专利名称：用于制造半导体器件的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用结晶薄膜半导体来制造半导体器件的方法。
最近，人们已经把注意力集中到由在一个玻璃或石英衬底上形成的薄膜半导体组成的晶体管。这样一种薄膜晶体管(TFT)是由在一个玻璃衬底或石英衬底的表面上形成的，具有厚度为几百至几千埃(A)的薄膜半导体构成的(绝缘栅场效应晶体管)。
TFT用在象有源矩阵型液晶显示装置的领域这样的应用领域里。一个有源矩阵型液晶显示装置具有在一个矩阵中排列的几十万个象素，并且为每个象素设置了作为无关元件的TFT，以便实现高质量的图像显示。实际上为有源矩阵型液晶显示装置设计的可适用的TFT使用了非晶硅的薄膜。
然而，以非晶硅的薄膜为基础的TFT在性能上仍然是劣质的。如果作为一个有源矩阵型的液晶显示需要较高的显示功能，那么利用一个非晶硅膜的TFT的特性太低了以致不能满足所需要的等级。
此外，已提出利用TFT在一单个衬底上制造一种集成的液晶显示系统，以便不仅实现象素转换，而且还实现了外围的驱动电路。然而，利用非晶硅薄膜的TFT不能构成一个外部驱动电路，因为它具有低的运行速度。特别是，一个基本问题是一个CMOS电路不能由一个非晶硅薄膜获得。这是由于利用非晶硅薄膜很难实现实际的P-沟道型TFT(也就是说，由于它的太低的性能，所以利用非晶硅薄膜的TFT实际上是不可能的)。
另一个技术提出把其它的集成电路和用于处理或记录图像数据等的类似电路与象素区和周围驱动电路一起集成在一个单个衬底上。然而，利用一个非晶硅薄膜的TFT其特性太低了以致于不能够构成一种可处理图像数据的集成电路。
另一方面，具有一种用于制造使用结晶硅膜的TFT的方法，它与利用非晶硅薄膜的TFT相比较具有较好的特性。该制造TFT的方法包括步骤形成一个非晶硅膜；和通过使非晶硅膜经受热处理或激光辐照把所产生的非晶硅膜变成一种结晶硅膜。通过使非晶硅膜结晶所得到的结晶硅膜一般地产生多晶结构或微晶结构。
与利用非晶硅膜的TFT相比，利用结晶硅膜能够获得具有较高优良特性的TFT。在用于评价TFT的指标之一的迁移率中，利用非晶硅膜的TFT产生0.5至1cm2/Vs或更低的迁移率(在一种N-沟道TFT)，但利用结晶硅膜的TFT具有大约为100cm2/Vs的迁移率或更高(在N-沟道TFT中)或对于P-沟道TFT具有大约为50cm2/Vs或更高。
通过使非晶硅膜结晶所获得的结晶硅膜具有一种多结晶结构。因此由于晶粒边界的存在产生了各种问题。例如，通过边界移动的载流子大大地限制了TFT的耐压。在高速操作中产生的特性变化或降低是另一个问题。此外，当TFT关断时，通过晶粒边界移动的载流子增加了关断电流(漏电流)。
在以较高集成的结构中制造一种有源矩阵型的液晶显示装置时，希望在一个单个玻璃衬底上不仅形成象素区而且形成外围电路。在这种情况下，需要在外围电路中设置的TFT操作一个大电流以便驱动在矩阵中排列的几十万的象素晶体管。
为了操作大电流必须利用具有宽沟道宽度的TFT。然而，即使沟道宽度应被加宽，但由于耐压的问题，利用结晶硅膜的TFT不能够实施。在制造实际可用的TFT时，在阈值电压中大的波动是另一个障碍。
由于涉及到阈值电压的波动和随时间的推移特性变化的问题，所以利用结晶硅膜的TFT不能应用到用于处理图像数据的集成电路。因此，以能够用来代替常规IC的TFT为基础的实际可用的集成电路不能够被实现。
为了克服利用非晶硅薄膜的TFT或利用多晶或微晶硅薄膜的TFT所涉及的问题，在现有技术中已经知道了一种用于制造一种利用特殊区域的TFT的方法，该制造TFT的方法包括步骤在一个非晶硅薄膜的特殊区域中形成一个能够被认为是单晶的区域，随后利用这个特殊的区域形成一个TFT。利用该方法能够获得一个与在一个单晶硅薄片形成的晶体管(即一种MOS型晶体管)的特性相比具有更优良特性的TFT。
在JP-A-Hei-2-140915中公开了上述技术(术语“JP-A”代表“未审查而公开的日本专利申请)。在图2A中，该方法包括步骤形成一作为籽晶的区域201，然后对其施加热处理以便从作为籽晶的区域201开始沿着箭头203的方向进行晶体生长，最后使构图成形状202的非晶硅区结晶。
然而，在根据常规方法的图2A中，从区域204开始的晶体生长与从构图成形状202的非晶硅用作为籽晶的区域201开始的晶体生长同时发生。也就是说，当利用图2A和2B的方法时，在区域204中附加地形成了不希望的晶体生长的籽晶，由此使晶体生长以多个方式产生。因此，获得一种包括内部结晶晶粒边界的多晶状态。在热处理时，晶体生长不能够在所希望的区域内进行。
