[发明专利]一种半导体器件的制造方法

说明书

本申请是申请日为1995年2月3日、申请号为95102929.0的专利申请的分案申请。

                       技术领域

本发明涉及一种具有结晶半导体材料的半导体器件及其制造方法。

                       背景技术

利用在基片上形成的薄膜半导体制造的薄膜晶体管是公知的。这种薄膜晶体管(TFT)被用于集成电路中，特别在诸如有源矩阵型液晶器件一类电光器件中，作为每个象素的开关元件或者作为驱动有源矩阵元件的外围电路中的驱动元件。

用于TFT的非晶硅膜是容易获得的。然而非晶硅膜的电性质是较差的。因此，人们希望使用具有结晶性的半导体膜，即多晶硅、微晶硅、单晶硅半导体或类似物。

作为一种用来形成具有结晶性的硅膜(以下称结晶硅)的方法，首先淀积一层非晶硅膜，然后通过使用加热或激光之类光能作用使其晶化的步骤是公知的。

然而，在使用热能加热情况下，需将基片加热到600℃或更高的温度保持10小时以上。例如，通常用作有源矩阵型液晶器件的基片的Corning 7059玻璃，其玻璃变形点为593℃。因此，通过在上述高温下加热处理进行结晶化对玻璃基片是不适用的。另一方面，例如受激准分子激光这样的短脉冲激光虽然具有不使玻璃基片变形的优点，但在使用激光情况下器件特性的一致性却不太好。本发明人以为这是由于激光束的温度分布造成的。

                   发明内容

为了解决上面讨论的非晶硅结晶化方面的有关问题，本发明人研究出一种促进加热晶化的方法，和一种减小激光结晶化离散不均匀的方法。

对于加热结晶化方法，发明人已经证明，通过在硅膜上淀积少量镍，钯，铅或者类似物，可以使非晶硅膜在550℃温度下经4小时的热处理被结晶化。

引入少量上述元素(即促进结晶的催化剂元素)的方法可以采用等离子处理，蒸发以及离子注入等。在等离子处理中，在平行板型或正圆柱型的等离子CVD(化学汽相淀积法)设备中，使用一个包含有催化剂元素的电极制备氮或氢的等离子，借此将催化剂元素加到非晶硅膜上。

然而，不希望在半导体中存在过多的上述元素，因为使用这种半导体会妨碍半导体器件的可靠性或者电稳定性。因此，本发明人发现尽管对非晶硅的结晶化需要使用催化剂元素，但在结晶硅膜中的催化剂元素的浓度应控制到最小。为达到这一目的，最好使用对结晶硅不活泼的催化剂元素，以及精确控制加到硅膜中的催化剂的用量，以使其中的催化剂元素的浓度减至最小。

使用等离子处理加镍催化剂的晶化工艺已被详细地研究，并获得以下结果：

(1)通过等离子处理将镍掺入非晶硅膜时，在膜经受热处理以前，镍已渗透进入非晶硅膜一个可观的深度；

(2)在加镍的硅膜表面产生初始成核；

(3)当通过汽相淀积在非晶硅膜上形成镍层时，将以与等离子处理相同的方式发生非晶硅膜的结晶化。

据上所述，可以认为由等离子处理引入的镍并非全部都起促进硅结晶化的作用。即若引入大量的镍，必然会出现镍过量，它们并不起促进结晶化的作用。由于这个原因，只有同镍接触的那些硅的点和面才能起到在低温下促进硅结晶化的作用。此外，可以推断镍必须以原子的方式微小地散布在硅中。即，可以认为镍必须以原子的方式散布在非晶硅膜的表面附近，并且镍的浓度应当在足以促进低温结晶化的范围内尽可能地低。

能够促进硅结晶化的微量催化剂可以通过，例如汽相淀积掺入非晶硅膜表面附近。然而，就膜的可控性方面而言汽相淀积是较差的，因此，不适宜用来精确控制要掺入非晶硅膜中的催化剂的用量。

有关在激光结晶化中发生的特性离散，本发明人通过实验发现，这是由下面两个主要原因造成的，(1)由于激光辐照表面上温度分布造成的结晶度不均匀，(2)由于偶然产生的晶核。特别，激光束一般具有高斯分布的强度分布。非晶硅膜的温度也是符合这一分布。结果，在非晶硅膜通过熔化或部分熔化而结晶化的过程中，结晶化必然在比其它区域有较低或较高温度离散度的区域开始，因为结晶是在一个区域从熔化条件向固态变化时发生的。然而实践中，晶核不一定存在于这些区域，因此，有可能形成过冷的区域。若这种过冷区域同晶核接触，那么结晶化将爆发性地发生。还有，因为晶核易于在有氧化硅界面的表面粗糙处形成，因而可以认为结晶的均匀性是极困难的。

因此，人们期望一个同其它区域相比其温度首先低于熔化点的区域同存在晶核的区域正好相符。