CN1146038C

CN1146038C - 半导体器件及其制造方法

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Publication number: CN1146038C
Application number: CNB941194442A
Authority: CN
Inventors: 大谷久; 治; 宫永昭治; 明; 张宏勇; 则; 山口直明; 铃木敦则
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1994-12-01
Publication date: 2004-04-14
Anticipated expiration: 2014-12-01
Also published as: KR100314705B1; CN1108809A

Abstract

在使用促进结晶化的催化剂元素，在550℃左右经4小时加热处理，获得结晶态硅方法中，严格控制催化剂元素的引入量。在已形成氧化硅底膜12的玻璃基片11上滴上添加了10～200ppm(要调节)镍等催化元素的乙酸盐溶液等水溶液13。在此状态下保持规定时间，再用旋涂机15进行甩干。而后，以等离子CVD形成非晶硅膜14，在550℃进行加热处理4小时，获得结晶态硅膜。

Description

半导体器件及其制造方法

本发明涉及采用具有结晶态半导体的半导体器件及其制造方法。

采用薄膜半导体的薄膜晶体管(下文简称TFT)是已公知的。TFT是在基片上形成薄膜半导体，再用该薄膜半导体构成的。TFT已被用于各种集成电路，特别是电子光学器件，对作为有源矩阵型液晶显示装置的每个像素设置的开关元件及形成于外围电路的驱动元件备受关注。

作为用于TFT的薄膜半导体，采用非晶硅膜是简便的，然而，存在其电气性能差的问题。为能改善TFT的特性，最好使用具有结晶态的硅膜。具有结晶态的硅膜称为多结晶的硅、聚硅及微结晶的硅等。为得到具有结晶态的硅膜，首先形成非晶硅膜，然后通过加热，使其结晶化。

可是通过加热的结晶化要求加热温度在600℃以上，花费10小时以上的时间，存在难以使用玻璃基片做基片的问题。例如，用于有源矩阵型液晶显示装置的Corning 7059玻璃的玻璃变形点为593℃，考虑到基片的大面积化，加热到600℃以上时，存在着问题。

根据本发明者们的研究证实，在非晶硅膜表面沉积微量镍、钯以及铅等元素，然后在550℃加热处理4小时，可进行结晶化。

为引入上述的微量元素(促进结晶化的催化剂元素)，可以利用等离子处理、蒸镀、以及离子注入方法。等离子处理，是在平板型或圆筒型等离子CVD装置中，以含催化剂元素的材料作为电极，在氮气或氢气气氛中，产物等离子体，将催化剂元素添加到非晶硅膜表面的方法。

但是，在半导体中若存在过量的上述元素是不合适的，因为使用这种半导体会损害使用这种半导体的器件可靠性及电学稳定性。

即，在非晶硅膜的结晶化中虽然需要上述的镍等促进结晶化的元素(催化剂元素)，但希望最好别掺到已结晶化的硅中。为达此目的，选择在结晶性硅中更不活泼的元素作催化剂元素，使结晶化所需的催化剂元素量尽量少，必须以最低限量进行结晶化。所以，催化剂元素的添加量必须精确控制地引入。

对以镍作催化剂元素的情况，已对非晶硅膜的形成、以等离子处理法进行添加镍的结晶态硅膜的制作、及结晶化过程等做了深入研究，证实了下列事项。

(1)在用等离子处理将镍引入非晶硅膜上的场合、发现在进行热处理之前，镍已经侵入到非晶硅膜内的相当深的部位。

(2)原始的晶核，由引入镍的表面产生。

(3)即使用蒸镀法在非晶硅膜上形成镍膜的情况下，也可与进行等离子处理的情况相同地，发生结晶化。

鉴于上述事实，认为用等离子处理引入的镍并非全能有效地起作用。即，引入过量的镍，则存在未充分起作用的镍。因此，认为只是硅与镍的接触点(面)在低温结晶化过程中才起作用。亦认为镍必须尽可能地呈现微细的原子状态分散开。即认为“要求在非晶硅膜表面附近，在能使低温结晶化的范围内，引入尽量低浓度的呈原子状态分散的镍。”

作为仅在非晶硅膜表面附近引入极微量镍的方法，换言之，仅在非晶硅膜表面附近引入促进结晶化极微量催化剂元素的方法，虽可举出蒸镀法，但蒸镀法的控制性不好，所以存在难以严格控制催化剂元素的引入量的问题。

