專利名稱：半導(dǎo)體電路及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜晶體管(TFTs)以及制造TFTs的方法。另外本發(fā)明涉及使用多個(gè)TFTs的半導(dǎo)體電路及制造這種半導(dǎo)體電路的方法?；蛟诓ＡУ冉^緣襯底或者在硅單晶半導(dǎo)體襯底上，形成按照本發(fā)明制造的薄膜晶體管。尤其本發(fā)明適用于半導(dǎo)體電路，該電路包括低速陣列電路和用于驅(qū)動(dòng)陣列電路的高速外圍電路，例如用于驅(qū)動(dòng)液晶顯示管中的單片有源陣列電路。本發(fā)明具有極大優(yōu)點(diǎn)。
在最近幾年，研究了薄膜型有源層(亦稱有源區(qū)域)的絕緣柵半導(dǎo)體器件。尤其認(rèn)真研究了叫做TFT的薄膜型絕緣柵晶體管。在透明的絕緣襯底上形成這類晶體管，或者用以控制在諸如有陣列結(jié)構(gòu)的液晶顯示的顯示器件中的每個(gè)象素或者用以構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)所使用的半導(dǎo)體結(jié)晶狀態(tài)或材料，他們被分類為非晶硅TFTs或晶體硅TFTs。
通常，非晶半導(dǎo)體具有小的場(chǎng)遷移率，因此，他們不能用來(lái)作要求高速工作的TFTs。所以，近幾年，研究了晶體硅TFTs，并開(kāi)展了制造具有較高特性的電路。
由于晶體半導(dǎo)體以非晶半導(dǎo)體具有更高的場(chǎng)遷移率，所以晶體半導(dǎo)體能以較高的速度工作。就晶體硅來(lái)說(shuō)，可制造PMOSTFTs以及NMOSTFTs。例如，人所共知的是由類似于有源陣列電路部分的CMOS晶體TFTs組成有源陣列液晶顯示器的外圍電路。就是說(shuō)，這是一種單片結(jié)構(gòu)。
圖3是用作液晶顯示器的單片有源陣列電路的框圖。在襯底7上構(gòu)成列譯碼器1和行譯碼器2，以形成外圍驅(qū)動(dòng)電路。在陣列區(qū)域3形成每個(gè)包括一個(gè)晶體管和一個(gè)電容器的象素電路4。通過(guò)導(dǎo)電互連線5和6使陣列區(qū)域和外圍電路連接。用于外圍電路的TFTs被要求以高速工作，同時(shí)用于象素電路的TFTs還被要求具有低漏電流。在物理上來(lái)看，這些是相矛盾的特性，但是必須在同樣的襯底上同時(shí)形成這二類TFTs。
然而，用相同的工藝過(guò)程制造的所有TFTs顯示出相同的特性。如使用由熱退火制造的晶體硅TFTs、用于陣列區(qū)域的TFTs和外圍驅(qū)動(dòng)電路中的TFTs全都具有相同的特性。難以同時(shí)獲得適合于象素電路的低漏電流和適用于外圍驅(qū)動(dòng)電路的高遷移率。通過(guò)同時(shí)使用熱退火和利用選擇性激光退火結(jié)晶化便能解決上述困難。在這種情況下，可在陣列區(qū)域使用通過(guò)熱退火制造的TFTs，而可在外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)域使用通過(guò)激光退火制造的TFTs。但是，利用激光退火結(jié)晶的硅的結(jié)晶度的均勻性很低，尤其是，在要求無(wú)缺陷的外圍驅(qū)動(dòng)電路中難以應(yīng)用這些TFTs。
為了獲得晶體硅，還可使用依賴于激光退火的結(jié)晶過(guò)程。如果由激光退火結(jié)晶的這種硅來(lái)制造半導(dǎo)體電路，那么在陣列區(qū)域的TFTs和在外圍策動(dòng)電路的TFTs全都具有相同的特性。因此，可設(shè)想另一種使硅晶化的方法。尤其是利用熱退火形成在陣列區(qū)域的TFTs，利用激光退火形成在外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFTs。然而，采用熱退火，必須在600℃溫度下長(zhǎng)達(dá)24小時(shí)地使硅退火，或必須在超過(guò)1000℃的高溫下使硅退火。前者方法生產(chǎn)率低;后者方法可用的襯底材料局限于石英。
本發(fā)明目的在于提供一種制造半導(dǎo)體電路的方法，該方法不依賴于復(fù)雜的工藝過(guò)程，不影響產(chǎn)量或生產(chǎn)成本。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種方法，該方法以最少的工藝變化，易于大量生產(chǎn)二種TFTs。其中一種要求具有高的遷移率，另一種要求具有低漏電流。
我們的研究已揭示對(duì)于實(shí)質(zhì)上非晶硅膜來(lái)說(shuō)增加微量催化材料促進(jìn)結(jié)晶，降低結(jié)晶溫度，縮短結(jié)晶時(shí)間。催化材料的例子包括鎳(Ni)，鐵(Fe)，鈷(Co)，鉑及其硅化物的單一成分物質(zhì)。更確切地說(shuō)，使用含這樣催化元素，元素粒子，或元素組的膜，在非晶硅的上下形成第一膜，以致于使第一膜與非晶硅膜緊密接觸。另一方面，用離子注入或其他方法把這樣的催化元素注入到非晶硅膜中。然后，在適當(dāng)溫度中對(duì)膜作熱退火，一般溫度低于580℃，時(shí)間縮短至8小時(shí)內(nèi)。結(jié)果非晶膜被結(jié)晶化。