本发明的一个目的是提供一种方法，该方法在一个非晶硅膜中有效地形成一个等效于(对应于)单晶的区域，该非晶硅膜当作为在具有一个绝缘表面的衬底上的原始膜。本发明的另一个目的是提供一种不受晶粒边界影响的薄膜晶体管(TFT)。本发明的又一个目的是提供一种具有高耐压并且能够操作大电流的TFT。本发明的又一个目的是提供一种随着时间的推移其特性不遭受降低或波动的TFT。本发明的又一个目的是提供一种其性能好于单晶半导体的性能的TFT。
根据本发明的一个方面，提供了一种方法，该方法包括步骤可选择地形成一个与非晶硅膜的表面相接触并促进(增加)硅结晶的一种金属元素的层；和通过把激光辐照到非晶硅膜上同时沿着使非晶硅膜的面积增加的方向移动激光来形成一个等效于单晶的区域，其特征是在加热非晶硅膜时辐照激光。
根据本发明的另一个方面，提供一种方法，包括步骤可选择地形成一个与非晶硅膜的表面相接触并促进硅结晶的一种金属元素层；把非晶硅膜构图成这样一种型状，以致于从与金属元素层相接触的区域开始已构图的面积逐渐地增加；和通过辐照激光同时沿着使已构图的面积增加的方向移动激光来形成一个等效于单晶的区域，其中在加热非晶硅膜的同时辐照激光。利用等离子CVD、低压热CVD等等在具有一个绝缘表面的衬底上，如一个玻璃衬底或石英衬底上形成非晶硅膜。
用于加速(促进)硅结晶的金属元素是从由Fe，Co，Ni，Rn，Rh，Pd，Os，Ir和Pt组成的组中选择的至少一种元素。
通过在非晶硅膜的表面上有选择地形成一种金属元素层能够形成金属层，然后把产生的金属元素层构图。通过利用一种方法在非晶硅膜的表面上形成一个硅化镍层能够最佳地形成金属元素层(可以是含有金属元素的层)，上述方法包括步骤把含有金属元素的溶液涂在非晶硅膜的表面上并然后进行热处理。
在上述构成中，“把非晶硅膜构图成这样一种型状以致于从与金属元素层相接触的区域开始已构图的面积逐渐地增加”的步骤与把非晶硅膜构图成在
图1A中的型状102相对应。在图1A中，形状102的面积从形成一个与金属元素相接触的层101的部分开始随着角θ而增加。
在上述构成中，“通过辐照激光同时沿着使非晶硅膜的面积增加的方向移动激光来形成一个等效于单晶的区域”的步骤与在图1B中的步骤相对应。在图1B中，当沿着箭头方向扫描(移动)时辐照激光以便于从区域101开始沿着在图1A中的箭头方向103顺序地使晶体生长，由此形成一个等效于单晶的区域104。激光器例如是一个准分子激光器。
等效于单晶的区域是一个不含有内部晶体边界(线缺陷和平面缺陷)的区域。也就是说，等效于单晶的区域是一个单畴区。由于在单畴区中存在点缺陷，所以该区域包含浓度为1×1017至5×1019cm-3用于中和的氢或卤素元素。
用于加速硅结晶的金属元素也以浓度为1×1014至1×1019原子·cm-3存在。根据由SIMS(二次离子质谱仪)得到的数据，该浓度被定义为是最小值。目前用于金属元素的SIMS的检测极限值是1×1016原子·cm-3。然而，金属元素的浓度能够接近于在用于引入金属元素的溶液中的金属元素的浓度。也就是说，超过由SIMS观测到的值的极限值的浓度能够由在溶液中的金属元素的浓度和由SIMS观测到的用于保留在硅膜中的金属元素的最终浓度之间的关系来近似地计算。
等效于单晶的区域进一步包含有浓度为1×1016至5×1018原子·cm-3的碳原子和氮原子以及浓度为1×1017至5×1019原子·cm-3的氧原子。这些原子从利用CVD形成的原始非晶硅膜中产生。
根据本发明的又一个方面，提供一种方法，该方法包括步骤选择地形成一个与非晶硅膜的表面相接触并加速硅结晶的一种金属元素层；施加热处理以便从与金属元素相接触的区域开始沿着膜的平面方向使晶体生长；把晶体生长的区域构图以致于面积沿着晶体生长的方向逐渐地增加；和通过把激光辐照到非晶硅膜上同时沿着已构图的面积增加的方向移动激光束形成一个等效于单晶的区域，其特征是在400至600℃加热非晶硅膜时辐照激光。
在上述构成中，“施加热处理以便从与金属元素相接触的区域开始沿着膜的平面方向使晶体生长”的步骤与图5B的结构相对应。在图5B中，非晶硅膜501从形成作为晶体籽晶的金属层的区域502开始沿着膜平面503(沿与形成膜的衬底的表面平行的方向)的方向进行晶体生长。
在上述的构成中，“把晶体生长的区域构图以致于面积沿着晶体生长的方向逐渐增加”的步骤与在图6A中的一个步骤相对应。在图6A中，热处理被进行以致于获得一个具有形状505的图型，其结果是沿着由箭头503所示的晶体生长的方向其面积逐渐地增加。
在上述的构成中，“通过把激光辐照到非晶硅上同时沿着已构图的面积增加的方向移动激光来形成一个等效于单晶的区域”的步骤与在图6B中的一个步骤相对应。在图6B中，沿着逐渐增加已构图的面积505的方向进行激光扫描和辐照激光。
为了进行一般的分类，有两种用于引入促进结晶的金属元素的方法。