本发明之目的在于，通过600℃以下的热处理，使用催化剂元素制作具有结晶态的薄膜硅半导体，满足下列要求：

(1)控制引入催化剂元素的量，使该量为最低限量；

(2)提高生产率。

本发明，为达到上述目的，采用以下措施，获得有结晶态的硅膜。

保持使促进非晶硅膜结晶化的催化元素单体或含前述催化剂元素的化合物与该非晶硅膜接触，在使前述催化剂元素单体或含前述催化元素的化合物与前述非晶硅膜接触的状态下，实施加热处理，使前述非晶硅膜结晶化。

具体地讲，使含催化剂元素的溶液涂敷于待形成非晶硅膜的基片(即使在表面形成保护膜，在本说明书中也称基片)表面，在此状态下，在基片表面形成非晶硅膜，再经加热处理，实现非晶硅膜的结晶化。

本发明之特征在于，引入与非晶硅膜表面相接触的催化剂元素。此工艺，对催化剂元素的量的控制是极为重要的。

再一个特征在于，采用如此形成的结晶态硅膜可构成至少具有一个PN、PI、NI及其它电学结的有源区。作为半导体器件，可以用于薄膜晶体管(TFT)、二极管、光电传感器。

由于采用本发明的结构，可以得到以下所示的基本优点。

(a)催化元素在溶液中的浓度可预先严格控制从而可以提高结晶度，亦使元素量尽量少。

(b)只要非晶硅膜表面与溶液接触，催化元素向非晶硅膜的引入量，可根据溶液中催化元素的浓度确定。

(c)因为与非晶硅膜表面接触的催化元素主要用于结晶化，则可以按所需最低限度的浓度引入催化元素。

在待形成非晶硅膜的基片上涂敷含有促进结晶化元素的溶液，至于溶液，可以使用水溶液、和有机溶剂溶液等。本文中的“含有”包含两方面的意义，(1)呈化合物包含的意思和(2)简单地分散地包含的意思。

关于包含催化剂元素的溶剂，可以使用选自水、醇、酸、氨等极性溶剂。

使用镍作为催化剂，在极性溶剂中包含镍的情况下，使镍呈镍化合物引入。关于镍化合物可以选自有代表性的溴化镍、乙酸镍、草酸镍、碳酸镍、氯化镍、碘化镍、硝酸镍、硫酸镍、甲酸镍、乙酰丙酮镍、4-环己基丁酸镍、氧化镍、氢氧化镍。

另外，关于含催化元素的溶剂，可选用非极性溶剂如苯、甲苯、二甲苯、四氯化碳、三氯甲烷、乙醚。

该情况下，使镍呈镍化物引入。作为这种镍化物，可以选用有代表性的乙酰丙酮镍、2-乙基己酸镍。

另外，在含有催化元素的溶液中添加表面活化剂也是有利的。这样就提高了对被涂敷面的粘附性，实现了对吸附性的控制。这种表面活性剂可以预先涂敷于被涂敷面上。

在使用镍单体作为催化元素的情况下，必须将它溶于酸中做成溶液。

综上所述，虽然有使用让作为催化元素的镍完全溶解的溶液的实例，当然也有镍不完全溶解的情况，也可使用将由镍单体或由镍化合构成的粉末均匀分散在分散介质中的乳化液材料。

再有前面的解释，对使用除镍以外的材料作催化剂元素也是相同的。

在使用镍作为促进结晶化的催化剂元素，用极性溶剂如水作含有镍的溶液溶剂的情况下，当在形成非晶硅膜的基片表面上直接涂敷此种溶液时，非晶硅膜会排斥这种溶液。在此情况下，可以先形成一层100以下的薄氧化膜，在其上涂敷含有催化剂元素的溶液，能使溶液均匀地涂布。另外，在溶液中添加一种表面活化剂，以此来改善润湿性的方法也是有利的。再有，对于在玻璃基片上形成的TFT的结构，在玻璃基片表面上形成氧化硅膜及氮化硅膜作为底膜的措施已是公知的，对此情况下，可以直接涂敷溶液。