用這樣催化元素制造膜的情況下，元素的濃度充分低，因此膜非常之薄。可使用真空泵如濺射或真空蒸發(fā)的方法形成該膜。另外，也可采用在常壓下如自旋涂敷或浸漬實(shí)現(xiàn)的方法。這用常壓方法易于實(shí)施，并且提供高的生產(chǎn)率。在這種情況下，把包括醋酸鹽，硝酸鹽，有機(jī)鹽等這樣的催化元素溶解在適當(dāng)?shù)娜軇﹥?nèi)，并且將其濃度調(diào)整到適當(dāng)?shù)闹怠?br> 由CVD法形成非晶硅膜時(shí)，把催化材料加到原材料氣體中，利用物理蒸發(fā)淀積如濺射，形成非晶硅膜時(shí)，可把催化材料加到靶子或形成膜的蒸發(fā)源中。當(dāng)然，隨退火溫度上升，所以結(jié)晶時(shí)間減小。此外，隨鎳，鐵，鈷和鉑液度增加，所以結(jié)晶溫度下降，并且結(jié)晶時(shí)間縮短。我們的研究展示為了促進(jìn)結(jié)晶，至少這些元素之一的濃度必須超過(guò)1017/cm3，超過(guò)5×1018/cm3更好。
由于全部上述催化材料不是硅所要求的，所以希望它們的濃度盡可能低。我們的研究揭示這些催化材料的總濃度最好不超過(guò)1×1020/cm3，并且，最好局部濃度(例如在晶界處的濃度)不超過(guò)1×1020/cm3。
在本發(fā)明，通過(guò)激光結(jié)晶選擇性地形成高速工作并被用作驅(qū)動(dòng)有源陳列電路TFTs的TFTs。另一方面，通過(guò)由上述催化元素促進(jìn)的結(jié)晶性質(zhì)的實(shí)際使用，制造以較低速度工作并用作有源陣列電路象素的低漏電流TFTs的TFTs。為形成后者TFTs，是在低溫下短時(shí)間內(nèi)使硅晶化。結(jié)果，在同一個(gè)襯底上可形成包括多個(gè)晶體管的，既要實(shí)現(xiàn)低漏電流和又要實(shí)現(xiàn)高速工作，通常這二者特性是相矛盾的電路。
我們還發(fā)現(xiàn)當(dāng)用激光或其他等效強(qiáng)光照射含催化元素如鎳、鐵、鈷、鉑和鈀的膜時(shí)，即使催化元素的濃度比在熱平衡狀態(tài)通常所需引起結(jié)晶的濃度要小得多，也發(fā)生非常迅速的晶體生長(zhǎng)。典型地是，前者濃度小于后者濃度的十分之一。
更具體地說(shuō)，通過(guò)把這些催化元素的濃度調(diào)整到1×1015～1×1019/cm3，較好地為1×1016～5×1017/cm3也能促進(jìn)晶化。然后，用適當(dāng)能量的激光或其他相當(dāng)?shù)膹?qiáng)光照射該膜，激光或其他等效強(qiáng)光的能量密度變化，取決于照射光的波長(zhǎng)，脈沖持續(xù)時(shí)間，非晶硅膜的溫度(或晶體硅)以及其他因素。例如，若把非晶硅的溫度調(diào)至100～450℃較好地是250～350℃，于是，也能用較小的催化元素濃度完成晶化。
在本發(fā)明，就是利用上述催化材料結(jié)晶的特性來(lái)形成非晶硅膜。由含催化元素的材料制成的膜是與非晶硅膜緊密連接，或元素被加至非晶硅膜。然后用激光或其他等效強(qiáng)光照射非晶膜，以使非晶硅膜結(jié)晶。這時(shí)，含催化元素的材料與襯底的選擇部分緊密接觸或摻入到這些部分。接著，用激光或其他等效強(qiáng)光照射或掃描該膜。用該方法，在同一襯底上可形成結(jié)晶度不同的硅膜。在激光照射前，還可在350～650℃，較好為400～550℃下，經(jīng)1～24小時(shí)較好為2～8小時(shí)作預(yù)退火。
用該方法可改善結(jié)晶度。此外，作熱退火雖不能除去的晶界勢(shì)壘，但只要能降低晶界勢(shì)壘就好了。另外，甚至可使留在晶界的非晶部位結(jié)晶。在這種情況下所采用的該方法，即使通過(guò)熱退火達(dá)到的結(jié)晶度下降，通過(guò)后續(xù)的激光照射也能完成全部結(jié)晶。因此可降低利用催化元素的濃度。
在本發(fā)明，通過(guò)后續(xù)激光照射改善用催化元素?fù)诫s的區(qū)域結(jié)晶度，要優(yōu)于用催化元素的摻雜較少區(qū)域結(jié)晶度，而不管在激光照射之前是否實(shí)施予退火。此外，所獲得TFTs表現(xiàn)的特性相當(dāng)于或優(yōu)于由用激光照射非晶膜的一般激光退火所制造的TFTs特性。此外，所使用的激光或等效強(qiáng)光的能量要小于在通常激光退火中使用的激光能量，就可穩(wěn)定地獲得這些特性。另一方面，經(jīng)激光照射也可使沒(méi)有用催化元素?fù)诫s的區(qū)域結(jié)晶。并且在該情況下，利用使激光或等效強(qiáng)光的能量小于在通常激光退火中使用的激光能量，也能獲得穩(wěn)定的特性。當(dāng)然，沒(méi)有用催化元素?fù)诫s的區(qū)域特性要劣于用催化元素?fù)诫s的區(qū)域的那些特性。
