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薄膜半導(dǎo)體器件及其制造方法

文檔序號:6983983閱讀:295來源:國知局
專利名稱:薄膜半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及到薄膜半導(dǎo)體器件及在半導(dǎo)體器件中所用的半導(dǎo)體襯底片,及其制造方法。
背景技術(shù)
眾所周知,薄膜半導(dǎo)體器件或薄膜晶體管(TFT)都包含襯底,其中的半導(dǎo)體材料薄膜層如硅制作在絕緣材料基層如無堿玻璃或石英玻璃上。在此半導(dǎo)體薄膜層中,制作多個含源區(qū)和漏區(qū)的溝道,每個溝道都配有由絕緣膜與上述區(qū)域隔開的柵極。
在上述薄膜半導(dǎo)體器件中,在柵極與溝道區(qū)之間夾有柵極絕緣體。此絕緣體通常是由氧化硅膜制成的,且此膜通常要求在低溫下形成。因此,在制作上述氧化硅膜時,不能使用如LSI生產(chǎn)工藝過程所用的那種氧化硅膜制作技術(shù),因為這種技術(shù)需要900℃以上的高溫。而在溫度低于600℃下進行的等離子體CVD法的低溫淀積工藝則可以使用。
然而,用等離子體CVD法淀積的氧化膜與高溫氧化的膜相比在絕緣性質(zhì)和穩(wěn)定性方面均有不足。即,當(dāng)使用等離子體CVD法時,某些雜質(zhì)存留在溝道區(qū)與柵絕緣膜之間,而且,這樣制作的氧化硅膜所生成的化合物不是正常的化學(xué)比組分“SiO2”,而是不正常的組分如“SiO1.9”。當(dāng)有上述缺點的氧化膜用作TFT的柵極絕緣層時,不僅TFT電路的閾電壓值有較大變化,且也難于保持TFT性質(zhì)的長期穩(wěn)定性。例如,在常規(guī)產(chǎn)品中,TFT閾值的變化通常為±0.4V,而在長期使用中這種變化變大。
而且,在用多晶硅的常規(guī)薄膜半導(dǎo)體器件中,由小的晶粒尺寸和晶粒排列的不規(guī)則性所造成的缺點是不可避免的。即,由于多晶硅是由許多尺寸極小的晶粒構(gòu)成的,在器件工作時因電子或空穴在晶粒間界處散射的現(xiàn)象而限制了遷移率的改善。
因此,已試圖獲得一種襯底,使其薄膜層的多晶硅晶粒尺寸增大來避免例如電子散射的缺點從而使之提高遷移率。例如,已試圖獲得一種薄膜層,在高溫爐中對多晶硅層進行退火而使其半導(dǎo)體晶粒尺寸為1μm,遷移率為100cm2/Vsec。然而,上述工藝有個缺點,不能使用便宜的玻璃片如鈉玻璃片,而應(yīng)使用能夠耐高溫的昂貴的石英玻璃片,因為工藝要求極高溫度如超過1000℃的退火。用這樣貴的材料作襯底,從成本看,不適合生產(chǎn)大屏幕的器件。
已提出某些其他工藝來獲得大晶粒的多晶硅薄層,使用能量束如受激準(zhǔn)分子激光器來照射無定形或多晶半導(dǎo)體而非使用高溫退火。用這種照射法,可在使用便宜的玻璃片作基層的情形下增大晶粒尺寸。
然而,即使用受激準(zhǔn)分子激光器照射的方法,所得晶粒尺寸一般也不超過1μm,且晶粒尺寸變得不均勻也是不可避免的。順便提及,晶粒尺寸可由“(晶粒最大直徑+晶粒最小直徑)÷2”來確定,這樣的直徑可由SEM觀察用Secco腐蝕工藝腐蝕薄膜后留下的晶粒來測量。
而且,還有一個薄膜中晶粒排列的問題。即,在常規(guī)的多晶半導(dǎo)體薄膜中,在二維方向上晶粒的排列是極其任意的,還未試圖調(diào)節(jié)這種不規(guī)則的排列。這種晶粒的任意排列和晶粒尺寸的不均勻性對使用薄膜晶體管的器件會引起嚴(yán)重的困難。即,遷移率可依穿越晶粒間界的頻率而波動,且難于將具有不同溝道長度的多個TFT電路集成在一起。