其中一种方法包括步骤利用象溅射或电子束蒸发淀积这样的物理方法在非晶硅膜的表面上(或在非晶硅膜下面形成的基膜的表面上)形成一个非常薄的金属膜。在上面的方法中，通过形成一个与非晶硅膜相接触的金属元素膜把金属元素加入到非晶硅膜中。用这种方法，很难精确的控制引入到非晶硅膜中的金属元素的浓度。此外，企图通过形成大约为几十埃()的极薄的膜来精确地控制引入到该膜中金属元素的量，以一个圆满的形式形成一个膜是困难的。在这种情况下，可在形成表面的表面上形成金属元素的岛状膜部分，也就是说，形成一个间断的层。通过例如分子束外延(MBE)和类似物能够克服这个问题。然而，实际上MBE仅适用于一个限制的区域。
在形成间断层之后进行结晶的情况下，构成间断层的每个岛状区域起加速结晶的晶核作用。通过仔细的观察由岛状区域开始结晶的获得的结晶硅膜，发现保留有大量的非晶成分。利用一个光学显微镜或在一个电子显微图上能够观测到这种情况。另外，利用光谱学通过测量能够确认这种情况。也能够确认在一个结晶硅膜中保留有作为团粒的金属成分。该结晶硅膜最终被用作为一个半导体区域，然而当金属成分部分地保留为团粒时，这些团粒部分起用于在该半导体区域中的电子和空穴复合中心的作用。这些复合中心特别地导致了不希望的特性，例如增加了TFT的漏电流。
与上述用于引入金属元素的物理方法相对比，还有一种用于引入加速硅结晶的金属元素的化学方法，该方法包括步骤把金属元素提供到一种溶液中，并且利用旋涂和类似方法把所产生的溶液加到非晶硅膜的表面上或加到在其上形成一个非晶硅膜的表面上。根据被引入到非晶硅膜中的金属元素，能够利用几种类型的溶液。典型地能够利用可适合以溶液形式的金属化合物。下面将示出在溶液方法中可用的金属化合物的例子。
(1)用镍(Ni)，镍化合物是从由下面化合物组成的组中至少选择一种化合物溴化镍、乙酸镍、草酸镍、碳酸镍、氯化镍、碘化镍、硝酸镍、硫酸镍、甲酸镍、氧化镍、氢氧化镍、乙酰丙酮化镍、4-环己基乙酸镍、和2-乙基己酸镍、镍可以在一种非极性溶剂混合物，该溶剂是从由苯、甲苯、二甲苯、四氯化碳、三氯甲烷、乙醚、三氯乙烷，和氟氯烷组成的组中选择至少一种溶剂。
(2)当铁(Fe)用作为催化元素时，能够利用从象溴化亚铁(FeBr2·6H2O)、溴化铁(FeBr3·6H2O)、乙酸铁(Fe(C2H3O2)3·xH2O)。氯化亚铁(FeCl2·3H2O)、氯化铁(FeCl3·6H2O)、氯化铁(FeF3·3H2O)、硝酸铁(Fe(NO3)3·9H2O)、磷酸亚铁(Fe(PO4)2·8H2O)、和磷酸铁(FePO4·2H2O)这样的化合物中选择的一种铁盐。
(3)在利用钴(Co)作为催化元素的情况下，有用的钴化合物包括象溴化钴(CoBr·6H2O)、乙酸钴(Co(C2H2O2)2·4H2O)、氯化钴(CoCl2·6H2O)、氟化钴(CoF2·xH2O)和硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)这样的钴盐。
(4)一种钌(Ru)化合物能够用作为一种以钌盐形式的催化元素，例如氯化钌(RuCl3·H2O)。
(5)一种铑(Rh)化合物也可用作为一种以铑盐形式的催化元素，例如氯化铑(RhCl3·3H2O)。
(6)一种钯(Pd)化合物也可用作为一种以钯盐形式的催化元素，例如氯化钯(PdCl3·2H2O)。
(7)在锇(Os)选作为催化元素的情况下，可用的锇化合物包括象氯化锇(OsCl3)这样的锇盐。
(8)在铱(Ir)选作为催化元素的情况下，能够利用从象三氯化铱(IrCl3·3H2O)和四氯化铱(IrCl4)这样的铱盐中选择的一种化合物。
(9)在铂(Pt)用作为催化元素的情况下，能够利用象四氯化铂这样的铂盐作为化合物。
(10)在铜(Cu)用作为催化元素的情况下，能够利用从乙酸铜(Cu(CH3COO)2)、氯化铜(CuCl2·2H2O)、和硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)中选择的化合物。
(11)在利用金(Au)作为催化元素的情况下，包括从三氯化金(AuCl3·xH2O)和氯酸金(AuHCl4·4H2O)中选择的一种化合物的形式。
上述的每种化合物能够以单分子的形式充分地在一种溶液中扩散。所产生的溶液一滴一滴地被施加到在其上待加催化剂的表面上，和通过以每分钟转数为50至500的转动来旋涂溶液以便使该溶液涂在整个表面上。
这种利用一种溶液的方法能够被认为是一种用于在硅半导体上形成一种含有金属元素的金属有机化合物的膜的方法。以原子的形式通过氧化膜使促进硅结晶的金属元素扩散到半导体中。在这种方式中，金属元素能够被扩散而没有确定地形成结晶核，并且由此提供了一种均匀的结晶硅膜。其结果是能够防止金属元素部分地被结晶，或能够防止保留大量的非晶成分。
利用一种金属有机化合物能够均匀地涂在硅半导体上，然后可以进行臭氧处理(即利用在氧气中的紫外线(UV)进行处理)。在这样一种情况下，形成一种金属氧化膜，并结晶由该金属氧化膜产生。因此，有机物质能够有利地被氧化，并且通过在气态的二氧化碳中的挥发被消除。
