專利名稱：：制造結(jié)晶硅半導(dǎo)體和薄膜晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及其主要成分是具有結(jié)晶硅的半導(dǎo)體的制造方法，特別是涉及用于半導(dǎo)體元件例如薄膜晶體管的結(jié)晶硅半導(dǎo)體的制造方法。通常，采用薄膜半導(dǎo)體的薄膜晶體管(以下稱為TFT)是已知的。TFT是由形成在襯底上的薄膜半導(dǎo)體來(lái)構(gòu)成的。TFT用于各種集成電路，尤其是電光器件例如液晶顯示，特別是有源矩陣型液晶顯示器件各個(gè)象素的開關(guān)元件或者形成在外圍電路部分的驅(qū)動(dòng)元件。采用非晶硅膜作為TFT的薄膜半導(dǎo)體雖然簡(jiǎn)單方便，但其電特性較差。為了改善TFT的性能，最好采用具有結(jié)晶性的硅薄膜。為了提供具有結(jié)晶性的硅膜，首先形成非晶硅，之后通過對(duì)其加熱或者在其上輻照高能電磁波例如激光束來(lái)進(jìn)行晶化。但是，經(jīng)加熱而晶化需要在600℃以上的加熱溫度花費(fèi)10小時(shí)以上的時(shí)間周期，因此難以使用玻璃襯底。例如，有源型液晶顯示器常用的Corning7059玻璃的形變點(diǎn)是593℃，因此，考慮襯底的膨脹時(shí)，在600℃以上加熱就成為問題。而且，所獲得的結(jié)晶硅膜的性能劣于通過如下的激光輻照射而提供的膜。已經(jīng)揭示出，采用具有加速非晶硅的晶化催化作用的元素，以解決上述問題，這公開在日本未審查專利公開244103/1994、244104/1994、244105/1994、244205/1994和296023/1994。亦即，業(yè)已揭示，通過使極少量的鎳、鈀、鉛等元素附著于非晶硅膜并隨后加熱，可以在約4小時(shí)的處理時(shí)間內(nèi)，于600°以下典型地為550℃進(jìn)行晶化。但是，在這種工藝中，以如此短的時(shí)間周期在如此低的溫度獲得的硅膜中仍留有催化元素，使用此硅膜的TFT的特性是不好的。特別是，TFT中最嚴(yán)重的問題是，當(dāng)在柵極上施加反向偏壓(在N溝道TFT是負(fù)電壓，在P溝道TFT是正電壓)時(shí)，漏極電流(截止電流或泄漏電流)的絕對(duì)值較大，而且在各個(gè)元件中此值相當(dāng)分散。特別地，當(dāng)此硅膜用于有源矩陣型液晶顯示器件中的象素的開關(guān)晶體管時(shí)，大的截止電流會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重問題。如果布置在象素電極的薄膜晶體管的截止電流較大，則象素電極不能在預(yù)定的時(shí)間周期內(nèi)保持電荷，從而引起屏幕閃爍和模糊顯示。從現(xiàn)狀來(lái)看，本發(fā)明之目的是提供一種結(jié)晶硅半導(dǎo)體膜的制造方法，通過使用促進(jìn)硅晶化的催化元素使硅膜晶化的步驟，實(shí)現(xiàn)降低TFT的截止電流、降低每個(gè)元件的截止電流值以及離散度，特別是提供一種能在低溫處理并適于批量生產(chǎn)的結(jié)晶硅半導(dǎo)體的制造方法。為在到上述目的，本發(fā)明通過使用下列步驟來(lái)提供具有結(jié)晶性的硅膜。首先，通過各種化學(xué)汽相淀積(CVD)工藝、例如等離子CVD工藝或熱CVD工藝，在絕緣表面上淀積氧化硅膜。此步驟中的膜形成溫度是450℃以下，300～350℃更好。可以通過等離子CVD工藝，采用例如四乙氧基硅烷(TEOS)和氧或者甲硅烷(SiH4)和一氧化二氮(N2O)，或者通過熱CVD工藝，采用單硅烷和氧進(jìn)行淀積。通過各種CVD工藝，在如上述已淀積的氧化硅膜上，淀積非晶硅膜。例如，通過采用甲硅烷作為原材料的等離子CVD工藝，在非晶硅膜的制備中，膜形成溫度最好在295～305℃。但是，必須在不使氧化硅膜與空氣接觸的條件下來(lái)形成非晶硅膜。亦即，必須連續(xù)進(jìn)行氧化硅膜的形成和非晶硅膜的形成。為此目的，最好采用公知的多室系統(tǒng)的膜形成裝置(組合加工設(shè)備)。之后，在非晶硅膜上，以層、膜或者簇的形式，形成催化元素的單一物質(zhì)或含有促進(jìn)非晶硅膜晶化的催化元素的化合物。以下，稱催化元素單一物質(zhì)的層或者含有催化元素的化合物的層為催化劑層。以下將說(shuō)明催化劑層的形成方法。而且，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用鎳作為催化元素時(shí)，可達(dá)到最顯著的效果。其它可使用的催化元素是Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、Pd、P、As和Sb。