發生玻璃襯底收縮工藝的方法。
接著，通過等離子CVD淀積厚6000氧化硅膜118作層間絕緣體。對于所說的層間絕緣體，可以使用聚酰亞胺或氧化硅和聚酰亞胺制成的雙層。再有，形成電接觸孔，并用金屬材料，例如用氮化鈦和鋁的多層模形成TFT的電極和布線117、120和119。最后，在350℃的溫度在低于一個大氣壓氫的氣氛中實行退火30分鐘，完成TFT互補半導體電路(圖1(E))。
具體地說，在本發明中，重要的是在后一步工藝中，在氫氣氛中加熱至250～400℃，使在用可見光或近紅外線的光退火工藝引起的懸空鍵中和。
上述電路是CMOS。在所說的工藝中，可同時形成兩只TFT，將它們從中間割開可同時形成獨立的兩只TFT。
在實施例2中，就摻雜Ni的方法而論，在底膜102上非晶Si膜104之下選擇淀積Ni膜(因為很薄，可能觀察不到膜)，采用由此處實施晶體生長之方法。但是，在形成非晶Si膜104之后，可以選擇淀積硅化鎳膜。即，從非晶Si膜在上面和從下面均可實施晶體生長。也可采用事先淀積非晶Si膜，再通過離子注入將鎳離子選擇摻入所說的非晶硅膜104之方法。上述方法之特點是鎳元素的濃度精確可控。鎳也可以用等離子增強化學汽相淀積(PCVD)或用CVD摻雜。
實施例3涉及在有源LCD中為每個象素設置N溝TFT作開關元件的情況。將討論一個象素的情況，可是大量(一般有數十萬)的其它象素也是以相同的結構形成的。當然，P溝TFT也可用作開關元件來替代N溝TFT。N溝或P溝TFT可用于外圍電路來替代LCD的象素，也可用于圖象傳感器以及其它器件。即，可當作薄膜晶體管使用的TFT也可用于任何目的。
圖2表示根據實施例3的工藝過程剖面圖。在實施例3中，關于襯底201，使用的是No.7059襯底(Corning Inc.制厚1.1mm，300×400mm)。首先，通過等離子CVD淀積厚2000的氧化硅制成的底膜。對于用于CVD的材料氣體，使用的是TEOS和氧。然后，為選擇摻鎳，形成氮化硅膜制成的掩模203，通過濺射淀積厚5～20例如20的鎳膜。如上所述，選擇在區域204形成鎳膜(圖2(A))。
通過低壓化學汽相淀積(LPCVD)或等離子CVD淀積厚100非晶Si膜205。在450℃的溫度下實施1小時脫氫之后，通過退火使非晶Si膜結晶。退火是在550℃溫度的氮氣氛中連續進行8小時。因鎳膜形成在非晶Si膜205下面的區域204內，在此退火中結晶由此處發生。在所說的結晶化中，在形成鎳膜的區域204內，硅晶體是沿垂直于襯底201方向生長的。如圖2(B)中箭頭所示，在未形成鎳膜的區域(區域205)，晶體沿平行于襯底的方向生長(圖2(B))。
在退火工藝之后，將結晶的硅膜刻圖，只留下島狀的TFT的有源層205’，其余的全去掉。此時，重要的是在有源層沒有生長晶體前緣存在，尤其是在溝道形成區沒有生長晶體的前緣存在。具體地講，理想的是圖2(B)所示硅膜205的至少結晶化的前緣和摻鎳的區域204被腐蝕掉，而平行于所說的襯底生長晶體的結晶硅膜205的中部被用作有源層。要防止在所說的前緣集中所含的鎳對TFT的特性有壞的影響，因為鎳被包含在晶體生長的前緣和集中摻雜的區域內。用可見光和紅外輻射輻照在所說的島狀有源層205’上，再用光在1100℃退火30秒。激光可用來替代近紅外線(圖2(C))。
通過等離子CVD在氧氣氛中用TEOS形成氧化硅柵絕緣膜(厚70～120nm，一般為120nm)。此時襯底表面為350℃。然后，用CVD形成主要包含公知的多晶硅的膜，通過圖形轉移和腐蝕形成柵電極207。在所說的多晶硅中添加0.1～5％的作為摻雜劑的磷，以增強電導率。
然后，通過離子注入摻入作為N型摻雜劑的磷，以自對準方式形成源區208，溝道形成區209和漏區210。通過KrF激光輻照，改善于離子注入而使結晶度受到損壞的硅膜的結晶度。此時激光能量的密度為50～300mJ/cm2。通過激光輻照，TFT源或漏的薄層電阻相當于300～8000Ω/□。此工藝中可用可見光和近紅外輻射經進行光退火(圖2(D))。
