CN100419952C - 制造半导体器件的方法和由此方法制造的半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体器件和制造此器件的方法。所述方法包括：在衬底上沉积包含非晶硅的硅层；通过对所述硅层在H2O的气氛和预定的温度下使用退火工艺，部分结晶所述非晶硅；通过对部分结晶的非晶硅层使用激光退火工艺，形成多晶硅层；在所述多晶硅层上形成栅极绝缘层；和在栅极绝缘层上形成栅极电极，以使当非晶硅通过SPC工艺结晶时，防止由高温结晶引起的衬底弯曲，由此减少薄膜晶体管的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及制造一种半导体器件的方法和由此方法制造的半导体器件，且具体涉及制造一种半导体器件的方法和由此方法制造的半导体器件，所述方法能够结晶具有极好结晶度的多晶硅且防止由结晶时的高结晶温度引起的衬底弯曲。
背景技术
多晶硅用于有机发光显示装置的有源器件，一般为薄膜晶体管(TFT)，其用于为像素区域和和周边的驱动区域提供电流。
一般地，多晶硅通过结晶非晶硅形成。
一般地，结晶的方法可以依据例如参考大约500℃的结晶温度大体分为低温结晶方法和高温结晶方法。
使用准分子激光的准分子激光退火(ELA)方法主要用作低温结晶方法。准分子激光退火方法可以使用玻璃衬底因为其执行的结晶温度大约为450℃。但是，制造成本高且衬底被限制于最佳尺寸，由此增加了制造显示装置的总成本。
高温结晶方法包括固相结晶方法、快速热退火方法等。低成本退火方法广泛使用为高温结晶方法。
但是，由于固相结晶方法为结晶需要在大于600℃的温度下加热20小时或更长，所以在结晶的多晶硅中包含了很多晶体缺陷。因此，不能获得足够的电场迁移率，衬底在退火工艺即热处理工艺期间容易变形，且降低的结晶温度降低了生产率。因为固相结晶方法也在高结晶温度进行，不允许使用玻璃衬底。
同时，虽然快速热退火(RTA)方法可以在较短的时间内完成，由于严重的热冲击，衬底容易变形且结晶的多晶硅具有低劣的电学特性。
因此，为了减少制造此有源器件的成本，可能需要在结晶时使用一种低成本高温退火方法。另外，有为高温退火方法使用便宜的玻璃衬底的需求，通过此方法玻璃衬底不弯曲且结晶度极好。
同时，在韩国专利申请第1997-8658中公开了一种制造半导体器件的方法，其包括：在衬底上沉积非晶硅层；使用激光退火方法结晶非晶硅层；在结晶的多晶硅层上形成杂质区域；和使用RTA工艺激活杂质区域。
另外，在韩国专利申请第1995-9981中公开了一种制造半导体器件的方法，其包括：通过蚀刻在衬底上形成的非晶硅层且同时退火所述非晶硅层，结晶比例为50％或更少的非晶硅层；和使用RTA工艺再次结晶非晶硅层，由此制造结晶比例为90％或更多的多晶硅薄层。
但是，在前述的传统方法中，为激活杂质区域的RTA工艺一般在700至950℃(例如，在韩国专利申请第1995-9981的情况为1000℃或更高)的非常高的温度下进行，使得衬底有可能变形。
发明内容
因此，通过提供一种制造半导体器件的方法和使用由此方法制造的多晶硅的半导体器件，本发明解决了与传统器件相关的前述问题，所述方法能够结晶得到在半导体器件中包括的具有极好结晶度的多晶硅且防止由结晶时的高退火温度引起的衬底弯曲。
在本发明的示范性实施例中，一种制造半导体器件的方法包括：在衬底上沉积包括非晶硅的硅层；通过对所述硅层在H2O的气氛和预定的温度下使用退火工艺，部分结晶所述非晶硅；通过对部分结晶的非晶硅层使用激光退火工艺，形成多晶硅层；在所述多晶硅层上形成栅极绝缘层；和在栅极绝缘层上形成栅极电极。
在本方面的示范性实施例中，一种制造半导体器件的方法包括：在衬底上沉积包括非晶硅的硅层；通过在H2O的气氛和预定的温度下进行的退火工艺将非晶硅结晶为多晶硅，形成多晶硅层；在所述多晶硅层上形成杂质区域；和通过对杂质区域使用激光退火工艺，重结晶所述多晶硅层。
在本发明的另一示范性实施例中，一种由以上方法制造的半导体器件包括具有莱曼光谱(Raman spectrum)FWHM为7.5cm-1或更小的多晶硅薄层。
