CN1146059C - 半导体器件的制造方法 - Google Patents
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Abstract
在衬底上形成一个多晶硅层。在多晶硅层上形成绝缘层和栅电极。然后，通过用栅电极作掩膜将杂质掺入多晶硅层中以自对准方式形成沟道区，源区和漏区。然后，形成能量吸收层以覆盖整个衬底。从能量吸收层一侧辐射脉冲激光束。脉冲激光束的能量几乎全部吸收进能量吸收层，通过热辐射对下面的层面进行间接热处理。换句话说，对杂质进行激活并消除绝缘层中的缺陷，同时不会对衬底造成热损坏。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件的制造方法，该方法包括用能量束激活掺在半导体层中的杂质的步骤。具体来说，本发明涉及优选用于在低耐热衬底上生产顶栅薄膜晶体管(TFT)的半导体器件的一种制造方法。
背景技术
近年来，在玻璃衬底上形成的多晶硅(Si)TFT用于液晶显示器的像素和激励器中作为开关器件，还开发作为半导体储存器件。在如TFT等的半导体器件中，衬底必须轻，抗震，并且有韧性，使得其受到一定的应力时不会损坏。因此，现有技术中已用玻璃衬底，硅衬底或类似物作为衬底。玻璃衬底有低耐热性(耐热温度是400℃)。因此，在半导体层等上进行热处理是通过用能量束如激光，红外线灯等进行局部加热从而使衬底保持较低温度进行的。
近来，由于塑料衬底和上述衬底相比更轻，更抗震而被应用。但是，由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或类似物制成的塑料衬底的耐热温度是约200℃或低于200℃，这低于玻璃衬底的耐热温度。
因此，必须在200℃或更低温度下进行所有的生产步骤来制造使用塑料衬底的半导体器件。具体来说，不仅要在200℃或更低温度下进行为了使杂质激活或用于结晶的热处理，而且要在200℃或更低温度下制作用于栅极绝缘膜，中间层绝缘膜等的薄膜如二氧化硅(SiO2)膜，这些通常是在高于200℃的温度下进行的。
但是，通常不可能在200℃或更低温度下激活掺在半导体层中的杂质。另外，如果在200℃或更低温度下形成SiO2膜，就会在得到的SiO2膜中及得到的SiO2膜和半导体层的界面中存在大量缺陷。形成SiO2膜后通过进行热处理来消除缺陷的方法不能用在塑料衬底上，因为该方法需要在至少400℃或更高的温度条件下进行。
另外，即使通过能量束对器件表面进行局部加热能够完成上述热处理，也会由于能量束突然进行的高温加热而使绝缘层及其下面的层面中的温度突然升高。结果，耐热性非常低的塑料衬底有时会被辐射光束的热所损坏。
发明内容
本发明设计为能克服上述问题。本发明的目的是提供一种半导体器件的制造方法，用该方法能够在低耐热衬底上制造有优良性能的半导体器件。
本发明的半导体器件的制造方法包括如下步骤：在衬底上形成一个半导体层；选择性地在半导体层上形成一个金属层，并在半导体层和金属层之间有一个绝缘层；选择性地用金属层作为掩膜将杂质掺入半导体层；形成一个能量吸收层以覆盖绝缘层和金属层；从能量吸收层一侧辐射能量束来激活掺在半导体层中的杂质。
在本发明的半导体器件的制造方法中，辐射的能量束一旦吸收进能量吸收层，就会穿过能量吸收层，间接加热金属层，绝缘层及其下面的半导体层而不会损坏由塑料或类似物制成的低耐热衬底。这样，就能激活半导体层中的杂质并消除绝缘层中的缺陷。
通过下面的描述能更完全地显示出本发明的其它的和更深的目的，特点及优点。
附图说明