然后，用氧化硅或聚酰亞胺形成一層絕緣體211，再用ITO形成象素電極212。形成電接觸孔在TFT的源或漏區用鉻或鋁多層膜形成電極213和214。一個電極214還與ITO 212相連接。最后，將通過所有上述工藝的襯底在200～400℃溫度的氫氣中作2小時退火，使之氫化。結果，完成TFT。在許多其它象素區也同時實施此工藝。為增強耐濕性，在整個襯底的表面上用氮化硅形成鈍化膜(圖2(E))。
因為使用已經受沿載流子運動方向晶體生長的結晶硅膜作為本實施例制作的TFT的包括源、漏和溝道形成區的有源層，載流子不會跨過晶粒的邊界，即載流子沿針狀晶體的晶粒邊界運動。因而，可得到具有高載流子遷移率的TFT。按實施例3制作TFT是N溝型，其遷移率為90～130(cm2/Vs)。與已有的使用通過在600℃溫度經48小時退火而結晶化獲得結晶硅膜的N溝TFT的50～70(cm2/Vs)遷移率相比較，上述N溝TFT具備大大增強的特性。若未用可見或紅外輻射或激光輻照實行退火，遷移率基本上是低的，開-關速率也是低的。這揭示用強烈的輻照或激光促進結晶化的工藝對增強TFT的可靠性是有用的。
參考圖3，描述實施例4。首先，在玻璃襯底301上形成底膜302，再通過等離子CVD淀積厚300～800非晶硅膜304。使用與實施例1相同的厚1000的氧化硅掩模303在區域300形成鎳膜。然后，在550℃在溫度使上述襯底退火8小時，以使硅膜304結晶。此時，晶體生長如箭頭305所示平行于襯底(圖3(A))。
然后，在硅膜304上作圖形轉移并腐蝕該膜，形成有源層區如島區306和307。此時，由300表示的區域是直接摻雜并含有高濃度鎳的區域。在晶體生長的邊緣，如實施例2和3所示，也含有高濃度的鎳。經證實，在這些區域內，鎳的濃度與上述區域之間的結晶區相比要高出近一位數。因而，在本實施例中，通過在除高濃度鎳區域以外的區域做圖形轉移并腐蝕形成有源元件，例如為形成TFT的區域。有源層區306和307。即，有意地排除含鎳濃度高的區域。通過在垂直方向具有各向異性的反應離子刻腐(RIE)腐蝕有源層區。本實施例中有源層內鎳的濃度近似為1×1017～1×1019cm-3(圖3(B))。
在本實施例中，用有源層306和307獲得互補TFT電路。即，在這點上，在本實施例的電路中，PTFT和NTFT是隔開的，所說的電路與實施例2的圖1(D)所示的電路是不同的。即，在圖1(D)所示的構形中，兩個TFT的有源層是相連的，而在中間區域的鎳的濃度是高的。然而，本實施例具有在任何部位鎳濃度都是低的特性。因而，增強了動作的穩定性。
然后，通過等離子CVD淀積厚200～3000的氧化或氮化硅膜308。同實施例2一樣，通過可見或近紅外輻射或激光輻照實行燈光退火。情況與實施例3相同。在本實施例中，當輻照可見或近紅外輻射或激光時，在有源層表面形成氧化硅或氮化硅的保護膜308，因而可防止由紅外輻射或激光輻照所引起的粗糙或污染(圖3(C))。
在可見或近紅外輻射或激光輻照之后，去掉所述保護膜308。然后，與實施例2(圖3(D))相同形成柵絕緣309、柵電極310和311，再形成層間絕緣體312、在所說層間絕緣體內的電接觸孔以及金屬布線313、314和315(圖3(E))。
如上所述，形成了互補TFT電路。在本實施例中，在輻照可見或近紅外輻射或激光時，在有源層表面上形成保護膜，防止該表面的粗糙或污染。本實施例的特性(電場遷移率和閾值電壓)和可靠性極好。
實施例5涉及用形成在玻璃襯底上的結晶硅膜的P溝TFT(PTFT)和N溝TFT(NTFT)的互補電路。上述本實施例的構形可用于象素電極和開關元件的有源LCD、圖象傳感器以及集成電路的外圍驅動電路。
圖6表示根據實施例5的工藝的半導體器件剖面圖。首先，通過濺射在No.7059襯底(Corning Inc制)淀積厚2000的氧化硅底膜402。在底膜淀積之前或之后在所說的襯底在比撓曲溫度還高的溫度下退火之后，當所說的襯底以0.1～1.0℃/min冷卻到比在所說的襯底發生撓曲的溫度還低時，所說的襯底很少在溫度上升的后序工藝(包含本發明的輻照近紅外輻射)中收縮并易于掩模對準。在No.7059襯底(Corning Inc.制)的情況下，理想的是在620～660℃溫度退火1-4小時后，以0.1～1.0℃/min，最好以0.1～0.3℃/min冷卻，當所說的襯底溫度降至450～590℃時，取出襯底。
