晶体管和半导体电路的制造方法技术

本发明专利技术是一种薄膜晶体管的形成方法，该方法包括以下步骤：形成一硅膜，该硅膜在衬底之上，属非晶型；给硅膜供予促进结晶化的一种催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而将硅膜结晶；在结晶的硅膜之上形成一栅极；对结晶的硅膜供以杂质；在结晶的硅膜的多个部分上形成含催化元素的物质；以及去除物质的一部分。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及薄膜晶体管(TFT)和制造该晶体管的方法，还涉及具有多个薄膜晶体管(TFTs)和半导体电路及其制造方法。根据本专利技术产生的薄膜晶体管可在诸如玻璃之类的绝缘衬底上和在诸如单晶硅之类的半导体衬底两者之一上形成。尤其是，本专利技术涉及这样一种半导体电路，它包括在低速下工作诸如单片有源矩阵电路(可用于液晶显示器之类)的矩阵电路和一个驱动该有源矩阵电路并在高速下工作的外部电路。本专利技术还涉及通过根据热处理晶体化和活化而产生的薄膜晶体管。
技术介绍
近来，人们对具有薄膜活化层(active layer)(还称之为活化区)的绝缘栅半导体器件进行了种种研究。特别对薄膜绝缘栅半导体器件或称为薄膜晶体管(TFTs)进行了努力研究。这类薄膜晶体管在透明绝缘衬底上如此形成以便能用于控制具有矩阵结构的在液晶显示器等驱动电路内的象素。薄膜晶体管根据所用半导体材料的种类和结晶状态分为非晶体硅TFT以及结晶硅两类。非晶态的半导体一般其电场渗透率(field mobility)小，因而不能用于必须以高速操作的TFT中。再者，由于P型非晶硅的电场迁移率极低，故不可能生产P沟道TFT(PMOS TFT)。因此，不可能制造由P沟道TFT和N沟道TFT(NMOS TFT)组合成一个完整MOS电路(CMOS)。相反，晶体半导体具有比非晶体半导体较高的电场迁移率，因而能以高速操作。当采用结晶硅时，由于能以相同方式既可制造NMOSTFT也可制造PMOS TFT，故有可能制造CMOS电路。例如，一种有源矩阵型的已知液晶显示器件具有所谓单片结构，即由CMOS晶体TFT既构成有源矩阵区也构成外部电路(包括驱动电路等)。由于这些原由，人们对使用结晶硅的TFT进行了强有力的研究和开发。在为获得结晶硅的一种方法实例中，是用激光或相当于激光的强光辐照非晶体硅而使其晶体化。然而，由于激光输出的不稳定性和由于极短工艺周期的不稳定性，该方法不具备批量生产或实际应用的前景。如今可实际运用的一种方法是将非晶硅经加热使其结晶化的方法。按此法，有可能获得各批生产量之间变化很小的结晶硅。但该法有一个问题。一般说来，结晶硅的形成要求长时间在大约600℃下进行热处理，或在1000℃高温或更高温下进行热处理。在运用后一种方法的情况下，可选衬底限于石英制造的衬底，导致衬底的成本极高。在应用前一种方法情况下，衬底可选范围广但又引起另一问题。当使用廉价的无碱玻璃衬底(例如，由corning公司生产的7059号)时，传统的生产TFT工艺大致以下列方式进行(1)形成非晶硅膜；(2)非晶硅膜的结晶(600℃或更高，24小时或更长)；(3)形成绝缘栅膜；(4)形成栅电极；(5)引入掺杂(用离子植入法或离子掺杂法)；(6)激活掺杂(600℃或更高，24小时或更长)；(7)形成绝缘层；和(8)形成源极和漏极。在此工艺过程中，步骤(2)和(6)存有一些问题。多种无碱玻璃具有大约600℃的畸变温度(在Cornign 7059情况下为593℃)。在这种温度下的工艺过程引起诸如衬底收缩和弯曲之类的问题。在步骤(2)，这是第一热处理工序，由于还未进行形成图案工艺(patte-rning process)，衬底的收缩不会引起严重问题。然而，在步骤(6)，那时已经过图案形成工艺。所以在步骤(6)，当衬底收缩时，在此后的一系列步骤中不能正确进行掩模对齐，从而构成损坏成品的主要原因。因此，人们希望在低于衬底畸变温度下进行步骤(2)的工艺，和在更低的温度下(最好在低于玻璃畸变温度50℃或更低的温度，更可取的是在低于步骤(2)最大工艺温度50℃或更低温度下)进行步骤(6)的工序。为满足这些要求，可运用如上所述的使用激光之类的一种方法。然而，除了激光器输出不稳定的问题外，人们已觉察到的另一问题是由于受激光束辐照的那部分(源和漏区)和未受激光束辐照的那部分(有源区，即栅极下面的那个区域)之间出现的温度差所产生的应力，从而有损于可靠性。另一方面，由非晶体半导体制成的TFT具有截止电流低的特性。因此这种TFT应用于不要求很高操作速度的液晶显示器的有源矩阵和象素电路中晶体管之类的用途中，在这种显示器中，仅仅单导电率型就足够了，并需要具有高度保持电荷的能力。然而，这种TFT不能应用于必须高速操作的外部电路中。在一种结晶体硅TFT中，当无电压施加到栅极时(即，非选择周期期间)，流过的漏电流大于在非晶硅TFT中的漏电流。