利用這些特點(diǎn)，把催化元素輕摻雜區(qū)域用于形成有源陣列電路的象素電路中的低漏電流TFTs。而將催化元素重?fù)诫s區(qū)域于外圍驅(qū)動(dòng)電路中的高速型TFTs。結(jié)果，在一個(gè)襯底上可形成這樣的一種電路，該電路包括獲得既有低漏電流又有高速工作，往往特性相予盾的各個(gè)晶體管。
在本發(fā)明，在形成要求低漏電流的TFTs部分內(nèi)的催化元素濃度必須低于在形成高速TFTs的部分內(nèi)的催化元素的濃度。為了使他們的差異變得更大或再降低漏電流，需要低漏電流的在TFTs的源區(qū)域內(nèi)的催化元素的濃度最好小于1×1015/cm3。
通過(guò)在下面的描述，本發(fā)明的其他目的和特點(diǎn)會(huì)更清楚。


圖1(A)～1(E)是按照本發(fā)明實(shí)施例1的半導(dǎo)體電路剖面圖，說(shuō)明制造半導(dǎo)體電路的連續(xù)進(jìn)行的各步驟;
圖2(A)～2(E)是類似于圖1(A)～1(E)的剖面圖，說(shuō)明按照實(shí)施例2的半導(dǎo)體器件;
圖3是單片有源陣列電路的示意圖;
圖4(A)～4(E)是按照本發(fā)明實(shí)施例3的剖面圖;說(shuō)明制造半導(dǎo)體電路的連續(xù)進(jìn)行的各步驟;并且，圖5(A)～5(E)是類似于圖4(A)～4(E)的剖面圖，說(shuō)明按照實(shí)施例4的半導(dǎo)體器件。
實(shí)施例1本實(shí)施例涉及一種半導(dǎo)體電路，如圖3所示，該半導(dǎo)體電路包括在單個(gè)玻璃襯底上形成的有源陣列電路和在有源陣列電路周圍形成的驅(qū)動(dòng)電路。圖1(A)～(E)是按照本實(shí)施例半導(dǎo)體電路的橫剖面圖，說(shuō)明連續(xù)進(jìn)行制作該器件的各個(gè)步驟。首先，在由Corning7059制成的襯底10上濺射氧化硅厚2000 作為底膜11。用LPCVD法在硅氧化膜11上形成具有500～1500 ，例如1500 厚的本征非晶硅膜12。此后立即通過(guò)濺射淀積硅化鎳厚度為5～200 例如20 作為膜13(圖1A)。硅化鎳膜13的化學(xué)分子式為NiSix，而0.4≤X≤2.5，例如X＝2.0。
然后，用激光有選擇性地照射該疊層制品，以使該選擇區(qū)域結(jié)晶。作為照射光使用具有248nm波長(zhǎng)和脈沖持續(xù)時(shí)間為20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光。其他激光器可使用如波長(zhǎng)353nm的XeF激元激光器發(fā)射的光，波長(zhǎng)為308nm的XeCl激元激光器發(fā)射的光，波長(zhǎng)為193nm的ArF激元激光器發(fā)射的光，以及其他激光器。激光能量密度為200～500mJ/cm2，例如350mJ/cm2。在每個(gè)位置發(fā)射激光2～10次，例如2次。在激光照射期間，襯底被加熱至200～450℃，如300℃。
如圖3可見(jiàn)，要利用激光照射結(jié)晶化的外圍電路區(qū)域與足以承受通過(guò)熱退火處理的陣列電路相隔很大距離。因此無(wú)需光刻步驟。
其后，在還原氣氛環(huán)境中，在500℃條件下使疊層制品作4小時(shí)退火，以使沒(méi)有用激光照射過(guò)的區(qū)域(有源陣列電路的象素電路)結(jié)晶化。結(jié)果，獲得二種結(jié)晶硅區(qū)域12a和12b。通過(guò)激光結(jié)晶化步驟，提高了區(qū)域12a的場(chǎng)遷移率，反之，由熱退火結(jié)晶的區(qū)域12b則成為低漏電流區(qū)(圖1(B))。
將用此方法得到的硅膜進(jìn)行光刻構(gòu)圖，以作成形成外圍驅(qū)動(dòng)電路的島狀硅區(qū)域14a和形成陣列電路區(qū)域的島狀區(qū)域14b。通過(guò)濺射，淀積厚度為1000 的氧化硅作為柵絕緣膜15。在濺射工藝時(shí)，使用含氧化硅的靶子。在濺射期間，襯底溫度為200～400℃例如350℃。濺射環(huán)境氣氛含氧和氬。氬與氧的比率在0和0.5之間，例如小于0.1。利用LPVD淀積厚度達(dá)6000～8000 例如6000 ，含0.1～2%磷的硅，以形成硅膜。最好連續(xù)進(jìn)行形成硅氧化膜的步驟和形成硅膜的步驟。對(duì)硅膜進(jìn)行構(gòu)圖以形成柵電極16a，16b和16c(圖1(C))。