另外，当使用非极性溶剂如2-乙基己酸镍的甲苯溶液作成溶液时，可以不形成底膜氧化膜，直接涂敷溶液。在此情况下，预先涂敷一种材料，如在涂敷抗蚀胶时使用的粘附剂是有效的。

溶液中所含的催化剂元素量根据溶液的种类而定。粗略的讲，对溶液中镍的含量，希望是1ppm～200ppm最好是1ppm-50ppm(催化剂元素对溶液全体的重量比)。这是由结晶结束之后在膜中的镍浓度和耐氢氟酸性所确定的值。

另外，根据选择涂敷含催化剂元素的溶液，可以选择地进行结晶生长。特别是在此情况下，可以从涂敷溶液的区域沿大致与硅膜面平行的方向向着未涂敷溶液的区域进行结晶生长。沿与该硅膜面大致平行的方向进行结晶生长的区域在本说明书中称为横向结晶生长区域。

还可证明，该横向进行结晶生长的区域的催化元素的浓度低。虽然采用结晶态硅膜作半导体器件的有源层区是有利的，但在有源层中的杂质浓度一般以低些为好。所以，在器件的制作中，采用上述横向进行结晶生长的区域形成半导体器件的有源区是有利的。

另外在本发明中，因为在被形成面与在该面上形成的薄膜硅半导体的界面引入了促进结晶化的催化元素，则可降低结晶化的薄膜硅半导体表面上的催化元素的浓度。

一般，TFT虽有绝缘栅型场效应晶体管的结构，但在绝缘栅型场效应晶体管中，沟道形成区域与栅绝缘膜的界面及界面附近的区域很重要。

对于绝缘栅型场效应半导体器件，由于在沟道形成区与栅绝缘膜的界面及其附近区域存在界面能级，使得绝缘栅型场效应晶体管的特性受到很大损害。认为可移动的离子及杂质是形成这种能级的重要因素。从而在制作采用在硅膜形成栅绝缘膜的结构的TFT的情况下，希望在硅膜表面尽量勿让杂质等存在。

还有本发明，因在结晶化后的硅膜的整个范围内，使促进结晶化的催化剂元素浓度尽量地降低，这也是极为有利的。

另外，在采用本发明方法的情况下，未发现在使用等离子处理的情况下所见到的在被处理面的深度方向催化元素的浓度分布，因而在加热处理之际未发生催化元素不需要的扩散。

在前述的本发明中，由于可尽量减低存在于结晶化的硅膜表面的催化剂元素浓度，因而可形成尽可能不受此种催化元素影响的TFT。即，引入与硅膜下而相接触的促进结晶化的催化剂元素，可实现催化剂元素对利用结晶硅膜表面的电子器件特性之影响极小的结构。

在本发明中，虽然采用镍作为催化元素，可以获得很显著的效果，至于其它可利用的催化剂元素和种类，可选用Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、As以及Sb。另外，还可利用从VIII族元素、IIIb、IVb、Vb元素中选出的一种或多种元素。

在使用铁(Fe)作催化元素的情况下，作为其化合物可使用从公知的铁盐材料，例如，溴化亚铁(FeBr₂·6H₂O)、溴化铁(FeBr₃·6H₂O)、乙酸铁(Fe(C₂H₃O₂)₃·xH₂O)、氯化亚铁(FeCl₂·4H₂O)、氯化铁(FeCl₃·6H₂O)、氟化铁(FeF₃·3H₂O)、硝酸铁(Fe(NO₃)₃·9H₂O)、磷酸亚铁(Fe₃(PO₄)₂·8H₂O)、磷酸铁(FePO4·2H₂O)中选出的材料。

在使用钴(Co)作为催化元素的情况下，作为其化合物，可使用从公知的钴盐材料，例如溴化钴(CoBr·6H₂O)、乙酸钴(Co(C₂H₃O₂)₂·4H₂O)、氯化钴(COCl₂·6H₂O)、氟化钴(CoF₂·xH₂O)、硝酸钴(Co(NO₃)₂·6H₂O)中选出的材料。

