[发明专利]制造薄膜晶体管的方法及设备

说明书

本发明涉及制造薄膜晶体管(TFT)的方法，每个薄膜晶体管均有不同于单晶的半导体薄膜。本发明还涉及制造这种薄膜晶体管所用的设备。本发明特别涉及注入杂质的方法和设备，用以产生n型或p型导电区，以构成源/漏区等。按本发明制造的TFT即可以制造在玻璃等制成的绝缘衬底上，也可以制造在例如由单晶硅构成的半导体衬底上。

近年来，已研究出了在绝缘衬底上的薄膜形式的有有源层(也称作有源区)的绝缘栅半导体器件。具体地说，已真正地研究出了薄膜形绝缘栅晶体管(称作TFT)。这些器件按所用半导体的材料和结晶状态可分成非晶硅TFT或结晶硅TFT。应注意的是、结晶硅是非单晶，即，不能认为是单晶态。

通常，非晶半导体有小的场迁移率，因而它不能用作要求高速运行的TFT。而且，p型非晶硅有很小的场迁移率，它不可能用作制造p-沟道TFT(PMOSTFT)。因而不能制造由p沟道TFT和n沟道TFT组成的互补MOS电路(CMOS)。

另一方面，结晶半导体比非晶半导体具有大的场迁移率，因而能高速运行。因此，用结晶硅可获得NMOSTFT以及PMOS TFT，因而可制成CMOS电路。已经指出希望建立LDD结构(轻掺杂区)例如用于单晶半导体MOSIC，以获得更好的特性。

然而，为获得结晶硅半导体，必须使非晶硅热退火。为此目的，必须使硅在超过600℃的高温下经长时间热处理。因而，要求待用的衬底具有高的最大处理温度。因此，通常使用价格昂贵的石英衬底。

我们已发现用催化元素如镍、铁、钴、铂和钯能促进非晶硅结晶。结果，我们在比以前低的温度下和短的时间内进行热退火，成功地获得了结晶硅膜。结果，用该结晶方法可使用有低的最大处理温度的廉价玻璃衬底。

而且，已发现，在较以前低的温度下热退火可实现杂质元素的激活。特别是，使n型或p型杂质离子注入含有促进结晶的催化元素的硅膜中。按该方法形成掺杂区如源/漏区之后，杂质元素可在比常用温度低的温度下激活。为此目的，所希望的催化元素的浓度范围在1×10¹⁵至1×10¹⁹原子/厘米³范围内。

浓度低于此范围时，不能促进结晶。浓度高于此范围时，对硅半导体特性有不利影响。在这种情况下，用SIMS(二次离子质谱分析法)测量催化元素的浓度。在大多数情况下，催化元素表示膜中的分布。上述值是硅膜中催化元素的最小值。

现有技术中，为在低温下激活掺杂剂，要求使用强光如激光辐照(光退火)。然而，光退火在重复性和可控性方面存在一些严重的问题，而且难以进行批量生产。使用促进结晶的催化元素是很有意义的，在这点上，使可与光退火相比的低温激活是可行的。

然而，用催化元素加速结晶造成新问题。特别是在用热退火激活注入的杂质时，催化元素移动并聚集在掺杂区(源1漏区)与沟道之间的界面附近。这些沟道和源/漏区之间的界面是TFT中的极细小的部分。这些部分中的缺陷极大地损坏TFT特性。

更具体地说，在这些部分中不利于硅半导体的催化元素的浓度增大。这损坏TFT特性(具体地讲是当栅上加的电压为0或为负时源/漏之间的漏电流(也称截止电流)增大)和可靠性(长期使用后TFT特性变坏)。

现在参考图4(A)至4(D)说明促进结晶催化元素运动的机理。图4(A)说明直至构成栅极步骤的机理。制备一块衬底1。在衬底1上可形成适当的缓冲层。在整个衬底1上形成岛形硅区2(也称作有源层)。之后，用日本专利公开244104/1994所公开的技术使催化元素基本均匀地分布在岛形硅区2中(图4(A))。

之后，例如用离子注入或其它方法引入杂质，如磷。结果，形成源区5和漏区6。然而，离子注入会在源5和漏6中引起许多缺陷和变形(图4(B))。

若紧接着用日本专利公开267989/1994和333951/1994公开的技术进行热退火，以激活注入的杂质，使沟道7中存在的催化元素朝源/漏区5和6移动，因为，催化元素倾向于优先被缺陷等处俘获。当在400℃以上的温度进行热退火时明显地看到催化元素的这种移动(图4(C))。

移动的催化元素特别集中在沟道7与源/漏区5和6之间的界面处(箭头所指)。使沟道7中催化元素浓度下降。随后，沟道7与源/漏区5和6之间的界面处催化元素高度富集。