半导体制造工艺和半导体器件制造工艺制造技术

一种以较低结晶温度和较短时间周期制造半导体的工艺，其工序是：在衬底上形成绝缘物涂层；将所述绝缘物涂层暴露到等离子体中；在上述暴露工序之后，在所述绝缘物涂层上形成非晶硅膜；并且在４００到６５０℃或更高温度中，但不得高于衬底玻璃转换温度，热处理所述硅膜。成晶核部位是这样被控制的，选择地将非晶硅膜暴露到等离子体中或选择性地施加一种物质，该物质含有起催化作用的元素。也披露了用同样方法制造薄膜晶体管的工艺。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
半导体制造工艺和半导体器件制造工艺本专利技术涉及制造用于薄膜器件如薄膜绝缘栅场效应晶体管(下文简称“薄膜晶体管”或“TFT”)的晶状半导体工艺；本专利技术还涉及使用上述晶状半导体制造半导体器件的工艺。用于薄膜器件如迄今为止公知的TFT的晶状硅半导体薄膜，利用使非晶硅膜晶体化制造。非晶硅膜通过等离子体CVD(化学蒸镀)或热CVD来形成，使用一种装置如电炉；温度保持不低于600℃，延续12小时或更长。只有在使非晶膜经受持续较长的时间的热处理，才可能得到具有充分高质量(如极好的场效应和高可靠性)的晶状硅半导体的薄膜。然而，为获得晶状硅半导体薄膜，已有技术尚需解决许多问题。问题之一是导致工艺成本增加的低生产率。例如，如果结晶的工序要求24小时的持续时间，那么在同时必须加工720个衬底，理想状态下，每个衬底耗费工时2分钟。可是通常管状炉衬底同时热处理最大数量可限制在50，在实际上处理仅仅使用一个装置(反应管)。发现单个衬底完成处理要花费30分钟。换言之，在2分钟内完成每个衬底的反应至少需要15个反应管。这意味着增加花费成本，因此，由于成本过高，增加了产品价格。热处理温度被认为是另一个问题。通常，用石英玻璃衬底制造TFT，上述衬底包括纯净硅氧化物或无碱硼硅酸盐衬底，比如用-->Corming掺入制造的7059#玻璃衬底(下文简称为“Corning7059衬底”)。前述衬底具有如此好的热阻，以致于可用象半导体集成电路的常规晶片工艺同样方法进行处理。但是，其花费大，并且随衬底面积的增加，价格成指数地增加。因此目前，石英玻璃衬底的使用仅限于具有比较小的面积的TFT集成电路。从另一方面来说，与用石英玻璃制的那些相比，无碱硼硅酸盐玻璃衬底价格低廉。然而，就它们的热阻而言，则显得不足。由于无碱玻璃衬底在550～650℃的温度中会产生变形，更具体来说，由于现有的材料在不高于600℃的温度中会变形，所以任何600℃的热处理都会导致衬底上形成不可逆的收缩和扭曲。这些变形特别明显出现在对角线长度大于10时的衬底上。人们相信：在硅半导体膜上实施热处理的温度为550℃或更低，并且时间在4小时内是必要的，以减少总工艺成本。根据上述情况，本专利技术目的在于提供一种制造半导体的工艺，该半导体可经受由上述条件实施的热处理；并且提供了一种用这样半导体制作的半导体器件的工艺。按照本专利技术的一个实施例提供了一种制作半导体的工艺，该工艺的特征在于包括：衬底上形成绝缘物涂层；将所述绝缘涂层暴露在等离子体中；在涂层暴露到所述等离子体中后，在所述绝缘物涂层上形成非晶硅膜；并且通过所述硅膜光退火和/或对所述硅膜热处理，温度为400～650℃或不高于衬底玻璃转换温度，使所述硅膜晶体化。按照本专利技术的另一个实施例提供了一种制造半导体的工艺，其特征在于包括：在衬底上形成绝缘物涂层；用掩模材料有选择地覆盖所-->述绝缘物膜；将所述衬底暴露在等离子体中；在将衬底暴露在所述等离子体后，在所述绝缘物涂层上形成非晶硅膜；通过使所述硅膜作光退火和/或使所述硅膜以400～650℃或不高于衬底的玻璃转换温度进行热处理，以使所述硅膜晶化；并有选择性地腐蚀所述硅膜。此外，按照本专利技术又一个实施例包括制造一种薄膜晶体管，其特征在于：在衬底上形成绝缘物涂层；用掩膜材料有选择地覆盖所述绝缘物涂层；把所述衬底暴露在等离子体中；把衬底暴露到所述等离子体后在所述绝缘物涂层上形成非晶硅膜；通过使所述硅膜作光退火或/和在400～650℃或不高于衬底的玻璃转换温度下对所述硅膜进行热处理，以使所述硅膜晶体化；有选择性地腐蚀所述硅膜；由用掩模材料预先涂敷的部分形成薄膜晶体管的沟道形成区。按照本专利技术的再一个实施例提供了一种制造半导体工艺，其特征在于包括：在衬底上形成非晶硅膜；形成直接与所述硅膜上表面或下表面直接接触的衬底，该衬底包括通过施加催化作用，促进非晶硅晶体化的成分；并且利用使硅膜光退火和/或在400～650℃或不高于衬底的玻璃转换温度下加热硅膜，以使硅膜晶体化。更准确地说，本工艺是通过用溶液涂敷非晶膜基底涂层的表面完成的，溶液含有水、酒精(单羟基的或多羟基的)、石油溶剂(可以是饱和的或不饱和的烃类)和类似物，醋酸盐或硝酸盐、任何形式的羧化物，或其他有机酸盐成分在其中溶解或扩散，上述成分促进结晶。非晶涂敷膜的上表面可用其他方法提供涂层。然后使生成的非晶体涂层受到热处理。