在用钌(Ru)作催化元素的情况下，作为其化合物可使用公知的钌盐材料，如氯化钌(RuCl₃·H₂O)。

在使用铑(Rh)作为催化元素情况下，作为其化合物，可以使用公知的铑盐材料，如氯化铑(RhCl₃·3H₂O)。

在使用钯(Pd)作催化元素的情况下，作为其化合物，可以使用公知的钯盐材料，如氯化钯(PdCl₂·2H₂O )。

在使用锇(Os)作催化元素的情况下，作为其化合物，可以使用公知的锇盐材料，如氯化锇(OsCl₃)。

在使用铱(Ir)作催化元素的情况下，作为其化合物，可以使用从公知的铱盐材料，如三氯化铱(Ircl₃·3H₂O)、四氯化铱(IrCl₄)中选出的材料。

在使用铂(Pt)作催化元素的情况下，作为其化合物，可使用公知的铂盐材料，例如氯化铂(PtCl₄·5H₂O)。

在使用铜(Cu)作催化元素的情况下，作为其化合物，可使用从乙酸铜(Cu(CH₃·COO)₂)、氯化铜(CuCl₂·2H₂O)、硝酸铜(Cu(NO₃)₂·3H₂O)中选出的材料。

在使用金(Au)作催化元素的情况下，作为其化合物，可使用从三氯化金(AuCl₃·xH₂O)、氯化金盐(AuHCl₄·4H₂O)、四氯金钠(AuNaCl₄·2H₂O)中选出材料。

另外，引入催化元素的方法，不限于使用水溶液及醇等溶液，也可广泛地使用含催化元素的物质。例如，可以使用含催化元素的金属化合物及氧化物等。

图面简单说明

图1表示实施例的制作工艺步骤。

图2表示实施例的制作工艺。

图3表示实施例的制作工艺。

图中标号说明

11……玻璃基片 12……氧化硅膜

13……含镍的乙酸溶液膜 14……硅膜

104……有源层 105……氧化硅膜

106……栅电极 107……氧化物层

108……源/漏区 109……漏/源区

110……层间绝缘膜(氧化硅膜) 111……像素电极(ITO)

112……电极 113……电极

实施例1

在本实施例中，将促进结晶化的催化剂元素含于水溶液中，涂敷于玻璃基片上，然后形成非晶硅膜，通过加热处理，使其结晶化。

在本实施例中，使用Corning 7059玻璃作基片，其尺寸为100mm×100mm。

图1表示本实施例的制作工艺步骤。首先，在玻璃基片11上用溅射法形成2000厚的氧化硅底膜12。而后，进行氢氟酸处理，以去掉污染以及自然氧化膜。在污染可忽略的情况下，省略此步工艺也可，不自待言。

然后，制作在乙酸盐溶液中添加了镍的乙酸盐溶液。镍的浓度为25ppm。而后，将5ml的乙酸盐溶液滴在氧化硅膜12的表面，将此状态保持5分钟。然后用旋涂机进行甩干(2000rpm，60秒)(图1A)。

在乙酸溶液中镍的浓度，最好用1ppm～50ppm的范围。

进行1次～多次镍溶液涂敷工艺，经甩干后，在氧化硅膜12的表面上均匀形成数～数百的含镍的膜。在此情况下，该层中的镍在后续加热工艺中，扩散到非晶硅膜内，用作促进结晶化的催化剂。还有，这里所谓的层，不必一定形成完全连续的膜。

上述溶液涂敷后，在400℃的温度下氮气氛中进行预烘焙。进行此步工艺，使吸附于氧化硅膜12表面的溶液分解。由于进行此步工艺，可以防止在随后形成的非晶硅膜14的膜质粗糙。预烘焙的温度，当然要根据涂敷工艺中所用的溶液种类而变化。

然后，通过等离子CVD法及LPCVD法形成100～500厚的非晶硅膜14。在此，是用等离子CVD法形成厚1000的非晶硅膜14。

然后，使用加热炉。在550℃的氮气氛中进行热处理4小时。结果，可以获得形成于基片11上的具有结晶态的硅膜14。

上述加热处理可以在450℃以上的温度进行，但温度低，加热时间必须加长，使生产率降低。另外，使温度在550℃以上时，用作基片的玻璃基片的耐热性问题就突出来。

实施例2

本实施例是将催化剂元素镍溶于非水溶液醇中，涂敷在非晶硅膜上之实例。在本实施例中，使用乙酰丙酮镍作为镍的化合物，使该化合物含在醇中。并使镍的浓度作成所需的浓度。

以后的工艺与实施例1所示的相同。另外，制作工艺的大致过程与图1所示相同。下面说明具体的条件。首先，准备作为镍化合物的乙酰丙酮镍，此物可溶于醇中，由于分解温度低，因此在结晶化工艺过程中加热时，可容易被分解。

