CN1157765C - 晶体半导体材料的制造方法以及制造半导体器件的方法 - Google Patents

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Abstract

公开一种晶体半导体材料的制造方法，能提高结晶度，以及利用该材料制造半导体器件的方法。在衬底上形成由硅(Si)制成的非晶膜，其间具有保护膜。然后，作为第一热处理，短波能量束照射非晶膜，从而形成由准单晶制成的晶体膜。接着，为了有选择地只使晶体膜的晶界和相邻区域熔融和再结晶，用另外的能量束照射晶体膜，作为第二热处理。结果，可以得到具有优异结晶度的晶体膜。

Description

晶体半导体材料的制造方法 以及制造半导体器件的方法
技术领域
本发明涉及晶体半导体材料的制造方法以及利用该材料制造半导体器件的方法，其中通过热处理使非晶半导体材料结晶。
背景技术
目前，特别是在FPD(平板显示器)领域，在低温，通过准分子激光退火(ELA)，利用多晶硅膜来制造薄膜晶体管(TFT)方面的探索和发展已经在积极地进行。而且，希望将LSI(大规模集成电路)安装在任何衬底上的面板系统更早地实现。这样需要在低温工艺中，利用多晶硅膜(Si)提高TFT的性能。为了提高上述性能，已经研究了提高多晶硅膜的结晶度和晶粒尺寸。
然而，当多晶硅膜的粒径增加并变得与TFT的沟道长度一样大时，多晶硅膜的晶体性能变得不均匀。因此，为了解决上述问题，提出了(日本专利申请未审公开No.平11-145056)利用和多晶相相比与单晶相更相像的准单晶相，其中，相邻晶界局部匹配。与利用多晶硅膜相比，通过利用准单微晶硅膜，可以降低晶界中载流子的扩散势垒。结果，提高了TFT的性能。
然而，载流子的扩散势垒也存在于准单微晶硅膜的晶界中。因此，不能充分实现TFT的一致性和性能的提高。为了实现均匀和高性能的TFT，需要进一步匹配相邻晶界的晶格，以进一步提高结晶度。
发明内容
本发明的目的是克服上述问题。本发明的目的是提供一种制造晶体半导体材料的方法，能提高结晶度，以及利用该材料制造半导体器件的方法。
本发明的晶体半导体材料和半导体器件的制造方法包括步骤：通过进行第一热处理，在非晶半导体材料上形成准单晶半导体材料，通过进行第二热处理使准单晶半导体材料部分再结晶。
最好，在比单晶半导体材料的熔点低而比非晶半导体材料的熔点高的温度下，在准单晶半导体材料上进行第二热处理。此外，最好，只有准单晶半导体材料的晶界和相邻区域通过第二热处理熔融和再结晶。
最好，在第二热处理中，用短波长能量束例如准分子激光束辐照准单晶半导体材料。
本发明的晶体半导体材料和半导体器件的制造方法，通过在两个步骤中加热非晶半导体材料，形成准单晶半导体材料，以及使准单晶半导体材料部分熔融和再结晶，从而提高其结晶度。
通过下面的描述，本发明的其它和进一步的目的、特征和优点将显现得更全面。
附图说明
图1是方框图，显示了利用根据本发明实施例的晶体半导体材料的制造方法以及半导体器件的制造方法，制造的液晶显示装置的示范结构。
图2A和2B是晶体半导体材料制造方法中每一步骤的横截面。
图3是图2A和2B所显示的步骤的后续步骤的截面。
图4A和4B是用于描述图3所示的状态的势能的平面图和结构图。
图5A和5B是显示图3所示的步骤的后续步骤的截面。
图6A和6B是用于描述图5B所示的步骤的势能的平面图和结构图。
图7A和7B是势能的平面图和结构图，用于描述普通的多晶膜中的晶粒状态。
图8是显示本发明的修改的平面图。
图9是显示本发明的另一个修改的平面图。
图10是进行第一热处理后的SEM图像。
图11是进行第二热处理后的SEM图像。
具体实施方式
下面将参考附图详细描述本发明的实施例。
在下文的实施例中，将通过具体参考例如图1所示的液晶显示装置100的制造情况来描述半导体器件。该液晶显示装置100包括衬底(图1中未示出)上的像素部分101和设置在像素部分101的外围区中的外围电路102。在像素部分101中，对应于每个像素，形成了液晶层103和多个薄膜晶体管104，薄膜晶体管104以矩阵的形式排列，用于驱动液晶层103。外围电路102包括视频信号端105，并由水平扫描部分(水平扫描电路；信号-电极驱动电路)106和垂直扫描部分(垂直扫描电路；扫描-电极驱动电路)107构成。水平扫描部分106向像素部分101传输水平扫描信号和输入的图象信号，垂直扫描部分107向像素部分101传输垂直扫描信号。