半导体器件可以用于有机发光显示器或液晶显示器。
附图说明
参考一些示范性实施例和其附图，描述本发明的上述和其他的特征。
图1A至图1E依次说明本发明的第一实施例的制造半导体器件的方法；
图2A至图2E依次说明本发明的第二实施例的制造半导体器件的方法；和
图3显示了本发明的实施例所制造的多晶硅薄层的半高宽(full-width-half-maximum FWHM)的曲线图。
具体实施方式
下文将参考附图更加全面地描述本发明，附图中显示了本发明的优选实施例。但是本发明可以以不同的形式实施且不应解释为限于这里阐述的实施例。而是，提供这些实施例以使本公开彻底和全面，且对本领域的技术人员全面传达本发明的范围。在附图中，为了清晰夸张了层与区域的厚度。在说明书中，相似的标记指示相似的元件。
图1A至图1E依次说明本发明的第一实施例的制造半导体器件的方法。
请参考图1A，非晶硅或包括大量非晶硅的硅层12沉积在衬底10上。这里，衬底10通常由透明玻璃衬底形成。
此外，硅层12可以通过典型的沉积方法沉积，如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法、低压化学气相沉积(LPCVD)法等。
另外，为了防止在衬底中产生的污染物等扩散入硅层12或提高在硅层12和衬底10之间的界面性能，在沉积非晶硅层之前，可以在衬底10和非晶硅层12之间插入如氮化硅(SiNx)层或氧化硅(SiO2)层的缓冲层。
然后，如图1B所示，退火非晶硅或包括大量非晶硅的硅层12。当加热硅层12时，非晶硅被熔融且冷却，由此被部分结晶为多晶硅。
例如，非晶硅层的部分结晶比例优选的范围从30％至80％(即，非晶硅层的非结晶比例的范围从20％至70％)，且更优选的范围从40％至70％(即，非晶硅层的非结晶比例的范围从30％至60％)。另一方面，当通过退火工艺将非晶硅层全体结晶时，需要大量的退火时间和高退火温度，且因此由于连续的高温可能引起衬底弯曲。
在此实施例中，退火工艺通过一般的高温退火工艺进行，如快速热退火(RTA)工艺，但是与在N2或O2的气氛下进行的传统退火工艺不同，其在H2O的气氛下进行。
与在N2或O2的气氛下进行的传统退火工艺相比，在退火工艺在H2O的气氛下进行时，在同样温度的条件下缩短退火时间，且在同样时间条件下降低了退火温度。
具体地，依据本发明的实施例，降低了退火温度，由此解决了由高温引起的问题，如玻璃的绝缘和透明衬底常规地变形。
依据本发明的实施例，退火温度优选范围从550℃至750℃，而且更优选温度范围从600℃至710℃。当退火温度为550℃或更低时，结晶未完成。而且，当退火温度为750℃或更高时，衬底容易变形。另一方面，当退火温度的范围是600℃至710℃时，由于合适的退火时间获得极好的多晶硅。
同时，H2O气压优选的范围是10,000Pa至2Mpa。这里，结晶速率与H2O气压成比例。在过低气压的情况下，结晶速率降低且由此退火时间增加，由此对衬底产生不良影响。在过高气压的情况下，存在爆炸的危险。因此，H2O气压优选的范围是10,000Pa至2Mpa。
同时，硅层12的优选沉积厚度为小于2,000
。小厚度加快了结晶。但是，当多晶硅被用于形成薄膜晶体管时，过小的厚度可能影响该器件的性能。因此，硅层的更优选的沉积厚度为300至1,000
或者，在沉积非晶硅层12后，形成源极和漏极区域100a和100b的非晶硅层12的区域可以使用光致抗蚀剂用杂质离子掺杂，由此形成掺杂的非晶硅层12’。
然后，如图1C所示，通过如准分子激光退火(ELA)工艺的激光退火方法结晶所述非结晶的非晶硅层，由此形成多晶硅层12a。
这里，ELA工艺的激光束具有的能量密度为200mJ/cm2或更多，且具有优选的能量密度范围从200至350mJ/cm2。
在该情况下，注入的杂质离子被激活，而非晶硅层被部分结晶。
或者，如下描述，可以在形成栅极电极后掺杂和激活杂质离子。