另外，作为醇是使用乙醇。首先将乙酰丙酮镍换算成镍在乙醇中的量，调节到50ppm，制作含有镍的溶液。

在氧化硅底膜12上涂敷此溶液。往氧化硅底膜上涂敷溶液，与使用实施例1的水溶液的情况相比，少一些也可。这是因为乙醇的接触角比水的接触角小的缘故。这里，对100mm×100mm的面积，滴2ml。

而后，在这种状态下保持5分钟。然后，使用旋涂机进行甩干。此时，旋涂机以1500rpm旋转1分钟。此后，形成非晶硅膜，在550℃加热处理4小时，进行结晶化。这就获有结晶态的硅膜。

实施例3

本实施例涉及，将催化元素镍单体溶于酸中，将溶有镍单体的酸涂敷在非晶硅膜的氧化硅底膜12上。另外，制作工艺的大致过程与图1所示相同。

本实施例中，作为酸使用0.1mol/1的硝酸。将镍粉末溶解在该硝酸中使镍的浓度为50ppm，以此作为溶液使用。此后的工艺过程与

实施例1的情况相同。

实施例4

本实施例表示，使用本发明之方法制作的结晶硅膜，制作设于有源矩阵型的液晶显示装置各像素部分的TFT之实施例。此外，TFT的应用范围，不仅有液晶显示装置，一般来讲，当然可以用于薄膜集成电路。

图2表示本实施例大致的制作工艺过程。首先，在玻璃基片上形成2000厚的氧化硅底膜(图中未示出)。该氧化硅膜的作用是防止来自玻璃基片的杂质扩散，在引入催化元素时，具有提高润湿性的作用。

而后，涂敷溶有100ppm镍的乙酸盐溶液，保持5分钟，用旋涂机进行甩干。此后，在氮气氛中进行预烘焙。

引入镍的工艺过程，可以按实施例2或实施例3所示之方法进行。

而后，按实施例1相同的方法形成厚1000的非晶硅膜，在550℃加热处理4小时，进行结晶化。由此步工艺，可获结晶态硅膜。

其次，对结晶化的硅膜刻图，形成岛状区域104。该岛状区域104构成TFT的有源层。而后，形成200～1500，本例中取1000的氧化硅膜105。此氧化硅膜也起到作为栅绝缘膜的作用。

为制作上述氧化硅膜必须要细心，这里，以TEOS(四乙氧硅烷)作原料，与氧一起，在基片温度为150～600℃。最好为300～450℃通过RF等离子CVD法，分解沉积。TEOS与氧的压力比为1∶1～1∶3，总压力为0.05～0.5Torr、RF功率为100～250W。或者以TEOS为原料。与臭氧一起，通过减压CVD或常压CVD法，在基片温度为350～600℃，最好为400～550条件下形成。成膜后，在氧或臭氧气氛中在400～600℃退火30～60分钟。

在此状态下，用KrF准分子激光(波长：248nm，脉宽：20ns)或与其等同的强光照射，可促进硅区域104的结晶化。特别是，使用红外线的RTA(快速热退火)，玻璃基片不被加热，可以只选择加热硅膜本身，而且可减少位于硅与氧化硅膜界面的界面能级，因而对绝缘栅型场效应半导体器件的制作是有利的。

此后，通过电子束蒸镀法形成厚2000～1μm的铝膜，将铝膜刻图、形成栅电极106。在铝中掺入0.15～0.2wt％的钪(Sc)为好。其次，使基片浸入pH为7左右1～3％酒石酸的乙二醇溶液中，以铂作阴极，铝栅电极作阳极，进行阳极氧化。在阳极氧化中，最初以恒定电流使电压上升到220V，保持此状态1小时后结束。在本实施例中，在电流恒定状态下，电压上升速率以2～5V/分为宜。这样一来，形成厚1500～3500例如2000的阳极氧化物109。(图2B)。

此后，通过离子掺杂法(也称等离子掺杂法)，以栅电极部位作掩膜以自对准方式使杂质(磷)注入到TFT的岛状硅膜中。用磷化氢(PH₃)作掺杂气体。掺杂剂量1～4×10¹⁵/cm²。