在仅通过低速的转动来进行旋涂溶液的情况下，在表面上的溶液中存在的金属成分趋于以大于用于固态生长所需量供给半导体膜。因此在以低转动速率转动之后，通过以1,000至10,000RPM，特别是以2,000至5,000RPM转动衬底来进行施涂。通过以高速度的转动能够抛出过量存在的金属有机化合物，以致于以最佳的量提供金属成分。
通过控制在溶液中金属成分的浓度能够控制被引入到硅半导体中的金属元素的量。这种方法是特别有用的，因为能够准确地控制最终被引入到硅膜中的金属元素的浓度。在利用溶液引入金属元素的方法中，能够在半导体的表面上(或在其内涂层的表面上)形成一个连续层而没有形成用于结晶的金属粒子的岛状区域。然而，通过利用热处理或利用激光辐照的方法能够实现均匀和密集的晶体生长。
在上述中已经描述了利用一种溶液的例子，但是，通过利用一种气态的金属化合物和特别是利用一种气态金属有机化合物的CVD来形成膜能够得到与上述例子类似的效果。然而，利用CVD的这种方法是不利的，因为它不象利用一种溶液的方法那么简单。
利用溅射和与上述描述类似的方法来形成层的方法能够被认为是一种物理方法。利用一种溶液形成含有加速非晶硅结晶的金属的层的方法能够被认为是一种化学方法。物理方法能够被认为是一种利用金属的非均匀的、各向异性的晶体生长方法，而化学方法能够被认为是一种均匀的(各向同性的)晶体生长的方法。
在制造一种如上所述的半导体的方法中，沿着形成晶体生长的籽晶的区域的面积逐渐增加的方向辐照激光。用这种方式能够实现均匀的晶体生长以便形成一个等效于单晶的区域。
此外，把激光辐照到被构图的非晶硅膜上以致于从形成晶体生长籽晶的区域开始面积逐渐地增加以便加速结晶，同时加热并且沿着增加非晶硅膜的面积的方向扫描激光。用这种方式能够实现均匀的晶体生长，以便形成一个等效于单晶的区域。
同样地，通过把沿着与衬底平行的方向晶体生长以致于其面积逐渐增加所得的硅膜构图，和进一步通过辐照激光同时加热并且沿着已构图的膜的面积逐渐增加的方向扫描激光，能够获得一个等效于单晶的区域，因为晶体生长允许在一种方式中产生。
图1A至1C表示用于制造一个等效于单晶的区域的步骤；图2A和2B表示根据一种常规的方法用于制造结晶区的步骤；图3A至3E表示用于制造一个等效于单晶的区域的步骤；图4A至4D表示用于制造一种薄膜晶体管的步骤；
图5A和5B表示晶膜的晶体生长的步骤；图6A和6B表示用于制造一个等效于单晶的区域的另外的步骤；图7A和7B表示用于制造一个等效于单晶的区域的另外的步骤；图8是表示一个结晶步骤的示意图；图9表示一种辐照激光并由此使通过非晶硅膜的构图所得到的岛状有源层区结晶的状态。
例1本例涉及一种由在一个玻璃衬底上形成的非晶硅膜形成一个等效于单晶的区域的情况。在图1A至1C和图3A至3E中示出了用于本例的步骤。
在利用溅射或等离子CVD形成一个厚度为3,000的氧化硅膜302玻璃衬底301上的一个基膜之后，利用等离子CVD或低压热CVD形成一个厚度为500的非晶硅膜303(图3A)。
通过利用含有作为金属元素的镍的溶液(乙酸镍溶液)旋涂和通过把已涂的结构在300至500℃(在这种情况为400℃)上热处理1小时来形成一个硅化镍层304(图3B)，上述金属元素能促进硅的结晶。
利用一种氟基蚀刻剂(enchant)(例如一种缓和的氢氟酸)使硅化镍层304选择地被构图以便形成岛状硅化镍层101。非晶硅膜303被构图以便获得一种在图1A中的状态。图3C示出了沿着图1A中A-A′截取的一个横截面图。在图1A中由100表示的角θ最好是90度或更小。已构图的非晶硅膜303产生了在图1A中所示的一种形状102。在它的一端上形成了一个岛状硅化镍层101。
一种KrF准分子激光被辐照，同时在方向305上移动激光器。激光被形成线性束，它的纵方向与垂直于扫描方向的一个方向相对应。通过辐照激光，从硅化镍层101在箭头103的方向上形成的区域中发生晶体生长。在这种方法中的要点是在激光辐照期间该实例在400至600℃中被加热。如此，获得一个等效于单晶(一个单畴区)104的区域，如在图3E中所示的。图3E中在图1B中B-B′截取的横截面图相对应。例2本例涉及一种用于利用一个如在图3A至3E中所示的等效于单晶104的区域制造一种薄膜晶体管(TFT)的方法。在图4A至4D中描述了根据该例的用于制造一种TFT的方法。在图1C和4A中，等效于一个单晶104的区域被构图以便形成一个用于TFT的有源层401。
在图4A中给出了沿在图1C中C-C′截取的横截面图。在图4B中，形成一个厚度为1,000的氧化硅膜402，以便提供一个覆盖有源层401的栅极绝缘膜。然后，利用电子束蒸发淀积形成一个厚度为7,000的以铝为基础和含有钪的膜，并且使产生的膜被构图，以便形成一个栅极403。在形成栅极403之后，在一种电解溶液中利用栅极403作为阳极进行阳极氧化，以便形成一个氧化层404(图4B)。