隨后，對(duì)非晶硅膜進(jìn)行熱處理，由此使非晶硅膜部分或全部晶化。在晶化工藝中，當(dāng)催化劑層未覆蓋非晶硅膜的整個(gè)面時(shí)，不僅催化劑層覆蓋的區(qū)域發(fā)生晶化，而且結(jié)晶從該區(qū)域向周圍部位推進(jìn)。在晶化步驟，在400℃以上的溫度對(duì)非晶硅膜加熱，以推進(jìn)其中已引入了催化元素的非晶硅膜的結(jié)晶化。對(duì)于普通的玻璃襯底，加熱溫度是400℃～750℃。但是，耐熱溫度隨玻璃襯底的種類而不同，因此，加熱溫度的上限可以是玻璃的變形點(diǎn)。例如，對(duì)于Corning7059玻璃，其玻璃變形點(diǎn)是593℃，對(duì)于Corning1737玻璃，是667℃。具體地，從玻璃襯底的耐熱性和生產(chǎn)率來(lái)看，把加熱溫度確定為約550℃是適宜的。已經(jīng)清楚，加熱溫度越高，硅膜結(jié)晶性改進(jìn)越好。因此，在最大限度地改進(jìn)硅膜的結(jié)晶性時(shí)，在盡可能高的溫度加熱硅膜，只要襯底能承受此溫度。在此情況下，最好使用能承受約1000℃的溫度的石英襯底。例如，石英襯底可在約800℃～1000℃的溫度加熱。在加熱步驟之后，通過輻照激光束或等效強(qiáng)光束，可以進(jìn)一步促進(jìn)結(jié)晶化。通過增加此步驟，可使在前面步驟未能晶化的部位晶化，其中在前述步驟已晶化的部位被用作晶核。通過本發(fā)明方法的晶化與通過輻照激光來(lái)而進(jìn)行的傳統(tǒng)晶化之間的基本差異在于，由于在傳統(tǒng)方法中非晶硅膜從無(wú)晶核的狀態(tài)熔融隨后結(jié)晶，所以確定結(jié)晶性的條件非常嚴(yán)格。亦即，當(dāng)不存在晶核時(shí)，晶化工藝中冷卻速率是決定結(jié)晶性的主要因素。但是，冷卻速率隨激光束的能量密度和環(huán)境溫度而明顯不同，因而激光能量密度的最佳范圍必然變窄。如果能量過高，則從熔融態(tài)的冷卻速率過大，導(dǎo)致非晶態(tài)。而且，如果能量過低，膜整體不能熔融，仍保持非晶部分。此時(shí)，當(dāng)存在晶核時(shí)，有利于晶化而且對(duì)冷卻速率的依賴性不明顯。而且，大部分膜已結(jié)晶化，即使激光束的能量密度較低，也能保證適宜的性能。按此方式，可以穩(wěn)定地提供結(jié)晶性有極大改善的結(jié)晶硅膜?？梢栽谳^短時(shí)間周期內(nèi)輻照非相干強(qiáng)光束、特別是紅外線，來(lái)代替激光束輻照。紅外線很難被玻璃吸收，但易于被硅薄膜吸收，因此形成在玻璃襯底上的硅薄膜可以被選擇地加熱，這是所期望的。這種在短時(shí)間內(nèi)照射紅外線的工藝稱為快速熱退火(RTA)或者快速熱處理(RTP)。作為形成催化劑層的方法有淀積工藝，其中采用真空裝置，用于濺射催化元素的單一物質(zhì)或其化合物，還有一種淀積工藝，是將含有催化元素的溶液在空氣中涂覆在非晶硅膜表面。尤其是在后者的工藝中，元需基本投資即可重現(xiàn)地進(jìn)行淀積。以下將對(duì)后-工藝做詳細(xì)說(shuō)明。在后-工藝中可以使用水溶液、有機(jī)溶液等作為溶液。在此說(shuō)明書中，＂含有催化劑＂表示作為化合物含有催化劑，或者以分散形式含有催化劑。作為含催化元素的溶劑，可以選擇極化的水溶劑、醇、酸或者氨。此時(shí)可以在非晶硅膜表面形成薄氧化膜，因?yàn)楫?dāng)溶液直接涂覆在硅膜上時(shí)，溶液會(huì)被排斥。在氧化膜的形成中可以采用熱氧化、通過氧化劑如過氧化氫的氧化、通過紫外線照射的氧化等。向含催化元素的溶液添加表面活性劑來(lái)代替形成氧化膜也是有用的。此添加是用于對(duì)待涂覆面的粘著增強(qiáng)和吸附控制。表面活性劑可以預(yù)先涂覆在待涂覆表面?？梢允褂没旧虾凶鳛槭杷鶊F(tuán)的約10～20個(gè)碳原子的烴鏈作為表面活性劑。例如，作為表面活性劑，有氫氟酸混合溶液、氟化銨和水的溶液，其中含有選自以下表面活性劑組成的集合中至少一種材料，這些表面活性劑包括脂肪酸和羧酸的鹽、脂肪酸銨和脂族醇。脂肪酸可表示為CnH2n＋1COOH(n是5-11的整數(shù))。脂肪酸的鹽可表示為CnH2n＋1CONH3R(n是5～11的整數(shù)，R代表氫原子或者具有5～10個(gè)碳數(shù)的烷基)。脂肪酸銨可表示為通式CmH2m＋1NH2(m是7-14的整數(shù))。脂族醇可表示為通式CnH2n＋1OH(n是6～12的整數(shù))。表面活性劑的具體實(shí)例如以下表1～表3所示。以下表面活性劑當(dāng)其粘附于非晶硅膜表面時(shí)具有分散金屬元素的作用。表1表2</tables>表3<<p>當(dāng)使用鎳作為催化劑而且鎳包含在極化溶劑中時(shí)，鎳是以鎳化合物的形式被引入的。