当液晶显示器中使用结晶硅TFT时，采取配置用于补偿漏电流的辅助电容器及将两个TFT串联连接的措施，以减小漏电流。图5示出一种用于液晶显示器的有源矩阵电路的方块图。衬底107上配置有作为外部电路的列译码器101和行译码器102。各包括一晶体管和一电容器的象素电路104形成在矩阵区103中。矩阵区和外部电路通过导线105和106彼此连接。用于外部电路的TFT需要具有高速性能，而在象素电路中所用的TFT需要有低的漏电流的性能。虽然这些性能实际上是互相矛盾的，但又要求在同一衬底上并通过同一工艺形成两种类型的TFT。一般说来，结晶硅的形成要求长周期并在大约600℃下的热处理，或在高温1000℃或更高温的热处理。例如，要在同一衬底上制成具有高迁移率的多晶硅TFT组成的外部电路和利用高截止(OFF)电阻的非晶硅TFT结构是不可能的，因为非晶硅在上述热处理工序中被晶体化。
技术实现思路
因此，从批量生产的观点出发，运用在生产TFT过程中用激光器的方法是困难的。另一方面，本领域的现状是找不到其他有效的方法。为解法这些难题，已导出本专利技术。本专利技术的一个目的是为在保持批量生产性的同时解决这些问题。为解决这些难题，现已实施了该专利技术。然而，一种改进结构导致工艺复杂，产量较低和成本较高并不是人们所期望的。本专利技术的一个目的是通过在保持批量生产性的同时以最少地改变工艺过程使要求高迁移率的TFT和要求低漏电流的TFT这两种TFT能有选择地以简单方式产生。本专利技术人的研究成果表明将少量催化物质添加到非晶硅薄膜，便增强了结晶作用，降低了晶体形成的温度并缩短了结晶时间。至于催化材料，象镍(Ni)，铁(Fe)，钴(Co)，铂(Pt)之类的简单物质或其化合物如硅化物是合适的。实际上，非晶硅薄膜可通过在非晶硅膜下面或上面形成膜，晶粒，或这些催化元素的族(cluster)或通过用象离子注入之类的方法在非晶硅膜中引入这些催化元素的方式；接着在适当温度下，一般在580℃或低些的温度下对非晶硅膜进行热处理而晶化。在用化学汽相淀积法(CVD法)形成非晶硅膜的情况下，可将这些催化剂加入某种材料气体中；在用象溅射之类的物理气相法形成非晶硅膜的情况下，可将这些催化剂添加入象耙或淀积源的淀积材料中。虽然这是一种自然结果，但热处理的温度越高，晶化的时间就越短。此外，镍，铁，钴，铂的浓度越高，则晶化的温度越低而且结晶过程的时间越短。经本专利技术人的研究已发现，为增强结晶作用，至少一种元素的浓度应为1×1017cm-3或更多，最好为5×1018cm-3或更多。此外，应注意没有象这种催化材料的区域根本不会增强晶化作用，并能保持非晶态。例如，浓度为1017cm-3或更小，最好为1×1016cm-3或更小的非晶体在600℃或更高温度下开始结晶，但在580℃或更低温度下根本未加强结晶。不过，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜晶体管的形成方法，其特征在于包括以下步骤：形成一硅膜，该硅膜在衬底之上，属非晶型；给硅膜供予促进结晶化的一种催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而将硅膜结晶；在结晶的硅膜之上形成一栅极； 对结晶的硅膜供以杂质；在结晶的硅膜的多个部分上形成含催化元素的物质；以及去除物质的一部分。

【技术特征摘要】
JP 1993-3-12 78999/93;JP 1993-3-12 79000/931.一种薄膜晶体管的形成方法，其特征在于包括以下步骤形成一硅膜，该硅膜在衬底之上，属非晶型；给硅膜供予促进结晶化的一种催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而将硅膜结晶；在结晶的硅膜之上形成一栅极；对结晶的硅膜供以杂质；在结晶的硅膜的多个部分上形成含催化元素的物质；以及去除物质的一部分。2.一种薄膜晶体管的形成方法，其特征在于包括以下步骤形成一硅膜，该硅膜在衬底之上，属非晶型；在硅膜上形成一栅绝缘膜；给硅膜供予促进结晶化的一种催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而将硅膜结晶；在结晶的硅膜之上形成一栅极；通过所述栅绝缘膜对结晶的硅膜供以杂质；在结晶的硅膜的多个部分上形成含催化元素的物质；以及去除物质的一部分。3.一种薄膜晶体管的形成方法，其特征在于包括以下步骤形成一硅膜，该硅膜在衬底之上，属非晶型；在硅膜上形成一栅绝缘膜；给硅膜供予促进结晶化的一种催化元素；使利用了所述催化元素的硅膜退火，而将硅膜结晶；在结晶的硅膜之上形成一栅极；对结晶的硅膜供以杂质；蚀刻栅绝缘膜的一部分；在结晶的硅膜的多个部分上形成含催化元素...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宏勇，鱼地秀贵，高山彻，竹村保彦，山本睦夫，
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]