因此,在市場上許多使用多晶半導(dǎo)體膜的TFT都被設(shè)計成使一個電路包含圖7中所示的至少幾個晶粒間界,以減小遷移率的變化。在這樣的器件中,平均遷移率不會超過150cm2/Vsec。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種薄膜半導(dǎo)體器件和制作TFT器件所用的襯底片,其中半導(dǎo)體膜和柵極絕緣膜間的化學(xué)連接是連續(xù)通過邊界面的,且柵極絕緣膜中的化合物具有SiO2的化學(xué)比組分。此器件可避免用CVD法生產(chǎn)的常規(guī)TFT的缺點以及氧化膜特性引起的缺點。而且,此器件可大大減小閾值的變化,并可保持長期穩(wěn)定的工作。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種薄膜半導(dǎo)體器件及其襯底片,其中除了上述的特性外,電路元不是安排在不同尺寸和無序構(gòu)成的許多晶粒上,而是安排成相應(yīng)于晶粒排列的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還有一個目的是提供一種適于制作薄膜半導(dǎo)體器件及其襯底片的方法,其襯底片具有上述性質(zhì)和特性。
本發(fā)明的發(fā)明者發(fā)現(xiàn),當(dāng)薄膜半導(dǎo)體器件在其半導(dǎo)體薄膜厚度方向的部分區(qū)域經(jīng)能量束照射轉(zhuǎn)變成氧化膜而用作器件的柵極絕緣體時,薄膜半導(dǎo)體器件可具有上述的優(yōu)良性能以及降低的工作閾值起伏而長期穩(wěn)定地工作。再者,發(fā)明者還發(fā)現(xiàn),當(dāng)上述的襯底片被制作得使其單晶半導(dǎo)體晶粒以某種方式如基本幾何排列而規(guī)則地排列時,薄膜半導(dǎo)體器件可有一種結(jié)構(gòu),其中各個單元電路的排列與晶粒的排列相對應(yīng)。
本發(fā)明薄膜半導(dǎo)體器件襯底片的特點是,該襯底片包含薄膜半導(dǎo)體層,是由非單晶半導(dǎo)體層晶化或再結(jié)晶而成的半導(dǎo)體晶粒層,以及氧化非單晶半導(dǎo)體層而成的氧化膜層。此半導(dǎo)體晶粒層可具有這樣的結(jié)構(gòu),其單晶半導(dǎo)體晶粒是規(guī)則排列的。
本發(fā)明薄膜半導(dǎo)體器件的特點是,該器件包含的半導(dǎo)體薄膜中有兩種層,即,半導(dǎo)體晶粒層和氧化非單晶半導(dǎo)體層而成的氧化膜層,且上述氧化膜層被用作柵極絕緣體。上述的半導(dǎo)體晶粒層優(yōu)選地有這樣的結(jié)構(gòu),其單晶半導(dǎo)體晶粒是規(guī)則排列的。
薄膜半導(dǎo)體器件襯底片制作方法的特點是包括以下步驟(a)在絕緣材料基層上淀積非單晶半導(dǎo)體層;(b)向此層注入氧離子而在非單晶半導(dǎo)體層中形成氧注入?yún)^(qū);以及(c)用能量束照射該層從而改變此非單晶半導(dǎo)體層,使氧注入?yún)^(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣氧化膜,而其他區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體晶粒膜。優(yōu)選的是能量束照射使一些區(qū)域中照射強度最大,而另一些區(qū)域中照射強度最小,這些區(qū)域規(guī)則地排列,且照射強度不斷地在上述兩種區(qū)域間變化。
薄膜半導(dǎo)體器件制作方法的特點是包括以下步驟(a)在絕緣材料基層上淀積非單晶半導(dǎo)體層;(b)向此非單晶半導(dǎo)體層中注入氧離子而形成氧注入?yún)^(qū);(c)用能量束照射該層從而改變此非單晶半導(dǎo)體層,使氧注入?yún)^(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣氧化膜,而其他區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體晶粒膜;(d)用絕緣氧化膜作為柵極絕緣體來制作柵極;以及(e)在半導(dǎo)體晶粒層中制作源極和漏極來完成一個電路單元。優(yōu)選的是能量束照射使一些區(qū)域中照射強度最大,而另一些區(qū)域中照射強度最小,這些區(qū)域規(guī)則地排列,且照射強度不斷地在上述兩種區(qū)域間變化。