进而，如图2C所示，照射KrF准分子激光(波长248mm、脉宽20ns)，改善由于引入上述杂质使结晶性变坏部位的结晶性。激光能量密度为150～400mJ/cm²，最好为200～250mJ/cm²。这就形成了N型杂质(磷)区108、109。该区的表面电阻为200～800Ω/□。

在本工艺过程中，照射激光可代之以RTA(快速热退火)、RTP(快速热处理)，即使用闪光灯，在短时间内，使温度上升至1000～1200℃(硅监视片温度)，加热样品。

此后，用TEOS作原料，与氧一起通过等离子CVD法，或与臭氧一起通过减压CVD或常压CVD法，形成厚3000的氧化硅膜作为整个面的层间绝缘物110。基片温度保持在250～450℃例如在350℃。成膜后，为得到平坦的表面，对氧化硅膜进行机械研磨。之后，通过溅射法沉积ITO膜，对此进行刻图，形成像素电极111(图2D)。

而后，腐蚀层间绝缘物110，如图1(E)所示，形成TFT的源、漏区接触孔、形成铬或氮化钛的布线112、113、使布线113与像素电极111相连接。

经等离子处理引入镍的结晶态硅膜，因与氧化硅膜相比，对缓冲氢氟酸的选择性是低的，因而，在上述接触孔的形成工艺过程中，往往被腐蚀的部分多。

但是，如本实施例所述，在使用10ppm的低浓度水溶液引入镍的情况下，因耐氢氟酸性好，则可稳定地形成上述接触孔，且再现性也好。

最后，在300～400℃的氢气中，退火1-2小时，完成硅的氢化。这样就完成了TFT 。而且，使同时制作的各个TFT排列成矩阵状，完成有源矩阵型液晶显示装置。该TFT具有源、漏区108、109及沟道形成区114。另外115构成电学NI结。

采用本实施例结构的情况下，有源层中存在的镍浓度为2×10¹⁸cm³左右或更低，认为在1×10¹⁶at/cm³～3×10¹⁸at/cm³。

实施例5

图3表示本实施例制作工艺的断面图。首先，用溅射法在基片(Corning 7059)501上形成厚2000的氧化硅底膜502。在底膜形成之前或之后，使基片在高于变形温热的温度退火之后，以0.1～1.0℃/分的速率慢慢冷却至变形温度以下时，可以减小基片在其后的伴随温度上升的工艺(包括本发明的热氧化工艺及其后的热退火工艺)中的收缩，使掩膜套版简便了。在使用Corning 7059基片时，在620～660℃退火1～4小时之后，以0.03～1.0℃/分，最好以0.1～0.3℃/分慢慢冷却、当温度下降至400～500℃时，从炉中取出。

其次，以实施例1中所述之方法，使非晶硅膜进行结晶化。即，在氧化硅底膜502上涂敷含镍的溶液，使镍附着在非晶硅膜502的表面。

然后，通过等离子CVD法，形成厚500～1500，例如1000的本征(I型)非晶硅膜。而后在600℃的氮气氛(大气压下)退火48小时，进行结晶化，将硅膜刻图形成10μm×10μm～1000μm×1000μm方形的岛状硅膜(TFT的有源层)503(图3A)。

此后，在含70～90％的水蒸汽的1大气压下使500～750℃典型值为600℃的氧化气氛，在氢氧比＝1.5-1.9的条件下，进行热解反应，使硅膜表面氧化，形成厚500～1500，例如1000的氧化膜504。应该注意，由于经过氧化，原始的硅膜，其表面减少50以上，其结果，该硅膜最上层表面的沉污不能向硅/氧化硅界面扩展。换言之，可获得清洁的硅/氧化硅界面。因氧化硅膜的厚度是被氧化(前)硅膜厚的两倍，使1000厚的硅膜氧化，得到1000厚的氧化硅的情况下，余下硅膜的厚度就是500。