有代表性的鎳化合物選自溴化鎳、乙酸鎳、草酸鎳、碳酸鎳、氯化鎳、碘化鎳、硝酸鎳、硫酸鎳、甲酸鎳、乙酰丙酮鎳，4-環(huán)己基丁酸鎳，氧化鎳和氫氧化鎳。而且，當(dāng)使用鎳的單一物質(zhì)作為催化元素時(shí)，必須把鎳溶于酸中形成溶液。包含催化元素的溶劑可以選自非極化溶劑，如苯、甲苯、二甲苯、四氯化碳、三氯甲烷和醚。此時(shí)以鎳化合物的形式引入鎳。有代表性的鎳化合物可以包括乙酰丙酮鎳和2-乙基己烷鎳。雖然上述實(shí)例使用的溶液中，鎳作為催化元素完全溶解，但也可使用乳劑，其中包括鎳的單一物質(zhì)或鎳化合物在內(nèi)的粉末均勻地分散于懸浮媒質(zhì)中，即使鎳未完全溶解?；蛘?，也可使用形成氧化膜的溶液。這種溶液包括東京應(yīng)化工業(yè)(株)TokyoOhkaKogyoK.K.)制造的OCD(應(yīng)化擴(kuò)散源)。使用OCD溶液時(shí)，涂覆在待處理的面上，并在約200℃烘焙，由此簡(jiǎn)便地形成氧化硅膜。另外，本發(fā)明中可以采用溶液，因?yàn)槟芟蚱渲凶杂傻靥砑与s質(zhì)。上述條件同樣適用于采用鎳之外的材料作為催化元素的情況。溶液中的鎳含量盡管取決于溶液種類，但按慣例以相對(duì)于溶液的鎳含量，最好在0.1ppm～200ppm，1ppm～50ppm(重量)更好。此值的是根據(jù)已完成晶化的膜中鎳濃度或者耐化學(xué)性(例如耐氫氟酸性)而確定。已經(jīng)揭示，采用結(jié)晶硅膜制備的TFT的大截止電流是由晶體晶化中所用的催化元素的過量存在引起的，而且截止電流的大的離散性是由于催化元素的分凝。因此，如果在晶化步驟之后使催化元素被阻止在硅晶粒之外，而且催化元素濃度低得能避免分凝，則可降低截止電流。原本上催化元素不能穩(wěn)定地存在于硅晶粒中，而且以自然形態(tài)被排斥在外。但是，在硅膜的頂部和底部實(shí)際地形成有穩(wěn)固的阻擋層(勢(shì)壘層)，所以催化元素被含于其內(nèi)而且在晶界上分凝。本發(fā)明的特征之一是連續(xù)形成氧化硅膜的底層和非晶硅膜。亦即，在氧化硅膜與非晶硅膜之間沒有因空氣中的濕氣、二氧化碳等而形成的雜質(zhì)層。在本發(fā)明中，氧化硅膜的底層和非晶硅膜，是在450℃以下的低溫淀積的，所以氧化硅膜非常軟，而且被非晶硅膜所排斥的催化元素迅速地滲入氧化硅膜。相反，如果底層由具有穩(wěn)固的阻擋作用的氮化硅制做，則催化元素幾乎不被膜吸收。而且，即使對(duì)于氧化硅膜，如果在超過450℃的溫度對(duì)其處理，則氧化硅被硬化，催化元素的吸收受到阻礙。在晶化初期，氧化硅與硅之間的界面處于不確定狀態(tài)(一種在由理想配比組分構(gòu)成的不同物質(zhì)之間的界面無(wú)法識(shí)別的狀態(tài))。但是，隨著晶化的進(jìn)展，界面變得確定。多數(shù)的催化元素存在于晶化的前端，并隨晶化的推進(jìn)而移動(dòng)。所以，在所有的硅膜均已最終晶化的狀態(tài)下，多數(shù)的催化元素被吸收于氧化硅膜中。通過退火步驟，初始的軟氧化硅膜被充分硬化，而且已被氧化硅膜吸收的催化元素幾乎沒有不返回結(jié)晶硅膜。而且，可以充分地減少陷阱能級(jí)。因此，在連續(xù)元件形成的可靠性上不會(huì)產(chǎn)生問題。圖1(A)、1(B)、1(C)、1(D)、1(E)和1(F)展示了實(shí)施例1的制造步驟(剖面圖)。圖2(A)、2(B)和2(C)展示了實(shí)施例1的制造步驟(頂視圖)。圖3(A)、3(B)、3(C)、3(D)、3(E)和3(F)展示了實(shí)施例2的制造步驟(剖面圖)。圖4(A)、4(B)、4(C)、4(D)、4(E)和4(F)展示了實(shí)施例3的制造步驟(剖面圖)。實(shí)施例1圖1(A)、1(B)、1(C)、1(D)、1(E)和1(F)展示了實(shí)施例1。在襯底(Corning7059玻璃)101上，形成氧化硅膜的底層102，厚度為1000～5000，例如1000。以TEOS和氧作為原材料氣體的采用等離子CVD來(lái)形成氧化硅膜102。膜形成時(shí)的襯底溫度為250℃。在TEOS中混入1～50％的三氯乙烯(TCE)，典型地為20％。由TCE在氧化硅膜的底層102中引入氯，從而增強(qiáng)排出含在硅膜中的催化元素的效果。連續(xù)地，以甲硅烷作為原材料通過等離子CVD，形成非晶硅膜103，厚度為100～1500，例如800。非晶硅膜103的膜形成溫度是300℃。采用具有兩個(gè)膜形成室的組合加工設(shè)備，并使氧化硅膜102的表面不與空氣接觸，如此連續(xù)地進(jìn)行氧化硅膜102和非晶硅103的形成。之后，通過等離子CVD工藝，形成構(gòu)成掩模的氧化硅膜104，厚度為500?！?000，例如1000。氧化硅膜104的形成也由上述組合加工設(shè)備在與氧化硅膜的底層102相同的條件下進(jìn)行。