半导体器件及其制造方法技术

提供一种其性能可与ＭＯＳＦＥＴ性能相比的ＴＦＴ。用促进结晶化的金属元素结晶的结晶硅膜形成半导体器件的有源层，并在含卤素气氛中热处理，除去金属元素。用众多种形或柱形晶体的集合构成该处理后的有源层。用该结晶结构制成的半导体器件有极高的性能。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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，已由本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的目的是，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。为实现按本专利技术的半导体器件，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，本说明书中公开的专利技术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专利技术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。附图说明图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，尽管本专利技术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。本专利技术的半导体器件中，用在含卤素的气氛中进行热处理经消气剂而除去促进结晶化的金属元素，主要是镍，它的剩余浓度保持在不小于1×1018原子/cm2，降到不大于1×1018原子/cm3，典型值是1×1014-5×1017原子/cm3，在有源层中最好不大于旋涂密度。当然，因污染(不是故意加的)而混入的其它金属元素(如Cu、Al等)也能用消气剂去除。此时，可预期热处理中硅原子的悬空键与氧结合而构成氧化物即氧化硅。结果，在“有害晶界”区中形成氧化硅，而且认为氧化硅基本上起晶界作用。并推断按该法形成的晶界1002是不包括处于氧化硅和结晶硅之间界面中的晶格缺陷状态，因此极好地匹配。这是因为，用热氧化形成氧化端的工艺和用镍的催化作用而促进硅原子本身或硅原子与氧的再化合工艺之间的最佳协同作用而消耗了引起缺陷的晶格间的硅原子。即，图10中，认为晶界1002几乎没有俘获载流子的缺陷，因此，它具有只对针形或柱形晶体中移动的载流子起能级势垒作用的“有益晶界”。由于在这种晶界中优先进行热氧化反应处理，在晶界中而不是在其它区域中形成较厚的热氧化膜。因此，认为加到晶界附近的栅电压明显变小，它也能变成能级垫垒。而且，由于在超过700℃(典型温度是800-1100℃)的较高温度下进行该热处理，因而针形或柱形晶体内存在的诸如位错和堆垛层错的缺陷几乎都消失了。而且，用加氢或薄膜中含卤族可使硅原子的残留悬空键终止。而且，本专利技术人确定，用该方法获得的图10所示状态中，众多针形或柱形晶体内的区域为“对载流子而言认为基本上是单晶区”。“对载流子而言认为基本上是单晶区”的特征是指载流子移动时没有阻止它移动的势垒。换句话说，没有晶格缺陷，没有晶界，或没有作为能级壁垒的势垒。本专利技术提供具有高性能的能构成驱动电路或逻辑电路的半导体器件，用具有上述结构的结晶硅膜构成以TFT为代表的半导体器件的有源层。图1A至1D是展示半导体器件制造工艺步骤的示图；图2A至2D是展示半导体器件制造工艺步骤的示图3是有源层设置结构示意图；图4A和4B是半导体器件特性曲线图；图5A至5D是展示半导体器件制造工艺步骤的示意图；图6A至6C是展示半导体器件制造工艺步骤的示意图；图7A和7B是电路结构的照片；图8A至8C是有源层结构示意图；图9是结晶硅膜表面的照片；图10是晶体结构的照片；图11是晶体结构的照片；图12是晶体结构的照片；图13A和13B是DRAM和SRAM结构示意图；图14A至14D是展示半导体器件制造工艺步骤示意图；图15A至15D是展示半导体器件制造工艺步骤示意图；图16A至16F是展示半导体器件应用例示意图；以下将以优选实施例为基础详细说明本专利技术。本实施例中，说明按本专利技术制造方法形成的结晶硅膜用作薄膜晶体管(TFT)的有源层的实例。图1A至1D展示了TFT制造工艺步骤的一部分。而且，本实施例中用的把非晶硅膜结晶化的方法是日本特许公开平7-321339中披露的技术，但在本例中只是对其概要地说明，请见详细公开文件。首先，制备有绝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＥＬ（电致发光）显示器，包括： 一个像素矩阵电路，在整个衬底上形成，且有一个薄膜晶体管；和 一个逻辑电路，在整个所述衬底上形成，供驱动所述ＥＬ显示器，具有一个Ｐ沟道薄膜晶体管和一个Ｎ沟道薄膜晶体管； 各所述Ｐ沟道薄膜晶体管和所述Ｎ沟道薄膜晶体管包括： 一晶硅膜有源层，在整个所述衬底上形成； 一栅绝缘膜，在所述有源层表面上形成；和 一个栅极，在所述栅绝缘膜上形成； 其特征在于，所述有源层含浓度不大于１×１０↑［１８］原子／立方厘米，起晶化促进作用的金属元素；且 所述Ｎ沟道薄膜晶体管和所述Ｐ沟道薄膜晶体管表示电气特性的Ｓ值的标准偏差分别在１０毫伏／衰变内和１５毫伏／衰变内。