圖1為表示本發(fā)明一種實施方式制作薄膜半導(dǎo)體器件的工藝步驟圖。
圖2為表示本發(fā)明另一種實施方式制作薄膜半導(dǎo)體器件的工藝步驟圖。
圖3為說明在本發(fā)明工藝的照射步驟中,二維方向上能量束強度分布的一種實施方式圖。
圖4為沿圖3中箭頭符號方向作為截面圖示出的,在本發(fā)明的工藝中,能量束強度在最大值與最小值間的變化剖面圖。
圖5為說明在本發(fā)明的工藝中,在能量束照射期間和照射之后單晶粒的排列狀態(tài)和生長方向圖。
圖6為說明在本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件中電極與晶粒位置關(guān)系的一種實施方式圖。
圖7為說明如圖3和圖4所述最高強度照射點和最低強度照射點結(jié)構(gòu)的三維模型圖。
具體實施例方式
為制作本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件,優(yōu)選地使用應(yīng)變點不超過700℃的玻璃片作為襯底片的基層材料。但是,使用各種非玻璃絕緣材料,例如,陶瓷或具有適當(dāng)抗熱能力的塑料膜也是可能的。
在上述的基層上,制作單晶半導(dǎo)體膜,其中在單晶膜上部或在單晶膜厚度方向的中間部分制作有氧化絕緣膜。這種半導(dǎo)體薄膜可這樣來制作,向淀積在基層上的非單晶半導(dǎo)體膜中注入氧離子,然后用能量束如受激準(zhǔn)分子激光器照射它,從而使上述的非單晶半導(dǎo)體膜轉(zhuǎn)變?yōu)楹醒趸ず痛蟪叽鐔尉ЬЯ拥陌雽?dǎo)體膜。已形成小尺寸晶粒的無定形半導(dǎo)體和多晶半導(dǎo)體都可用作非單晶半導(dǎo)體。在使用后者時,由注入氧離子和再結(jié)晶使多晶半導(dǎo)體變?yōu)楸景l(fā)明的半導(dǎo)體膜。無定形半導(dǎo)體膜的厚度優(yōu)選地為30-300nm,特別是30-200nm。
通常,在基層上制作上述非單晶特性的半導(dǎo)體層時,在基層與半導(dǎo)體層間制作如氧化硅或氮化硅(SiNx)這樣的材料的薄控制層來調(diào)節(jié)導(dǎo)熱和晶化。這一層具有這樣的功能,阻止雜質(zhì)如玻璃成分從基層擴散至半導(dǎo)體層,并通過控制晶化方向使半導(dǎo)體層中的熱分布均勻。其厚度希望為20-1000nm,特別是200-300nm。
通常還在上述非單晶半導(dǎo)體層(第一控制層)上制作第二控制層來調(diào)節(jié)導(dǎo)熱和晶化。此第二控制層的功能與第一控制層相同,即,在照射晶化工藝過程中使半導(dǎo)體層中熱分布均勻和控制其晶體取向。為此可使用例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或碳化硅(SiC)等材料。此層的厚度希望為50-500nm,特別是100-300nm。
薄膜半導(dǎo)體層可制作在兩個控制層之間。對于這種情形,首先,在絕緣材料的基層上淀積第一控制層材料膜,然后,在第一控制層上淀積非單晶半導(dǎo)體薄膜材料,再在上述半導(dǎo)體層上淀積第二控制層材料。然后用能量束從上方進行照射使非單晶半導(dǎo)體材料晶化或再結(jié)晶。
圖1(a)-圖1(e)表示從基層上淀積開始至完成本發(fā)明薄膜半導(dǎo)體器件的每個階段的一種實施方式。在此實施方式中,向非單晶半導(dǎo)體層的上表面注入氧離子。