而且，通過公知的光刻法在氧化硅膜104上構(gòu)成圖形，通過開孔，選擇地露出非晶硅膜103。再者，把非晶硅膜103置于過氧化氫的水溶液中，由此在非晶硅膜103的暴露部位形成厚度為10～100的極薄氧化硅膜(圖中未示出)。由于氧化硅膜太薄，所以無(wú)法知道其確切厚度。作為形成這種氧化硅膜的另一種工藝，可以采用在氧氣氛中輻照紫外線的氧化反應(yīng)。作為此例的條件，可以在氧氣氛中輻照射1～15分鐘的紫外線。而且，可采用熱氧化工藝。涂覆氧化硅膜是為了在涂覆含鎳乙酸溶液的后續(xù)步驟中，使乙酸溶液能遍布于非晶硅膜103的整個(gè)表面，即改善浸潤(rùn)性。當(dāng)把乙酸溶液直接涂覆在非晶硅膜103的表面時(shí)，非晶硅膜排斥乙酸溶液，因此無(wú)法在非晶硅膜103的整個(gè)表面引入鎳，并不能進(jìn)行均勻晶化。在此步驟形成這種薄氧化硅膜的目的是減輕非晶硅膜103的水排斥性。接著，制備添加有鎳的乙酸溶液。鎳濃度為100ppm。在整個(gè)表面上滴落2ml的乙酸溶液并保持此狀態(tài)達(dá)5分鐘。采用旋涂機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)干燥(2000rpm，60秒)。涂完溶液后，將此狀態(tài)保持1～10分鐘。雖然非晶硅膜103中最終含有的鎳濃度可以由保持時(shí)間來(lái)控制，但最大的控制因素仍是溶液濃度。通過一次或多次涂覆鎳溶液的步驟，在旋轉(zhuǎn)干燥之后，在非晶硅膜103的暴露表面上，可以形成平均膜厚為幾A至幾百A的含鎳層(催化劑層)105。此例中，在后續(xù)的加熱步驟中層中的鎳在非晶硅膜103中擴(kuò)散，并起促進(jìn)晶化的催化劑作用。順便提及，催化劑層105不必是完整的膜(圖1(A))。而且，在加熱爐中，在500～580℃的氮?dú)夥障逻M(jìn)行1～12小時(shí)的加熱，本例中在550℃加熱8小時(shí)，結(jié)果，從氧化硅膜104的開孔部位開始推進(jìn)結(jié)晶化，從而提供結(jié)晶的硅區(qū)106和107。其它區(qū)108和109仍是非晶硅狀態(tài)(圖1(B))。圖2(A)是展示過程狀態(tài)的頂視圖。如圖2(A)所見，結(jié)晶硅區(qū)從打孔部位擴(kuò)展成為橢圓形狀(圖2(A))。之后，除去氧化硅膜104，對(duì)硅膜蝕刻構(gòu)圖，由此形成島形硅膜區(qū)110和111。通過在垂直方向具有各向異性的RIE工藝，進(jìn)行硅膜的蝕刻。由此形成TFT的有源層。隨后，在氧氣氛中550℃進(jìn)行熱處理，由此在島形硅膜區(qū)110和111的表面上形成極薄的(最多為100)氧化硅膜112。在氮?dú)夥栈蛘呖諝庵?，在其上輻照幾次KrF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)248nm，脈寬30nsec)，能量密度為200～400mJ/cm2，例如300mJ/cm2，由此進(jìn)一步促進(jìn)島形硅膜區(qū)110和111的結(jié)晶性。除了KrF準(zhǔn)分子激光，也可使用其它準(zhǔn)分子激光，例如XeCl激光(波長(zhǎng)308nm)、ArF激光(波長(zhǎng)193nm)、XeF激光(波長(zhǎng)353nm)等。而且，也可使用RTA方法。(圖1(C))。隨后，通過濺射法或等離子CVD法，形成厚1000的氧化硅膜113作為柵絕緣膜。在使用濺射法時(shí)，以氧化硅為靶，濺射時(shí)襯底溫度為200～400℃，例如350℃，濺射氣氛由氧氣和氬氣構(gòu)成，氬/氧＝0～0.5，例如0.1以下。(圖1(D))。連續(xù)地，采用低壓CVD工藝，形成厚度為3000～8000、例如6000的硅膜(含0.1～2％的磷)。順便提及，最好連續(xù)地進(jìn)行氧化硅膜113的形成步驟和硅膜的形成步驟。對(duì)硅膜構(gòu)圖，形成柵電極114～116。圖2(B)是展示此過程狀態(tài)的頂視圖。圖2(B)中的虛線橢圓圖形對(duì)應(yīng)于圖2(A)中的區(qū)106和107。(圖2(B))。接著，采用離子摻雜工藝，以柵電極114～116為掩模，把雜質(zhì)(磷和硼)注入有源層。使用磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)作為摻雜氣體。前者的加速電壓為60～90KV，例如80KV，而后者加速電壓為40～80KV，例如65KV。劑量為1×1014～8×1015cm-2，例如對(duì)于磷是1×1015cm-2，對(duì)于硼是2×1015cm-2。摻雜中，通過用光致抗蝕劑區(qū)覆蓋無(wú)需摻雜的部位，來(lái)選擇地?fù)饺敫鞣N元素。