在淀積底膜之后，形成氮化硅膜等的掩膜403。通過掩膜403的狹縫露出底膜402。即，圖6(A)所示是從上方看到的狀態，底膜402在狹縫露出，而其余部分被掩蔽。在形成所說的掩膜403之后，在以400表明的區域選擇淀積厚5～200例如厚20的鎳膜。在此情況下，鎳是被選擇摻入所說的區域400內的(圖6(A))。
接著，去掉所說的掩模403，再通過等離子增強CVD淀積厚300～1500例如厚500的本征(I型)非晶硅膜404。將上述襯底在不活潑的氣氛(含不足一大氣壓的氮或氬)在550℃退火4～8小時，以使所說的非晶硅膜結晶。此時，在選擇淀積鎳膜的所說的區域400內，促進結晶硅膜404垂直于所說的襯底401的結晶化。在除區域400以外的區域，促進晶體從箭頭所示的區域400橫向(平行所說的襯底方向)生長。通過用SIMS和TEM分析證明；在首先摻鎳的區域或結晶化邊緣存在的區域內(圖6的陰影部分405)鎳的濃度都是高的(圖6(B))。
在此工藝之后，在硅膜上作圖形轉移，形成島狀的TFT有源層404’。
此時，在將成為溝道形成區那部分沒有晶體生長的邊緣(即結晶硅區和非晶硅區之間的鎳濃度高的邊界)存在。這種設計規范能減小鎳元素對載流子在源和漏之間在溝道形成區內遷移的影響。綜合考慮TFT溝道的長度和寬度來確定有源層404’的尺寸。小的為50μm×20μm，大的為100μm×1000μm。
在所說的襯底上大量形成此類有源層。用峰值波長為0.5～4μm例如0.8～1.4μm的可見或近紅外輻對置于含10～90％，例如30％的氯化氫的氫氣氛中的襯底輻照30～180秒。除了所說的氯化氫，可使用四氯化碳，四氯化硅、三氟化氮及六氟化二碳。
可使用鹵素燈作為可見或近紅外輻射的光源。調節可見或近紅外輻射的強度，使得由監測器送出的單晶硅片表面的溫度在800～1300℃一般在900～1200℃。具體地說，監測埋入硅片中熱電偶的溫度，再返饋到紅外輻射光源。在本實施例中，溫度的上升或下降如圖5(A)或(B)所示。溫度增高率保持恒定，使其以50～200℃/秒升高。靠自然冷卻，使溫度以20～100℃/秒下降。
圖5(A)表示包括升溫時間a、恒溫時間b及降溫時間c三步的一般溫度升降過程。但是，就此情況而論，所說的襯底從室溫被加熱到1000℃高溫或從高溫迅速冷卻到室溫，這種溫度的快速升降對硅膜或所說的襯底具有極大的影響，可使所說的硅膜起皮。
為解決此問題，理想的是，規定預熱時間‘d’及后加熱時間‘f’，并且在溫度達到所說的恒溫時間之前，使所說的襯底或膜保持在對襯底或膜沒有顯著影響的溫度200～500℃。
因為這種可見或近紅外輻射的輻照選擇加熱結晶的硅膜，可將對玻璃襯底的加熱抑制到最小。因為這種輻照是在含氫的環境氣氛中完成的，上述工藝規范對降低硅膜中的缺陷或懸空鍵很有效果。在用可見或近紅外輻射輻照之后，將硅膜在純水中清洗。
按此方式，去掉有源層如島狀404’中所含的鎳。根據SIMS數據分析，若不進行可見或近紅外輻射輻照，TFT溝道形成區內鎳的濃度為5×1018cm-3或更高。但在本實施例中，用可見或遠紅外輻射照射將濃度抑制到1×1018cm-3(測量極限)或更低。
在此工藝之后，對硅膜實施圖形轉移并腐蝕成10～1000μm大小。例如，進行圖形轉移形成100μm見方的尺度，在所說的襯底上形成許多島狀404’Si膜。然后，對所說的襯底用峰值為0.5～4μm例如0.8～1.4μm的可見或近紅外輻射輻照30～600秒，以促進所說的Si膜404’的結晶化(圖6(C))。
通過等離子增強CVD淀積厚1000的氧化硅膜作為柵絕緣膜。使用TEOS(Si(OC2H5)4)和氧作為CVD的材料氣體。淀積過程中襯底的溫度應是300～550℃例如為400℃。
淀積作為柵絕緣膜的氧化硅膜406之后，再用可見或近紅外輻射輻照可使所說的襯底退火。經光退火，主要可壓低氧化硅膜406和硅膜404間的界面處和界面附近的能級。這對柵絕緣膜和溝道形成區的特性極其重要的絕緣柵場效應半導體器件來說是極為有用的。