參見圖1(a),在玻璃基層10上淀積導(dǎo)熱和晶化用的第一控制層20,再在其上淀積非單晶半導(dǎo)體材料層。下一步,如圖1(b)所示,向預(yù)定區(qū)域注入氧離子來形成氧注入?yún)^(qū)33。如圖1(c)所示,用能量束照射上述的預(yù)定區(qū)域來形成氧化層40和單晶半導(dǎo)體晶粒層50,前者是由能量束使氧注入?yún)^(qū)高熱氧化而成,后者則是使非單晶層30單晶化而成的。未被能量束照射的區(qū)域還保留為非單晶區(qū)40。順便提及,圖1(c)和圖1(d)表示單晶晶粒層單個區(qū)域的剖面圖。當(dāng)然,實際的襯底片有多個這樣的氧化區(qū)和單晶晶粒區(qū)。
接下來,如圖1(d)所示,在用能量束照射而成的氧化層40上,以層30作為柵極絕緣體來制作柵極60。然后,用柵極60作掩模向單晶半導(dǎo)體層50注入材料如磷來形成源區(qū)70和漏區(qū)71。接著,如圖1(e)所示,淀積絕緣材料膜80如氧化硅膜,使之包圍著柵極60的上面和側(cè)面。然后,在相應(yīng)于源區(qū)70和漏區(qū)71位置的絕緣膜80中開接觸孔后,淀積材料例如鋁來制作電極而形成源極81和漏極82。這樣就完成了薄膜半導(dǎo)體器件。
圖2(a)-圖2(e)為表示本發(fā)明的實施方式圖,其中氧離子被注入非單晶半導(dǎo)體層的中間層部分。
在此實施方式中,步驟(a)中淀積導(dǎo)熱的第一控制層和非單晶半導(dǎo)體層是用基本上與圖1實施方式相同的方法來完成的。然而,氧離子被注入至非單晶半導(dǎo)體層30的中間層部分,因而在非單晶半導(dǎo)體層厚度方向的中間區(qū)形成氧注入?yún)^(qū)33。在形成氧注入層33后,在步驟(c)中,層33被轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘜?,在氧注入?yún)^(qū)上部和下部的非單晶半導(dǎo)體區(qū)被轉(zhuǎn)變?yōu)閱尉О雽?dǎo)體層。接著,如圖2(d)所示,用刻圖形工藝在單晶層上部形成預(yù)定區(qū)域作為柵極。步驟(e)中的工藝操作與圖1的實施方式相同。
氧離子的容量(劑量)及其注入深度(Rap)可根據(jù)氧化物絕緣層的厚度或位置來確定。能量束照射手段不限于使用受激準(zhǔn)分子激光器。例如,可使用連續(xù)輻射的氬激光器來脈沖照射或掃描照射。
為了用能量束照射而得到單晶半導(dǎo)體晶粒規(guī)則排列的薄膜半導(dǎo)體層,應(yīng)在這樣的能量強度分布模式下進行照射,輻射能強度在二維方向上以預(yù)定的間隔在最大值與最小值間連續(xù)改變,且最高點與最低點按照規(guī)則的順序相繼出現(xiàn)。換言之,照射應(yīng)這樣進行,即給定的最大照射強度的照射點和給定的最小照射強度的照射點按照規(guī)則的結(jié)構(gòu)排列,如矩陣式結(jié)構(gòu)。
例如,如圖3和4所示,照射是在這樣的強度分布模式下進行的,即照射能量按照“最大值(Emax)→最小值(Emin)→最大值(Emax)”的方式反復(fù)變化。這種改變方式以每隔10μm的間隔二維地(在x、y兩個方向)發(fā)生在5×5mm的矩形區(qū)中。為了對襯底的全部必要表面進行照射,照射區(qū)(例如,上述的5×5mm方形區(qū))以預(yù)定的間距沿x方向和y方向周期地移動。
上述的照射能量強度變化可用相移掩模改變照射能量強度分布來實現(xiàn)。并且,希望最大值與最小值間的變化基本上是連續(xù)的,如圖4所示。
最大值和最小值的強度可根據(jù)非單晶半導(dǎo)體層的膜厚及第一和第二控制層的熱導(dǎo)率來確定。例如,最小能量強度可被定為在照射期間薄膜半導(dǎo)體未被熔化的強度,而最大值可為在照射期間足以使薄膜半導(dǎo)體熔化的強度。熔化閾值(Emth)應(yīng)定在最大值(Emax)與最小值(Emin)之間,如圖4所示。
照射束的外形不限于上述的5×5mm方形,也可為各種多邊形。而且,最大值點和最小值點的排列模式不限于矩形點陣。也可使用其他形狀如Δ形的點陣。
