CN1862769A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

按照这样一种方式形成一个工作半导体层，使得该无定形硅层形成为具有一个宽区域和一个窄区域，并且该窄区域相对于宽区域位置不对称地连接到该宽区域，并且在作为热保持层的多晶硅层隔着氧化硅层从侧面包住该窄区域的状态下，通过把连续波激光束从宽区域向窄区域扫描，而使该无定形硅层结晶。

Description

半导体器件及其制造方法

本申请是申请日为2002年8月30日的中国专利ZL02141410.6的分案申请。

本申请基于并要求在2001年8月30日递交的日本专利申请No.2001-262160以及在2002年6月20日递交的日本专利申请No.2002-180425的优先权，其内容被包含于此以供参考。

技术领域

本发明涉及一种具有工作半导体层的薄膜型半导体器件以及其制造方法。具体来说，它最好应用于一种薄膜晶体管，其中源极/漏极形成在该工作半导体层(operating semiconductor)上，并且栅极形成在沟道区上。

背景技术

薄膜晶体管(TFT)被形成到安装于大屏幕液晶显示面板等等上的非常薄的精细工作半导体层上。最近需要较大的面积的显示面板。

对于一个TFT工作半导体层，已经研究使用多晶硅层，因为它具有较高的载流子迁移率并且与无定形硅层(a-Si层)相比具有热稳定性。目前，下文所述的方法被用于使用多晶硅层来形成工作半导体层的方法。

(1)已经采用通过把无定形硅层加热大约600℃和大约1100℃以进行结晶而形成多晶硅层的方法。该方法在加热处理的早期阶段形成晶核，并且通过该晶核的生长来进行结晶。

(2)通过增加激光能量使无定形硅层熔化，当它冷却时通过结晶而形成多晶硅层。

(3)该多晶硅层直接通过化学汽相生长方法或者物理蒸发方法在600℃或更高的温度下直接形成。

在此，使用在玻璃基片上形成薄膜半导体层的方法为例，讨论现有技术的缺点。由于玻璃用于基片材料，因此基片的温度被限于600℃或更小。

在(1)中所述的晶体生长方法需要600℃的热处理温度，这对应于玻璃在高温下的热处理，并且使该玻璃变形。另外，堆垛层错(stackingfault)和孪晶(twin crystal)大量存在于该生长的晶体中，这不可能期望获得形成具有优良的结晶性的多晶硅层。

利用(3)中所述的晶体生长方法，形成柱状晶体，由于其较小的晶粒直径因此其结晶性不足，并且不能够形成具有高迁移率的晶体。

对于(2)中所述的使用激光退火的方法，可以使用并且不增加基片温度的激光仅限于受激准分子激光。当使用受激准分子激光时，可以获得高质量的多晶硅层，因为该晶体通过熔化相而生长。但是其缺点在于用于获得这种高质量的多晶硅层的能量范围非常窄。另外，当使用受激准分子激光时，尽管仅仅在表面层上的薄膜硅区域被熔化具有高温度，但是该玻璃本身的温度较低。相应地，硅熔化的冷却速度较快。

因此，从熔化中生长出现在超冷条件下，并且形成许多晶核，使得晶粒直径较小。通常，晶粒直径的范围大约为300纳米至大约600纳米之间。当使用受激准分子激光形成薄膜多晶硅层时，其保证最佳的结晶性，该薄膜晶体管的迁移率大约为200cm²/Vs，其远小于600cm²/Vs的单晶硅的迁移率。这是因为该晶粒直径较小并且晶粒边界部分作为具有强载流子的散射体。

如上文所述，即使该工作半导体层由多晶硅层所构成，其通常具有严重的缺点，不能够限制由于晶粒边界导致迁移率的降低，以及不能够保证高质量的工作半导体层。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种薄膜型半导体器件，其通过由具有晶粒边界的可忽略的小影响的薄膜半导体层形成一个工作半导体层而实现极高的迁移率，并且提供一种能够容易和肯定地制造半导体器件的半导体器件制造方法。

本发明提供如下实施例来解决上述缺点。

本发明涉及一种在基片上具有工作半导体层的薄膜型半导体器件，以及其制造方法。

本发明的半导体器件中，该工作半导体层被整形，使得宽区域和窄区域相互连接。宽区域处于具有较大晶粒的流型(flow pattern)状态，以及在上述流型中的晶粒边界的方向被形成为不与窄区域的纵向方向相平行，而该窄区域基本上处于单晶状态。

用于制造本发明的半导体器件的方法包括如下步骤：在该基片上形成要作为工作半导体层的一个半导体层；处理该要整形的半导体层，从而它具有宽区域和窄区域，并且窄区域连接到宽区域，使得该窄区域被设置为相对于宽区域不对称，以及通过把能量束沿着窄区域的纵向方向从宽区域向窄区域照射到半导体层上而使该半导体层结晶。