【技术特征摘要】
JP 1996-10-15 294419/96;JP 1996-10-24 301250/961.一种EL(电致发光)显示器，包括一个像素矩阵电路，在整个衬底上形成，且有一个薄膜晶体管；和一个逻辑电路，在整个所述衬底上形成，供驱动所述EL显示器，具有一个P沟道薄膜晶体管和一个N沟道薄膜晶体管；各所述P沟道薄膜晶体管和所述N沟道薄膜晶体管包括一晶硅膜有源层，在整个所述衬底上形成；一栅绝缘膜，在所述有源层表面上形成；和一个栅极，在所述栅绝缘膜上形成；其特征在于，所述有源层含浓度不大于1×1018原子/立方厘米，起晶化促进作用的金属元素；且所述N沟道薄膜晶体管和所述P沟道薄膜晶体管表示电气特性的S值的标准偏差分别在10毫伏/衰变内和15毫伏/衰变内。2.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述栅绝缘膜由汽相法制成的氧化膜和热氧化所述有源层制取的热氧化膜构成。3.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层为晶体结构体，通过聚集多个大致平行于所述衬底的针形或柱形晶体构成；且所有所述针形或柱形晶体大致上沿一个方向延伸，其方向控制得使其与某一沟道方向成一特定角。4.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层为晶体结构体，通过聚集多个大致平行于所述衬底的针形或柱形晶体构成；且所有所述针形或柱形晶体大致沿一个方向延伸，其方向控制得与某一沟道方向大致一致。5.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层的沟道形成区长0.01至2毫米。6.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层含至少一种选自Cl、F和Br组成的元素群、浓度为1×1015至1×1020原子/立方厘米的元素。7.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层含至少一种选自Cl、F和Br组成的元素组中的元素；且所述元素以高浓度分布在所述有源层与所述栅绝缘膜之间的界面上。8.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述促进晶化过程的金属元素为至少一种选自Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu和Au组成的元素群的元素。9.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述晶硅膜是通过晶化用低压热CVD法形成的非晶硅膜形成的。10.如权利要求2所述的EL显示器，其特征在于，所述热氧化膜所含的起晶化促进作用的所述金属元素，其浓度高于由所述汽相法形成的所述氧化膜中的浓度。11.一种EL显示器，包括一个像素矩阵电路，在整个衬底上形成，且有一个薄膜晶体管；和一个逻辑电路，在整个所述衬底上形成，供驱动所述EL显示器，具有一个P沟道薄膜晶体管和一个N沟道薄膜晶体管；各所述P沟道薄膜晶体管和所述N沟道薄膜晶体管包括一晶硅膜有源层，在整个所述衬底上形成；一栅绝缘膜，在所述有源层的表面上形成；一个栅极，在所述栅绝缘膜上；其特征在于，所述有源层中起晶化促进作用的金属元素的含量不大于1×1018原子/立方厘米；且所述N沟道薄膜晶体管和所述P沟道薄膜晶体管表示电气特性的S值分别在80±30毫伏/衰变和80±45毫伏/衰变范围内。12.如权利要求11所述的EL显示器，其特征在于，所述栅绝缘膜由汽相法形成的氧化膜和热氧化所述有源层制取的热氧化膜构成。13.如权利要求1所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层为晶体结构体，通过聚集大致上平行于所述衬底的针形或柱形晶体构成；且所述有所述针形或柱形晶体大致沿一个方向延伸，其方向控制得使其与某一沟道方向成一特定角度。14.如权利要求11所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层为晶体结构体，通过聚集大致平行于所述衬底的针形或柱形晶体构成；且所有所述针形或柱形晶体大致沿一个方向延伸，其方向控制得使其大致与某一沟道方向一致。15.如权利要求11所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层的沟道形成区长0.01至2毫米。16.如权利要求11所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层含浓度为1×1015至1×1020原子/立方厘米的至少一种选自Cl、F和Br组成的元素群的元素。17.