在液晶显示装置100中，通过视频信号端105向水平扫描部分106传输图象信号，然后水平扫描信号与图象信号一起从水平扫描部分106传输到像素部分101的每个像素中的薄膜晶体管104。垂直扫描信号从垂直扫描部分107传输到像素部分101的每个像素中的薄膜晶体管104。因此，控制液晶层103的开关来显示图像。
图2A和2B至图5A和5B按制造步骤的顺序显示了根据本发明制造晶体半导体材料的方法。首先，如图2A所示，在衬底上11形成其间具有保护膜12的、由硅制成的非晶膜13，绝缘衬底11例如由具有保护膜12的玻璃制成，保护膜12由二氧化硅(SiO2)制成，在层叠方向具有40nm的厚度(下文中简单地称为厚度)。保护膜12用于防止非晶膜13(即后面工序中的晶体膜14和15)被衬底11污染，并且通过例如CVD(化学汽相淀积)或溅射形成。保护膜12可以具有这样的结构，例如氮化硅(SiN)膜和二氧化硅(SiO2)膜层叠。
非晶膜13通过例如CVD、等离子CVD(PECVD；等离子加强化学汽相淀积)或溅射形成。较好的是，非晶膜13的厚度例如从10nm到100nm，包含端值，15-75nm更好，包含端值。这样在后面的结晶工艺中能够得到优异的晶体膜14。在本实施例中，形成的非晶膜13具有40nm的厚度。
当通过等离子CVD形成非晶膜13时，大量的氢含在了非晶膜13中。因此，最好在形成非晶膜13后，通过例如在450℃进行两小时的热处理或用紫外线快速热退火(RTA)来除去氢。
然后，如图2B所示，通过例如在氮气氛中用短波能量束E1照射非晶膜13，进行第一热处理。非晶膜13的加热温度最好比非晶硅的熔点(大约1200℃)高。短波能量束E1可以是XeCl准分子激光束，具有308nm的波长。短波能量束E1可以辐射成被称做线光束或大面积光束。
例如，当辐照线束时，在下面所示的辐照条件下照射脉冲激光束。能量密度是每个脉冲的值。
照射条件
脉冲宽度：20nsec
脉冲频率：200Hz
能量密度：大约250mJ/cm2
辐照次数：100次
因此，如图3所示，例如使非晶膜13结晶，变为准单晶的晶体膜14。准单晶由多个晶粒形成，每个晶粒都是单微晶。晶粒优选定向在一个结晶平面的方向上，相邻晶粒至少在部分晶界中晶格匹配(日本专利申请未审公开No.平11-145056)。在本实施例中，如图4A所示，例如，优选定向在{100}方向的的晶粒14a的组在晶格中两维排列，单微晶几乎是正方形，晶体膜14由准单晶形成，其中每相邻晶粒14a至少在部分晶界14b中晶格匹配。晶粒14a的四个侧面中的每个都是{002}。
如图3所示，例如，在晶体膜14中使晶界14b凸出，悬挂键保留在晶界14b中。结果，在晶体膜14中，如图4B所示，例如，晶界14b的势能增加，载流子的扩散势垒变高。
在第一热处理中形成准单晶的工艺中，辐照在非晶半导体表面上的短波激光束和在非晶半导体表面散射的激光束彼此干涉，从而在非晶半导体中形成了周期性的热分布。这种周期性的热分布在形成准单晶过程中起着重要的作用。即，这种短波激光束基本上是线形偏振光。垂直进入衬底的短波激光束由于衬底表面的凹凸不平而散射，散射光作为球面波传播。根据入射光和散射光的偏振分量的干涉条件形成了光强分布。在离散射源的距离为波长的整数倍的点，由于干涉使光强变强。在产生强偏振光的方向上，当半导体的晶粒生长进行时，形成了另外的带有激光束波长的周期性的不平。
这些另外的周期性的不平滑引起散射。当短波激光束的发射数量增加时，结晶在具有波长间距(晶粒尺寸)的清晰的晶格图形中进行。晶粒生长从格状能量密度图形中能量低的点开始，在每个晶粒交点处形成了凸出物，这样，不平出现了。当晶格热分布均匀时，熔融液和衬底的相界的状态是均匀的。每个晶粒在生长时具有相同的结晶取向。这样作为整体长成了所谓的准单晶。