然后，如图1D所示，在多晶硅层12a上形成SiO2或SiNx的栅极绝缘层14。然后，如图1E所示，相应于多晶硅层12a的有源沟道区域100c形成栅极电极16。
同时，当杂质离子没有掺入非晶硅层时，非晶硅层使用栅极电极16作为掩模用杂质离子掺杂，由此形成源极和漏极区域100a、100b且通过退火工艺激活杂质离子。
图2A至图2E依次说明本发明的第二实施例的制造半导体器件的方法。
请参考图2A至2B，在本发明的第二实施例中，包括非晶硅的硅层12在衬底上沉积(参考图2A)。然后在H2O气氛和预定的温度下退火硅层12，由此将非晶硅结晶为多晶硅层12a(参考图2B)。结晶的多晶硅层12a然后通过激光退火以结晶未结晶的非晶硅且重结晶多晶硅(参考图2C)。然后构图多晶硅层12a且在多晶硅层12a上形成栅极绝缘层14(参考图2D)。随后，多晶硅层12a用杂质离子掺杂以界定源极和漏极区域100a和100b，且退火源极和漏极区域100a和100b以激活杂质离子(参考图2E)。
依据第二实施例，在H2O气氛和预定的温度下退火硅层12的工艺与第一实施例相似。而且，激光退火工艺与第一实施例相似。
但是，与第一实施例相比，多晶硅层12a在H2O气氛下退火，且然后被激光再次退火，由此提高了多晶硅层12a的结晶度。
这里，根据掺杂的杂质离子可以界定N型半导体器件和P型半导体器件。
相同于第一实施例进行随后的工艺，如形成栅极电极16。
由以上方法制造的半导体器件的多晶硅薄层具有莱曼光谱(Ramanspectrum)FWHM为7.5cm-1或更小，且优选的范围是4.5cm-1至6.8cm-1，由此具有极好的结晶度。
由以上方法制造的半导体器件包括N型或P型薄膜晶体管，且用于有机发光显示器或液晶显示器(LCD)。
下文，描述了本发明的实施例的例子，其中提供以下的例子只是为了帮助理解本发明而并不限于此。
例1至3
在衬底上沉积厚度为500
的非晶硅层。对于该沉积方法，在例1中使用低压化学气相沉积(LPCVD)法，在例2中使用包含2％或更少氢气的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法，且在例3中使用包含10％或更多氢气的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法。然后P型离子被掺杂入非晶硅层的整个表面。
然后，使用快速热退火(RTA)工艺在大约710℃的温度下，非晶硅层被退火且分别结晶10分钟、5分钟和8分钟或更少。此退火工艺在H2O气氛下以O2或N2的承载气体进行。随后，进行激光退火以激活杂质离子，且同时结晶在多晶硅中剩余的非晶硅且重结晶晶体化的多晶硅，其中激光具有的能量密度为230、250、270、290和310mJ/cm2。
然后，构图多晶硅层，且随后在具有图案化的多晶硅层的衬底的整体表面上形成SiNx的栅极绝缘层。然后，相应于有源沟道区域形成栅极电极，且将高浓度的N型离子注入其中。
然后，形成层间绝缘层，且形成接触孔以开放源极和漏极区域。用金属填充接触孔以形成源极和漏极电极，由此完成薄膜晶体管。
在图3中，显示了例子的多晶硅的莱曼光谱。
比较例1至3
除了退火工艺在N2气氛下以O2或N2的承载气体进行以外，比较例1至3在与例1至3在同样的条件下执行。此时，为了全部结晶非晶硅，退火时间与例1至3相同，但退火温度提高至740℃。
请参考图3，基于例1至3的多晶硅具有半高宽值的莱曼峰值从5.0至8.0cm-1，其具有极好的结晶度。
因此，多晶硅被再次退火且杂质离子被激活，由此贡献于非晶硅的结晶。作为参考，通过在非活性气氛下的退火工艺结晶的多晶硅具有的FWHM为8.0cm-1或更多。
另外，本发明的多晶硅薄层可以用于薄膜晶体管，且薄膜晶体管可以用于有机发光显示器或液晶显示器。
如上所述，由于非晶硅在H2O气氛下使用SPC工艺被退火且结晶且由激光退火工艺重结晶，可以提高结晶度且防止衬底弯曲。
虽然本发明参考一些其示范性实施例得到描述，然而本领域的技术人员应当理解在不脱离由后附的权利要求和其等价物所界定的本发明的精神和范围内，可对本发明作不同的更动与润饰。