然后，通過濺射淀積厚6000～8000，例如6000的鋁(含0.01～0.2％的鈧)。對鋁膜進行圖形轉移并腐蝕，形成柵電極407和409。再使鋁電極的表面陽極氧化，在表面形成氧化層408和410。在含1-5％酒石酸的乙二醇溶液中實行陽極氧化。形成的氧化層408和410的厚度為2000。因為氧化層408和410的厚度等價于后序離子注入工藝中偏移柵極區的距離，所以在陽極氧化工藝中可確定偏移柵區的長度。
接著，通過離子注入(也稱等離子增強摻雜)在有源層區(包括源/漏和溝道)滲入P型或N型導電的摻雜劑。此時，用柵電極407及其周圍氧化層408和柵電極409及其周圍的氧化層410作為掩膜。使用磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)作摻雜氣體。對前一種情況，加速電壓就是60～90KV，例如80KV。對后一種情況，加速電壓應是40～80KV，例65KV。劑量就是1×1015～8×1015cm-2，例如磷的劑量為2×1015cm-2，硼的劑量為5×1015cm-2。在注入中，通過一區域淀積光刻膠，選擇摻入每種元素。結果，形成N-型摻雜區414和416及P型摻雜區411和413而形成P溝TFT(PTFT)區及N溝TFT(NTFT)區。
然后，用激光輻照完成退火。使用KrF準分子激光(波長248nm，脈寬20ns)作激光，但其它激光也可使用。致于激光的輻照條件，能量密度應200～400mJ/cm2，輻照次數應為每個地方2～10次，例如輻照兩次。在激光輻照之同時，可將襯底加熱至200～450℃，以增強其效果(圖6(D))。
對于此工藝中的退火輻照，可使用可見或近紅外輻射來替代激光。可見或近紅外輻射易被添加1019～1021cm-3磷或硼的結晶硅或非晶硅所吸收。因而，可完成等效于襯底表面溫度為1000℃或更高的有效退火。當摻入磷或硼時，即使是近紅外輻射也能靠雜質散射而完全被吸收。另一方面，因為光幾乎不怎么被玻璃襯底吸收，所說的襯底未被加熱到高溫。因用光退火不需要長時間，這對玻璃襯底的收縮成為問題的工藝是最合適的方法。
然后，通過等離子增強CVD淀積厚6000的氧化硅膜418作為層間絕緣體。可使聚酰亞胺或氧化硅和聚酰亞胺雙層膜作層間絕緣膜。再形成接觸孔，并用金屬材料，例如用氮化鈦同鋁的多層膜形成TFT的電極和布線417、420和419。最后，在低于一大氣壓下含氫的環境氣氛中在200～450℃，如350℃進行退火30分鐘，制成TFT互補半導體電路(圖6(E))。
在本發明中，特別重要的是在最后工藝中，將襯底在250～400℃的溫度含氫的環境氣氛中加熱，來中和在用可見或近紅外輻射退火的工藝中所引起的懸空鍵。
上述電路是PTFT和NTFT的互補電路(CMOS)，然而以及此工藝也可同時制成兩個TFT，也可從中間分割開同時制兩個獨立的TFT。
對于本實施例中的摻鎳方法，因為鎳膜很薄不可能觀察到膜，它選擇形成于非晶硅膜404之下底膜402之上，而采用從所說的鎳薄膜進行晶體生長的方法。便也可采用在非晶硅膜404形成之后再選擇淀積鎳膜的方法。即可從非晶硅膜的上表面進行晶體生長，也可從下面進行晶體生長。還可以采用事先淀積非晶硅膜、再離子注入，將鎳離子選擇注入到所說的非晶硅膜404的方法。此情況之特點在于，鎳元素的濃度可被嚴格控制。還可使用等離子增強CVD或CVD。
實施例6涉及作為為每個有源LCD象素設置的開關元件的N溝TFT。下面給出對一個象素的描述；但以相同的構形可形成許多其它(一般有數十萬個)象素。當然，可使用P溝TFT替代N溝TFT。也可以為外圍電路區域設置N溝TFT，而不為LCD象素設置NTFT。N溝TFT也可以用于圖象傳感器或其它器件。即，若作為薄膜晶體管使用，則可用于任何目的。
圖7表示實施例6工藝的剖面圖。在實施例6中，使用No.7059玻璃襯底(Corning Inc.制厚1.1mm 300×400mm)作襯底501。首先，經等離子增強CVD淀積厚2000的底膜502(氧化硅)。使用TEOS和氧作CVD的材料氣體。再經LPCVD淀積厚300～1500例如800的硅膜505。為進行選擇摻鎳，由氮化硅膜形成掩膜503。經濺射淀積厚5～200例如20的鎳膜。以此方式，在面積504，硅和鎳膜是選擇接觸的。