一般来讲，氧化硅膜(栅绝缘膜)及有源层越薄，迁移率越高。可获得截止电流得以减小的良好的特性。所以，关于有源层的厚度，历来就存在特性与工艺上的矛盾。本发明首次解决了该矛盾，即，在结晶化之前，先形成较厚的非晶硅膜，以获得良好的结晶态硅膜。随后，借助使硅膜氧化，减薄硅膜以厚度，以提高TFT的特性。再有，在热氧化过程中，具有使容易存在复合中心的非晶成分、结粒边界氧化、使所得的有源层中的复合中心减少了。因而提高了产品的收率。

在通过氧化形成氧化硅膜504之后，使基片在600℃(1大气压100％)一氧化二氮的气氛中退火2小时(图3B)。

接着，通过减压CVD法，形成厚3000～8000，例如6000的多晶硅(含0.01～0.2％的磷)。而后，对硅膜刻图，形成栅电极505。再以栅电极作掩膜，以自对准方法，通过离子掺杂法(亦称等离子体掺杂法)，使N型杂质(此处为磷)添加到有源层区、(形成源、漏及沟道区)。用磷化氢(PH₃)作掺杂气体，加速电压为60～90KV，例如80KV。掺杂剂量为1×10¹⁵～8×10¹⁵/cm²例如5×10¹⁵/cm²。其结果，形成N型杂质区506及507。

此后，用激光照射进行退火。所用的激光为KrF准分子激光(波长248nm，脉宽20nsec)，用其它激光也可。激光的照射条件，能量密度为200～400mJ/cm²，例如250mJ/cm²，每点照射2-10次，例如2次。在照射激光过程中，将基片加热至200～450℃，可增强效果(图3C)。

另外，此步工艺用近红外线灯光退火也可。与非晶硅相比，红外线更容易被结晶化的硅吸收，可以进行能与1000℃以上的热退火相同地进行有效退火。反之，因近红外线难于被玻璃基片吸收(虽然玻璃基片能吸收远红外线，但可见光、近红外线(波长0.5～4μm)难于吸收)，不会使玻璃基片被加热至高温，又因处理时间短，可以说是最适合于有玻璃基片收缩问题的工艺过程。

接着，通过等离子CVD法形成厚6000的氧化硅膜508作为层间绝缘物。也可用聚酰亚胺作该层间绝缘物。再形成接触孔、以金属材料，例如氮化钛与铝的多层膜形成TFT的电极/布线509、510。最后在1大气压的氢气氛中350℃退火30分钟。完成TFT(图3D)。

由上述方法获得的TFT的迁移率为110～150cm²/V·s，S值为0.2～0.5V/位。使用相同的方法，在用硼掺入源、漏区制作P沟TFT的情况下，迁移率为90～120cm²/V·s，S值为0.4～0.6V/位，与使用公知的PVD法或CVD法形成栅绝缘膜的情况相比，迁移率可提高20％以上，S值可下降20％以上。

此外，从可靠性方面而论，以本实施例制得的TFT显示出不亚于以1000℃高温热氧化法制得的TFT的良好结果。

使用引入催化剂元素在低温短时间结晶化的结晶态硅膜，制作半导体器件，可以提高生产率，亦获得特性良好的器件。

Claims

1.一种利用含有结晶态的硅膜在有绝缘表面的基片上构成有源区的半导体器件，其特征在于，

前述的有源区是通过使促进非晶硅膜结晶化的催化剂元素溶解于溶液中，保持与该非晶硅膜的下面相接触，实施加热处理而形成的，其中所述催化剂元素是从Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、As、Sb、Fe、H₂O、Co、Ru、Os、Ir中选出的一种或多种元素。

2.权利要求1的半导体器件，其特征在于，在有源区的形成的半导体器件是薄膜晶体管、二极管或光电传感器。

3.权利要求1的半导体器件，其特征在于，前述有源层区中的催化剂元素之浓度为1×10¹⁶at/cm³～1×10¹⁹at/cm³。

4.权利要求1的半导体器件，其特征在于，有源区至少有一个PI、PN、NI结。

5.一种制作半导体器件的方法，其特征在于，使促进非晶硅膜结晶化的催化剂元素单体或含前述催化剂元素的化合物保持与该非晶硅膜的下面相接触，使所含的前述催化剂元素单体或含前述催化剂元素的化合物与前述的非晶硅膜接触的状态下、实施热处理，使前述非晶硅膜结晶化，其中所述催化剂元素是从Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、As、Sb、Fe、H₂O、Co、Ru、Os、Ir中选出的一种或多种元素。

