[發明專利]一種半導體器件的制造方法

無效

• 申請號: 01142960.7
• 申請日: 1995-02-03
• 公開（公告）號: CN1361551A
• 公開（公告）日: 2002-07-31
• 發明（設計）人: 大谷久;宮永昭治;竹山順一
• 申請（專利權）人: 株式會社半導體能源研究所
• 主分類號: H01L27/00
• 分類號: H01L27/00;G02F1/136
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 郭廣迅

本申請是申請日為1995年2月3日、申請號為95102929.0的專利申請的分案申請。

???????????????????????技術領域

本發明涉及一種具有結晶半導體材料的半導體器件及其制造方法。

???????????????????????背景技術

利用在基片上形成的薄膜半導體制造的薄膜晶體管是公知的。這種薄膜晶體管(TFT)被用于集成電路中，特別在諸如有源矩陣型液晶器件一類電光器件中，作為每個象素的開關元件或者作為驅動有源矩陣元件的外圍電路中的驅動元件。

用于TFT的非晶硅膜是容易獲得的。然而非晶硅膜的電性質是較差的。因此，人們希望使用具有結晶性的半導體膜，即多晶硅、微晶硅、單晶硅半導體或類似物。

作為一種用來形成具有結晶性的硅膜(以下稱結晶硅)的方法，首先淀積一層非晶硅膜，然后通過使用加熱或激光之類光能作用使其晶化的步驟是公知的。

然而，在使用熱能加熱情況下，需將基片加熱到600℃或更高的溫度保持10小時以上。例如，通常用作有源矩陣型液晶器件的基片的Corning?7059玻璃，其玻璃變形點為593℃。因此，通過在上述高溫下加熱處理進行結晶化對玻璃基片是不適用的。另一方面，例如受激準分子激光這樣的短脈沖激光雖然具有不使玻璃基片變形的優點，但在使用激光情況下器件特性的一致性卻不太好。本發明人以為這是由于激光束的溫度分布造成的。

???????????????????發明內容

為了解決上面討論的非晶硅結晶化方面的有關問題，本發明人研究出一種促進加熱晶化的方法，和一種減小激光結晶化離散不均勻的方法。

對于加熱結晶化方法，發明人已經證明，通過在硅膜上淀積少量鎳，鈀，鉛或者類似物，可以使非晶硅膜在550℃溫度下經4小時的熱處理被結晶化。

引入少量上述元素(即促進結晶的催化劑元素)的方法可以采用等離子處理，蒸發以及離子注入等。在等離子處理中，在平行板型或正圓柱型的等離子CVD(化學汽相淀積法)設備中，使用一個包含有催化劑元素的電極制備氮或氫的等離子，借此將催化劑元素加到非晶硅膜上。

然而，不希望在半導體中存在過多的上述元素，因為使用這種半導體會妨礙半導體器件的可靠性或者電穩定性。因此，本發明人發現盡管對非晶硅的結晶化需要使用催化劑元素，但在結晶硅膜中的催化劑元素的濃度應控制到最小。為達到這一目的，最好使用對結晶硅不活潑的催化劑元素，以及精確控制加到硅膜中的催化劑的用量，以使其中的催化劑元素的濃度減至最小。

使用等離子處理加鎳催化劑的晶化工藝已被詳細地研究，并獲得以下結果：

(1)通過等離子處理將鎳摻入非晶硅膜時，在膜經受熱處理以前，鎳已滲透進入非晶硅膜一個可觀的深度；

(2)在加鎳的硅膜表面產生初始成核；

(3)當通過汽相淀積在非晶硅膜上形成鎳層時，將以與等離子處理相同的方式發生非晶硅膜的結晶化。

據上所述，可以認為由等離子處理引入的鎳并非全部都起促進硅結晶化的作用。即若引入大量的鎳，必然會出現鎳過量，它們并不起促進結晶化的作用。由于這個原因，只有同鎳接觸的那些硅的點和面才能起到在低溫下促進硅結晶化的作用。此外，可以推斷鎳必須以原子的方式微小地散布在硅中。即，可以認為鎳必須以原子的方式散布在非晶硅膜的表面附近，并且鎳的濃度應當在足以促進低溫結晶化的范圍內盡可能地低。

能夠促進硅結晶化的微量催化劑可以通過，例如汽相淀積摻入非晶硅膜表面附近。然而，就膜的可控性方面而言汽相淀積是較差的，因此，不適宜用來精確控制要摻入非晶硅膜中的催化劑的用量。

有關在激光結晶化中發生的特性離散，本發明人通過實驗發現，這是由下面兩個主要原因造成的，(1)由于激光輻照表面上溫度分布造成的結晶度不均勻，(2)由于偶然產生的晶核。特別，激光束一般具有高斯分布的強度分布。非晶硅膜的溫度也是符合這一分布。結果，在非晶硅膜通過熔化或部分熔化而結晶化的過程中，結晶化必然在比其它區域有較低或較高溫度離散度的區域開始，因為結晶是在一個區域從熔化條件向固態變化時發生的。然而實踐中，晶核不一定存在于這些區域，因此，有可能形成過冷的區域。若這種過冷區域同晶核接觸，那么結晶化將爆發性地發生。還有，因為晶核易于在有氧化硅界面的表面粗糙處形成，因而可以認為結晶的均勻性是極困難的。

因此，人們期望一個同其它區域相比其溫度首先低于熔化點的區域同存在晶核的區域正好相符。