[发明专利]半导体薄膜，半导体器件及其制造方法

说明书

本发明总的涉及半导体器件，特别涉及有作为其有源层的半导体薄膜的半导体器件及其制造方法。本发明还涉及有多晶硅膜制成的有源层的薄膜半导体晶体管。

近年来，半导体薄膜晶体管(TFT)已很广泛地用于电子部件或电子元件的制造中，特别是在厚度减小的显示装置和数字式集成电路(IC)封装中得到广泛利用，这些器件在速度和价格上的优势均得以增大。随着电子装置要求更高的封装密度，更高的速度和更低的功耗，TFT的性能和可靠性就变得更关键了。现有的TFT是在有几十至几百毫微米(nm)厚的介质表面的基片上由硅薄膜构成的。

一种典型的TFT结构包括有源区，在源区和漏区之间的间隔中选择地构成沟道区。有源区，即沟道形成区及其相关的源/漏结区在整体上对确定TFT的性能起到重要作用。可以认为，从源通过沟道至漏的电流路径的阻力，即少数载流子的迁移率能精确地反映出TFT的总电特性。

通常用非晶硅膜作半导体薄膜构成TFT的有源层。这些非晶硅膜可用等离子化学汽相淀积(CVD)和低压热CVD技术形成。

令人遗憾的是，用这种非晶薄膜存在的问题是，由于其固有的电荷载流子迁移率低，对要求以更高速度工作的TFT这种非晶薄膜不能满足要求。结果，要求提高硅膜的结晶度(以下称作“结晶硅膜”)。

一个实例是有源矩阵型或无源型液晶显示装置(LCD)，它设置有驱动含有TFT的图形元件或“像素”的驱动电路用的外围电路时，处理图像或待显示的视频信号用的控制电路，储存各种信息用的数据储存电路等。

特别要求控制电路和储存电路的性能与用已知的单晶硅晶片的集成电路(IC)等效。因此，在用在衬底上形成的薄膜半导体集成这些电路，严格要求衬底上制造的结晶硅膜的结晶度与单晶材料的结晶度一致。

已公开了在衬底上形成这种结晶硅膜的方法。例如，要转让给本受让人的日本特许公开6-232059。在该现有技术中，选择金属元素或元素用于便于或加速硅晶体生长，并进行550℃ 4小时热处理。由此，生成的结晶硅薄膜出现结晶度升高。同样的方法在日本特许公开6-244103中也有披露。

令人遗憾的是，即使用上述技术来制造TFT的有源层，所制成的TFT用于微处理机电路或存储器电路中结晶度仍不足。半导体制造商从商业上不断要求提高TFT的速度，但由于其自身固有的限制，使其用上述的现有技术提供的TFT有源层不能满足这种严格的要求，

特别是，为了实现有极好结晶度的结晶硅膜与单晶硅材料的结晶度一致，应要求膜中基本上不出现晶界。这是因为存在或包括这些晶界起到能级势垒的不良作用，它妨碍相邻晶粒之间的电子移动或前进。

参见图10A至10F将上述技术再分成四个步骤来分析用上述技术生长晶体的机理。

参见图10A，在衬底上形成氧化硅膜11作为缓冲层。在氧化硅膜11上形成非晶硅膜13。氧化硅膜11的表面上有构形12，该构形是由于其固有的表面粗糙度和/或污物存在而造成的。在此，表面构形12表示成局部凸起仅仅是为了说明。为加速或便于结晶，在非晶硅膜13上加几滴含金属元素的涂敷溶液，然后用离心机按足够高的速度旋转，将涂敷溶液均匀而径向涂敷到膜13的上表面上。如图10A所示，这样淀积的涂层14覆盖非晶硅膜13的上表面。可以涂层14中包含的镍(Ni)留在膜中。

图10A所示结构加热到500℃至700℃，使非晶硅膜13结晶。因此，如图10B所示，金属元素倾向于按箭头所指方向各向同性地在非晶硅膜13内扩散，最终达到膜11与13之间的界面，这是分析用的四步中的第1步。

这种内部扩散的结果，如图10C所示，金属元素迁移通过膜11与13之间的界面，导致表面构形12的局部突起处的分凝。这是第2步。这种分凝的出现是由于金属元素实质上企图要求能级稳定，此时，表面突起12作为这种分凝点。

此时，表面突起12用作分凝点包含一个或几个金属元素，在增大的浓度中允许其中出现晶核。我们的研究表明，金属元素是镍时，当浓度等于或大于1×10²⁰原子/厘米³时，出现晶核。晶核作为晶体生长的起点或“籽晶”。如图10D中数字15所示，这种晶体生长按基本上垂直于硅膜表面的方向垂直生长。这是第3步。

图10D的垂直晶体生长区15是其中所含的高浓度的金属元素(S)向上推时晶体生长所致；因而，这些元素按增大了的浓度强制残留于整个非晶硅膜13的表面内。这使残留在垂直生长区15中的金属元素的浓度高于膜13中残留的金属元素浓度。