6.一种制作半导体器件的方法，包括：

在有绝缘表面的基片表面涂敷使促进非晶硅膜结晶化的催化剂元素溶解或分散的溶液的工艺步骤和，

在前述基片上形成非晶硅膜的工艺步骤，以及

对前述非晶硅膜加热处理，使其结晶化的工艺步骤，

其中所述催化剂元素是从Ni、Pd、Pt、Cu、Ag、Au、In、Sn、P、As、Sb、Fe、H₂O、Co、Ru、Os、Ir中选出的一种或多种元素。

7.一种制作半导体器件的方法，包括：

在有绝缘表面的基片上涂敷使含促进非晶硅膜结晶化的催化元素的化合物溶解或分散在极性溶剂中的溶液的工艺步骤；

在前述基片上形成非晶硅膜的工艺步骤；以及

通过对前述的非晶硅膜的加热处理，使其结晶化的工艺步骤，

8.权利要求7的制作半导体器件的方法，其特征在于，使用从水、醇、酸、氨水中选出的一种或多种作为极性溶剂。

9.权利要求8的制作半导体器件的方法，其特征在于，用镍作催化剂元素，该镍是以化合物形式使用。

10.权利要求9的制作半导体器件的方法，使用从溴化镍、乙酸镍、草酸镍、碳酸镍、氯化镍、碘化镍、硝酸镍、硫酸镍、甲酸镍、乙酰丙酮镍、4-环己基丁酸镍、氧化镍、氢氧化镍中选出的至少一种作为镍化合物。

11.一种制作半导体器件的方法，包括：

在有绝缘表面的基片上，涂敷使含促进非晶硅膜结晶化的催化元素的化合物溶解或分散于非极性溶剂中的溶液的步骤；

在前述基片上形成非晶硅膜的工艺步骤；以及

12.权利要求11的制作半导体器件的方法，其特征在于，使用从苯、甲苯、二甲苯、四氯化碳、三氯甲烷、及乙醚中选出的一种作为非极性溶剂。

13.权利要求11的制作半导体器件的方法，其特征在于，用镍作为催化剂元素，该镍是以镍化合物的形式使用。

14.权利要求13的制作半导体器件的方法，其特征在于，使用从乙酰丙酮镍、4-环己基丁酸镍、氧化镍、氢氧化镍、及2-乙基己酸镍中选出的至少一种作为催化剂元素。

15.一种制作半导体器件的方法，包括：

在有绝缘表面的基片上，涂敷溶解或分散促进非晶硅膜结晶化的催化剂元素单体溶液中混有表面活性剂溶液的工艺步骤；

在前述基片上形成非晶硅膜的工艺步骤；以及

通过对非晶硅膜的加热处理，使其结晶化的工艺步骤，

16.一种制作半导体器件的方法，包括：

使含促进半导体膜结晶化的催化剂元素的材料与含硅的半导体膜接触的工艺步骤；

通过对所述带有含催化剂元素材料的半导体膜的加热处理，使其结晶化的工艺步骤；

在上述加热处理之后，使用红外线对所述半导体膜进行快速退火热处理；

17.一种制作半导体器件的方法，包括：

在有绝缘表面的基片上涂敷使含促进非晶硅膜结晶化的催化元素的溶液的工艺步骤；

然后，在带所述催化剂元素的绝缘表面上形成一层非晶硅膜；

对所述非晶硅膜进行热处理，然后使用红外线对所述半导体膜进行快速退火热处理；

18.一种制作半导体器件的方法，包括：

19.一种制作半导体器件的方法，包括：

在结晶化步骤后，对所述半导体膜制作半导体岛图案；

在半导体岛上形成栅极；

使用至少一个所述栅极作为掩模，向所述半导体岛的部分区域以自对准方式引入杂质离子，以给出其一种导体类型；并

使用快速退火热处理，使至少在半导体岛部分区域退火；

20.权利要求19的方法，其中所述快速退火热处理是使用近红外线进行的。

21.权利要求19的方法，其中所述快速退火热处理是使用波长为0.5-4μm的近红外线进行的。

22.权利要求21的方法，其中所述半导体膜是在玻璃基片上形成的，而玻璃基片对光的吸收系数比所述半导体岛对光的吸收系数小。