还有按照本专利技术的另一个实施例提供一种制造半导体的工艺，其特征在于包括：在衬底上形成绝缘物涂层；用掩模材料选择性地涂敷所述绝缘物涂层；把所述衬底暴露到等离子体中，或形成衬底的涂层，-->该涂层含有起催化作用和促进非晶硅结晶的成份；衬底受到上一步骤处理后，在所述绝缘物涂层上形成非晶硅膜；利用对所述硅膜作光退火和/或在400～650℃或不高于衬底的玻璃转换温度下，使所述硅膜进行热处理，以使所述硅膜晶体化；并且有选择性腐蚀所述硅膜。图1展示了用以完成本专利技术实施例的工艺的装置的示意图(见例1)；图2(A)～2(C)展示了顺序侧剖结构的示意性图示步骤，上述结构利用按照本专利技术实施例的工艺获得，工艺中应用了选择性结晶(例2)；图3(A)至3(E)示意性展示了顺序侧剖结构的图示步骤，上述结构由按照本专利技术实施例制造TFT的工艺获得(例3)；图4(A)至4(F)示意性展示了顺序侧剖结构的图示步骤，上述结构由按照本专利技术实施例制造TFT的另一工艺获得(例3)：图5展示了用以完成本专利技术工艺的装置的示意图(见例1)；图6展示了Raman散射强度比率和在例1获得的硅膜上观测到的退火延续时间的变化，图中，强度比率表示相对强度、采取标准试样(单晶硅)的散射强度为1。图7展示了在例1获得的硅膜上观测到的Kaman散射强度比率随退火持续时间的变化，图中，强度比率表示相对强度，以标准试样(单晶硅)的Raman散射强度为1；图8(A)～8(D)示意性展示了顺序侧剖结构的图示步骤；所说的结构由另一个按照本专利技术实施例制造TFT的工艺获得(例8)；图9(A)～9(E)示意性展示了顺序侧剖结构的图示步骤；-->上述结构由另外又一个按照本专利技术实施例制造TFT的工艺获得(例9)；图10展示了在硅晶体内Ni的浓度。进行广泛研究之后，本专利技术者们找到了解决上述问题的方法。更准确地说，本专利技术者们在衬底上制作了下绝缘物层，以防止杂质从衬底硬挤进半导体层。并且一经将绝缘物层暴露到等离子体中后，就淀积非晶体硅层，再进一步以光和/或热使非晶体硅晶体化。这样，已经发现：在所生成结构上淀积的硅半导体膜很易被晶化。上述发现可作如下解释，在一种情况下，由于晶核生成需时很长，可说明为什么在约600℃温度下的常规热结晶工艺需要长的时间周期的原因。在本说明中，该时间周期称之为潜在周期。由本专利技术者们根据24小时结晶过程的观察，在该周期期间由于没有形成晶核，所以在6小时的初始周期中，硅保持其原始非晶状态。在6小时的后继周期中，自然产生晶核，并在该步骤之后结晶。可以看到，已有的工艺过程包括在整个工时中持续6～12小时的潜在周期。然而，在潜在周期期间这样形成的晶核非常紊乱，且各处晶核浓度不同。这样，在个别区域发现结晶经常进行，但在另外和区域，则基本观察不到结晶发生。然而随时间推移，在那些未曾观察到成核的区域也出现成核现本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造薄膜晶体管的方法，所述晶体管的有源层具有一沟道区，该方法包括下列步骤： 设置含硅的半导体膜，使其与促进所述半导体膜晶化的催化剂接触； 加热所述加有催化剂的半导体膜，使其晶化； 往晶化膜的预选区加入磷离子，所述预选区不包括所述薄膜晶体管的所述沟道区；和 用灯对所述加有磷离子的晶化膜进行热退火。

【技术特征摘要】
JP 1993-2-3 39499/931．一种制造薄膜晶体管的方法，所述晶体管的有源层具有一沟道区，该方法包括下列步骤：设置含硅的半导体膜，使其与促进所述半导体膜晶化的催化剂接触；加热所述加有催化剂的半导体膜，使其晶化；往晶化膜的预选区加入磷离子，所述预选区不包括所述薄膜晶体管的所述沟道区；和用灯对所述加有磷离子的晶化膜进行热退火。2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为非晶硅膜。3．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为本征型或基本为本征型的。4．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热退火步骤用闪光灯进行。5．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预选区包括源区和漏区。6．一种制造薄膜晶体管的方法，所述晶体管的有源层具有一沟道区，该方法包括下列步骤：设置含硅的半导体膜，使其与促进所述半导体膜晶化的金属催化剂接触；加热所述加有金属催化剂的半导体膜，使其晶化；往所述半导体膜的预选区加入磷，所述预选区不包括所述薄膜晶体管的所述沟道区；和用灯对加有所述磷的晶化膜进行热退火。7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为非晶硅膜。8．如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为本征型或基本为本征型的。9．如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预选区包括源区和漏区。