利用掺杂一种杂质离子(在本例中为磷离子)来形成一个杂质区。因此，利用栅极403和周围的氧化层404作为掩膜把磷离子注入到区域405和408中。区域405和408分别用作为源区和漏区。在该步骤中，一个沟道形成区407和一个偏移栅区406自对准地被形成(图4C)。
利用等离子CVD形成一个厚度为6,000A的氧化硅膜作为绝缘膜409。在形成连接孔之后，利用铝形成一个源极410和一个漏极411。
最后通过在350℃的氢气氛中利用热处理来进行氢化作用，最后得到在图4D中的TFT。例3本例涉及一种利用加热和利用一种加速硅结晶的金属元素，使晶体生长发生并且进一步对结晶区辐照激光来形成一个等效于单晶(单畴区)的区域的方法。在图5A和5B及图6A和6B中示出了用于本例的步骤。利用等离子CVD或低压热CVD形成一个厚度为500A的非晶硅膜(在图中没有示出)。虽然在图中没有示出，但是具有一个在其表面上形成的氧化硅膜的玻璃衬底被用作为衬底。
通过把该衬底加入到一个乙酸镍溶液中来形成一个镍层或一个含有镍的层。使所产生的衬底被构图以便形成一个区502(一个具有长度为3μm的正方形区)。利用在550℃时热处理4小时，区域502被结晶以便提供用于晶体生长的籽晶。由于区502是一个小区域，所以利用这种处理能够使该区域变成一个等效于一个单晶的区域。
一个非晶硅膜501被形成来覆盖在区502上。含有一种加速硅结晶的金属元素(在这种情况下为镍)的层502与一部分非晶硅膜501相接触是可以实现的。
通过在400至600℃时热处理4小时(在该例中为550℃)，晶体生长从作为晶体生长的籽晶的区域502开始两维地进行。显微镜下，由于在与衬底平行的方向上两维的发生晶体生长，所以晶体生长成针状或柱状晶体。由此获得一个结晶硅膜504。晶体生长503发生超过了100μm的长度或甚至更长。此外，由于用于晶体生长所需要的加热温度是600℃或更低，所以能够使用一种具有低变形点的便宜的玻璃衬底。
在图5B中晶体生长的步骤之后，结晶硅膜504被构图成一种在图6A中所示的图型505。在图6B中给出了用于在图6A中所示图型505的放大图。当直线激光被辐照同时沿着箭头507的方向扫描时，晶体生长508进行。在激光扫描期间该实例被加热到550℃。该激光是一种具有在与扫描方向垂直的方向上的直线束的KrF准分子激光器。该具有直线束的激光是一种具有宽为几毫米长为几十厘米的矩形束光点，并且它的纵向与激光的移动方向相垂直。
在许多位置上，不同时产生晶体生长508，但是在箭头508的方向上，即在与根据图5B的步骤的衬底相平行的晶体生长的相同方向上顺序地发生晶体生长。因此，在晶体生长发生在一种单一模式中。此外，由于结晶硅膜505以这样一种构图来形成以致于它的区域根据晶体生长的方向逐渐地增加，所以能够实现均匀的晶体生长以便最终获得一种大的单域(晶粒)。由于图形的边缘509提供了用于抑制晶体生长的起点，所以近似地沿着晶体生长的方向设置边509对于实现大的单域是一个重要的因素。因此，图形505相对容易地提供了一种等效于单晶的区域。
根据本例的方法包括通过加热和利用促进硅结晶的一种金属元素的作用使非晶硅膜结晶的步骤和以这样一种方式使已加热的和结晶的的硅膜构图以致于在结晶的方向上平滑地进行晶体生长的步骤。此外在加热时，沿着所希望的晶体生长的方向辐照激光。用这种方式，被构图的区域变成等效于单晶的区域。例4本例涉及在图1A和6B中所示的等效于单晶(单畴区)102和505的区域图形的形状。该区102和505的图形特征在于它的面积在晶体生长的方向逐渐地增加。为了防止在晶体生长期间由许多区域存在晶体生长而设置了特殊的图型。如果晶体生长从许多区域进行，那么生长的晶体相互相撞以便形成晶粒边界。换句话说，通过从单一的起点逐渐地扩展晶体生长能够实现均匀的晶体生长；也就是说，实现晶体生长是为了单峰地形成一个等效于单晶的区域。
通过从一个起点开始晶体生长和逐渐地扩大晶体生长的区域能够实现均匀的晶体生长。在图1A和6B中，晶体生长的面积从晶体生长的起点逐渐地增加到离起点一段希望的距离，并且在该区域超过所希望的距离时该面积维持恒定。
然而，利用一个非晶硅膜或一个形成为如在图7A和7B中所示的图型的结晶硅膜能够形成一种等效于单晶的区域。当非晶硅膜被构图成如在图7A中所示的形状时，一个例如镍这种能够加速硅结晶的金属元素层或一个包含金属元素的层被设置与区域704相接触，并且在方向705上，进行激光扫描和辐照以便使晶体在箭头700的方向上从区域704开始生长。最好利用具有其纵向与扫描方向相垂直的直线束光点的激光。