按照上述方式用能量束照射半導(dǎo)體膜,在最小照射能量區(qū)(即,照射能量小于給定閾值的區(qū)域)中半導(dǎo)體層沒有完全熔化,半導(dǎo)體細晶粒先在接近閾值的區(qū)域生成。這些細晶粒起著晶核的作用,且晶化過程從這些晶核點向給定的最大照射能量區(qū)立體地(沿圖5的箭頭方向)進行。在靠近給定的閾值能量的區(qū)域,在形成細晶粒的同時,兩個氧原子與一個硅原子化合而開始形成SiO2層。隨著熔融硅晶化的進行這一層也橫向地進行生長。
在給予最高照射能量而使半導(dǎo)體膜溫度最高的區(qū)域中,或是進行晶化的橫向生長區(qū)域中,多個具有不同的或交叉的結(jié)晶生長方向的晶體彼此相遇,其接觸區(qū)形成細晶粒區(qū)或晶粒邊界。這樣,當(dāng)用具有圖3和4所示能量強度分布的能量束照射時,就可得到薄膜半導(dǎo)體器件的襯底,其中的單晶晶粒規(guī)則地排列,晶粒的尺寸超過4μm且表面覆蓋以絕緣膜。調(diào)節(jié)最大照射能量點的間隔就可調(diào)節(jié)最大晶粒尺寸。而且,改變注入的氧離子量或注入位置,還可改變氧化層的厚度和位置(例如,在表面區(qū)或內(nèi)部區(qū))。
接著,在用上述工藝得到的薄膜半導(dǎo)體襯底片的每個單晶晶粒上,淀積適當(dāng)厚度(例如,300nm)的電極材料如鉬-鎢合金(MoW)而制作柵極。然后,用柵極作注入掩模分別制作源區(qū)和漏區(qū)之后,制作覆蓋柵極的絕緣中間層,其絕緣材料例如為氧化硅。再在源區(qū)和漏區(qū)上的位置處經(jīng)第二控制層開孔制作接觸孔,然后淀積電極材料如鋁/鉬并在接觸孔處刻圖形。
這樣,如圖6(a)和(b)所示,就可得到薄膜半導(dǎo)體器件,其每個單元電路安排在一個單晶晶粒上。這種類型的薄膜半導(dǎo)體器件具有高遷移率(例如,300cm2/Vsec以上),超過用多晶半導(dǎo)體膜襯底片的常規(guī)器件的遷移率。
當(dāng)用氧離子注入非單晶半導(dǎo)體層,并用能量束照射而一起高熱氧化制成氧化膜作為柵極絕緣層時,薄膜半導(dǎo)體器件的閾電壓值(Vth)變化可比常規(guī)器件大為減小(減至小于0.1V的程度)。與柵極絕緣層的污染或溝道邊界有關(guān)的閾值穩(wěn)定性也大為改善,在工作10,000小時后Vth的漂移量減至小于0.05V。
這些改善的主要原因是絕緣氧化膜由于其高熱形成過程包括熔化步驟而在致密性上與熱氧化硅膜相同。例如,這種氧化膜的性質(zhì),在用漏電流測量或C-V測量得到的平帶電壓值,或在偏壓溫度應(yīng)力估計(BTS)中測得的閾值漂移量方面都與熱氧化硅膜相同。而且,這種氧化膜層,盡管很薄,也完全能保護單晶硅層而不會引起擊穿。
如果需要,在某些預(yù)定的單晶晶粒上可省去設(shè)置電極,或在一個單晶晶粒上設(shè)置多個電路。雖然前面所述的設(shè)置電路的工藝過程相當(dāng)于制作N溝道薄膜晶體管的工藝過程,也可將此工藝用于CMOS晶體管,只要進行部分掩蔽而相繼注入雜質(zhì)即可。而且,也可直接使用第二控制層作為堆積的柵極絕緣體,或在腐蝕處理后僅使用絕緣氧化膜作為柵極絕緣層。如果考慮到在相鄰晶體管間會發(fā)生漏電,在晶化之后或之前可用腐蝕制作隔離島。
在無堿玻璃片表面上,用等離子體CVD法淀積200nm厚的氧化硅(SiO2)層作為導(dǎo)熱和晶化用的第一控制層,玻璃片是CorningGlass Work生產(chǎn)的,外形尺寸為400×500mm,厚0.7mm,應(yīng)變點650℃。然后,在沒有曝露大氣的條件下淀積一層厚60nm的無定形硅(a-Si:H)。接著,對這層無定形半導(dǎo)體進行退火,并在對之脫氫后在此層的表面區(qū)注入氧離子來形成氧注入?yún)^(qū)。氧離子的注入是用3kev的加速電壓和1.5E17/cm2的劑量來進行的。在這些條件下,最大氧密度的位置在10nm深處,相當(dāng)于離子的投影射程(Rp),氧的最大密度為1E23/cm3。