結(jié)果，形成N型雜質(zhì)區(qū)118和119和P型雜質(zhì)區(qū)117。之后，在550～600℃進(jìn)行退火，從而使注入了離子的雜質(zhì)區(qū)117～119激活。結(jié)果，使摻有提供P型雜質(zhì)(硼)的雜質(zhì)區(qū)117和摻有提供N型雜質(zhì)(磷)的雜質(zhì)區(qū)118和119被激活(圖1(E))。連續(xù)地，采用等離子CVD工藝，形成厚6000的氧化硅膜120作為層間絕緣體。在層間絕緣體120中形成接觸孔(接觸孔開孔位置如圖2(C)所示)，其中由鋁膜形成TFT的電極/引線121～125。最后，在1個(gè)大氣壓的氫氣氛中于310℃進(jìn)行30分鐘退火。退火也可以在把氫離子注入有源層之后再進(jìn)行，亦即在圖1(C)或圖1(D)的步驟中以10～100KeV對(duì)氫離子加速，由此代替氫退火(圖1(F))。按此方式可形成具有TFT的電路。本實(shí)施例中，通過采用N溝道TFT和P溝道TFT的互補(bǔ)電路，可以在同一襯底上，形成具有有源矩陣電路和用于驅(qū)動(dòng)有源矩陣電路的邏輯電路的集成電路(通稱為單片或有源矩陣電路)，形成在圖2(B)左側(cè)島形區(qū)110上的TFT主要用作邏輯電路，右側(cè)島形區(qū)111的TFT用作有源矩陣電路的開關(guān)晶體管，不過這是用于衡量TFT的基本特性所需的最小電路。實(shí)施例2圖3(A)、3(B)、3(C)、3(E)和3(F)表示實(shí)施例2中制造步驟的過程簡(jiǎn)圖。采用等離子CVD工藝，以甲硅烷和一氧化二氮作為原材料，在玻璃襯底(Corning1737)201上首先形成氧化硅膜的底覆蓋層202，厚度為1000～5000，例如2000。膜形成溫度是350℃。而且，采用等離子CVD工藝，以甲硅烷為原材料，在其上淀積厚1000的非晶硅膜203。膜形成溫度是250℃。使用具有兩個(gè)膜形成室的組合加工設(shè)備，連續(xù)地形成氧化硅膜202和非晶硅膜203。接著，在非晶硅膜203上，采用過氧化氫水溶液，形成極薄氧化硅膜。如同實(shí)施例1，在襯底上滴落5ml的含1～30ppm、例如10ppm鎳的乙酸溶液(10cm2襯底的情形)，并用旋涂機(jī)以50rpm進(jìn)行10秒的旋涂，由此在襯底整個(gè)表面上形成均勻的水膜。保持此狀態(tài)5分鐘，使用旋涂機(jī)以2000rpm進(jìn)行60秒的旋轉(zhuǎn)干燥。保持步驟可通過以0～150rpm旋轉(zhuǎn)旋涂機(jī)來(lái)進(jìn)行。按此方式形成含鎳催化劑層204(圖3(A))。隨后，在氮?dú)夥罩杏?50℃進(jìn)行4小時(shí)退火，由此使非晶硅膜203結(jié)晶。此時(shí)，鎳從非晶硅膜203向氧化硅膜的底層202移動(dòng)，結(jié)晶從頂部向底部推進(jìn)。按此方式，獲得結(jié)晶硅膜205，其中觀察到有尺寸大約為幾個(gè)μm的非晶成分。(圖3(B))。晶化步驟之后，通過退火工藝輻照XeCe激光(波長(zhǎng)308nm)，進(jìn)一步提高了硅膜205的結(jié)晶性。如果在激光束輻照步驟對(duì)襯底201或者待用激光束輻照的面加熱，則可使均勻性更為提高并能降低所需的激光能量密度。加熱溫度最好在200℃～450℃。通過此步驟，硅膜205中的非晶成分完全結(jié)晶，從而提高了結(jié)晶性。按此步驟提供了結(jié)晶硅膜206(圖3(C))。而且，可以通過快速熱退火(RTA)來(lái)完成此步驟。具體地，輻照30～180秒的紅外線，其峰值波長(zhǎng)為0.6～4μm，這里是0.8～1.4μm。氣氛中可混合0.1～10％的HCl。采用鹵素?zé)糇鳛榧t外線光源。調(diào)整紅外線強(qiáng)度，使單晶硅晶片上的監(jiān)視器溫度在900～1200℃的范圍。具體地，對(duì)埋置在硅晶片中的熱電偶的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并反饋至紅外線光源。此例中，溫度上升速率恒定地在50～200℃/秒，降溫速率在自然冷卻的20～100℃/秒?？梢栽谝r底保持室溫的狀態(tài)進(jìn)行紅外線照射。但是，為了提高效果，可以在襯底預(yù)先加熱至200～450℃如400℃的狀態(tài)進(jìn)行紅外線照射。接著，對(duì)結(jié)晶硅膜206蝕刻，由此形成島形硅膜區(qū)207和208。采用在垂直方向具有各向異性的RIE工藝，對(duì)結(jié)晶硅膜206進(jìn)行蝕刻。之后，采用等離子CVD工藝，以甲硅烷和一氧化二氮為原材料，形成厚1000的氧化硅膜209作為柵絕緣膜。形成膜時(shí)襯底溫度為200～400℃，例如350℃，此步驟之后，在氮?dú)饣蛞谎趸獨(dú)夥罩?