图1是示出本发明第一个实施方案的TFT结构的横截面图。
图2是用于描述图1所示的TFT的制造步骤的横截面图。
图3是用于描述图2所示的步骤的后续制造步骤的横截面图。
图4是用于描述图3所示的步骤的后续制造步骤的横截面图。
图5是用于描述图4所示的步骤的后续制造步骤的横截面图。
图6是示出本发明第二个实施方案的TFT结构的横截面图。
图7是用于描述图6所示的TFT的制造步骤的横截面图。
图8是用于描述图7所示的步骤的后续制造步骤的横截面图。
图9是用于描述图8所示的步骤的后续制造步骤的横截面图。
下面将参照附图对本发明的实施方案进行详细描述。
具体实施方式
[第一个实施方案]
图1示出本发明第一个实施方案的顶栅TFT的横截面结构。在TFT中，例如包括沟道区13a，源区13b和漏区13c的多晶硅(Si)层13提供在衬底10上，二者之间有一个缓冲层11。源区13b和漏区13c形成时相互隔开，而都与沟道区13a邻接。在沟道区13a上形成栅电极15，二者之间有一个绝缘层14。源电极17和源区13b电连接，漏电极18和漏区13c电连接。
下面参照图1-5描述TFT的制造方法。
首先，如图2所示，在衬底10的耐热温度或更低温度下在衬底10上形成缓冲层11。缓冲层11的作用是由绝热效应保护如耐热温度是约200℃或更低的衬底10不受热损伤。
例如，有机材料用于衬底10，具体来说，优选聚合物材料。聚合物材料的例子是：聚酯如聚磺酸乙烯酯(polyethylene sulfone)(PES)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚萘二甲酸乙二酯和聚碳酸酯；聚烯烃如聚丙烯，聚苯硫醚等；聚酰胺，芳族聚酰胺；聚醚酮；和聚酰亚胺。衬底10可由含有一种或多种这些聚合物材料的物质形成。衬底10的厚度是如200微米。但是，为了使TFT有柔韧性和小型化，衬底越薄越好。有机材料的软化点是250℃或更低。具体来说，PES的耐热温度是约200℃，PET的耐热温度是约100℃。另外，例如，二氧化硅(SiO2)用于缓冲层11。可用的其它材料是氧化硅(SiOx)，氮化硅(SiNx)，氮氧化硅(SiOxNx)和这些材料的层压薄膜。缓冲层11的厚度是如300nm。
然后，在衬底10的耐热温度或更低温度下在缓冲层11上形成无定形硅层12。无定形硅层12的厚度是如30nm。形成缓冲层11和无定形硅层12的方法的例子是反应溅射，等离子体增强CVD(等离子体增强化学汽相沉积；PECVD)，低压CVD(LPCD)，和物理汽相沉积。在该实施方案中，无定形硅层12是由硅(Si)形成的。但是，可以使用一种和多种选自硅，硅锗(SiGe)，锗(Ge)，和碳化硅(SiC)的半导体。
然后，用如脉冲激光束辐射的方式加热无定形硅层12。这样，无定形硅层12就结晶成为如图3所示的多晶硅层13。作为脉冲激光束，优选使用易于吸收进无定形硅层12的有紫外线波长的激光。具体的例子是XeCl准分子激光器(波长是308nm)，KrF准分子激光器(波长是248nm)，ArF准分子激光器(波长是193nm)，XeF准分子激光器(波长是351nm)和三倍频(355nm)或四倍频(266nm)Nd:YAG激光器。根据无定形硅层12的厚度等正确地选择激光器的条件，这些条件包括波长，能量密度，脉冲宽度和辐射脉冲数。但是，为了通过充分加热无定形硅层12得到有良好结晶度的多晶硅层13，光束的脉冲宽度优选为100ps至300ns(包括这两个端值)。