在450℃溫度對襯底脫氫1小時之后，經退火使其結晶。在此退火工藝中，使襯底在600℃溫度含氮的環境氣氛中退火4小時。當在的說的退火工藝中，在非晶硅膜505之上的區域504之內形成鎳膜，在所說的區域內發生結晶化。在結晶化中，在未形成鎳的區域(除區域504以外的區域)促進晶體沿平行于所說的襯底，如圖7(B)箭頭所示方向生長。正好在的說的區域504之下和在結晶化的前緣形成含鎳濃度高的區域506。
在所說的退火工藝之后，對結晶硅膜進行圖形轉移，腐蝕掉其它區域，只留下島狀的TFT的有源層505’。此時，確定襯底，使在有源層尤其在溝道形成區無晶體生長的前緣存在是極為重要的。
具體來講，理想的是，腐蝕掉圖7(B)所示硅膜505的至少結晶化的前緣和摻鎳區域504，使用結晶硅膜505中晶體沿平行于襯底方向生長的中間部分作有源層。要防止含鎳濃度高的邊緣對TFT特性持有不良的影響，因為在晶體生長的前緣和摻鎳區，含鎳濃度是高的。
然后，將襯底置于氯化氫和氧的混合氣體(一大氣壓，氯化氫/氧＝1/4)中，在550～650℃的溫度例如600℃熱氧化島狀有源層505’1小時。使用四氯化碳、四氯化硅、三氟化氮和六氟化二碳可替代氯化氫。結果，在島狀硅膜505’表面形成厚100氧化硅膜506。在這種熱退火工藝中，氣氛壓力可調節到一適當值。用微波或射頻波(RF波)產生等離子體。
然后，將襯底浸泡在氫氟酸與作為緩沖溶液的氟化銨的混合溶液的緩沖氟化氫溶液(HF/NH4F＝1/10)中3～7秒，腐蝕氧化硅膜506。在含氧的環境氣氛中經等離子增強CVD用TEOS形成厚70～120nm(一般120nm)的氧化硅柵絕緣膜507。襯底表面溫度為350℃。然后，通過CVD形成主要含公知的多晶硅的膜，對該多晶硅進行圖形轉移和腐蝕形成柵電極508。對多晶硅摻入0.1～5％的作為增強導電率的摻雜劑的磷。
然后，用離子注入摻入磷作為N型雜質，以自對準方式形成源/漏區510和溝道形成區509。通過KrF激光輻照，改善因離子注入而結晶度被破壞了的硅膜的結晶度。激光的能量密度就是250～300mJ/cm2。通過激光輻照，TFT源/漏的薄層電阻為300～800Ω/□。在此工藝中，也可進行可見或近紅外輻照燈火退火(圖7(D))。
然后，用氧化硅或聚酰亞胺形成層間絕緣體511，再用ITO為象素形成電極512。形成接觸孔，在TFT的源/漏區用鉻/鋁多層膜形成的電極513和514。一個電極514還與ITO 512相連接。最后，把襯底在200～450℃例如350℃的氫氣中退火1小時，使之氫化。在上述工藝之后，完成TFT。在許多其它象素區也同時進行此工藝。在整個表面形成氮化硅保護膜，以增強耐濕性(圖7(E))。
對于本實施例中制成的TFT，使用沿載流子遷移的方向生長晶體的結晶硅膜作有源層包括源區溝道形成區和漏區。因而，沒有載流子橫穿晶粒邊界，即載流子順著針狀晶體的晶粒邊界遷移，可制得高載流子遷移率的TFF。在本實施例制成的TFT是N溝型，遷移率為90～130cm2/Vs。與通過在600℃退火48小時的結晶化制得的結晶硅膜的已有N溝TFT的遷移率50～70cm2/Vs相比較，本實施例的遷移率90～130cm2/Vs揭示其特性得以增強。若在600℃溫度退火結晶化工藝之后，襯底不在含氯化氫的環境氣氛中氧化，實質上，遷移率是低的，開-關速率也是低的。這被認為是由于在淀積和氧化膜腐蝕工藝中去除了鎳的作用，以及結晶化改善的結果。據證明，本實施例所示的強光輻照工藝對增強TFT的可靠性是有用的。
參照圖8，描述實施例7。首先通過濺射或等離子增強CVD在玻璃襯底上淀積底膜602，再通過等離子增強CVD淀積厚300～800的非晶硅膜604。在形成厚1000的氧化硅膜603之后，對所說的氧化硅膜進行選擇圖象轉移和腐蝕。結果，露出非晶硅膜604的一部分。通過濺射在部分非晶硅膜上淀積厚500～2000例如1000的鎳膜600。然后，在450℃含氮的環境氣氛中進行退火1小時，在與鎳膜600相接觸的那部分硅膜內形成硅化鎳層605(圖8(A))。