然后，用柵電極掩蔽硅區(qū)域，利用等離子摻雜法把包括磷或硼的雜質(zhì)注入硅區(qū)域。把磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)用作氣體摻雜劑。當(dāng)使用前一種氣體時(shí)，加速電壓為60～90KV，如80KV;當(dāng)使用后一種氣體時(shí)，加速電壓為40～80KV如65KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2。在用磷情況下劑量為2×1015/cm2;在用硼情況下劑量為5×1015/cm2。結(jié)果，形成N型摻雜區(qū)域17a，P型摻雜區(qū)域17b和17c。
其后，通過(guò)激光退火激活雜質(zhì)。使用波長(zhǎng)為248nm和脈沖持續(xù)時(shí)間為20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光作激光退火，其他激光器比如波長(zhǎng)為353nm的XeF激元激光器發(fā)射的光，波長(zhǎng)為308nm的XeCL激元激光器發(fā)射的光，以及其他激光都可使用。激光能量密度為200～400mJ/cm2，比如250mJ/cm2，激光照射期間，向每個(gè)位置發(fā)射激光2～10次比如2次，襯底可加熱到200～400℃?？梢栽?50～500℃溫度下對(duì)疊層制品作2～8小時(shí)退火而不是激光照射。用該方法，使摻雜區(qū)域17a～17c激活(圖1(D))。
然后，通過(guò)等離子CVD，淀積6000 厚的氧化硅作為層間絕緣體18。接著濺射厚度為500～1000 比如800 的銦錫氧化物(ITO)，并構(gòu)圖以形成象素電極19。在層間絕緣體18中形成接觸孔。由金屬材料如氮化鈦和鋁的多層膜構(gòu)成用于形成外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFTs的電極和各各導(dǎo)電互連線20a、20b、20c，以及用于形成陣列象素電路的TFTs的電極和各導(dǎo)電互連線20d，20e。最后，在氫環(huán)境中，一個(gè)大氣壓，溫度為350℃的條件下使該疊層制品經(jīng)30分鐘退火。這樣，就完成了半導(dǎo)體電路(圖1(E))。
用二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)測(cè)定所獲得的TFTs的有源區(qū)域內(nèi)的鎳濃度。對(duì)于外圍驅(qū)動(dòng)電路和陣列電路兩者來(lái)說(shuō)，濃度為1×1018～5×1018/cm3。
實(shí)施例2圖2(A)～2(E)是橫剖面圖，該圖說(shuō)明構(gòu)成該實(shí)施例的各連續(xù)執(zhí)行步驟。在由Corning7509構(gòu)成的襯底21上，濺射氧化硅厚為2000 ，作為硅氧化膜22。并且，利用LPCVD在硅氧化膜22上形成厚度為200～1500 例如500 的非晶硅膜23。注入鎳離子，在非晶硅膜表面形成區(qū)域24，而該區(qū)域24的摻鎳濃度為1×1018～2×1019/cm3例如5×1018/cm3。摻雜區(qū)域24的濃度為200～500 。還根據(jù)摻雜區(qū)域的深度選擇加速能量(圖2(A))。
并且，用激光對(duì)非晶硅膜作選擇性照射，以使所選定的部位結(jié)晶。用作激光照射的是波長(zhǎng)為248nm用脈沖持續(xù)時(shí)間20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光。激光的能量密度為200～500mJ/cm2，例如350mJ/cm2。在每個(gè)位置發(fā)射激光2～10次，例如2次。在激光照射期間，襯底加熱至200～450℃例如400℃。在還原氣氛中，溫度為500℃下，使疊層制品經(jīng)4小時(shí)的退火，以使非晶硅膜未被照射過(guò)的部位結(jié)晶。作為該結(jié)晶步驟的結(jié)果，獲得二種結(jié)晶化的硅區(qū)23a和23b(圖2(B))。
其后，使硅膜構(gòu)圖，以形成島狀區(qū)域26a(外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)域)和26b(陣列象素電路區(qū)域)。作為TFTs的柵絕緣膜，由四乙氧硅烷[四乙基原硅酸鹽，Si(OC2H5)4]和氧形成厚度為1000 的硅氧化膜27。還將三氯乙烯(C2HCl3)加到原料氣體中。在該膜成形之前，把流量為400SCCM的氧送入腔室。在襯底溫度為300℃，總壓力5Pa，以及RF功率為150W下產(chǎn)生等離子。這種條件保持10分鐘。接著分別以300SCCM，15SCCM和2SCCM的流量把氧，四乙基原硅酸鹽和三氯乙烯導(dǎo)入腔室。這樣就形成硅氧化膜，而襯底的溫度是300℃，RF功率為75W，總壓為為5Pa。膜制成后，在100torr的壓力下把氫輸入腔室。在350℃溫度下，將該疊層制品退火35分鐘。