辐射的脉冲激光束几乎全部吸收进无定形硅层12。因此，衬底10几乎没有被加热。多晶硅层13对应于本发明的“半导体层”的一个具体例子。不一定全部的“半导体层”都是多晶体。例如，可以形成一个多晶体区，该区域部分有结晶度。
然后，用如平板印刷术和蚀刻将多晶硅层13图形化成预定形状，如岛状。
接下来，如图4所示，在衬底10的耐热温度或更低温度下形成由如SiO2或SiNx制成的绝缘层14，绝缘层14覆盖在刻有图案的多晶硅层13上。绝缘层14是通过如反应溅射，PECVD，物理汽相沉积，或JVD(射流汽相沉积)形成的。还可以通过对多晶硅层13表面进行等离子体氧化或等离子体氮化形成。绝缘层14的厚度是如50nm。
然后，通过溅射或沉积在绝缘层14上形成由如铝(Al)制成的栅电极15。可以用于栅电极15的其它例子是铜(Cu)，钼(Mo)，钽(Ta)，铂(Pt)，和ITO(铟-锡的氧化物)。栅电极15的厚度是如240nm。栅电极15对应于本发明的“金属层”的一个具体例子。
然后，在衬底10的耐热温度或更低温度下用栅电极15作为掩膜通过如离子注入将杂质掺入多晶硅层13。例如，在n沟道型TFT中用磷(P)作为n型杂质，在p沟道型TFT中用硼(B)作为p型杂质。这样，就以自对准方式相对于栅电极15形成作为掺杂质区的源区13b和漏区13c，和夹在其中作为非掺杂区的沟道区13a(参见图5)。
如图5所示，在衬底10的耐热温度或更低温度下形成能量吸收层16，能量吸收层16覆盖在栅电极15和绝缘层14的表面上。能量吸收层16由有等于或低于能量束能量的带隙的材料制成。使得能量束辐射的能量能够如下所述被很好地吸收。这些材料的具体例子是碳(C)，硅(Si)，锗(Ge)，碳化硅(SiC)，氮化硅(SiN)，氮化铝(AlN)，硅锗(SiGe)，和过渡金属如钼(Mo)，钽(Ta)，钨(W)，镍(Ni)，和铬(Cr)。可以使用一种或多种这样的材料。在能量束辐射后要将能量吸收层16除去的情况下，应当用对栅电极15有蚀刻选择性的材料作为能量吸收层16。例如，如果栅电极15是铝(Al)制成的，那么优选使用无定形硅作为能量吸收层16的材料。能量吸收层16的厚度是如30nm。
然后，通过如准分子激光器从能量吸收层16一侧辐射紫外线脉冲激光束来加热能量吸收层16。同时，可用辐射无定形硅层12的同样的脉冲激光束。辐射的脉冲激光束几乎全部被能量吸收层16吸收，并通过能量吸收层16的热辐射进行间接热处理。这种能量一旦吸收进能量吸收层16，就会从能量吸收层16的整个表面均匀地辐射，然后传到栅电极15，绝缘层14，再到多晶硅层13。栅电极15有良好的导热性，所以可以加热邻近的区域。具体来说是就在栅电极15相邻下面的绝缘层14。如上所述，绝缘层14及其下面的层面被均匀地和慢慢地加热，而衬底10几乎不被加热。
通过热处理，激活多晶硅层13中的杂质。同时，加热栅电极15，由此加热绝缘层14与绝缘层14和多晶硅层13的界面。结果，就消除了绝缘层14中的缺陷及绝缘层14和多晶硅层13的界面中的缺陷。希望多晶硅层13中的杂质激活20％或更多。在如相关技术那样将激光束直接辐射到绝缘层14上的情况下，为了抑制衬底10的温度升高，必须减少辐射量。因此，绝缘层14及其下面的层面不能被充分加热，因为光束是局部辐射，所以，其温度沿层面方向分布。例如，在这种情况下，多晶硅层13和绝缘层14的一些部分也可能不被充分加热。
然后，如图1所示，除去能量吸收层16。然后，分别在源区13b和漏区13c上形成源电极17和漏电极18。由如铝制成的源电极17和漏电极18可用公知方法形成，如用溅射或物理汽相沉积形成一个膜，然后用平板印刷术和蚀刻术形成图案。还可如上所述用如氧化物如SiO2，SiNx或类似物覆盖在TFT表面上形成一个保护膜。