然后，用硝酸或包括硝酸和加入硝酸中的乙酸的溶液來腐蝕所說的鎳膜。然后對結晶硅膜604在550℃含氮的環境氣氛中進行退火8小時。此時，促進晶體平行于襯底如圖8箭頭所示方向生長。在摻入硅化鎳的區域中及其附近及在結晶化的前緣，形成含鎳濃度高的區域605(圖8(B))。
然后，對所說的硅膜604實施圖形轉移并腐蝕，形成島狀的有源層區606和607。在圖8(B)用605標明的區域內，含鎳濃度高。據證明，在這些區域中，鎳的濃度比這些區之間的結晶區高近一位數。因此，本實施例中，對有源元件，例如形成TFT的區域的有源層區606和607，在含鎳濃度高的區域以外區域上進行圖形轉移。用在垂直方向上具有各向異性的反應離子刻蝕(RIE)腐蝕有源層。在此情況有源層內鎳的濃度近似為1×1019～1×1020cm-3。
本實施例中，用有源層606主607制作互補TFT電路。然而，本實施例中電路的構形不同于圖6(D)所示實施例5的構形，事實上，本實施例的電路中，PTFT和NTFT是隔開的。即，在圖6(D)所示的構形中，兩個TFT是相連接的，在中間區域，含鎳濃度高。然而，本實施例之特點在于，在任一部分鎳的濃度都是低的。但從欲得到充分可靠性觀點出發，則要求進一步降低鎳的濃度。
然后，對根據本發明的襯底輻照強光。將襯底置于含用10％的氧稀釋的氯化氫的環境氣氛中，用波長主要為0.8～1.4μm的可見或近紅外輻射輻照在襯底上。可以使用四氯化碳，四氯化硅、三氟化氮和六氟化二碳來替代氯化氫。此時的溫度例如為1100℃，是由監測器送出的硅片的溫度。輻照時間為30秒。在此工藝中，在有源層表面形成厚150的氧化硅膜(圖8(C))。
在用可見或近紅外輻射輻照之后，將襯底浸泡在緩沖的氟化氫溶液中，以腐蝕掉在襯底表面形成的氧化硅膜。通過此工藝，使鎳在有源層的濃度降至1×1018cm-3(SIMS的測量極限)或更低。然后，同實施例5一樣，形成柵絕緣膜609及柵電極610和611(圖8(D))。再形成層間絕緣體和金屬布線613、614及615。按此方式，形成互補TFT電路(圖8(E))。
圖9表示實施例8工藝的剖面圖。在實施例8中，在氧化環境氣氛中經KrF準分子激光(波長248nm)輻照，在島狀硅面表面形成薄氧化膜。實施例8表示一個促進硅膜結晶化的工藝實例。參照圖9，描述使用經上述工藝處理過的硅膜形成有源矩陣電路中象素的開關晶體管的工藝。
與實施例5使用的相同，在640℃溫度首先對襯底退火1小時之后，以0.2℃/min將襯底501冷至580℃。在襯底上形成厚2000的氧化硅制成的底膜502和厚5000的非晶硅膜503。通過熱氧化或用氧化劑如過氧化氫處理在非晶硅膜503的表面還形成厚10～100的氧化硅膜。
在此條件下，用旋涂法形成極薄的醋酸鎳層504。使用水或乙醇作溶劑，醋酸鎳的濃度為10～50ppm(圖9(A))。
然后，使用襯底在550℃含氮的環境氣氛中退火4～8小時。結果，通過鎳對結晶硅膜505的結晶化促進作用使非晶硅膜503結晶。經核實，在結晶硅膜505的一部分仍存在大小為1～數μm的非晶區域(圖9(B))。
接著，用公知的光刻技術刻蝕硅膜，形成島狀硅區506。暫時去掉留在硅膜表面上的氧化膜。
然后，把襯底置于含30％氯化氫的氧氣氛中，用KrF準分子激光輻照所說的襯底。輻照能量密度應是250～450mJ/cm2，例如300mJ/cm2，對襯底的每個地方輻照10～50次。結果，形成厚10～50的氧化硅膜507。激光的能量密度和次數可根據待形成的氧化硅膜507的厚度選定。在此輻照激光的處理中，使留下所說的結晶硅膜中的非晶區域也被結晶，可進一步改善硅膜的結晶度。在激光輻照工藝之后，再在上述條件下進行退火(圖9(C))。
在激光輻照之后，用純水清洗硅膜。然后，通過等離子增強CVD淀積厚1200氧化硅膜作柵絕緣膜。對于使用TEOS(Si(OC2H5)4)和氧作用于CVD的材料氣體，淀積中襯底溫度應定在300～550℃之間，例如400℃。
接著，經濺射淀積厚3000～8000，例如6000的含0.01～0.2％鈧的鋁。然后，對鋁膜進行圖形轉移和腐蝕，形成柵電極509。