本申请要求于2004年7月22日申请的韩国专利申请第2004-57382号的优先权和权益，其全文引入作为参考。
Claims (31)
1. 一种制造半导体器件的方法，包括：
在衬底上沉积包含非晶硅的硅层；
通过对所述硅层在H2O的气氛和预定的温度下使用退火工艺，部分结晶非晶硅层；
通过对所述部分结晶的非晶硅层使用激光退火工艺，形成多晶硅层；
在所述多晶硅层上形成栅极绝缘层；和
在所述栅极绝缘层上形成栅极电极。
2. 如权利要求1的所述方法，其中所述非晶硅层的非结晶体相对于全部非晶硅层的比例范围从20％至70％。
3. 如权利要求2的所述方法，其中所述非晶硅层的非结晶体相对于全部非晶硅层的比例范围从30％至60％。
4. 如权利要求1的所述方法，还包括在沉积所述非晶硅层之后，将杂质离子注入源极和漏极区域。
5. 如权利要求4的所述方法，其中激活注入所述源极和漏极区域的所述杂质离子且同时部分结晶所述非晶硅层。
6. 如权利要求1的所述方法，还包括在形成所述栅极电极之后，将杂质离子注入源极和漏极区域，且激活所述杂质离子。
7. 如权利要求1的所述方法，其中所述温度范围从550℃至750℃。
8. 如权利要求7的所述方法，其中所述温度范围从600℃至710℃。
9. 如权利要求1的所述方法，其中所述H2O气压范围从10,000Pa至2Mpa。
10. 如权利要求1的所述方法，其中所述硅层具有或更小的厚度。
11. 如权利要求10的所述方法，其中所述硅层具有
至的厚度。
12. 如权利要求1的所述方法，其中所述激光退火工艺包括准分子激光退火工艺。
13. 如权利要求12的所述方法，其中所述准分子激光退火工艺使用具有能量密度为200mJ/cm2或更大的激光束。
14. 如权利要求13的所述方法，其中所述能量密度的范围从200mJ/cm2至350mJ/cm2。
15. 一种制造半导体器件的方法包括：
在衬底上沉积包含非晶硅的硅层；
通过在H2O的气氛和预定的温度下进行的退火工艺将非晶硅结晶为多晶硅，形成多晶硅层；
在所述多晶硅层上形成杂质区域；和
通过对杂质区域使用激光退火工艺，重结晶所述多晶硅层。
16. 如权利要求15的所述方法，其中所述温度范围从550℃至750℃。
17. 如权利要求16的所述方法，其中所述温度范围从600℃至710℃。
18. 如权利要求15的所述方法，其中所述H2O气压范围从10,000Pa至2Mpa。
19. 如权利要求15的所述方法，其中所述硅层具有
或更小的厚度。
20. 如权利要求19的所述方法，其中所述硅层具有
至
的厚度。
21. 如权利要求15的所述方法，其中所述激光退火工艺包括准分子激光退火工艺。
22. 如权利要求21的所述方法，其中所述准分子激光退火工艺使用具有能量密度为200mJ/cm2或更大的激光束。
23. 如权利要求22的所述方法，其中所述能量密度的范围从200mJ/cm2至350mJ/cm2。
24. 一种由权利要求1的方法制造的半导体器件，包括具有莱曼光谱FWHM为7.5cm-1或更小的多晶硅薄层。
25. 如权利要求24的所述半导体器件，其中所述多晶硅薄层具有的FWHM范围为4.5cm-1至6.8cm-1。
26. 如权利要求24的所述半导体器件，其中所述半导体包括P型或N型薄膜晶体管。
27. 如权利要求26的所述半导体器件，其中所述半导体用于有机发光显示器或液晶显示器。
28. 一种由权利要求15的方法制造的半导体器件，包括具有莱曼光谱FWHM为7.5cm-1或更小的多晶硅薄层。
29. 如权利要求28的所述半导体器件，其中所述多晶硅薄层具有的FWHM范围为4.5cm-1至6.8cm-1。
30. 如权利要求28的所述半导体器件，其中所述半导体包括P型或N型薄膜晶体管。
31. 如权利要求30的所述半导体器件，其中所述半导体用于有机发光显示器或液晶显示器。
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