如上所述，根据该实施方案，在衬底10上提供能量吸收层16后辐射脉冲激光束。因此，象快速和局部辐射的激光束的能量，一旦吸收进能量吸收层16，就会从能量吸收层16的整个表面间接地辐射，结果，衬底10几乎不被加热，而能量吸收层16下面的栅电极15，绝缘层14和多晶硅层13被均匀地和慢慢地加热。因此，可以防止直接辐射激光束而造成的衬底10上的损坏。同时，能激活多晶硅层13中的杂质并可充分消除绝缘层14邻近区域中的缺陷。
另外，根据该实施方案，用栅电极15作为掩膜将杂质离子注入到多晶硅层13中。因此，可以自对准方式一步形成沟道区13a，源区13b和漏区13c，而不用单独形成掩膜。
[第二个实施方案]
图6示出本发明第二个实施方案的顶栅TFT的横截面结构。该TFT与第一个实施方案中的络构相同，只是不同的是在绝缘层14a和14b之间形成栅电极15a。绝缘层14a和14b，栅电极15a和15b对应于第一个实施方案中的绝缘层14和栅电极15。因此，用相同的标号表示与第一个实施方案中相同的结构部件，并省略对其的描述。
下面参照图6-9描述TFT的制造方法。
首先，按照与第一个实施方案相同的方法，在衬底10的耐热温度或更低温度下在衬底10上顺序形成缓冲层11和无定形硅层12，然后用脉冲激光束加热无定形硅层12。这样，无定形硅层12就结晶成为多晶硅层13。作为脉冲激光束，可使用与第一个实施方案相同的激光束如准分子激光。辐射的脉冲激光束几乎全部吸收进无定形硅层12，而衬底10几乎没有被加热。
然后，如图7所示，在衬底10的耐热温度或更低温度下在多晶硅层13上形成绝缘层14a，再在其上形成栅电极15a。然后，在CF4和H2的混合气体中用栅电极15a作掩膜通过ECR-RIE(电子回旋共振活性离子蚀刻)进行选择性蚀刻。从而用自对准方式除去将成为源区13b和漏区13c的多晶硅层13上的绝缘层14a。
然后，用栅电极15a作掩膜通过等离子体掺杂使杂质掺入多晶硅层13。等离子体掺杂是使温度是如110℃的衬底10暴露于PH3和He的混合气体的辉光放电等离子体中以在多晶硅层13的表面上吸收磷(P)而进行的。作为杂质的例子如：除了n型杂质如磷(P)外，还可使用p型杂质如硼(B)。在这种情况下，衬底10暴露于B2H6等离子体中以吸收硼(B)。吸收的杂质只扩散在邻近多晶硅层13表面的区域(离表面1nm)中，这样，通过下述的激光辐射就可使其充分扩散。因此，杂质就掺入多晶硅层13中。
接下来，如图8所示，在衬底10的耐热温度或更低温度下在多晶硅层13和栅电极15上顺序形成绝缘层14b和能量吸收层16。
接下来，如图9所示，通过如准分子激光器从能量吸收层16一侧辐射紫外线脉冲激光束来加热能量吸收层16。激光束几乎全部被能量吸收层16吸收，然后进行热辐射。该热使多晶硅层13中的杂质(这时是磷)扩散并激活。同时，绝缘层14a，14b及绝缘层14a，14b和多晶硅层13之间的界面通过加热的栅电极15a加热。如上所述，热处理是通过能量吸收层16间接进行的，因此，衬底10几乎不被加热。希望多晶硅层13中的杂质激活20％或更多。这样，就以自对准方式相对于栅电极15a形成作为掺杂质区的源区13b和漏区13c，和夹在其中作为非掺杂区的沟道区13a。同时，消除了绝缘层14a和14b中的缺陷及绝缘层14a，14b和多晶硅层13的界面中的缺陷。
接下来，如图6所示，除去能量吸收层16。然后，分别在沟道区13a(精确地说是栅电极15a)，源区13b和漏区13c上形成栅电极15b，源电极17和漏电极18。
