[发明专利]结晶硅膜、半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种供利用于一例如在玻璃等绝缘基板上形成有薄膜晶体管的有源矩阵(active matrix)型液晶显示装置或图像感测器等，由非晶硅膜加以结晶化而成的结晶硅膜，以及具有该结晶硅膜的半导体器件及其制造方法。

上述有源矩阵型液晶显示装置或图像感测器等当中所使用的半导体器件已知有一种构成是在玻璃等绝缘基板上形成薄膜晶体管(TFT)，再藉由该TFT来驱动像素。

在上述TFT中，一般都使用硅半导体膜，而作为该硅半导体膜者又可大类分成两种，即一由非晶硅(a-Si)半导体所组成，以及一由具有结晶性的硅半导体所组成。前者的非晶硅半导体由于其制造温度相当低，且可以以汽相生长法较简易地制作可以批量生产，因而最广泛地为一般使用，然而，其导电性等物理性质比起内有结晶性的硅半导体则较差。因此，以后，为了获得更高速的特性，强烈要求确立后者的由具有结晶性的硅半导体所组成的TFT的制作方法。

又，已知有使用多晶硅、微晶硅、包含结晶成分的非晶硅、处于结晶与非晶中间状态的半非晶硅等来作为该具有结晶硅半导体，而获得该硅半导体的方法则已知有下述几种。

(1)在成膜时，直接形成一具有结晶性膜的方法(第一种方法)；

(2)先形成一非晶半导体膜，再以激光的能量使其具有结晶性的方法(第二种方法)；

(3)先形成一非晶半导体膜，再藉由增加热能而使其具有结晶性的方法(第三种方法)。

然而，在第一种方法中，由于结晶化与成膜制程一起进行，因而若要获得粒径较大的结晶硅的话，将必须使硅膜加厚，而要在基板上全面均匀地形成一具有良好半导体物性的膜在技术上又相当困难。而且，由于成膜温度高达600℃以上，将不能使用便宜的玻璃基板，而有成本上升的问题。

又，在第二种方法中，由于系利用膜的熔融固化过程中的结晶现象，因而虽然粒径小，但可以将晶界(grain boundary)处理成良好状态，而能获得高品质的结晶硅膜。但是，以现今一般最常使用的激光为例，首先，由于激光的照射面积相当小，因而会有生产量低的问题，其次，要均匀处理整块大面积基板时，激光的稳定性不够，因而强烈感觉到可说是下世纪的技术。

第三种方法与第一、第二种方法相较，虽具有一可以对应于大面积的优点，然而，在结晶化时，却需要进行一种在600℃以上的高温下经过数十小时的热处理。亦即，若考量到便宜的玻璃基板的使用以及生产量的提高的话，则必须要能同时解决一降低加热温度并使其在短时间内结晶化的矛盾问题。又，在此种方法中，由于系利用固相结晶化(外延)现象，因而在成长的结晶粒之间会相互接触而形成晶界，且该晶界会作用成一相对于载流子的陷阱能级。因此，当其结晶粒径相当小时，将会使TFT的场效应迁移率降低，进而成为一使特性参差不齐。

因此，目前提出一使晶界大粒径化的特开平4-245482号所揭露的方法(第四种方法)以及特开平5-243575号案所揭露的方法(第五种方法)。具体而言，在第四种方法中系藉由使结晶硅膜的平均粒径成为该结晶硅膜的厚度的1/2～4倍，以获得一具高迁移率的TFT。另外，在第五种方法中系藉由以多晶硅膜来形成TFT的沟道(channal)区域，并使该多晶硅膜的结晶粒径大小为TFT的沟道长度的1/5以上，且为TFT的沟道宽度的1/3以上，以获得一具高迁移率、低漏泄电流的TFT。

又，一种用以减低该因晶界所引起的TFT特性参差不齐的方法最常使用的是特开平3-291972号所提出的方法(第六种方法)。该方法系藉由一具有结晶粒径在0.5～5μm的多晶硅膜来构成该TFT的沟道区域，并将结晶粒径作得比沟道宽度小，而使晶界存在于所有TFT的沟道部中，藉此而缩小TFT元件的参差不齐。

又，为了抑制晶界对TFT的影响，提出了一种人为地控制晶界的第七种方法(特开平5-136048号)。在该方法中，系在非晶硅膜上形成一具有注入窗的掩模(mask)，再透过该注入窗，将一将成为结晶生长的核(晶核)的外加物质选择性地导入该非晶硅膜中，并进行加热，藉此，而得到一以注入窗为中心而长成的单晶粒，再进一步在该单晶粒上形成TFT元件。藉此，一不受晶界影响的半导体器件即被制作出来了。又，上述外加物质系使用粒径在10～100nm之间的硅粒子，并将该硅粒子与高压氮气一起喷射向非晶硅膜而形成生长晶核。

还有，在上述有源矩阵基板或是图像感测器等当中，由于要求一种能在整个大面积基板上具有均一特性的高性能TFT，因而以一种简便的过程来形成一在整块基板上具有均一且良好结晶性的半导体薄膜的技术即不可欠缺。