[发明专利]具有薄膜晶体管的器件

说明书

本发明涉及一种具有设置于绝缘基片如玻璃之上的TFT(薄膜晶体管)的半导体器件，以及制造该半导体器件的方法。

作为具有形成于玻璃等制成的绝缘基片之上的TFT的半导体器件，公知的有有源液晶显示器件、图象传感器等，它们用TFT来驱动象素。

在这些器件中使用的TFT通常是硅薄膜半导体。硅薄膜半导体可大致分为非晶硅半导体(a-Si)型的结晶硅半导体型。由于非晶硅半导体的制造温度较低，因而通常使用较多，它较为易于采用汽相方法来制造，批量生产率较高。然而，由于非晶硅半导体的物理特性，例如电导率等，与结晶硅半导体相比是较差的，因此，为获得高速特性之目的，迫切需要在将来确定一种由结晶硅半导体形成的TFT的制造方法，作为结晶硅半导体，公知的有非单晶硅半导体如多晶硅、微晶硅、含非晶硅的结晶部件、其特性介于结晶特性与非结晶特性之间的半非晶硅等。以下，把具有这些结晶特性的非单晶硅半导体统称为结晶硅。

为获取具有这些结晶特性的硅薄膜半导体，公知的方法有以下几种。

(1)在膜形成之时直接形成结晶膜。

(2)对预先已形成的非晶硅半导体膜施加激光照射能量，以此提供结晶特性。

(3)对预先已形成的非晶硅半导体膜施加热能量，以此提供结晶特性。

然而，在方法(1)中，在基片的整个表面均匀地形成具有优异半导体物理性能的膜，在技术上是困难的。而且，由于膜形成温度较高，即在600℃以上，因而存在成本问题，即不能使用便宜的玻璃基片。在方法(2)中，对于目前最为常用的激发物激光的情形，存在的问题是生产率较低，因为激光束照射的面积较小。而且，激光束的稳定性不足以对大面积基片的整个上表面进行均匀处理，因而这种方法看来极为象是下一代的技术。在方法(3)中，与方法(1)和(2)相比，该方法具有可适用于大面积基片的优点。但是，需要600℃以上的高温作为加热温度，从采用便宜的玻璃基片这一点来考虑，需要进一步降低加热温度。特别是，流行的液晶显示器趋向于大屏幕，由此也需要采用大规格的玻璃基片。当采用这种大规格的玻璃基片时，则会产生一系列问题，即在制造这种半导体的热处理工序中，基片产生的收缩或变形将导致掩模匹配时精确度降低。特别是，在目前最为常用的7059玻璃的情形下，变形点的温度是593℃，因而传统的热结晶方法将使基片大大地变形。此外，除了温度问题之外，由于现行的工艺需要几十个小时的加热时间，以满足结晶的要求，因此还需要缩短加热时间。

本发明解决了上述问题，其目的在于，针对通过对非晶硅形成的薄膜进行加热使其结晶，来制造由结晶硅形成的薄膜的方法，提供一种降低结晶所需温度和缩短所用的时间的工艺。由本发明的工艺制备的结晶硅半导体，其所具有的物理特性不低于传统工艺制备的器件，甚至还可适用于TFT的有源层区。

本发明人已经进行了以下实验，按上述方法，采用CDV法或溅射法形成非晶硅半导体膜，通过加热使所形成的膜晶化，并研究了实验结果。

首先，对在玻璃基片上形成的非晶硅膜，通过加热使该膜结晶的机理进行研究。结果，观察到晶体生长开始于玻璃基片与非晶硅之间的界面，随后当其具有一定的厚度时，发展成为垂直于基片前表面的柱状。

可以认为，上述现象是由以下因素导致的，构成晶体生长基础的晶核(构成晶体生长基础的源)存在于玻璃基片与非晶硅膜之间的界面，并且晶体从晶核开始生长。这种晶核被认为是少许掺杂的金属元素，它存在于基片表面上或玻璃表面的结晶部分上(可以认为，氧化硅的结晶部分存在于玻璃基片的表面之上，如称之为结晶玻璃)。

因此，过去认为通过更积极地引入晶核，可以降低晶化温度，为了证实这种效应，在基片上形成少许其它金属，然后在其上形成非晶硅薄膜。之后，通过加热进行晶化实验。结果，已经证实，在基片上形成几种金属的情形下，晶化温度得以降低，并且估计这里产生的晶体生长以杂质作为晶核。因此，对能降低温度的多种杂质金属的机理做了更详细的研究。

晶化可以分为两个阶段，即初始晶核产生和由晶核开始的晶体生长。对初始晶核产生速度的观察，是通过在给定的温度下，测量细晶粒以点状图形出现的时间。在薄膜构成上述杂质金属的任一情形中均可使该时间缩短，并且证实了当引入晶核时晶化温度得以降低的效应。而且，在改变加热时间的同时，对晶核产生之后的晶粒生长进行研究。结果，观察到在形成于确定金属膜之上的非晶硅薄膜的晶化中，晶核产生之后的晶体生长速度显著地加快。这是完全出乎预料的。以下将更详细地说明这种机理。