10．如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述金属催化剂选自由镍、铁和钴组成的一组金属。11．如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热退火步骤用闪光灯进行。12．一种制造薄膜晶体管的方法，所述晶体管的有源层具有源区、漏区和沟道区，该方法包括下列步骤：设置含硅的半导体膜，使其与促进所述半导体膜晶化的催化剂接触；加热所述加有催化剂的半导体膜，使其晶化；往所述晶化膜的源区和漏区加入磷离子；用灯对所述晶化膜进行热退火，以激活加入其中的磷离子。13．如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为非晶硅膜。14．如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为本征型或基本为本征型的。15．如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述热退火步骤用闪光灯进行。16．一种制造薄膜晶体管的方法，所述晶体管的有源层具有源区、漏区和沟道区，该方法包括下列步骤：设置含硅的半导体膜，使其与促进所述半导体膜晶化的金属催化剂接触；加热所述加有金属催化剂的半导体膜，使其晶化；往所述晶化膜的源区和漏区加入磷；用灯对所述晶化膜进行热退火，以激活加入其中的磷。17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为非晶硅膜。18．如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为本征型或基本为本征型的。19．如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述热退火步骤用闪光灯进行。20．如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述金属催化剂选自由镍、铁和钴组成的一组金属。21．一种制造半导体器件的方法，包括下列步骤：设置含硅的半导体膜，使其与促进所述半导体膜晶化的催化剂接触；加热所述加有催化剂的半导体膜，使其晶化；往晶化膜的预选部分加入磷离子；和用灯对晶化膜进行热退火，以激活加入其中的磷离子。22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为非晶硅膜。23．如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为本征型或基本为本征型的。24．如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述热退火步骤用闪光灯进行。25．如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述预选部分包括一个薄膜晶体管的源区和漏区。26．一种制造半导体器件的方法，包括下列步骤：设置含硅的半导体膜，使其与促进所述半导体膜晶化的金属催化剂接触；加热所述加有金属催化剂的半导体膜，使其晶化；往晶化膜的预选部分加入磷；和用灯对晶化膜进行热退火，以激活加入其中的磷。27．如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为非晶硅膜。28．如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述热退火步骤用闪光灯进行。29．如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述半导体膜为本征型或基本为本征型的。30．如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述预选部分包括一个薄膜晶体管的源区和漏区。31．如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述金属催化剂选自由镍、铁和钴组成的一组金属。32．一种制造薄膜晶体管的方法，所述晶体管的有源层具有一沟道区，该方法包括下列步骤：有选择地设置含硅半导体膜的第一部分，使其与促进所述半导体膜晶化的催化剂接触；加热所述加有催化剂的半导体膜，使其晶化，其中晶化从所述第一部分向毗邻所述第一部分的第二部分沿水平方向进行；往晶化膜的预选区加入磷离子，所述预选区不包括所述沟道区；和用灯对所述加有磷离子的晶化膜进行热退火。33．如权利要求32所述的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：高山彻，张宏勇，山崎舜平，竹村保彦，
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]