，?50～650℃進(jìn)行熱退火(圖3(D))。連續(xù)地，采用濺射法形成鋁膜(含0.1～2％的鈧)，厚度為3000～8000，例如4000。而且，對(duì)鋁膜蝕刻，由此形成柵電極210～212。通過在電解液中通電，在柵電極210～212上進(jìn)行陽(yáng)極氧化，由此在柵電極210～212的頂面和側(cè)面上形成氧化鋁膜，厚度為1000～3000，這里是2000。在含1～5％酒石酸的1，2-亞乙基二醇溶液中進(jìn)行陽(yáng)極氧化。順便提及，此氧化鋁層為在后續(xù)的離子摻雜步驟形成偏移柵區(qū)提供了一個(gè)厚度，由上述陽(yáng)極氧化步驟可以確定偏移柵區(qū)的長(zhǎng)度。(參見日本未審查專利公開114724/1993、267667/1993和291315/1994)接著，采用離子摻雜工藝，以柵電極部位(柵電極210～212和周圍的氧化層)為掩模，按自對(duì)準(zhǔn)方式向有源層區(qū)添加提供P或N導(dǎo)電類型的雜質(zhì)。使用磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)作為摻雜氣體。前者，加速電壓為80KV，劑量為5×1014cm-2，后者，加速電壓為65KV，劑量為1×1015cm-2。摻雜中，通過用光致抗蝕劑覆蓋不必要的部位，使各種元素選擇地?fù)饺?。結(jié)果，形成N型雜質(zhì)區(qū)214和215和P型雜質(zhì)區(qū)213。之后，通過輻照激光來(lái)進(jìn)行退火，使注入離子后的雜質(zhì)區(qū)激活。雖然激光來(lái)束用KrF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)248nm，脈寬20nses)，但也可用其它激光束來(lái)替換。作為輻照激光束的條件，能最密度是200～400mJ/cm2，例如250mJ/cm2，輻照次數(shù)是2～10，例如每一位置2次。在輻照激光束時(shí)使襯底加熱至大約200～450℃，可以促進(jìn)電阻的均勻性。按此方式，使雜質(zhì)區(qū)213～215激活?？梢杂肦TA工藝代替激光退火進(jìn)行雜質(zhì)的激活(圖3(E))。連續(xù)地，采用等離子CVD工藝，形成厚6000的氧化硅膜216作為層間絕緣。而且，在層間絕緣216中形成接觸孔，用金屬材料如鉻膜形成TFT的電極引線217～221(圖3(F))。實(shí)施例3圖4(A)、4(B)、4(C)、4(E)和4(F)展示了實(shí)施例3。采用熱CVD工藝以甲硅烷和氧氣為原材料，在石英襯底上形成厚2000的氧化硅的底覆蓋層302。膜形成溫度是420℃。而且，采用等離子CVD工藝在其上形成厚500的非晶硅膜303。使用具有兩個(gè)膜形成室的多室膜形成裝置，連續(xù)地形成氧化硅膜的底層302和非晶硅膜303。而且，采用實(shí)施例2中的旋涂工藝，形成厚20～50的乙酸鎳層304。但是，在此實(shí)施例中，向乙酸鎳水溶液添加1％(體積)的表面活性劑(高醇基非離子表面活性劑)。因此，與實(shí)施例2不同，這里無(wú)需在非晶硅膜303的表面上形成氧化硅膜。(圖4(A))。之后，在氮?dú)夥罩杏?50℃進(jìn)行4小時(shí)退火，由此使非晶硅膜303結(jié)晶。如實(shí)施例2一樣，以鎳與非晶硅膜303接觸的區(qū)域?yàn)槠瘘c(diǎn)，在縱向推進(jìn)結(jié)晶。按此方式獲得結(jié)晶硅膜305。在此實(shí)施例中，殘余的非晶區(qū)小于實(shí)施例2的情形，這是因?yàn)楸砻婊钚詣┑淖饔谩Ｍ嘶鹜瓿珊?，通過輻照KrF準(zhǔn)分子激光進(jìn)一步改善結(jié)晶硅膜305的結(jié)晶性(圖4(B))。接著，對(duì)結(jié)晶硅膜305蝕刻，形成島形有源層區(qū)306和307。采用垂直方向具有各向異性的RIE工藝對(duì)結(jié)晶硅膜305蝕刻。之后，通過在1個(gè)大氣壓的含10％水蒸汽的氧氣氛中、于650～850℃典型地為750℃放置3～5小時(shí)，使有源層區(qū)306和307的表面氧化，厚度為200～800，典型地為500，由此形成氧化硅膜308和309。從膜厚控制性來(lái)看，熱解氧化工藝(氫∶氧＝1.8～1.0(體積比))在形成氧化硅膜308和309中是有效的。氧化硅膜308和309的厚度為400～1600，在本例中為1000。形成氧化硅膜308和309后，在一個(gè)大氣壓的一氧化二氮?dú)夥罩?，?00℃進(jìn)行一小時(shí)退火，由此除去氧化硅膜308和309中的氫(圖4(C))。連續(xù)地，采用濺射法形成鋁膜(含0.1～2％鈧)，厚度為3000～8000，例如5000。