[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及结晶半导体，特别涉及薄膜硅半导体，包含薄膜硅半导体的半导体器件及其制造方法。

薄膜晶体管(TFT)可大致分为两类，一类是平面型，另一类是交错型的。交错型TFT可按图4A至4E所示工艺来制造。

首先，形成N或P型非晶硅区41，由此提供源/漏区(图4A)。

接着，通过例如等离子CVD、减压CVD、光致CVD、溅射等，淀积本征非晶硅层42，以此提供沟道区。为了获取良好的结晶性，本征非晶硅层42的厚度应为1000埃以上，更好地为1500埃以上(图4B)。

之后，利用固相生长工艺(热退火)获得结晶硅膜43。通常是在600-750℃的温度范围，进行24-72小时的固相生长(图4C)。

随后，利用例如溅射或者等离子CVD，淀积厚为几千埃的栅绝缘层44。通过对结晶硅膜43和栅绝缘层44进行蚀刻，在源/漏区41形成接触孔(图4D)。

采用溅射等方法，形成金属电极，更具体地讲，是源/漏电极45a和45b以及栅电极45c。按此方式可获得完整的TFT(图4E)。

传统的固相生长工艺需要在不低于600℃的温度下持续12小时或者更长的热退火。此工艺是不经济的，并且需要使用昂贵的石英衬底。而且，由于在高温进行热退火，所以发现用作源/漏区的N或P型非晶硅区扩散出n⁺或P⁺杂质。此外，在晶化期间发现晶体生长是随机的。由此导致形成具有随机结晶取向的薄膜结晶硅半导体，并发现这成为改善TFT特性中需克服的又一问题。

本发明的目的是提供一种不存在上述问题的半导体器件及其制造方法。根据本发明的最基本的原理，该方法包括，向非晶硅膜增加含有催化元素如镍的一层，用以加速硅膜的晶化。设置含有催化元素的这种层，可使硅半导体薄膜在低于传统晶化温度的温度下晶化，而且热退火持续时间缩短。假设，加速的晶化发生于如下方式中。亦即，易于与非晶硅反应，从而提供硅化镍，然后，按照如下方式，硅化镍继续与相邻的非晶硅反应：

非晶硅(硅A)＋硅化镍(硅B)→硅化镍(硅A)＋结晶硅(硅B)

其中硅A和硅B均代表硅的位置。上述公式表明，镍使非晶硅重新形成结晶硅，使反应得以继续。事实上，已经证实反应开始于不高于580℃的温度，并且在450℃的低温仍可观察到反应的发生。反应完成之后，发现硅中存留的镍的浓度为1×10¹⁶cm^-3以上。

上述发现还表明晶化发生于一个方向上。亦即，晶化方向是可控的。具体讲，当发现镍在横向扩散，具体地，晶化发生于横向。此工艺表示为添加镍的低温晶化工艺的横向生长工艺。加速非晶硅的晶化不仅可以使用镍，而且可以使用能加速晶化的其它元素，包括属于元素周期表VIII族的元素，即铁(Fe)、钴(Co)、钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、锇(Os)、铱(Ir)和铂(Pt)，以及IIIb族元素，即钪(Sc)、钒(V)、锰(Mn)、铜(Cu)、锌(Zn)、金(Au)和银(Ag)。

本发明采用对非晶硅的晶化起加速作用的上述元素1以下称为“催化元素”)的特性，并提供还能同时控制晶化方向的低温工艺。

在本发明的实施例中，通过在提供源/漏区的非晶硅区之上或之下，设置一层催化元素或其化合物(即含催化元素的层)，使提供沟道区的结晶硅半导体薄膜中的晶粒在一个方向上取向。更具体地讲，利用催化元素迁移的优点，即催化元素在沟道方向上从源/漏区迁移，可使晶化在沟道方向上从源/漏区继续下去。由于TFT中的电流是在源至漏(或者相反)的方向上流动，所以通过使硅晶粒在上述的一个方向上晶化，可获取晶质改善的TFT。

一般而言，TFT的品质随沟道区厚度的减小而上升是公知的。然而，在传统的固相生长工艺中，为了获得良好的结晶硅膜，要求硅膜厚度至少为1000埃，最好为1500埃，以便使相边界的影响减至最小。已经发现这是TFT的质受限制的一个因素。

但是，已经了解到，通过添加以上列举的催化元素，可以使厚度薄至300-1000埃的范围内的非晶硅膜晶化。通过添加催化元素，可以减小TFT的沟道区厚度，因而可获得品质改善的TFT。

根据本发明的第一方案，提供了一种半导体器件的制造工艺，包括如下步骤。