如上所述,氧的注入量(劑量)或氧的注入深度(Rp)由絕緣氧化層的厚度及其形成的位置來確定。在此實例中,上述的注入條件是著眼于在單晶半導(dǎo)體層表面上制作約30nm厚的絕緣氧化層而確定的。
接下來,脈沖激光束從襯底片上方對之照射,而使無定形硅層晶化和氧注入層轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘜?。進行照射的模式是,通過用相移掩模來分布照射強度,激光器的一個單元具有5×5mm方形照射面,其中有250,000個最大強度點和最小強度點以10μm的間隔排成方陣形式。在此實施方式中,熔化閾值(Emth)約為0.6J/cm2,激光束的最大能量強度(Emax)為1.9J/cm2,最小能量強度(Emin)為0.1J/cm2。
通過該照射工藝,60nm厚的無定形硅層轉(zhuǎn)變?yōu)橛杉s50nm厚的結(jié)晶硅層和約30nm厚的氧化層組成的一層。注入1.5E17/cm2劑量的氧離子與相當(dāng)于20nm厚硅層的硅原子起反應(yīng),而生成30nm厚的氧化硅層。
在此工藝過程中受激準(zhǔn)分子激光器的照射是在襯底片的整個表面上以5mm的間隔步進移動照射面來進行的。照射完畢后,進行seeco腐蝕處理。掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn),在薄膜半導(dǎo)體器件的襯底中,平均尺寸為4.5μm的一百萬個單晶晶粒,在每個5×5mm的方形區(qū)域中規(guī)則地排成方陣形式。
下面,用濺射工藝淀積鉬/鎢合金層,再對此層刻制預(yù)定的圖形,并調(diào)節(jié)其位置使之相應(yīng)于各個單晶晶粒的位置而制成柵極。然后,用柵極作掩模注入磷離子而成源區(qū)和漏區(qū)。再用等離子體CVD工藝淀積氧化硅層來形成絕緣層。在相應(yīng)于源區(qū)和漏區(qū)位置的絕緣體中開接觸孔,淀積鋁層并刻圖形,從而完成薄膜晶體管(TFT)。此器件為N溝道器件,閾值電壓(Vth)為1.2V,遷移率為496cm2/Vsec。當(dāng)薄膜晶體管制作在400mm×500mm尺寸的薄膜半導(dǎo)體襯底片上時,其閾值為1.2V±0.08V,遷移率為496±56cm2/Vsec。在10,000秒的BTS估計中,漂移值僅為0.05V。
下面是另一個實例,其中絕緣氧化膜層嵌在單晶硅晶粒膜中。
在無堿玻璃的基層表面上,用等離子體CVD法制作200nm厚的氧化硅(SiO2)膜作為導(dǎo)熱和晶化的第一控制層,所用玻璃片是Corning Glass Work生產(chǎn)的,外形尺寸為400×500mm,厚0.7mm,應(yīng)變點650℃。然后,在沒有曝露大氣條件下制作110nm厚的無定形硅(a-Si:H)層。
此無定形硅層被退火和脫氫。然后在厚度方向的中間區(qū)域注入氧離子以形成氧注入?yún)^(qū)。氧離子的注入是在20KeV的加速電壓和1.5E17/cm2的劑量下進行的。在這些條件下,氧濃度最大點3E22/cm2位于約50nm深處,相當(dāng)于氧離子的投影射程。上述注入?yún)^(qū)的條件是由這樣的目的確定的,即在距單晶晶粒層表面約60nm深處(中間深度)制作30nm厚的絕緣氧化層。
然后,用脈沖受激準(zhǔn)分子激光束從上方照射此層,使無定形硅層晶化及氧注入?yún)^(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘏^(qū)。激光器的照射是用相移掩模來分布照射強度,使總共250,000個最大強度點和最小強度點以10μm的間隔在5×5mm的一個照射單元中排成方陣形。在此實例中,熔化閾值(Eth)約為0.8J/cm2,能量強度的最大值(Emax)為2.3J/cm2,最小強度值為0.1J/cm2。用上述的照射,110nm厚的無定形硅層變?yōu)槿龑?,即,在上部區(qū)的45nm厚的第二單晶硅晶粒層,在中間區(qū)的約30nm厚的氧化硅層以及在下部區(qū)的約50nm厚的第一單晶硅晶粒層。