然后，用柵電極作掩膜，以自對準方式通過離子注入將具有P型導電摻雜劑摻入到柵電極以外的區域。使用乙硼烷(B2H6)作摻雜氣體，加速電壓應是40～80KV例如65KV劑量應是1×1014～5×1015cm-2，例如5×1014cm-2。結果，形成P型摻雜區510和511。然后，經激光輻照進行退火。使用KrF準分子激光(波長248nm，脈寬20ns)作激光。情況與實施例5的相同(圖9(D))。
接著，通過等離子增強CVD淀積厚600的氧化硅膜512作層間絕緣體，并在該膜內形成接觸孔。然后，用金屬材料、諸如氮化鈦和鋁的多層膜在P型摻雜區510形成電極和布線513。再通過等離子增強CVD淀積厚2000～5000，例如3000的氮化硅膜514作鈍化膜。腐蝕氮化硅膜和氧化硅膜512，在摻雜區511形成接觸孔。最后，通過濺射淀積厚1000的透明導電材料ITO膜，腐蝕該膜，形成象素電極515。
借助上述工藝，形成有源矩陣電路中的象素的晶體管。若這些元件排成矩陣，則形成有源矩陣電路。在本實施例中，用KrF準分子激光器作激光器，然而當然，也可使用其它激光器。
當對結晶硅膜用可見或近紅外輻射或激光輻照進行退火時，借助退火使結晶硅膜結晶，進一步促進結晶，可改善膜的質量。結果，可制成結晶度良好的硅膜。在硅膜上形成絕緣膜之后，再通過用紅外輻射輻照減低界面能級，在此工藝之后，可去除懸空鍵，或在200～450℃的溫度含氫的環境氣氛中實施氫退火而中和。
在含氯或氟氣體的氣氛中通過可見或近約外輻射的短時間輻照，加熱硅膜。然后，淀積或蒸發金屬元素有助于促進含在Si膜中的結晶，如氯化物或氟化物。然后，在含氯化物氣體或氟化物的氧化氣氛中加熱硅膜或用可見或近紅外輻輻照短時間，在Si膜表面形成氧化膜。腐蝕該氧化膜，可降低Si膜中金屬元素的濃度。通過這些工藝，也可得到進一步增強硅膜結晶度的效果。由于降低了金屬元素的濃度，增強了用上述工藝處理過的硅膜所制成的薄膜半導體器件，例如TFT和TFD的可靠性。因為改善了結晶性，也使TFT和TFD的特性得以增強。綜上所述，本發明對絕緣柵半導體器的形成是極為有效的。
權利要求
1.一種制造半導體器件的方法，包括在襯底上形成非單晶硅膜；形成催化元素用以促進與其接觸的硅的結晶；將所說襯底脫氫；在形成所說催化元素后通過熱退火使非單晶硅膜結晶；所說熱退火后，在含鹵素化合物氣體的氧化氣體中通過將所說硅膜氧化以在所說硅膜上形成氧化層；然后除去所說氧化層以露出所說硅膜的表面。
2.根據權利要求1的方法，其特征在于，在所說氧化層形成期間，改善了所說硅膜的結晶性。
3.根據權利要求2的方法，其特征在于，所說脫氫是在約450℃下進行約一小時。
4.一種制造半導體器件的方法，包括在襯底上形成催化元素膜；形成非單晶硅膜與所說催化元素相接觸，所說催化元素促進與其接觸的所說硅膜的結晶；將所說襯底脫氫；在形成所說催化元素后，用熱退火使非單晶硅膜結晶；在所說熱退火后，于含鹵素化合物氣體的氣氛中用光輻照所說硅膜以在的說硅膜上形成氧化層；然后用刻蝕法除去所說氧化層。
5.根據權利要求4的方法，其持征在于，它還包括用光輻照所說硅膜以增加經熱退火的非單晶硅膜的結晶性，其中所說硅膜的結晶性是通過所說光的輻射而改善的。
6.根據權利要求5的方法，其特征在于，所說脫氫是在約450℃下進行約一小時。
7.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟在絕緣表面上形成非單晶半導體膜；所說半導體膜設有能促進所說半導體膜結晶的催化材料；進行所說設有所說催化材料的半導體膜的結晶；在所說結晶后于含有鹵素化合物氣體的氧化氣氛中氧化所說半導體膜以在其一曝露的表面上形成所說半導體層的氧化層；以及除去所說氧化層。
8.根據權利要求7的方法，其特征在于，所說鹵素是從氟和氯所組成的組合中選出的。
9.根據權利要求7的方法，其特征在于，所說鹵素化合物氣體是從HCl、CCl4和SiCl4所組成的組合中選出的。
10.根據權利要求7的方法，其特征在于，所說鹵素化合物氣體是從NF3和C2F6組成的組合中選出的。
