[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及利用结晶性硅膜制造半导体器件的方法，特别涉及可用于有源阵列型液晶显示装置或图象传感器等，且在玻璃等绝缘基片上形成薄膜晶体管(TFT)的半导器件体及其制造方法。更具体说，涉及具有以非晶硅薄膜化之后，将所得到的结晶性硅膜作为有源区的TFT半导体器件及其制造方法。

具有形成在玻璃等绝缘基片上的TFT半导体器件中，周知的是将TFT用于驱动象素的有源阵列型液晶显示装置或图象传感器等。这些装置所用的TFT，一般都用薄膜硅半导体。

这种薄膜硅半导体大致可分成两种类型：非晶硅半导体和结晶硅半导体。

这两种类型中，非晶硅半导体由于制造温度低，用气相淀积法容易制造，因此适于大量生产，所以最常使用。但是，与结晶硅半导体比较，非晶硅半导体的导电性等特性比较差。因此，为得到半导体器件的更高速度的特性，就强烈要求确定由结晶硅半导器件制造TFT的方法。

众所周知结晶硅半导体包括：多晶硅、微晶硅、含有结晶成分的非晶硅、以及具有结晶性与非晶性之间状态的半非晶硅等。为得到这些结晶硅半导体的方法中，下述方法已知的是：

(1)在薄膜的淀积步骤中，直接形成结晶膜的方法。

(2)先形成非晶半导体膜，再以激光辐照之，通过激光能，使其晶化的方法。

(3)先形成非晶半导体膜，再加以热能，使其晶化的方法。

但是，上述方法(1)，由于形成膜的步骤与晶化同时进行，为得到大粒径结晶硅，必须形成较厚的硅膜。因此，要在整个基片上均匀地形成特性良好的半导体膜，技术上就很困难。另外，因这种膜要在600℃以上的高温下淀积，所以，不能使用廉价而耐热性不足的玻璃基片，造成生产性和成本上的缺点。

而且，上述(2)的方法是利用熔融固化过程中的晶化现象，可得到小粒径且晶界经过良好处理的高品质硅膜。但是，以现在一般常用的激光(例如准分子激光)，由于激光光束的照射面积较小，因此加工生产率也较小。另外，要全面均匀地处理大面积基片时，还有激光稳定性不足的问题。因此，要使用激光的上述(2)的方法应是未来的技术。

上述(3)所示的利用热能以使硅固相晶化的方法与先前叙述的(1)或(2)的方法相较之下，具有能在大面积的基片上均匀地形成薄膜结晶性硅膜的优点。此方法的实例可见于日本专利公报特开昭62-122172号、特开平3-290924号及特开平4-165613号，在这些文献中，是先将基片上所形成的硅半导体刻成图形，使其图形对应于其后形成为TFT的有源区域的器件区域，其后再使其晶化。具体来说，在日本专利公报特开昭62-122172号及特开平4-165613号中，是将基片上的器件区域除了留下的一部分之外使其非晶化，其后进行晶化热处理，再以器件区域中留下来未被非晶化的部分为核，使非晶化的部分沿一个方向晶化。另外，日本专利公报特开平3-290924号是在基片上使器件区域形成岛状图形。在此时，控制非晶硅膜中成为器件区域之核密度，使核密度及结晶生长距离与岛状图形的大小的关系最优化。

但是，利用热能使硅固相晶化的方法中，在晶化之时，必须以600℃以上的高温加热处理数十小时。因此，为了同时使价廉的玻璃基片的使用成为可能且提高加工生产率，即必须同时解决降低加热温度，又能在短时间内使其晶化的两个互相矛盾的要求。

还有，在上述方法中，由于利用固相晶化现象，晶粒与基片表面平行地延伸，产生粒径为数μm的结晶。但是，在此一结晶生长过程中，生长出的结晶互相推挤，而形成晶界，因此晶界起载流子陷阱的作用，成为TFT中的载流子迁移率较低的原因。

上述公开公报中所记载的任一种方法的缺点都可以用下述方法来解决：首先，将基片上所形成的非晶硅膜形成图形，使其图形对应于器件区域，然后使非晶硅膜晶化。由此抑制器件区域中的晶界发生，使晶粒直径加大成为可能。但是，晶化时，仍然须要高温及长时间加热处理。

通过非硅膜热处理而得到结晶硅膜的另一方法可见于日本专利公报特开平5-55142号及特开平5-136048号。在这些方法中，是在非晶硅膜中导入成为结晶生长核的外来物，其后进行热处理，而得到以所导入的物质为核的大粒径结晶硅膜。

更详细地说，在日本专利公报特开平5-55142号所揭示的方法中，是将硅(Si⁺)等杂质以离子注入法导入非晶硅膜中，其后以加热处理，形成具有大小约数μm的晶粒的多结晶硅膜。在特开平5-136048号公报所揭示的方法中，是将大小10～100nm的硅晶粒子与加压氮气同时喷镀到非晶硅膜上，从而形成晶核。