而且，對(duì)鋁膜構(gòu)圖，形成柵電極310～312。如實(shí)施例2那樣，通過在電解液中通電，在柵電極310～312上進(jìn)行陽(yáng)極氧化，由此在柵電極310和312的頂面和側(cè)面上形成氧化鋁膜，厚度為1000～3000，這里是2000。接著，采用離子摻雜工藝，以柵電極部位、即柵電極310～312及周圍氧化層為掩模，把提供P或N導(dǎo)電類型的雜質(zhì)按自調(diào)整方式添加至有源層區(qū)(構(gòu)成源/漏、溝道)。采用磷化氫(PH3)和乙硼烷(B2H6)作為摻雜氣體。前者，加速電壓為80KV，劑量是5×1014cm-2，后者，加速電壓為65KV，劑量是1×1015cm-2。結(jié)果，形成N型雜質(zhì)區(qū)314和315和P型雜質(zhì)區(qū)313。之后，通過輻照激光束進(jìn)行退火，使離子注入的雜質(zhì)激活。作為激光束，采用KrF準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)248nm，脈寬20nsec)。接著，采用等離子CVD工藝，形成氧化硅膜316。重要的是，對(duì)于柵電極的側(cè)面，氧化硅膜316在涂覆性能上是優(yōu)異的。氧化硅膜316的厚度是0.5～1μm，例如0.7μm(圖4(D))。而且，采用干式腐蝕等方式，對(duì)絕緣氧化硅膜316進(jìn)行各向異性腐蝕。亦即，只在垂直方向上選擇地腐蝕。結(jié)果，使構(gòu)成源或漏的區(qū)313～315的表面暴露出來(lái)，并使具有大致為三角形的絕緣體317、318和319仍留在各個(gè)柵電極310～312(包括周圍的陽(yáng)極氧化層)的側(cè)面。具有大致為三角形的絕緣體317～319的尺寸、尤其是寬度，是由預(yù)先形成的氧化硅膜316的厚度、腐蝕條件和柵電極310～312(包括周圍的陽(yáng)極氧化層)的高度所決定的。而且，所得的絕緣體317～319的形狀不限于三角形，但該形狀是隨氧化硅膜316的臺(tái)階覆蓋范圍和膜厚而變化的。例如，當(dāng)膜厚較小時(shí)該形狀變成方形。而且，通過濺射法形成厚50～500的鈦膜320。也可以用鉬、鎢、鉑、鈀等來(lái)替代鈦(圖4(E))。而且，在膜形成之后，在200～650℃，最好是400～500℃進(jìn)行退火，由此鈦膜320與構(gòu)成源或漏的雜質(zhì)區(qū)313～315中的硅反應(yīng)，從而在源/漏區(qū)形成硅化物層321、322和323。之后，用過氧化氫水溶液和銨的水溶液對(duì)鈦膜320的未反應(yīng)部位(主要是淀積在絕緣體317～319或陽(yáng)極氧化層上)進(jìn)行腐蝕。而且，采用熱CVD工藝，在整個(gè)表面形成厚6000的氧化硅膜作為層間絕緣324。在TFT的源/漏形成接觸孔，淀積鈦和鋁的復(fù)合層并蝕刻，從而形成引線/電極325～329。鈦層和鋁層的厚度分別是800和5000。最后，在一個(gè)大氣壓的氫氣氛中，于350℃進(jìn)行30分鐘退火，由此制成TFT電路。(圖4(F))。根據(jù)本發(fā)明，可以穩(wěn)定地提供具有優(yōu)異的結(jié)晶性的硅膜。由本發(fā)明提供的結(jié)晶硅膜尤為適用于制造TFT，如實(shí)施例所述，因此本發(fā)明在工業(yè)上極為有用。權(quán)利要求1.一種結(jié)晶硅半導(dǎo)體的制造方法，包括以下步驟(1)采用化學(xué)汽相淀積工藝(CVD)，于450℃以下的溫度，在絕緣表面上形成氧化硅膜；(2)在不使氧化硅膜暴露于空氣的條件下，在氧化硅膜上淀積非晶硅膜；(3)通過把促進(jìn)非晶硅膜晶化的催化元素混入非晶硅膜并對(duì)非晶硅膜加熱，使非晶硅膜部分或全部結(jié)晶。2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中采用選自下列元素集合中一種或多種元素作為催化元素Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、As和Sb。3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，在步驟(2)與(3)之間還包括以下步驟用一種溶液涂覆非晶硅膜的實(shí)體表面，該溶液中含有催化元素的化合物溶解或分散于極化溶劑中。4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中在極化溶劑中混有表面活性劑。5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在450℃以下進(jìn)行非晶硅膜的淀積。