接著,對第二單晶硅層55刻圖形制作柵極,再用柵極作掩模注入磷離子來制作源區(qū)和漏區(qū)。接下來,用等離子體CVD淀積法來淀積氧化硅層作為絕緣體,再在絕緣體中的源區(qū)和漏區(qū)上的位置處開接觸孔,淀積鋁和刻圖形就完成了薄膜晶體管(TFT)。此工藝得到了N溝道器件,其閾電壓值(Vth)為1.0V,電子遷移率為475cm2/Vsec。
每個都制作在400nm×500nm薄膜半導(dǎo)體基層上的20個薄膜晶體管的閾值為1.0±0.08V,其遷移率為475±50cm2/Vsec。而且,由10,000秒的BTS估計得到漂移量僅為0.05V。
在上述實例中,氧化層由注入氧離子而成。然而,此層還可用引入其他離子如氮離子來制作。
權(quán)利要求
1.一種包含絕緣材料基層和制作在基層上的半導(dǎo)體薄膜層的薄膜半導(dǎo)體器件的襯底片,該襯底的特點在于,所述半導(dǎo)體薄膜層包含使非單晶半導(dǎo)體層晶化或再結(jié)晶而形成的半導(dǎo)體晶粒層和使該非單晶層氧化而形成的氧化層。
2.權(quán)利要求1所述的薄膜半導(dǎo)體器件襯底片,其中多個單晶晶粒規(guī)則地排列在半導(dǎo)體晶體層中。
3.權(quán)利要求1或2所述的薄膜半導(dǎo)體器件襯底片,其中使非單晶半導(dǎo)體層氧化而形成的薄氧化層制作成薄膜半導(dǎo)體層的上層。
4.權(quán)利要求1或2所述的薄膜半導(dǎo)體器件襯底片,其中使非單晶半導(dǎo)體層氧化而形成的薄氧化層制作成薄膜半導(dǎo)體層中的中間層。
5.權(quán)利要求1或2所述的薄膜半導(dǎo)體器件襯底片,其中單晶半導(dǎo)體的晶粒尺寸至少為2μm。
6.權(quán)利要求1或2所述的薄膜半導(dǎo)體器件襯底片,其中用于導(dǎo)熱和晶化的控制層制作在絕緣材料基層與薄膜半導(dǎo)體層之間。
7.一種包含絕緣材料基層和制作在基層上的半導(dǎo)體薄膜層的薄膜半導(dǎo)體器件,該器件的特點在于,所述薄膜半導(dǎo)體層包含使非單晶半導(dǎo)體層晶化或再結(jié)晶而形成的半導(dǎo)體晶粒層和使所述非單晶半導(dǎo)體層氧化而成的氧化層,而所述薄氧化層的區(qū)域構(gòu)成柵極絕緣體。
8.權(quán)利要求7所述的薄膜半導(dǎo)體器件,其中半導(dǎo)體晶粒規(guī)則地排列在單晶半導(dǎo)體層中。
9.權(quán)利要求7所述的薄膜半導(dǎo)體器件,其中在單晶半導(dǎo)體晶粒層中形成的單晶半導(dǎo)體晶粒的晶粒尺寸至少為2μm。
10.權(quán)利要求7所述的薄膜半導(dǎo)體器件,其中用于導(dǎo)熱和再結(jié)晶的控制層制作在絕緣材料基層與薄膜半導(dǎo)體層之間。
11.一種制作薄膜半導(dǎo)體器件襯底片的方法,包括以下步驟在基層上制作非單晶半導(dǎo)體薄膜半導(dǎo)體層,以及用能量束照射此薄膜半導(dǎo)體層而使非單晶半導(dǎo)體晶化;該方法的特點在于包括以下步驟(a)在絕緣材料基層上淀積非單晶半導(dǎo)體層,(b)在該非單晶層中注入氧離子而形成氧注入?yún)^(qū),以及(c)用能量束照射該非單晶半導(dǎo)體層,從而改變非單晶半導(dǎo)體層,使其氧注入?yún)^(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣氧化膜,而其他區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體晶粒膜。
