半导体装置和制造半导体装置的方法制造方法及图纸

为了提供由半导体元件或半导体元件组组成的半导体装置，其中在沟道形成区中具有尽可能少的晶粒边界的结晶半导体膜形成于绝缘表面上，其可以高速运转，其具有高的电流驱动性能，且其在元件之间更少波动。本发明专利技术的方法包括：在具有绝缘表面的衬底上形成有开口的绝缘膜；在绝缘膜上和开口之上形成具有任意形成的晶粒边界的非晶半导体膜或多晶半导体膜；通过融化半导体膜，将融化的半导体灌入绝缘膜的开口中，并晶化或重结晶半导体膜形成结晶半导体膜；除去在开口中的结晶半导体膜部分之外的结晶半导体膜以形成与结晶半导体膜的顶面接触栅绝缘膜和栅电极。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利
本专利技术涉及由具有晶体结构的半导体膜形成的半导体装置以及制 造半导体装置的方法，更具体地，涉及包括其沟道形成区由绝缘表面 上的结晶半导体膜形成的场效应晶体管的半导体装置和制造该半导体 装置的方法。专利技术背景已知在玻璃或其它绝缘膜村底上形成非晶半导体膜并通过激光照 射晶化膜的技术，由具有晶体结构的半导体膜(结晶半导体膜)制造的薄膜晶体管(下文中称作TFT )应用于平面显示装置(平板显示器)， 典型地，液晶显示装置。激光以重结晶半导体衬底中非晶层或被破坏的层或者半导体膜的 技术的形式并以晶化形成于绝缘表面上的非晶半导体膜的技术的形式 应用于半导体制造过程。通常使用的激光振荡器是以准分子激光器为 代表的气体激光器或以YAG激光器为代表的固体激光器。通过激光照射晶化非晶半导体膜的实例公开于JP 62 - 104117A 中。这个实例中，激光扫描速度设定为束斑直径乘以每秒5000或更快 以通过高速扫描把非晶半导体膜制成多晶膜而不完全融化膜。另一个 已知的实例是用JP 08 - 195375A中公开的激光处理设备并在照射前用 光学系统将激光处理成线形(linear)光束。JP 2001 - 144027A公开了制造TFT的技术，其中采用诸如Nd: YV04 激光器的固体激光振荡器以便用其激光的二次谐波照射非晶半导体膜 并形成比以前的技术中更大晶粒尺寸的结晶半导体膜。然而，在绝缘表面上形成具有更少缺陷和晶粒边界、或亚晶粒 (sub-grain )边界并且取向上更少波动的高质量结晶半导体膜的主流 方法一直是膜在高温加热并融化之后单晶衬底上半导体膜的重结晶， 其被认为是区域融化方法。人们认为问题是该方法如已知的图形外延(graphoepitaxy )技术 那样利用基础的级差(level difference)，并且晶体沿着级差生长 以便在所得到的单晶半导体膜表面上留下级差。此外，单晶半导体膜不能用图形外延在具有相对低畸变点的玻璃衬底上形成。另一方面，当形成于平坦表面上的非晶半导体膜通过激光照射晶 化时，得到多晶并且诸如晶粒边界的缺陷随意地形成.因而不能得到 具有同样取向的晶体。晶粒边界有大量的晶体缺陷，其作为载流子的陷阱并认为是降低 电子或空穴迁移率的原因。不可能形成没有伴随晶化产生的晶格不匹 配、基础的热应变、以及半导体的体积收缩引起的缺陷、晶粒边界、 或亚晶粒边界的半导体膜.因此，对于形成于绝缘表面上的结晶半导体膜不可能通过晶化或重结晶达到形成于单晶村底上的M0S晶体管的 质量而不粘结SOI (绝缘体上的硅)。例如，当半导体膜形成于玻璃衬底上以建造TFT时，不考虑任意 形成的晶粒边界排列TFT，因而TFT沟道形成区的结晶性不能严格地控 制。任意形成的晶粒边界的晶体缺陷降低了性能并引起了元件之间性 能的波动。专利技术简述考虑到上述问题产生了本专利技术，本专利技术的一个目的因而是提供由 半导体元件或半导体元件组组成的半导体装置，其中沟道形成区中具 有尽可能少晶粒边界的结晶半导体膜形成于绝缘表面上，其能高速运 转、其具有高电流驱动性能、并在元件之间更少波动。为了解决上述问题，本专利技术在具有绝缘表面的衬底上形成具有开 口的绝缘膜、在绝缘膜上及开口之上形成具有任意形成的晶粒边界的 多晶半导体膜或非晶半导体膜、并用结晶半导体膜形成填充开口的结 晶半导体膜。为了详细地阐述，结晶半导体膜通过融化半导体膜、将 融化的半导体灌入绝缘膜的开口、并晶化或重结晶半导体膜形成。然 后结晶半导体膜除了处于开口中的结晶半导体的部分之外被除去.形 成栅绝缘膜与结晶半导体膜的顶面接触并且在栅绝缘膜上形成栅电 极。上述是本专利技术的特征。可以通过绝缘衬底表面的直接刻蚀处理，或通过氧化硅膜、氮化 珪膜、或氧氮化硅(silicon oxynitride)膜等的刻蚀处理形成开口 。 开口根据包括TFT的沟道形成区的岛状半导体膜的排列被定位，理想 地，被定位以便与至少沟道形成区重合。开口在沟道长度的方向延伸。 