[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及具有在有绝缘表面的衬底上形成的半导体薄膜有源层的半导体器件，特别涉及其中的有源层由结晶硅膜的薄膜晶体管。

近年来，用在具有绝缘表面的衬底上形成的半导体薄膜其厚度是在几百埃至几千埃)构成薄膜晶体管的技术已受到人们的关注。薄膜晶体管广泛地用于电子器件，如IC(集成电路)或电光器件，特别是，作为用于图像显示装置的转换元件已有了很大的发展。

例如，在液晶显示装置中，企图把TFT用于任何电路，如特别用于控制按矩阵形式设置的像素区域的像素矩阵电路，用于控制像素电路的驱动电路，用于处理外来数据信号的逻辑电路(处理器电路，存储器电路等)。

目前情况下，尽管用非晶硅膜作有源层的TFT已进入实用阶段，还要求高速工作性能的电路，如驱动电路和逻辑电路，要求用结晶硅膜(多晶硅膜)的TFT。

作为衬底上形成结晶硅膜的技术，已由本发明申请人的日本特许公开平6-232059和平6-244103披露而成为公知技术。这些公开文件中披露的技术能用促进硅结晶的金属(具体说是镍)和在500℃至600℃的温度中热处理4小时而构成有优异结晶率的结晶硅。

日本特别公开平7-321339披露了用上述技术按平行于衬底的方向生长晶体的技术。本发明人称形成的晶化区为特殊的边生长区(或横向生长区)。

但是，即使用这种TFT构成驱动电路，驱动电路仍处于不能完全满足所要求的特性的状态。目前情况下，特别不可能用常规TFT构成具有无异高性能的高速逻辑电路，以同时实现既能高速运行又具有高耐压特性。

如上所述，为了获得有更高性能的电光器件，必须使TFT具有能与用单晶硅晶构成的MOS-FET能相比拟的性能。

本发明的目的是，提供具有极高性能，如极高击穿性能的薄膜半导体器件，以制成有更高性能的电光器件，及其制造方法。

用常规方法不能获得上述高性能的TFT的原因认为是，晶界俘获了载流子(电子或空穴)，因此，妨碍了改善作为TFT特性参数之一的场效应迁移率。

例如，在晶界中有许多不成对的硅原子键(悬空键)和缺陷能级。因此，每个晶粒内移动的载流子靠近或与晶界接触时，容易被晶界中的悬空键，缺陷能级俘获。并认为有“有害晶界”功能的晶界阻止了载流子移动。

为实现按本发明的半导体器件，必不可少的是提供把这种“有害晶界”结构变成“对载流子”无害晶界结构的技术。即，重要的是形成载流子俘获率低的晶界，即形成阻止载流子移动率低的晶界。

因此，本说明书中公开的发明提供的具有半导体薄膜有源层的半导体器件制造方法包括以下工艺步骤：在有绝缘表面的衬底上形成非晶硅膜，非晶硅膜上选择地形成掩模绝缘膜，使非晶硅膜选择地具有促进结晶的金属元素，用第1热处理使至少一部分非晶硅膜转变成结晶硅膜，除去掩模绝缘膜，用构图法形成只用结晶硅膜构成的有源层，有源层上形成栅绝缘膜，在含卤素的气氛中进行第2热处理，用消气法除去有源层中的金属元素，有源层和栅绝缘膜之间形成热氧化膜，在含氮气氛中进行第3热处理，提高包括热氧化膜和界面态的栅绝缘膜的质量，其中，有源层是结晶结构体，其中的晶界基本按一个方向对准，它由与衬底基本平行的众多针形或柱形晶体聚集体构成。

如果按上述制造方法形成结晶硅膜，能获得有图9所示外观特征的薄膜。图9是用日本特许公开7-321339披露的使非晶硅膜结晶的技术而实施本发明时获得的薄膜显微照片放大图，并展示出长度为几十至100埃和几十微米。

横向生长区901的特征是，由于几乎垂直于区902的针形或柱形晶体生长中加有促进结晶化的金属元素，而且是相互基本上平行的结晶方向是对准的。903所指示部分是因从相对所加区902伸出的针形和柱形晶体碰撞而形成的大晶界，它与针形晶体和柱形晶体之间的晶界不同。

图10是TEM照片，其中进一步放大了晶粒中的细微区，以便能看到图9所示横向生长区的内部。

即，尽管本发明的结晶硅膜似乎是由大的横向生长区901宏观构成的，如图9所示，对横向生长区901微观观察时，横向生长区是由众多针形或柱形晶体1001构成的结晶结构体，如图10所示。

图10中，参考数字1002指示表示针形或柱形晶体之间界限的晶界，从晶界1002的扩展方向证实针形或柱形晶体1001基本上相互平行生长。而且，除非另有说明，本说明书中的晶界是指针形或柱形晶粒之间的界限。