接著，用濺射法淀積厚度6000～8000 如6000 的含2%硅的鋁作為鋁膜。還可用鉭、鎢、鈦或鉬替代鋁。最好連續(xù)執(zhí)行形成硅氧化膜27的步驟和形成鋁膜的步驟。將鋁膜刻成圖形，以形成TFTs的柵電極28a、28b和28c。將鋁互連線的表面作陽(yáng)極氧化，在表面形成氧化層29a、29b和29c。在酒石酸的1～5%乙二醇溶液內(nèi)實(shí)施陽(yáng)極氧化處理。所獲得氧化層的厚度為2000 (圖2(C))。
然后利用等離子摻雜法，把雜質(zhì)或磷注入到硅區(qū)域。利用磷化氫(PH3)作為氣體摻雜劑，加速電壓為60～90KV例如80KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2。這樣就形成N型摻雜區(qū)域30a。用光刻膠掩蔽左邊的TFT(N溝道TFT)，再用等離子摻雜法把雜質(zhì)或硼注入到右邊的外圍電路區(qū)域TFT的硅區(qū)域，以及注入構(gòu)成陣列電路TFTs的硅區(qū)域。利用乙硼烷(B2H6)作為氣體摻雜劑加速電壓為50～80KV例如65KV，劑量為1×1015～8×1015/cm2例如5×1015/cm2例如5×1015/cm2，上述劑量要大于先前注入磷的劑量。這樣就形成了P型摻雜區(qū)和30c。
然后，用激光退火激活雜質(zhì)。用作激光照射的有波長(zhǎng)為248nm和脈沖持續(xù)時(shí)間20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光。激光能量密度為200～400mJ/cm2例如250mJ/cm2。對(duì)每個(gè)位置照射激光2～10次例如2次(圖2(D))。
接著，通過(guò)等離子CVD，用四乙基原硅酸鹽(TEOS)形成厚度2000°A的硅氧化膜31作為層間絕緣體。利用濺射法，淀積500～1000 例如800 厚的銦錫氧化物(ITO)作為銦錫氧氧化膜?？涛g該膜，形成象素電極32。在層間絕緣體31內(nèi)形成接觸孔。由金屬材料例如氮化鈦和鋁的多層膜形成源、漏電極、用于外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFTs的導(dǎo)電互連線33a、33b、33c和各電極以及用于陣列象素電路的TFTs的導(dǎo)電互連線33d、33e。這樣就完成了半導(dǎo)體電路(圖2(E))。
制造半導(dǎo)體電路的外圍驅(qū)動(dòng)電路TFTs的性能決不劣于用已有技術(shù)激光結(jié)晶制作的TFTs性能。利用按照本實(shí)施例的這些TFTs構(gòu)成移位寄存器。我們已經(jīng)征實(shí)用15V漏電壓，該移位寄存器能在11MHz下工作，用17V漏電壓，則能在16MHz下工作。并且在可靠性測(cè)試中，沒(méi)有看出新型TFTs和由公知技術(shù)方法制造的TFTs之間存在差異。就在陣列區(qū)域象素電路內(nèi)的TFTs的性能而論，漏電流小于10-13A。
實(shí)施例3圖4(A)～4(E)是半導(dǎo)體電路的橫向剖面圖，諸圖說(shuō)明制造按照本實(shí)施例電路的各連續(xù)執(zhí)行步驟。首先，在由Corning7059制成的襯底上濺射厚度2000°A的氧化硅，作為底層11。利用等離子CVD在基層11上形成厚度為500～1500 例如500 的本征(I)型非晶硅膜12。然后，立即用濺射法，有選擇性地形成含濃度為1×1018/cm3的鎳并用厚度為5～200 例如50 的硅膜13如所示。利用剝離(lift-off)工藝制作這鎳膜13。還可使用旋涂法代替濺射法(圖4(A))。
用激光照射非晶硅膜12的整個(gè)表面，使其結(jié)晶化。就這種激光照射而言，可使用波長(zhǎng)為248nm和脈沖持續(xù)時(shí)間為20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光。
也可使用其他激光器如波長(zhǎng)為353nm的XeF激元激光器，波長(zhǎng)為308nm的XeCl激元激光器，波長(zhǎng)為193nm的ArF激元激光器以及其他激光器。激光的能量密度為200～500mJ/cm2，例如350mJ/cm2。向每個(gè)位置發(fā)射激光2～10次，例如2次。在激光照射期間，襯底被加熱到100～450℃，例如300℃。結(jié)果，使非晶硅膜的整個(gè)表面結(jié)晶化。然而，位于硅鎳膜13下面的硅膜12a那些部位的結(jié)晶度要優(yōu)于在其他區(qū)域內(nèi)硅膜12b的結(jié)晶度，這是因?yàn)殒嚧龠M(jìn)結(jié)晶化(圖4(B))。
將硅膜光刻成圖形，以形成島狀硅區(qū)域14a(外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)域)和14b(陣列區(qū)域)。用濺射法，淀積1000 厚的硅氧化物作為柵絕緣膜15。在濺射工藝中，使用含氧化硅的靶子。在該工藝過(guò)程中，襯底的溫度為200～400℃，例如350℃。濺射的氣氛環(huán)境含氧和氬。氬與氧的比率在0和0.5之間，例如小于0.1。接著，通過(guò)LPCVD法，形成厚為3000～8000 ，例如6000 以及含0.1～2%磷的硅膜。最好，連續(xù)實(shí)施形成硅氧化膜15的步驟和形成硅膜的步驟。再將硅膜刻成圖形，以形成柵電極16a、16b和16C(圖4(C))。