此外，通过加热和利用金属元素的作用允许在方向700上从区域704开始进行晶体生长，并且在把结晶的区域构图成形状701之后，激光辐照同时在方向705上移动激光(具有加热)。同样在这种方式中，允许晶体再次生长以便获得等效于单晶的一个区域701。利用热处理在方向700上产生的晶体生长提供了针状或柱状的晶体，并不提供等效于单晶的区域。更简单地说，利用热处理得到的晶体生长产生晶粒边界。然而，利用激光辐照同时沿方向705移动激光器所得到的晶体生长从起点704开始产生均匀的晶体生长(单模的晶体生长)，并且它最终地形成一个单域区，即一个等效于单晶的区域。此外，通过在构图之后形成一个区域702、例如能够获得一个构成TFT的有源层的区域。
通过利用在图7B中的图型，用类似于图7A的情况也能够进行晶体生长。也就是说，图7B中，非晶硅膜被构图成形状706，并且在提供用于加速与部分708相接触的硅的结晶的金属元素之后，辐照激光同时沿方向709移动激光器。在这种方式中，晶体生长能够沿着方向710从设置为起点的区域708开始均匀地被进行，以致于最终能够获得一个等效于单晶的区域706。同样地，通过在构图之后形成一个区域706，例如，能够获得一个构成TFT有源层的区域。
角703和707最好是90°或更小。如果该角大于90°，那么图型701或706的边缘产生的晶体生长变为凸出，以便在多个方式中进行晶体生长。由在多个方式中产生的晶体生长不能够获得单域区，因为这样一种晶体生长导致了多域区的形成。例5本例涉及一种用于通过等离子处理膜来促进非晶硅膜的氢化作用(脱氢作用)的方法。在这种方法中，加速了非晶硅膜的结晶。在图3A的步骤中，对该非晶硅膜进行利用氢或氦的等离子的等离子处理。该步骤使用了ECR条件，以便在减小压力的条件下获得气态氢的等离子或气态氦的等离子，并且该非晶硅膜容易受到所产生的氢等离子的作用。
在不高于结晶温度的一个温度下加热非晶硅膜量很重要的。根据膜形成的方法和膜形成的条件，非晶硅膜的结晶温度是不同的。然而，一般是600至650℃。它的下限是大约400℃。因此，该加热温度最好是400至600℃。为了确定加热温度的上限，使用玻璃衬底的变形温度作为一个标准也是有用的。也就是说，在尽可能高的温度上进行热处理，但是不能超过由玻璃衬底的变形温度所确定的上限。通过利用这种方法，能够得到所希望的效果，同时抑制了玻璃衬底的变形或收缩的影响。
在利用氢等离子的处理中，出现在非晶硅膜中的氢与等离子体的氢离子相结合，以便产生气态氢。因此，从该膜上的脱氢使用被加速。通过利用氦进行等离子处理，在非晶硅膜内部的氢和硅之间的键能够由与该键碰撞的氦离子来切割。因此，使硅原子间相互的结合被加速以便产生一种在原子分布中更高有序度的状态。这种状态能够代表为一种非常容易结晶的准晶体状态。
利用一种等离子处理状态通过加热或辐照激光来施加能量能够使非晶硅膜结晶。由于在等离子处理之后的非晶硅膜非常容易结晶，所以具有高再生性的进行结晶，并且产生了一种具有高结晶率的膜。例6本例涉及一种方法，该方法包括步骤形成一个作为在玻璃衬底上形成的非晶硅膜的一个边缘上的晶体生长的籽晶的部分，并且利用扫描和辐照激光从该部分开始使非晶硅膜的整个表面结晶。
在图8中示出了根据本例的结晶步骤。在图8中，设置了一个沿着与箭头809的方向相反的方向可自由移动的平台801。一个玻璃衬底802安装在该平台上。也就是说，通过移动平台801，激光沿着箭头809的方向相对地进行扫描用以辐照玻璃衬底802。在该平台801内部设置的加热器把安装在该平台上的玻璃衬底加热到一个希望的温度。利用一个镍元素形成了部分803，并且该部分803为晶体生长提供了籽晶。在下面将描述用于形成起到晶体生长的籽晶作用的部分803的方法。
非晶硅膜804被形成以便覆盖起到用于晶体生长的籽晶作用的部分803。在图8中，通过沿着箭头809的方向相对地扫描激光808把该直线激光808辐照到非晶硅膜804上。由一个激光辐照源(没有示出)辐照的直线激光806通过一个反光镜807被反射以便提供大约沿着与平台801垂直的方向弯曲的激光808。并且该激光808辐照到非晶硅膜804上。通过在与箭头的方向相反的方向上移动平台801同时辐照激光808，该激光能够沿着箭头809的方向相对地被扫描。该激光被辐照，同时利用设置到平台801上的加热器使玻璃衬底在400至600℃中加热，例如为500℃。
通过把激光辐照到图8中的一种结构上，结晶从设置在部分803上的非晶硅膜的部分805开始进行，其中用于晶体生长的籽晶在部分803中形成。由于激光束沿着近似地与玻璃衬底802的对角线相平行的方向扫描，所以晶体生长在沿着晶硅膜804的面积逐渐增加的方向进行。在这种方式中，非晶硅膜804能够完全地变成一种被认为是单域区的结构。
下面将描述形成一个提供晶体生长籽晶的部分803的方法。在利用等离子CVD或低压热CVD形成一个非晶硅膜804之后，该非晶硅膜804被构图以便提供一个起晶体生长的晶核作用的图型(在图中由803所示)。在利用旋涂维持镍元素与该图型的表面相接触之后，为了结晶施加热处理以便形成一个提供用于晶体生长的籽晶的部分803。通过形成一个非晶硅膜804来覆盖设置为晶体生长的籽晶的部分803能够获得如在图8中所示的例子。例7本例涉及一种方法，该方法包括步骤形成一个构成TFT的有源层，和通过使晶体生长从有源层的角开始进行提供一个等效于单晶的区域。图9示出了利用把非晶硅膜构图并对它辐照激光所获得的一个岛状区(有源层)的结晶状态。
