[发明专利]制造半导体器件的方法

说明书

本发明涉及制造一种具有晶态半导体的半导体器件的工艺。

薄膜晶体管(下文简称TFT)已是公知的，并广泛地用于各类集成电路或电子光学器件，特别是用作为有源矩阵液晶显示装置的每个像素设置的开关元件，以及用于外围电路的驱动元件。

容易采用非晶硅膜作为TFT的薄膜半导体。然而，非晶硅膜的电学特性是很差的。具有结晶性的硅膜可以用来解决此问题。具有结晶性的硅膜是例如多晶硅、聚硅及微晶硅。通过首先形成非晶硅膜，然热处理所得之膜进行结晶化，可以制得晶态硅膜。    

为使非晶硅膜结晶化的热处理要求将该膜在600℃或更高的温度加热10小时或更长时间。这种热处理对玻璃衬底不利。例如，通常用作有源矩阵液晶显示装置衬底的Corning 7059玻璃其玻璃变形点为593℃，因而它不适合作为要经受600℃或更高温加热的大面积衬底。

根据本发明人的研究，发现将非晶硅膜在550℃加热约4小时，可使该膜结晶化。这可通过在非晶硅膜的表面上安排微量的镍或钯，或其它元素(如铅)来实现。

通过等离子处理或蒸镀淀积使所述元素淀积，或通过离子注入而掺入所述元素，可以将前述促进结晶化的元素引入到非晶硅膜的表面。等离子处理具体包括：在平行板型或正圆筒型(positive columnartype)等离子化学气相淀积(CVD)仪中，使用含催化剂元素的电极，在诸如氢或氨的气氛中产生等离子体，将催化剂元素添加到非晶硅膜中。

然而，前述元素大量存在于半导体之中是不可取的，因为使用这种半导体会大大地损害其中使用了这种半导体的器件的可靠性及电学稳定性。

即，在非晶硅膜的结晶化中需要前述促进结晶化的元素例如镍(在本发明的下文中，称这些元素为催化剂元素)，但这些元素最好别掺到已结晶的硅中。选择一种在晶态硅中更不活泼的元素作催化剂元素，并掺入刚可使该膜结晶化的最低量的这种催化剂元素，可以调和这种矛盾的要求。所以，待掺入该膜的催化剂元素的量必须高度精确地控制。

对使用镍或类似元素的结晶化工艺已深入地研究。从而获得下列研究结果：

(1)在用等离子处理将镍掺入非晶硅膜的情况下，发现在对该膜进行热处理之前，镍已渗透到非晶硅膜内相当深的深度；

(2)在掺入镍的表面出现原始晶核；以及

(3)当用蒸镀法在非晶硅膜上淀积一层镍时，按与实施等离子处理的情况相同方式发生非晶硅膜的结晶化。

鉴于上述情况，设想并非所有经等离子处理引入的镍全能起促进硅结晶化的作用。即，引入的镍若量大，则存在实际上未起作用的过量的镍。因此，本发明人认为在低温下对硅结晶化起促进作用的与硅相接触的镍是一个点或是面。还设想，镍在硅内必须呈原子状态分散。即设想镍必须呈原子状态分散在非晶硅膜表面附近，镍的浓度应尽可能的小但在足以能促进低温结晶化的范围内。

能促进非晶硅结晶化的微量镍，即一种催化剂元素，可通过例如蒸镀淀积掺入到非晶硅膜的表面附近。然而蒸镀淀积不利于控制，所以不适子精确控制掺入非晶硅膜的催化剂元素的量。

另外，要求尽量降低催化剂元素的量，但出现一个问题，即结晶化不能充分进行。

本发明的一个目的是使用催化剂元素，通过低子600℃的热工艺制造晶态薄膜硅半导体器件，其中(1)催化剂元素的引入量是受控的并尽可能的低；(2)增加了生产率以及(3)与施加热处理的情况相比，改善了结晶性。

为达到前述目的，本发明的方法包括下述步骤：安排促进结晶化的催化剂元素或含催化剂元素的化合物与非晶硅膜相接触；在催化剂元素或化合物与硅膜保持接触的情况下对非晶硅膜进行热处理，使该膜部分或全部结晶化；以及用激光或与其强度相等的光辐照该膜，进一步改善或扩大结晶度。这样就形成了结晶性优异的硅膜。

至于引入催化剂元素的方法，用含催化剂元素的溶液涂敷在非晶硅膜上是有利的。特别是，根据本发明，溶液应与硅膜表面接触，以便精确控制催化剂元素引入的量。

催化剂既能从非晶硅膜的上表面，也能从其下表面引入。即，在前一种情况，在非晶硅膜形成之后，可将含催化剂的溶液施加于硅膜。另外对后一种情况，可首先将溶液施加于基底表面，然后在其上形成非晶硅膜。    

采用如此形成的具有一定结晶度的硅膜，可以形成子其内至少包括一个电学结，如PN、PI或NI结的有源区。半导体器件的实例是薄膜晶体管(TFT)、二极管、光电传感器等。

本发明的前述结构具有下列基本优点：

(a)催化剂元素在溶液中的浓度可预先精确控制，可改善结晶性，同时能使催化剂元素的量尽可能的小；