于是，利用柵電極作為掩模，用等離子摻雜法，把雜質(zhì)或磷和硼注入硅區(qū)域。磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)都可用作摻雜劑氣體。使用磷化氫時(shí)，加速電壓為60～90KV，例如80KV;使用乙硼烷時(shí)，加速電壓為40～80KV，例如65KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2。例如磷劑量為2×1015/cm2;硼的劑量為5×1015/cm2，結(jié)果，形成了N型摻雜區(qū)域17a，P型摻雜區(qū)域17b、17c。
此后，由激光退火激活雜質(zhì)。就該激光退火而言，使用波長(zhǎng)為248nm和脈沖持續(xù)時(shí)間20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光。其他激光器如XeF激元激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為353nm的光、XeCl激元激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為308nm的光、ArF激元激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為193nm的光以及其它的激光器的光。激光的能量密度為200～400mJ/cm2例如250mJ/cm2向每個(gè)位置照射激光2～10次，例如2次。在激光退火期間，襯底被加熱到100～450℃，例如250℃。這樣就激話了摻雜區(qū)域17a～17c(圖4D)。
然后，用等離子CVD法，形成厚度為6000 的硅氧化膜18作為層內(nèi)絕緣體。通過(guò)濺射形成厚度為500～1000 例如800 的銦錫氧化物膜(ITO)。將該膜刻成圖形，形成象素電極19。再在層間絕緣體內(nèi)形成接觸孔。用金屬材料例如氮化鈦和鋁的多層膜制作電極，外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFTs的導(dǎo)電互連線20a、20b、20c和電極，以及陣列象素電路的TFTs的導(dǎo)電互連線20d、20e和電極。最后在350℃、1個(gè)大氣壓下以及氫環(huán)境中經(jīng)30分鐘，使疊層制品退火。這樣，就完成了半導(dǎo)體電路(圖4(E))。
用SIMS來(lái)測(cè)試定本實(shí)施例所獲得TFTs有源區(qū)域內(nèi)所含鎳的濃度，外圍驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)TFTs中的鎳濃度為1×1017～5×1017/cm3。象素電路內(nèi)TFTs中的鎳濃度低于檢測(cè)下限，這個(gè)下限為1×1016/cm3。
實(shí)施例4圖5(A)～5(E)是半導(dǎo)體器件的橫剖面圖。諸圖說(shuō)明連續(xù)進(jìn)行制造按照本實(shí)施例的器件的各個(gè)步驟。利用濺射在由Corning7059制成的襯底21上，形成厚度2000 的硅氧化膜22。然后，用等離子CVD法，在硅氧化膜22上形成厚度為200～1500 例如500 的非晶硅膜23。在用光刻膠24掩蔽該膜同時(shí)，用離子注入法，有選擇性地把鎳離子注入到非晶硅膜23內(nèi)。這樣，形成濃度為1×1015～1×1018/cm3例如5×1016/cm3的含鎳區(qū)域25。這些區(qū)域25的深度是200～500 。根據(jù)這個(gè)深度確定加速電壓。由于本實(shí)施例采用離子注入法，在控制鎳濃度方面比起實(shí)施例3的技術(shù)就更加有效(圖5(A))。然后，在350～650℃，最好是400～550℃例如500℃，在氮?dú)夥罩惺挂r底退火2小時(shí)。作為結(jié)果，鎳摻雜區(qū)域的晶化過(guò)程初步得到推進(jìn)，而后，用激光照射非晶硅膜23的整個(gè)表面，使這些區(qū)域晶化。就該激光照射來(lái)說(shuō)，使用波長(zhǎng)248nm和脈沖持續(xù)時(shí)間20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光。激光的能量密度為200～500mJ/cm2例如350mJ/cm2。向每個(gè)位置發(fā)射激光2～10，例如2次。在激光照射期間，襯底加熱到100～450℃例如350℃。結(jié)果，硅膜晶化。用鎳摻雜硅膜的那些區(qū)域23a在結(jié)晶度方面要優(yōu)于未摻雜區(qū)域23b(圖5(B))。