一个直线激光901被辐照到一个岛状构图的非晶硅膜902上。一个部分903提供了用于晶体生长的籽晶。利用在前述例子中的任一种方法能够形成部分903。在图9中，利用在箭头905的方向上的相对地扫描激光来辐照激光，以便使晶体生长从岛状区902的角部分开始产生。因此，形成了一个用于TFT的有源层，而TFT包括一个等效于单晶的区域。
在辐照激光中，起用于晶体生长籽晶作用的部分903预先被设置以致于近似地在从部分903的对角线的方向上扫描激光901。用这种方式，晶体生长能够从作为晶体生长籽晶的部分903开始并在使结晶面积逐渐地增加的方向上进行，以便最终获得一个完整的有源层作为等效于单晶的区域。最好在结晶完成时利用蚀刻消除作为晶体生长籽晶的部分903。
在通过把激光辐照到一个硅膜上来形成一个等效于单晶的区域的方法中，通过设计一种用于形成等效于单晶的区域的图型和通过使晶体生长在从晶体生长的起点开始逐渐地增加结晶面积的一种图型中产生，能够防止产生从阻止形成等效于单晶的区域的许多区域开始的晶体生长。因此，用这种方式能够容易地获得一个等效于单晶的区域。从而通过在TFT的构成中使用单域区能够实现不受晶粒界影响的TFT。此外能够获得一种具有高的耐压和也能运行一个大电流的TFT。本发明也提供一种不降低特性和特性不波动的TFT。从而实现了一种具有可与利用单晶半导体的TFT的特性相比拟的TFT。
权利要求
1.一种用于制造具有至少一个薄膜晶体管的半导体器件的方法，所述方法包括步骤在一个绝缘表面上形成包括硅的一个半导体膜；用一个具有在一个方向上的伸长的横截面的线状激光束辐照所述半导体膜；在垂直于所述线状激光束的伸长的横截面的伸长方向的一个方向上移动所述半导体膜，据此使所述半导体膜结晶；在所述结晶的半导体薄膜上构图，以形成所述薄膜晶体管的一个工作层，其中，所述结晶的半导体薄膜包含浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氢，分别有浓度为1×1016至5×1018原子/cm-3的碳和氮，和浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氧。
2.一种用于制造具有至少一个薄膜晶体管的半导体器件的方法，所述方法包括步骤在一个绝缘表面上形成包括硅的一个半导体膜；用一个具有在一个方向上的伸长的横截面的线状激光束辐照所述半导体膜；在垂直于所述线状激光束的伸长的横截面的伸长方向的一个方向上移动所述半导体膜，据此使所述半导体膜结晶；在所述结晶的半导体薄膜上构图，以形成所述薄膜晶体管的一个工作层，其中，所述结晶的半导体薄膜包含浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氢，分别有浓度为1×1016至5×1018原子/cm-3的碳和氮，和浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氧，并且其中，所述工作层不包括任何线缺陷和任何面缺陷。
3.一种用于制造具有至少一个薄膜晶体管的半导体器件的方法，所述方法包括步骤在一个绝缘表面上形成包括硅的一个半导体膜；向所述半导体膜提供一种金属元素，用于加速所述半导体膜；用一个具有在一个方向上的伸长的横截面的线状激光束辐照所述半导体膜；在垂直于所述线状激光束的伸长的横截面的伸长方向的一个方向上移动所述半导体膜，据此使所述半导体膜结晶；在所述结晶的半导体薄膜上构图，以形成所述薄膜晶体管的一个工作层，其中，所述结晶的半导体薄膜包含浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氢，分别有浓度为1×1016至5×1018原子/cm-3的碳和氮，和浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氧。
4.一种用于制造具有至少一个薄膜晶体管的半导体器件的方法，所述方法包括步骤在一个绝缘表面上形成包括硅的一个半导体膜；用一个具有在一个方向上的伸长的横截面的线状激光束辐照所述半导体膜；在垂直于所述线状激光束的伸长的横截面的伸长方向的一个方向上移动所述半导体膜，据此使所述半导体膜结晶；在所述结晶的半导体薄膜上构图，以形成所述薄膜晶体管的一个工作层，其中，所述结晶的半导体薄膜包含浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氢，分别有浓度为1×1016至5×1018原子/cm-3的碳和氮，和浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氧，其中，在所述线状激光束的辐照期间，在400至600℃的温度加热所述半导体膜。