11.根據權利要求7的方法，其特征在于，所說結晶是通過加熱所說半導體層來進行的。
12.根據權利要求7的方法，其特征在于，它還包括在所說半導體層中形成所說半導體器件的有源區。
13.根據權利要求7的方法，其特征在于，所說半導體層包括硅。
14.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟在絕緣表面上形成非單晶半導體膜；為所說半導體膜提供能促進所說半導體膜的結晶的催化材料；進行設有所說催化材料的所說半導體膜的結晶；在所說結晶后，于含有氟的化合物氣體的氣氛中氧化所說半導體膜，以在其露出的表面上形成所說半導體層的氧化層。
15.根據權利要求14的方法，其特征在于，所說鹵素化合物氣體從NH3和C2F6組成的組合中選出。
16.根據權利要求14的方法，其特征在于，所說結晶通過加熱所說半導體層來進行。
17.根據權利要求14的方法，其特征在于，它還包括在所說半導體層中形成所說半導體器件的有源區。
18.根據權利要求14的方法，其特征在于，所說半導體層包括硅。
19.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟在絕緣表面上形成非單晶半導體膜；為所說半導體膜提供能促進所說半導體膜結晶的催化材料；進行設有所說催化材料的所說半導體膜的第一結晶；在所說第一結晶后，于含鹵素化合物氣體的氣氛中進行所說半導體膜的第二結晶，以減少在所說半導體膜中的所說催化材料的濃度。
20.根據權利要求19的方法，其特征在于，所說鹵素從氟和氯組成的組合中選出。
21.根據權利要求19的方法，其特征在于，所說鹵素化合物氣體從HCl、CCl4和SiCl4組成的組合中選出。
22.根據權利要求19的方法，其特征在于，所說鹵素化合物氣體從NF3和C2F6組成的組合中選出。
23.根據權利要求19的方法，其特征在于，所說結晶通過加熱所說半導體層來進行。
24.根據權利要求19的方法，其特征在于，它還包括在所說半導體層中形成所說半導體器件的有源區。
25.根據權利要求19的方法，其特征在于，所說半導體層包括硅。
26.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟在絕緣表面上形成非單晶半導體膜；淀積一與部分所說半導體膜接觸的催化材料，此種材料能促進的說半導體膜的結晶；進行設有所說催化材料的所說半導體膜的結晶，以使結晶從所說部分進行到基本上和所說絕緣表面平行的所說半導體膜的鄰近部分；在所說結晶后于含有鹵化合物氣體的氣氛中氧化所說半導體膜，以在其露出表面上形成所說半導體層的氧化層；以及除去所說氧化層。
27.根據權利要求26的方法，其特征在于，它還包括在所說半導體層中形成所說半導體器件的有源層的步驟。
28.根據權利要求26的方法，其特征在于，所說半導體層包括硅。
29.一種制造半導體器件的方法，包括下列步驟在絕緣表面上形成非單晶半導體膜；為所說半導體膜提供能促進所說半導體膜的結晶的催化材料；進行設有所說催化材料的所說半導體膜的結晶；將所說半導體膜構圖成島狀半導體；在含有鹵素化合物氣體的氧化氣氛中氧化所說島狀半導體，以在其露出的表面上形成所說半導體層的氧化層；以及除去所說氧化層以露出所說島狀半導體的表面。
30.根據權利要求29的方法，其特征在于，它還包括在除去所說氧化層后于所說島狀半導體的露出表面上形成柵絕緣層的步驟。
全文摘要
將圖形轉移到經退火而結晶的硅膜上之后，經強射線短時間輻照使硅膜退火。具體地講，在退火結晶工藝中，將促進結晶化的元素如鎳摻入其內。用強射線輻照也使退火未結晶的區結晶，形成致密的硅膜。在摻入促進結晶化的金屬元素之后，在含鹵化物的氣氛中對退火而結晶的硅膜進行強射線輻照，完成光的短時間輻照。在鹵化氣氛中經強射線輻照或加熱使硅膜表面氧化，在硅膜上形成氧化膜，然后腐蝕掉氧化膜，結果去掉硅膜中的鎳。
文檔編號H01L21/77GK1151085SQ96110920
公開日1997年6月4日 申請日期1996年8月5日 優先權日1993年7月27日
發明者張宏勇, 大沼英人, 竹村保彥 申請人:株式會社半導體能源研究所