如权利要求11所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层含至少一种选自Cl、F和Br组成的元素群的元素；且所述元素以高浓度分布在所述有源层与所述栅绝缘膜之间的界面。18.如权利要求11所述的EL显示器，其特征在于，所述对晶化过程起促进作用的金属元素选自Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu和Au组成的元素群。19.如权利要求11所述的EL显示器，其特征在于，所述晶硅膜通过晶化用低压热CVD法形成的非晶硅膜制取。20.如权利要求12所述的EL显示器，其特征在于，所述热氧化膜所含起促进晶化作用的所述金属元素，其浓度高于用所述汽相法形成的所述氧化膜中的浓度。21.一种制造EL显示器的方法，所述EL显示器有一个在整个衬底上形成的像素矩电路，一个薄膜晶体管和一个在整个所述衬底上形成供驱动所述EL显示器的逻辑电路，所述逻辑电路有一个P沟道薄膜晶体管和一个N沟道薄膜晶体管，所述方法包括下列步骤；在整个衬底上形成非晶硅膜；在所述非晶硅膜上有选择地形成一掩蔽绝缘膜；使所述非晶硅膜局部含起促进晶化作用的金属元素；通过第一热处理将所述非晶硅的至少一部分转化成晶硅膜；除去所述掩蔽绝缘膜；形成由所述晶硅膜制成的有源层，供在各所述P沟道晶体管和所述N沟道晶体管中通过绘制布线图案使用；在所述有源层上形成栅绝缘膜；在含卤元素的气氛中进行第二热处理，从而通过除气除去所述有源层，并在所述有源层与所述栅绝缘膜之间形成热氧化膜；和通过第三热处理提高所述包括所述热氧化膜在内的栅绝缘膜的薄膜质量和所述界面的状态；其特征在于，所述有源层是个晶体结构体，其中的各晶粒边界大致沿一个方向排列，且通过聚集多个大致平行于衬底的针形或柱形晶体构成；且在所述制取的所述N沟道晶体管中得出80±30毫伏/衰变的S值，在所述P沟道晶体管中获得80±45毫伏/衰变的S值。22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述第一热处理在450至700℃的温度范围内进行，所述第二和第三热处理在超过700℃的温度范围内进行。23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述有源层所含所述起晶化促进作用的金属元素，其浓度不高于1×1018原子/立方厘米，所述N沟道薄膜晶体管和所述P沟道薄膜晶体管表示电气特性的S值的标准偏差分别在10毫伏/衰变范围内和15毫伏/衰变范围内。24.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述有源层所含所述起晶化促进作用的金属元素的浓度不高于1×1018原子/立方厘米。25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述有源层含浓度为1×1015至1×1020原子/立方厘米的至少一种选自Cl、F和Br组成的元素群的元素。26.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述有源层含至少一种选自Cl、F和Br组成的元素群的元素；且所述元素以高浓度分布在所述有源层与所述栅绝缘膜之间的界面上。27.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述起晶化促进作用的金属元素为起码一种选自Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu和Au组成的元素群。28.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述晶硅膜通过晶化用低压热CVD法形成的非晶硅膜制取。29.一种有源矩阵EL显示器，包括一个像素矩阵电路，在整个衬底上形成，且有一个薄膜晶体管；和一个逻辑电路，在整个所述衬底上形成，供驱动所述EL显示器，具有一个P沟道薄膜晶体管和一个N沟道薄膜晶体管；各所述P沟道薄膜晶体管和所述N沟道薄膜晶体管包括一个晶硅膜有源层，在整个衬底上形成；一个栅绝缘膜，在所述有源层的表面上形成；一个栅极，在所述栅绝缘膜上；其特征在于，所述有源层含浓度不大于1×1018原子/立方厘米的一种起晶化促进作用的金属；且所述N沟道薄膜晶体管和所述P沟道薄膜晶体管表示电气特性的S值的标准偏差分别为10毫伏/衰变和15毫伏/衰变。30.如权利要求29所述的EL显示器，其特征在于，所述栅绝缘膜由汽相法形成的氧化膜和通过热氧化所述有源层形成的热氧化膜构成。31.如权利要求29所述的EL显示器，其特征在于所述有源层为晶体结构体，通过聚集多个大致平行于所述衬底的针形或柱形晶体构成；且所有所述针形或柱形晶体大致都沿一个方向延伸，其方向控制得使其与某一沟道方向成特定角度。32.如权利要求29所述的EL显示器，其特征在于，所述有源层为晶体结构体，通过聚集多个大致平行于所述衬底的针形或柱形晶体构成；且所有所述针形或柱形晶体大致沿一个方向延伸，其方向控制得使其大...

【专利技术属性】
技术研发人员：山崎舜平，大谷久，小山润，福永健司，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]