半导体器件制造技术

一种薄膜半导体晶体管结构具有带有电介质表面的衬底和由半导体薄膜构成的有源层，半导体薄膜呈现相当于单晶的结晶度。为制作此晶体管，半导体薄膜形成在衬底上，此膜包括多种晶体的混合物，晶体可是大体上与衬底平行的柱状和／或毛发状晶体。然后，所得结构在含卤素的选定气氛中进行热氧化，从而除去在膜中含有的任何金属元素。这就能形成单畴区，在单畴区中各柱状或发毛状晶体接触任何相邻晶体并且能大体认为是其中不存在或包含任何晶界的单晶区。此区用于形成晶体管的有源层。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及一种半导体器件，尤其是涉及一种用半导体薄膜作有源层的半导体器件及其制造方法。本专利技术还涉及具有晶体硅薄膜制成有源层的薄膜半导体晶体管。
技术介绍
近来，半导体薄膜晶体管(TFT)器件更加广泛地应用于电子部件或元件、特别是降低厚度的显示装置以及数字集成电路(IC)组件的制造，这些装置的速度及成本优势增加。由于这些电子装置要求更高组装密度、更高的速度和低的能量消耗，TFT的性能及可靠性变得更加重要。一些现有已知TFT由硅薄膜形成在有电介质表面的衬底上，典型地薄膜厚度测量是几十到几百纳米(nm)。典型地，TFT具有在分开的源极和漏极区之间限定的有源区，用于在此选择地形成沟道区。有源区，即沟道形成区，以及其相关的源/漏结区总体上对确定TFT的性能起着重要作用。能这样说是由于从源极通过沟道到漏极的电流通道的电阻，或者少数电荷载流子的迁移率能严格反映TFT的总体电性能。通常，非晶硅膜一般用作构成TFT的有源层的半导体薄膜。这些非晶硅膜可由等离子体化学蒸气沉积(CVD)和低压热CVD技术制作。遗憾的是，使用此种非晶膜遇到的问题是要求TFT显示更高的操作速度，而由于非晶膜固有的低的电荷载流子的迁移率，非晶膜不能跟上此趋势。为此，需要增加结晶度的硅薄膜(后面称“晶体硅膜”)。例如，在要转让给本受让人的、已公布的未审查日本专利申请(PUJPA)No.6-232059中已公开了一种在衬底上形成此种晶体硅膜的现有已知方法。在此现有技术中，采用选择的金属元素来促进或加速硅的晶体生长，硅在550℃的温度下进行热处理4小时。由此，所得的晶体硅膜呈现增加的结晶度。类似方法也在PUJPA No.6-244103中公开。在PUJPA No.7-321339中公开了另一种现有技术方法，使用类似技术使硅基本平行于载体，例如支承基板，即衬底的晶面生长。所得结晶区在某些情况下称为“横向生长区”。由于柱状或毛发状晶体以相互很好平行的晶体生长方向增长，使用上述技术形成的横向生长区提高了结晶度。使用此区域来形成-有源层或多个有源层可有助于增加TFT性能。由于商业上要求半导体制造者不断地进一步提高TFT的速度，即使用这种横向生长膜作有源层的TFT由于其提高结晶度时的固有限制也将无法满足严格要求。对各图形单元或“相术”采用薄膜晶体管(TFT)的改进的有源矩阵液晶显示(LCD)器或无源LCD是例子。这些类型的LCD包含外围电路系统，外围电路系统包括用于电驱动相关的LCD相术阵列的驱动器电路，用于以想要格式处理视频信号的图形数据处理器/控制器，用于存储多种信息项目的存储器阵列等。这些电路元件中，严格要求数据处理器/控制器和存储器阵列在性能上等同于目前使用的由单晶片制造的高级集成电路(IC)芯片。相应地，这些LCD驱动器电路利用形成在衬底表面上的半导体薄膜而结合到衬底上，这就要求此种薄膜的特性最大的类似于单晶体的结晶度。遣憾的是，提出的现有技术中没有能克服此问题。一个原因是由于用于促进晶体生长的金属元素可能仍残留在所得的硅膜内，不利地降低重现性，所以横向生长硅膜伴随着可靠性和生产率持续低下的问题。这严重妨碍进一步提高半导体制造技术。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种新的改进方法，能克服现有技术面临的问题。本专利技术的另一目的是提供一种能克服现有技术面临问题的新的改进半导体器件以及形成此器件的方法。本专利技术的再一目的是提供一种能呈现增强功能和可靠性的半导体集成电路器件，而不必利用单晶半导体晶片。本专利技术的又一目的是在有电介质表面的载体上形成具有等同于单晶的优良结晶度的单畴区。本专利技术的还一目的是提供一种具有有源层的半导体器件，有源层覆盖在具有电介质表面的衬底上并且由结晶度等同于单晶材料的单畴区构成。