5.一种用于制造具有至少一个薄膜晶体管的半导体器件的方法，所述方法包括步骤在一个绝缘表面上形成包括硅的一个半导体膜；用一个具有在一个方向上的伸长的横截面的线状激光束辐照所述半导体膜；在垂直于所述线状激光束的伸长的横截面的伸长方向的一个方向上移动所述半导体膜，据此使所述半导体膜结晶；在所述结晶的半导体薄膜上构图，以形成所述薄膜晶体管的一个工作层，其中，所述结晶的半导体薄膜包含浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氢，分别有浓度为1×1016至5×1018原子/cm-3的碳和氮，和浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氧，并且其中，所述工作层不包括任何线缺陷和任何面缺陷，并且其中，在所述线状激光束的辐照期间，在400至600℃的温度加热所述半导体膜。
6.一种用于制造具有至少一个薄膜晶体管的半导体器件的方法，所述方法包括步骤在一个绝缘表面上形成包括硅的一个半导体膜；在所述半导体膜上构图，以形成一个具图形的半导体膜；用一个线状激光束辐照所述具图形的半导体膜的一个角部分；在这样一个方向上相对于所述线状激光束从所述角移动所述具图形的半导体膜的一个相关的部分，使得所述激光束向所述具图形的半导体膜的辐照面积增加，据此，使所述半导体膜结晶；并且在所述结晶的半导体薄膜上构图，以形成所述薄膜晶体管的一个工作层，其中，所述结晶的半导体薄膜包含浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氢，分别有浓度为1×1016至5×1018原子/cm-3的碳和氮，和浓度为1×1017至5×1019原子/cm-3的氧，并且其中，所述工作层不包括任何线缺陷和任何面缺陷。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述金属是选自包括铁、钴、镍、钌、铑、钯、锇、铱和铂的组。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述线状激光束是一个准分子激光。
9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述线状激光束是一个准分子激光。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述线状激光束是一个准分子激光。
11.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述线状激光束是一个准分子激光。
12.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述线状激光束是一个准分子激光。
13.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述线状激光束是一个准分子激光。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体器件是一个液晶显示器。
15.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述半导体器件是一个液晶显示器。
16.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述半导体器件是一个液晶显示器。
17.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述半导体器件是一个液晶显示器。
18.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述半导体器件是一个液晶显示器。
19.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述半导体器件是一个液晶显示器。
全文摘要
在制造一种薄膜晶体管中，在一个衬底上形成一个非晶硅膜之后，通过利用含有作为促进硅结晶的金属元素的镍的溶液(乙酸镍溶液)的旋涂和通过热处理来形成一个硅化镍层。该硅化镍层选择地被构图以便形成岛状硅化镍层。非晶硅膜被构图。在移动激光器时辐照激光，以致于从硅化镍层被形成的区域产生晶体生长，和获得一个等效于单晶(单域区)的区域。
文档编号H01L21/20GK1395286SQ0113947
公开日2003年2月5日 申请日期1995年9月16日 优先权日1994年9月16日
发明者中嶋节男, 山崎舜平, 楠本直人, 寺本聪 申请人:株式会社半导体能源研究所