然后，如图5A所示，通过例如在氮气氛中用短波能量束E2照射晶体膜14，进行第二热处理。晶体膜14的加热温度最好比非晶硅的熔点(大约1200℃)高而比单晶硅的熔点(1415℃)低。由于晶体膜14的晶界14b的非键合晶粒作为缺陷被认为是非晶的，通过在比单晶的熔点低的温度热处理，只能有选择地熔融了晶体膜14中的晶界14b和相邻区。结果，如图5B所示，例如，只在晶界14b和相邻区域中使晶体膜14熔融和再结晶，变为提高了结晶度的晶体膜15。在晶体膜15中，如图6A和6B所示，与晶体膜14相比，晶界15b更加晶格匹配，晶界15b的势能进一步降低，载流子的扩散势垒变得更低。
作为参考，通常的多晶膜21的晶粒21a的状态示于图7A，势能示于图7B。如图所示，在多晶膜21中，晶粒21a的尺寸和取向是不均匀的，晶界21b的势能是非常高的。相反，在本实施例中，通过第一热处理，晶粒14a的尺寸和取向是一致的，晶界14b的势能降低了(参考图4A和4B)。然后，通过第二热处理，提高了晶界15b和相邻区域的结晶度，从而进一步减低了晶界15b的势能(看图6A和6B)。
在第二热处理中，照射的短波能量束E2的例子是XeCl准分子激光束，具有与短波能量束E1一样的308nm的波长。上述短波能量束可以采用如所谓的线束辐照或大面积光束辐照。然而，最好通过脉冲光束，采用10J或更大的高功率大面积光束来照射。例如，当采用X射线预电离能量束发生器时，脉冲宽度变得相当长，例如150nsec，使得再结晶的效率降低。然而，在得到长的固化时间和缓慢的固化速度方面是有好处的。这样适合于提高晶界14b的结晶度。
例如，当照射大面积光束时，在下面所示的照射条件下，采用脉冲激光束照射，能量密度是每个脉冲的值。
照射条件
脉冲宽度：150nsec
脉冲频率：10Hz
能量密度：500mJ/cm2
照射次数：40次
在第二热处理中，可以通过另外的方法例如用电炉或灯来代替照射短波能量束E2，加热晶体膜14。然而，由于能量直接在晶体膜14被吸收，且可以局部熔融晶体膜14，照射能量束的方法是较好的，从而能够得到具有高结晶度的晶体膜15。而且，由于可以精确地控制晶体膜14的加热温度，使其低于单晶的熔点，利用灯来进行热处理是较好的。
在形成所述的晶体膜15之后，如果需要可以通过CMP(化学机械抛光)使晶体膜15的表面平面化。这是由于在形成晶体膜14的时候产生的突出物保留在晶体膜15的表面上。然后，通过公知的方法进行形成TFT的步骤和液晶显示器件的制造步骤等。这些步骤包含：在分割器件之后形成栅氧化膜，形成栅极后形成源区和漏区，形成绝缘中间层，形成接触孔，金属布线，形成ITO(铟-锡氧化物：铟-锡氧化物的混合膜)，以及密封液晶。因此，完成了根据本发明实施例的多晶膜的制造方法和半导体器件的制造方法，形成了如图1所示的半导体器件。
在所述的本实施例中，在多个步骤中加热非晶膜13。因此使非晶膜13结晶，形成晶体膜14，使部分晶体膜14再熔融，然后再结晶，形成晶体膜15。这样就能够得到具有优异的结晶度的晶体膜15。结果，可以在大面积衬底上形成具有高性能的一致的TFT。换句话说，在平面显示装置中可以得到高质量的图像，可以得到面板上安装LSI的纸状显示器和系统。
通过第一热处理，在非晶膜13上形成了准单晶半导体的晶体膜14之后，通过在晶体膜14上进行第二热处理，使部分晶体膜14熔融和再结晶，以形成晶体膜15。这样能够提高晶界15b和相邻区域的结晶度。结果，可以降低晶界15b的势能，降低载流子的扩散势垒。
而且，如果在比单晶膜的熔点低而比非晶膜的熔点高的温度，在晶体膜14上进行第二热处理，可以有选择地熔融晶体膜14的晶界14b和相邻区域。结果可以很容易地提高晶体膜15的结晶度。
另外，如果通过用能量束E2照射晶体膜14来进行第二热处理，可以局部熔融晶体膜14，使得能够进一步提高晶体膜15的结晶度。
通过参考实施例已经描述了本发明。然而，本发明并不限于上述实施例，各种修改都是可能的。例如，在上述实施例中，在第一热处理和第二热处理两个分开的步骤中加热非晶膜13。然而，可以在三个或更多的步骤中加热非晶膜13。