为实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，具有载体的一特定器件设置有半导体薄膜，半导体薄膜形成在载体的绝缘表面，其特征在于薄膜包括单畴区，单畴区包括基本平行于载体的多种晶体的混合物，晶体可是柱状晶体和/或毛细状晶体。根据本专利技术的另一方面，提供一种在载体的电介质表面上的半导体薄膜。薄膜包括单畴区，单畴区包含基本平行于载体的多种晶体混合物。晶体可是柱状晶体和/或毛细状晶体。非常重要地，在单畴区那里不包括任何晶粒边界。构成单畴区的部分薄膜包含仔细选定比例、等于或少于五个(5)原子百分比的氢和卤族元素。卤族元素最好是氯、溴和/或氟。根据本专利技术的又一方面，半导体器件仅利用单畴区来形成有源层。在这种情况下，单畴区内不存在晶粒边界。根据本专利技术的再一方面，提供一种形成半导体薄膜的方法，该方法包括步骤用低压化学沉积在具有电介质表面的载体上形成非晶硅膜；在非晶硅膜上选择地形成氧化硅膜；保留金属元素以促进非晶硅膜晶化；通过第一热处理使至少部分非晶硅膜改变成晶体硅膜；除去氧化硅膜；在含卤族元素的选定气氛中进行第二热处理，以在非晶硅膜和/或晶体硅膜上形成含卤素的热氧化膜，同时使晶体硅膜的性质改变成相应的单畴区，并除去热氧化膜。然后采用所得的单畴区来形成半导体器件的有源层。这里应当注意在此所用的术语“单畴区”指利用本专利技术的半导体薄膜制造方法形成的横向生长晶体区，并考虑到此区域具有增加的优良结晶度，足以基本上当成单晶材料。单畴区的主要特征是在它的整个区域内未发现晶粒边界，相应地抑制或排除了由于存在跃迁和堆垛层错(层间缺陷)而发生的晶格缺陷或位错。另一特征是单畴区避免掺杂严重影响半导体器件基本性能的任何金属元素。也应该注意，不存在晶界也意味着即使存在少数晶界，仍保持电的不活性。作为此种电不活性晶界，已报道有{111}孪晶界，{111}堆垛层错，{221}孪晶界，和{221}螺孪晶界(R.Simokawa和Y.Hayashi，Jpn.J.Appl.Phys.，27(1987)PP.751至758)。本专利技术人认为包含在单畴区中的晶界更大可能仍是电的不活性晶界。换句话说，甚至观察到一些晶界，它们也是不再影响电荷载流子移动的电不活性区域。在这种意义上，如果有，这些晶界对内部电流保持电的“穿透”。从本专利技术优选实施例的如下详细描述中，本专利技术的这些和其它目的、特性及优点将更为清楚，如附图所示。附图说明图1A至1C是根据本专利技术原理，用以说明半导体器件中的横向晶体生长区的图形表示。图2A至2F根据本专利技术的一个优选实施例，用示意横截面说明形成具有单畴区的半导体薄膜的一些主要步骤。图3A至3E以示意横截面图表示制造本专利技术半导体器件的一些主要步骤。图4是表示氯化镍的蒸气压与温度的关系曲线图。图5是表示薄膜晶体管(TFT)的电性能图。图6是表示晶体硅膜中含有的氯浓度分布图。图7是用于有源矩阵液晶显示(LCD)器件中的衬底结构透视图，具有单畴区形成的有源层阵列。图8A至8K根据本专利技术另一实施例以示意横截面图说明形成半导体器件的一些主要步骤。图9A至9D根据本专利技术另一实施例以示意横截面图说明形成半导体器件的一些主要步骤。图10和12描绘动态随机存取存储器(DRAM)的存储器阵列的一个单元部分和静态RAM(SRAM)的存储器阵列的一个单元部分，图11和13表示前述图的每个单元的横截面图。图14是用于说明已知绝缘体上半导体(SOI)结构所面临问题的图形表示。图15是说明人造石英靶的组分表。图16A至16D根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有至少一个薄膜晶体管的半导体器件，所述薄膜晶体管包括：形成于绝缘表面且包括其中形成的含多个柱状或毛细晶体的有源层的半导体薄膜，形成于所述有源层上的栅绝缘膜；以及在所述栅绝缘膜上的栅电极，其中，位于所述有 源层中晶体之间的晶界是电的不活性晶界，其中，所述栅绝缘膜包括所述有源层的热氧化物膜和硅氧化物膜，其中，所述热氧化物膜的厚度小于所述硅氧化物膜的厚度，以及其中，所述有源层包含用于在浓度为每立方厘米１×１０↑［１８］个原 子或以下时促进晶化的金属元素。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，小山润，宫永昭治，福永健司，
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]