如上所述，在该实施方案中，也在衬底10上提供能量吸收层16后辐射脉冲激光束。因此，象第一个实施方案一样，局部辐射的激光束的能量，一旦吸收进能量吸收层16，就会从能量吸收层16的整个表面间接地辐射，结果，衬底10几乎不被加热，而能量吸收层16下面的各层被均匀地和慢慢地加热。因此，可以防止直接辐射激束而造成的衬底10上的损坏。同时，能激活多晶硅层13中的杂质并可充分消除绝缘层14中和邻近区域中的缺陷。
另外，在该实施方案中，如第一个实施方案一样用栅电极15作为掩膜将杂质等离子体掺杂到多晶硅层13中。因此，可以自对准方式一步形成沟道区13a，源区13b和漏区13c，而不用单独形成掩膜。
上面已参照实施方案对本发明进行了描述。但是，本发明并不限定为上述实施方案，可以作各种改变。例如，在上述实施方案中，具体以TFT描述了半导体器件的制造方法。但是，本发明可广泛地应用到有其它结构的半导体器件上，这可用下述方法制造：在衬底上形成一个半导体层，在半导体层上形成一个金属层，并在半导体层和金属层之间有一个绝缘层；用金属层作为掩膜将杂质掺入半导体层；在层结构的全部表面上形成一个能量吸收层；从顶部辐射能量束来激活杂质。
如上所述，在本发明的半导体器件的制造方法中，形成能量吸收层是为了覆盖半导体层上的绝缘层和金属层，能量束从能量吸收层一侧辐射。因此，能量吸收层下面的金属层，绝缘层及半导体层会通过辐射到能量吸收层的能量加热而衬底几乎不被加热。结果就防止了激光束直接辐射所造成的衬底上的损坏。另外，用这种方法可充分加热绝缘层和半导体层。这样，就能激活半导体层中的杂质并同时可有效地消除绝缘层及邻近区域中的缺陷。这样，就可以得到具有优良性能的半导体器件。结果，就可用由如有机物制成的低耐热衬底作为衬底。这样就可制造轻的，抗震的，并有优良性能的半导体器件。
根据上述说明可对本发明进行许多改进和变化是显而易见的。因此，可理解为：本发明可在本发明附加的权利要求书的保护范围内实践，而不限于描述的
具体实施方案中。
Claims (8)
1、一种半导体器件的制造方法，其包括如下步骤：
在衬底上形成一个半导体层；
选择性地在半导体层上形成一个金属层，并在半导体层和金属层之间有一个绝缘层；
用金属层作为掩膜选择性地将杂质掺入半导体层；
形成一个能量吸收层以覆盖绝缘层和金属层；和
从能量吸收层一侧辐射脉冲激光束来激活掺在半导体层中的杂质，其中能量吸收层由带隙等于或低于脉冲激光束的能量的材料形成。
2、根据权利要求1的半导体器件的制造方法，其中使用的衬底的软化点是250℃或更低。
3、根据权利要求2的半导体器件的制造方法，其中的衬底是由有机聚合物材料制成。
4、根据权利要求1的半导体器件的制造方法，其中的能量吸收层由一种或多种选自碳(C)，硅(Si)，锗(Ge)，碳化硅(SiC)，硅锗(SiGe)，氮化硅(SiN)，和氮化铝(AlN)的材料制成。
5、根据权利要求1的半导体器件的制造方法，其中的能量吸收层由一种或多种选自钼(Mo)，钽(Ta)，钨(W)，镍(Ni)，和铬(Cr)的材料制成。
6、根据权利要求1的半导体器件的制造方法，其中的半导体层由一种或多种选自硅(Si)，硅锗(SiGe)，锗(Ge)，和碳化硅(SiC)的半导体制成。
7、根据权利要求1的半导体器件的制造方法，其中半导体层的掺杂区中的杂质激活率是20％或更高。
8、根据权利要求1的半导体器件的制造方法，其中的脉冲激光束的脉冲宽度为100ps至300ns(包括这两个端值)。
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