6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括對(duì)在晶化步驟已經(jīng)吸收了催化元素的氧化硅膜進(jìn)行退火的步驟。7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中氧化硅膜的形成厚度達(dá)1000～5000A。8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中采用等離子CVD，以四乙氧基硅烷和氧氣為材料氣體，進(jìn)行氧化硅膜的形成。9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中在四乙氧基硅烷中混有三氯乙烯。10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中采用等離子化學(xué)汽相淀積，以甲硅烷為材料氣體，進(jìn)行非晶硅膜的淀積。11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在氮?dú)夥罩小?00～580℃的溫度下進(jìn)行非晶硅膜的加熱。12.一種結(jié)晶硅半導(dǎo)體的制造方法，包括以下步驟(1)采用化學(xué)汽相淀積工藝(CVD)，于450℃以下的溫度，在絕緣表面上形成氧化硅膜；(2)在不使氧化硅膜暴露于空氣的條件下，在氧化硅膜上淀積非晶硅膜；(3)通過把促進(jìn)非晶硅膜晶化的催化元素混入非晶硅膜并通過對(duì)非晶硅膜加熱，使非晶硅膜的部分或全部晶化。(4)向硅膜輻照激光，以改善在步驟(3)晶化的硅膜的結(jié)晶性。13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中采用選自下列元素集合中一種或多種元素作為催化元素Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、As和Sb。14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，在步驟(2)與(3)之間還包括以下步驟用一種溶液涂覆非晶硅膜的實(shí)體表面，該溶液中含有催化元素的化合物溶解或分散于極化溶劑中。15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中在極化溶劑中混有表面活性劑。16.一種薄膜晶體管的制造方法，包括以下步驟(1)采用化學(xué)汽相淀積工藝(CVD)，在450℃以下的溫度，在絕緣表面上形成氧化硅膜；(2)在不使氧化硅膜暴露于空氣的條件下，在氧化硅膜上淀積非晶硅膜；(3)通過把促進(jìn)非晶硅膜結(jié)晶的催化元素混入非晶硅膜并對(duì)非晶硅膜加熱，使非晶硅膜的部分或全部晶化；(4)在步驟(3)之后把硅膜刻成至少一個(gè)硅島；(5)在硅島之上形成柵絕緣膜；(6)在柵絕緣膜上形成柵電極；(7)以柵電極為掩模向硅島注入雜質(zhì)。17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中采用選自由Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、As和Sb所組成的集合中之一種或多種元素作為催化元素。18.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，在步驟(2)與(3)之間還包括以下步驟用一種溶液涂覆非晶硅膜的實(shí)體表面，該溶液中含有催化元素的化合物溶解或分散于極化溶劑。19.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其中在極化溶劑中混有表面活性劑。20.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中在450℃以下的溫度進(jìn)行非晶硅膜的淀積。全文摘要為了提供呈現(xiàn)適合于半導(dǎo)體器件如薄膜晶體管(TFT)等的性能的結(jié)晶硅膜，采用CVD工藝在玻璃襯底上沉積氧化硅膜，并在不使氧化硅膜與空氣接觸的條件下，在其上連續(xù)淀積非日硅膜。通過添加催化元素如鎳，在500-600℃對(duì)非晶性的結(jié)晶硅膜。通過使用此結(jié)晶硅膜，可實(shí)現(xiàn)性能改進(jìn)的(尤其是小的截止電流)半導(dǎo)體器件如TFT等。文檔編號(hào)H01L21/20GK1131342SQ9512167公開日1996年9月18日申請(qǐng)日期1995年12月16日優(yōu)先權(quán)日1994年12月16日發(fā)明者山崎舜平,坂間光范,竹村保彥申請(qǐng)人:株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所