开口的宽度(当开口与沟道形成区重合时在沟道宽度方向)等于或大于O. Olpm并等于或小于2|um，优选的，等于或大于0. lpm并等于或小 于1艸。开口的深度等于或大于0. Olium并等于或小于l|Lun，优选的， 等于或大于0. 05|iim并等于或小于0. 2pm.在早期阶段形成于绝缘膜上和开口之上的半导体膜是通过等离子 体CVD、溅射、或减压CVD形成的多晶半导体膜或非晶半导体膜，或者 是通过固相生长形成的多晶半导体膜。本专利技术中非晶半导体膜不仅指 严格意义上完全非晶结构的膜而且指包括微小晶粒的膜或微晶半导体 膜，并指在某些位置具有晶体结构的半导体膜。典型地，采用非晶硅 膜.这之外，非晶锗硅膜、非晶碳化硅膜等也是可以采用的。术语多 晶半导体膜指通过已知的方法晶化这些非晶半导体膜之一得到的膜。融化和晶化半导体膜的方式(means)是发自气体激光振荡器或固 体激光振荡器的脉冲振荡或连续波激光。激光用光学系统会聚成线形 形状。激光的强度在纵向可以是均匀的，而在横向是可变的。用作光 源的激光振荡器是矩形光束固体激光振荡器，片状(slab)激光振荡 器特别地优选。另外，使用摻杂了 Nd、 Tm或Ho的棒的固体激光振荡 器也可以被采用。具体地，它是使用了诸如用Nd、 Tm或Ho掺杂的YAG、 YV0 YLF或YA103的晶体的固体激光振荡器和片状结构放大器的组 合。所用的片状材料是诸如Nd: YAG、 Nd: GGG(钆镓石榴石(gadol inium gal 1 ium garnet))或Nd: GsGG(礼钪镓石榴石(gadol inium scandium gallium garnet)的晶体。片状激光器的激光在这个片状激光介质中 沿Z字型光路传播，重复全反射.还可以用类似于上述激光的强光。例如，从卣素灯、氙灯、高压 汞灯、金属卣化物灯、或准分子灯照射的光用镜面反射器、透镜等会 聚以得到高能量密度的光。半导体膜用会聚成线形形状的强光或激光照射并在纵向扩展。相对地移动激光照射位置和上面形成了结晶半导体膜的衬底时，激光在 结晶半导体膜的整个表面或一部分上面行进以融化并晶化或重结晶结晶半导体膜。激光扫描方向设定为晶体管沟道长度方向或开口的纵 向。这样晶体沿着激光扫描方向生长，并防止晶粒边界或亚晶粒边界 横穿沟道长度方向.如上所述制造的本专利技术的半导体装置特征在于具有开口的绝缘膜 形成于具有绝缘表面的衬底上，形成于衬底上的结晶半导体膜的区域填充开口，以及沟道形成区置于填充区域中.本专利技术的半导体装置特 征在于形成于绝缘表面之上的结晶半导体，其接触一对一种导电类型 的杂质区、具有至少两个晶体取向并具有在平行于沟道长度方向的方 向延伸而不形成晶粒边界的至少两个晶粒，以及在于结晶半导体膜在 与结晶半导体膜厚度一样深的开口中。本专利技术的另一个结构特征在于具有开口的绝缘膜形成于具有绝缘 表面的衬底上，该开口在沟道长度方向延伸，形成于衬底上的结晶半 导体膜的区域填充开口，沟道形成区置于填充区域中，以及开口与结 晶半导体膜一样深或更深，本专利技术有形成于绝缘表面之上的结晶半导体，其接触一对一种导 电类型的杂质区、具有至少两个晶体取向并具有至少两个晶粒，在平 行于沟道长度方向延伸而不形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体装置，它包括：在绝缘表面上形成的结晶半导体岛，该结晶半导体岛包括一对杂质区以及在该对杂质区之间相互平行延伸的至少第一和第二部分，其中每个所述第一和第二部分都包括沟道形成区；在第一和第二部分上形成的栅绝缘膜；形成于第一和第二部分之上的栅电极，而栅绝缘膜插在其中，其中，栅绝缘膜接触所述半导体岛的每个所述第一和第二部分的顶面和侧面，而栅电极形成在所述半导体岛的每个所述第一和第二部分的顶面和侧面的近邻，栅绝缘膜插在其中。

【技术特征摘要】
JP 2002-1-28 19286/2002;JP 2002-2-4 27497/2002;JP 1.一种半导体装置，它包括在绝缘表面上形成的结晶半导体岛，该结晶半导体岛包括一对杂质区以及在该对杂质区之间相互平行延伸的至少第一和第二部分，其中每个所述第一和第二部分都包括沟道形成区；在第一和第二部分上形成的栅绝缘膜；形成于第一和第二部分之上的栅电极，而栅绝缘膜插在其中，其中，栅绝缘膜接触所述半导体岛的每个所述第一和第二部分的顶面和侧面，而栅电极形成在所述半导体岛的每个所述第一和第二部分的顶面和侧面的近邻，栅绝缘膜插在其中。2. 根据权利要求l...

【专利技术属性】
技术研发人员：矶部敦生，山崎舜平，小久保千穗，田中幸一郎，下村明久，荒尾达也，宫入秀和，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]