其后，使硅膜刻成圖形，形成島狀硅區(qū)域26a(外圍驅(qū)動(dòng)電路區(qū)域)和26b(陣列象素電路區(qū)域)。用等離子CVD法，形成厚度1000 的硅氧化膜27作為TFTs的柵絕緣膜，上述過(guò)程使用四乙氧硅烷(四乙基原硅酸鹽Si(OC2H5)4)和氧作為氣體原料。三氯乙烯(C2HCl3)被加到氣體原料中。在膜成形前，以400SCCM的流量把氧送入腔室內(nèi)。在襯底溫度為300℃，總壓力為5Pa，RF功率為150W條件下產(chǎn)生等離子。接著，分別以300SCCM、15SCCM和2SCCM的流量把氧、四乙基原硅酸鹽和三氯乙烯導(dǎo)入腔室。這樣就形成硅氧化膜。襯底的溫度為300℃，RF功率為75W，總壓力為5Pa。做成膜后，把氫導(dǎo)入在100torr壓力下腔室。再在350℃下經(jīng)35分鐘使疊層制品退火。
然后，用濺射法淀積厚度為6000～8000 ，例如6000 的含2%硅的鋁。也可用鉭、鎢、鈦或鉬代替鋁。最好是連續(xù)實(shí)施形成硅氧化膜27的步驟和形成鋁膜的步驟。將鋁膜刻成圖形，形成TFTs柵電極28a、28b和28c。使鋁互連線表面陽(yáng)極氧化，以在表面形成氧化層29a、29b和29c。在酒石酸的1～5%乙二醇溶液內(nèi)進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理。所獲得氧化層厚度為2000 (圖5C)。
用等離子摻雜法，把雜質(zhì)，或磷注入硅區(qū)域。用磷氫(PH3)作為氣體摻雜劑。加速電壓為60～90KV，例如80KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2例如2×1015/cm2。這樣就形成N型摻雜區(qū)域30a。由光刻膠掩蔽左邊的TFT(N溝道TFT)，再次利用等離子摻雜法，把雜質(zhì)，或硼注入右邊的外圍電路區(qū)域TFT的硅區(qū)域和形成陣列電路TFTs的硅區(qū)域。把乙硼烷(B2H6)用作氣體摻雜劑。加速電壓為50～80KV，例如65KV。劑量為1×1015～8×1015/cm2，例如5×1015/cm2，該劑量要大于在該注入磷的劑量。就用該方法，形成P型摻雜區(qū)域30b和30c。
此后，由激光退火激活雜質(zhì)。就這激光退火來(lái)說(shuō)，可使用波長(zhǎng)248nm及脈沖持續(xù)時(shí)間20nsec的KrF激元激光器發(fā)射的光。激光的能量密度為200～400mJ/cm2，例如250mJ/cm2。向每個(gè)位置發(fā)射激光2～10次，例如2次(圖2(D))。
然后，通過(guò)等離子CVD法，由四乙基原硅酸鹽形成厚度為2000 的硅氧化膜31作為層間絕緣體。通過(guò)濺射，形成厚度為500～1000 ，例如800 的銦錫氧化物膜(ITO)。將該膜刻成圖形，形成象素電極32。然后，在層間絕緣體31內(nèi)形成接觸孔。由金屬材料，如氮化鈦和鋁的多層膜制作外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFTs電極和電互連線33a、33b、33c，以及陣列象素電路的TFTs的電極和導(dǎo)電互連線33d、33e。這樣，就完成了半導(dǎo)體電路(圖5(E)).
所制成的半導(dǎo)體電路的外圍驅(qū)動(dòng)電路的TFTs的性能決不低于由公知的激光晶化技術(shù)制造的TFTs的性能。利用按照本實(shí)施例的這些TFTs構(gòu)成移位寄存器。我們已經(jīng)確認(rèn)用15V漏電壓，移位寄存器能在11MHz下工作，用17V漏電壓，則移位寄存器能在16MHz下工作。還有，在可靠性測(cè)試中，沒(méi)有觀測(cè)到新型TFTs和由公知技術(shù)方法制作的TFTs之間的差異。就陣列區(qū)域(象素電路)內(nèi)TFTs的性能來(lái)說(shuō)，漏電流小于10-13A。
如上述實(shí)施例所述，本發(fā)明在同樣的襯底上可制作能高速工作的TFTs和顯示出低漏電流的TFTs。該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于液晶顯示器，易于大批量生產(chǎn)TFTs，而且性能得到改善。當(dāng)然，在襯底上也可制作僅僅展示這二個(gè)特征之一的TFTs。
此外，在本發(fā)明中還可以低溫，如500℃，和短時(shí)，如4小時(shí)使硅晶化，而改善生產(chǎn)率。采用高于600℃進(jìn)行的傳統(tǒng)工藝，會(huì)使玻璃襯底縮變，扭曲，導(dǎo)致生產(chǎn)成品率下降。而采用本發(fā)明使這個(gè)問(wèn)題完全得到解決。這還意味著用一次操作中處理具有很大面積的襯底。尤其是，通過(guò)把大面積的襯底切成許多半導(dǎo)體電路，比如陣列電路，這樣可極大地降低每個(gè)電路的價(jià)格。這樣一來(lái)，本發(fā)明對(duì)工業(yè)上更有利。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體電路的方法，其步驟包括如下形成非晶硅膜；形成至少含一種催化元素，與所述非晶硅膜接觸的物質(zhì)；用光選擇性地照射所述非晶硅膜，以使所述非晶硅膜選擇性地晶化，并且，在所述照射步驟以后，通過(guò)加熱使所述硅膜退火。