而且，在本实施例中，如图4A所示，例如晶体膜14由准单晶形成，其中通过第一处理，优选取向于{100}方向的单微晶的晶粒14a的组在晶格图形中以两维排列，单微晶几乎是正方形。然而，可以形成其中晶粒优选取向于其它方向的晶体膜。例如，可以形成如图8所示的，晶体膜14在六边形图形中以两维排列，其中几乎六边形单微晶的晶粒14a的组优先取向于{111}方向，或者如图9所示的，晶体膜14在六边形图形中以两维排列，其中几乎六边形单微晶的晶粒14a的组优选取向于{110}方向。
此外，在上述实施例中，描述了制造由硅制成晶体膜15即晶体半导体材料的情况。然而，本发明也可以应用于其它情况，例如制造其它晶体半导体材料。特别是，当制造具有金刚石晶体结构的其它共价键半导体、一般由其它IV族半导体制成的晶体半导体材料时，本发明可以与上述实施例相同的方式适用。IV族半导体的例子是元素半导体如硅(Si)、锗(Ge)、碳(C)、和从硅、锗和碳(C)中选出的至少一种元素制成的半导体，例如SiGe或SiC。
另外，在上述实施例中，能量束E1照射非晶膜13作为第一热处理。然而，可以通过其它的方法进行热处理，例如采用用于通常目的的普通电加热炉(扩散炉)或灯。
[实例]
图10显示了在下列条件下，通过进行第一热处理得到的准单晶的扫描电子显微镜(SEM)图像。
样品结构
非晶硅膜(40nm厚)/SiO2膜(200nm厚)/玻璃衬底
照射条件
脉冲宽度：20nsec
脉冲频率：200Hz
能量密度：350mJ/cm2
照射次数：20次
图11是在下列条件下，进行第二热处理之后的SEM图像。图11显示了部分晶界熔融，使得晶粒变得更大。从而出现再结晶。
照射条件
脉冲宽度：150nsec
脉冲频率：10Hz
能量密度：530mJ/cm2
照射次数：20次
根据本发明的晶体半导体材料的制造方法，通过在非晶半导体材料上进行第一热处理，形成由准单晶构成的晶体半导体材料之后，通过在晶体半导体材料上进行第二热处理，使部分晶体半导体材料熔融和再结晶。这样能够提高晶界和相邻区域的结晶度。结果，可以降低晶界的势能，降低载流子的扩散势垒。
此外，用低于单晶半导体材料的熔点而高于非晶半导体材料的熔点的温度加热晶体半导体材料，作为第二热处理。因此可以有选择地熔融晶界和相邻区域。结果，可以容易地提高结晶度。
此外，在晶体半导体材料上照射能量束，作为第二热处理。结果，可以局部熔融晶体半导体材料，使得能够得到具有高结晶度的晶体半导体材料。
根据本发明的半导体器件的制造方法，该方法采用本发明的晶体半导体材料的制造方法。因此，可以在大面积衬底上形成具有高性能的均匀的TFT。结果，在平面显示装置中可以得到高质量的图像，可以得到面板上安装LSI的纸状显示器和系统。
显然，在上述教导下，可以对本发明作出许多修改和变化。因此，应当理解，除了具体描述的以外，在附加的权利要求的范围内，也可以实施本发明。

Claims (6)

1.一种晶体半导体材料的制造方法，包括步骤：
通过在一种非晶半导体材料上利用能量束照射而进行第一热处理，形成准单晶半导体材料；和
通过利用能量束照射而进行第二热处理，使部分准单晶半导体材料熔融和再结晶。
2.如权利要求1所述的晶体半导体材料的制造方法，其中，在比单晶半导体材料的熔点低而比非晶半导体材料的熔点高的温度下，在准单晶半导体材料上进行所述第二热处理。
3.如权利要求1所述的晶体半导体材料的制造方法，其中，通过第二热处理，只使准单晶半导体材料的晶界和相邻区域选择性地熔融和再结晶。
4.如权利要求1所述的晶体半导体材料的制造方法，其中，在第一热处理中的能量束是准分子激光。
5.如权利要求1所述的晶体半导体材料的制造方法，其中，在第二热处理中的能量束是准分子激光。
6.一种半导体器件的制造方法，包括步骤：
通过在非晶半导体材料上利用能量束照射而进行第一热处理，形成准单晶半导体材料；和
通过利用能量束照射而进行第二热处理，使部分准单晶半导体材料熔融和再结晶。
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