12.權(quán)利要求11所述的制作薄膜半導(dǎo)體器件襯底的方法,其中能量束照射是這樣進行的,使被供給照射強度最大值的區(qū)域和被供給照射強度最小值的區(qū)域規(guī)則地排列,且照射強度在上述兩種區(qū)域間連續(xù)變化。
13.權(quán)利要求11所述的制作薄膜半導(dǎo)體器件襯底片的方法,其中照射強度的最小值為不引起非單晶半導(dǎo)體熔化的強度。
14.權(quán)利要求11所述的制作薄膜半導(dǎo)體器件襯底片的方法,其中氧注入?yún)^(qū)制作在非單晶半導(dǎo)體層的上層部分中。
15.權(quán)利要求11所述的制作薄膜半導(dǎo)體器件襯底片的方法,其中氧注入?yún)^(qū)制作在非單晶半導(dǎo)體層的中間層部分中。
16.一種制作薄膜半導(dǎo)體器件的方法,包括以下步驟通過在絕緣材料基層上制作非單晶半導(dǎo)體薄膜半導(dǎo)體層、并用能量束照射薄膜半導(dǎo)體層使非單晶半導(dǎo)體晶化來制造襯底片;通過在襯底片上制作具有柵極、源極和漏極的電路單元來制造薄膜半導(dǎo)體器件;該方法的特點在于包括以下步驟(a)在絕緣材料基層上淀積非單晶半導(dǎo)體層,(b)在該非單晶半導(dǎo)體層中注入氧離子而形成氧注入?yún)^(qū),(c)用能量束照射該非單晶層,從而改變該非單晶半導(dǎo)體層,使氧注入?yún)^(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣氧化膜,而其他區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體晶粒膜,(d)對半導(dǎo)體晶粒層刻圖形,并用絕緣氧化膜作柵極絕緣體來制作柵極,以及(e)通過在半導(dǎo)體晶粒層中制作源極和漏極來完成電路單元。
17.權(quán)利要求16所述的制作薄膜半導(dǎo)體器件的方法,其中能量束照射是這樣進行的,使被供給照射強度最大值的區(qū)域和被供給照射強度最小值的區(qū)域規(guī)則地排列,且照射強度在上述兩種區(qū)域間連續(xù)變化。
18.權(quán)利要求16所述的制作薄膜半導(dǎo)體器件的方法,其中絕緣氧化層制作在薄膜半導(dǎo)體層的上層部分,并且,所得的絕緣氧化層用作柵極絕緣體,而源極和漏極則制作在晶粒的下層中。
19.權(quán)利要求16所述的制作薄膜半導(dǎo)體器件的方法,其中絕緣氧化層制作在薄膜半導(dǎo)體層的中間層部分中,所得的絕緣氧化層用作柵極絕緣層,而源極和漏極則制作在晶粒的最下層中。
全文摘要
本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件包含柵極絕緣層,該絕緣層是通過對半導(dǎo)體膜高熱氧化制成的。半導(dǎo)體膜的高熱氧化是這樣進行的,在使基層上的非單晶半導(dǎo)體薄膜晶化或再結(jié)晶過程中,對薄膜中在照射前注入氧離子的預(yù)定區(qū)域進行照射而使這樣的區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸瘏^(qū),這些區(qū)域被處理為薄膜半導(dǎo)體器件中電路單元的柵極絕緣層。此器件的優(yōu)點是大大減小了工作閾值的起伏并提高了器件的穩(wěn)定性。當(dāng)能量束以指定的模式進行照射時,可得到高遷移率的薄膜半導(dǎo)體器件,其中電路單元是按照半導(dǎo)體晶粒的排列而規(guī)則地排列的。
文檔編號H01L29/49GK1554122SQ0281766
公開日2004年12月8日 申請日期2002年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月10日
發(fā)明者小穴保久, 松村正清, 清 申請人:株式會社液晶高新技術(shù)開發(fā)中心
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