2.按權(quán)利要求1所述方法，其特征是，所述至少一種催化元素是鎳、鐵、鈷及鉑中的至少一種。
3.按權(quán)利要求1所述方法，其特征是，所述實(shí)施退火步驟的溫度為580℃或更低。
4.按權(quán)利要求1所述方法，其特征是，所述光是激光或等效于激光的光。
5.一種制造半導(dǎo)體電路的方法，其步驟包括如下形成非晶硅膜;把至少一種催化元素?fù)饺胨龇蔷Ч枘ぶ?用光選擇性地照射所述非晶硅膜，使所述非晶硅膜選擇性晶化;并且在所述照射步驟后，通過(guò)加熱使所述硅膜退火。
6.按權(quán)利要求5所述方法，其特征是，在所述摻入步驟中，如由SIMS所測(cè)得，在所述非晶硅膜中所述至少一種催化元素最低濃度值超過(guò)1×1016/cm3。
7.按權(quán)利要求5所述方法，其特征是，實(shí)施所述退火步驟溫度為580℃或更低。
8.按權(quán)利要求5所述方法，其特征是，所述光是激光或等效于激光的光。
9.一種制造半導(dǎo)體電路的方法，其步驟包括如下選擇性地形成至少含一種催化元素，與非晶硅膜接觸的物質(zhì);并且用光照射所述非晶硅膜，以促進(jìn)所述非晶硅膜的晶化。
10.按權(quán)利要求9所述方法，其特征是，所述至少一種催化元素是鎳、鐵、鈷及鉑中的至少一種。
11.按權(quán)利要求9所述方法，其特征是，所述光是激光或等效于激光的光。
12.一種制造半導(dǎo)體電路的方法，其步驟包括如下把至少一種催化元素選擇性地?fù)饺敕蔷Ч枘?并且，用光照射所述非晶硅膜，以促進(jìn)所述非晶硅膜的晶化。
13.按權(quán)利要求12所述方法，其特征是，所述至少一種催化元素是鎳、鐵、鈷及鉑中的至少一種。
14.按權(quán)利要求12所述方法，其特征是，所述光是激光或等效于激光的光。
15.一種半導(dǎo)體電路包括在襯底上提供的單片電路以及包括有源陣列電路和外圍驅(qū)動(dòng)電路;設(shè)置在所述外圍驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)的且有源區(qū)域含有濃度為1×1015～1×1019/cm3的至少一種催化元素的晶體管，并且，設(shè)置在所述有源陣列電路內(nèi)的而且有源區(qū)會(huì)有至少所述一種催化元素，而催化元素的濃度低于設(shè)置在所述外圍驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)所所述晶體管的所述有源區(qū)域的濃度的晶體管。
16.按權(quán)利要求15所述半導(dǎo)體電路，其特征是，設(shè)置在所述外圍驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)的所述晶體管的所述有源區(qū)域的所述至少一種催化元素的濃度為1×1016～5×1017/cm3。
17.按權(quán)利要求15所述半導(dǎo)體電路，其特征是，設(shè)置在所述有源陣列電路內(nèi)的所述晶體管的所述有源區(qū)域中的所述至少一種催化元素的濃度為小于1×1015/cm3。
18.按權(quán)利要求15所述半導(dǎo)體電路，其特征是，所述至少一種催化元素是鎳、鐵、鈷和鉑中的至少一種。
19.按權(quán)利要求15所述半導(dǎo)體電路，其特征是，通過(guò)由SIMS測(cè)定的值確定所述至少一種催化元素的所述濃度。
20.一種半導(dǎo)體電路，包括在襯底上設(shè)置的以及具有至少用一種催化元素?fù)诫s的有源區(qū)域的許多個(gè)晶體管，其特征在于，摻雜最重的一個(gè)所述有源區(qū)域的所述至少一種催化元素的濃度與摻雜最輕的一個(gè)所述有源區(qū)域的所述至少一種催化元素的濃度之比為10或更大。
全文摘要
本發(fā)明的制造半導(dǎo)體電路方法由形成非晶硅膜著手，然后，如此形成含至少一種催化元素的第二層，以便與非晶硅膜緊密連接，或催化元素被摻入非晶硅膜中，用激光或其他等效強(qiáng)光對(duì)該非晶硅膜作選擇性照射，再使該非晶體硅膜晶化。
文檔編號(hào)H01L21/77GK1099519SQ9410426
公開(kāi)日1995年3月1日 申請(qǐng)日期1994年3月12日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月12日
發(fā)明者張宏勇, 高山徹, 竹村保彥 申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所