用于制造本发明的半导体器件的方法的另一个方面包括如下步骤：在该基片上形成要作为工作半导体层的一个半导体层；处理该要整形的半导体层，从而它具有宽区域和窄区域；以及通过把能量束按照使射束点的扫描平面从半导体层的垂直位置到纵向方向倾斜的方式照射到半导体层上，而使该半导体层结晶。

从上文的考虑来看，如果可以限制导致迁移率降低的晶粒边界的断裂，则迁移率提高并且可以改进半导体元件的性能。为此目的，可以从具有较大晶粒直径的晶粒令人满意地构造该工作半导体层，并且该工作半导体层的最终形态是一个完成的单晶半导体。

在根据本发明的半导体器件中，如此构造该工作半导体层，使得宽区域在具有大晶粒的流型的结晶状态，并且窄区域基本上处于单晶状态。由于在窄区域中的流型导致实际不存在晶粒边界，因此，当窄区域被用作为一个沟道时，可以确保获得具有高迁移率的半导体器件。

在根据本发明的制造半导体器件的方法中，能量束被沿着窄区域的纵向方向从宽区域到窄区域照射到半导体层上，该半导体层被构图，按照使窄区域设置为相对于宽区域不对称的方式，把窄区域连接到该宽区域。在此时，宽区域沿着照射方向被固化，并且在宽区域中形成包括在生长方向上具有受控制的大直径的晶粒的流型。在该流型中，晶粒边界形成为向着该窄区域。尽管由整个流型所形成的晶粒边界的形状与照射方向相对称，由于窄区域被形成为相对宽区域不对称，因此晶粒边界碰到在窄区域和宽区域之间的边界附近在窄区域中的一个侧壁上，这限制在窄区域中晶粒边界的形成。由于该作用，形成一个工作半导体层，其中宽区域处于具有大晶粒的流型的结晶状态中，并且窄区域基本上处于单晶状态中。

在用于制造半导体器件的本发明的方法的另一个方面中，能量束被照射到半导体层上，该半导体层被构图，从而按照使窄区域被设置为相对于宽区域不对称的方式把窄区域和宽区域相互连接，按照这种方式射束点的扫描平面从垂直位置向半导体层的纵向方向倾斜。在此时，宽区域沿着照射方向被固化，并且包括在生长方向上具有受控制的大直径的晶粒的流型形成在该宽区域中。该晶粒边界被形成为向着该流型中的窄区域的方向。尽管用整个流型所形成的晶粒边界的形状相对于照射方向对称，由于一个倾角被给予该射束的扫描平面，晶粒边界在接近窄区域和宽区域之间的边界附近，碰到在窄区域中的一个侧壁并且消失，这限制晶粒边界在窄区域中的形成。由于该作用，形成一个工作半导体层，其中宽区域处于具有大晶粒的流型的结晶状态中，并且窄区域基本上处于单晶状态中。

根据本发明的制造半导体器件的方法进一步包括如下步骤：形成一个热保持层，以仅仅有选择地覆盖窄区域的一个侧面部分；以及在该状态中照射能量束。然后该热保持层作为一个具有大的热容量的储热器，用于使熔化的冷却速度较小，以及控制半导体层的热量分布，从而控制晶核形成的位置和晶体生长的方向。在这种情况中，通过从窄区域的中央部分降低温度而进行结晶。但是，由于窄区域的侧部被热保留层有选择地覆盖，因此它最难以降低侧部的温度，并且可以实现高效的结晶。因此，可以用较高的可靠性实现具有大晶粒直径的结晶状态。

本发明提供一种制造薄膜型半导体器件的方法，该半导体器件具有基片和构图形成在该基片上的工作半导体层，其中包括如下步骤：在该基片上形成要作为工作半导体层的一个半导体层；处理该要整形的半导体层，从而它具有宽区域和比所述宽区域窄的窄区域，并且窄区域连接到宽区域，使得该窄区域被设置为相对于宽区域不对称；在处理该半导体层之后，形成窄区域的热保持层，以隔着一个隔离层有选择地覆盖该窄区域的侧面部分；以及在形成热保持层的状态下，通过把能量束沿着窄区域的纵向方向从宽区域向窄区域照射到半导体层上而使该半导体层结晶。

根据本发明的上述器件的方法，其中在处理该半导体层时，一个切口形成在该窄区域中。

根据本发明的上述器件的方法，其中在半导体层的结晶之后，通过除去半导体层的外围边缘部分而对该工作半导体层构图，以便使该半导体层成形为使得窄区域与宽区域相对称地设置。

根据本发明的上述器件的方法，其中该能量束对于时间连续地输出能量。

根据本发明的上述器件的方法，其中对于时间连续地输出能量的该能量束为连续波激光束。

根据本发明的上述器件的方法，其中该连续波激光束是半导体激励的固态激光束。

根据本发明的上述器件的方法，其中能量束的输出不稳定性小于±1％每小时。

根据本发明的上述器件的方法，其中该半导体层具有400纳米或更小的厚度。

根据本发明的上述器件的方法，其中该窄区域被形成作为用于工作半导体层的一个沟道。

根据本发明的上述器件的方法，其中该窄区域被形成为具有比所述工作半导体层的晶粒的宽度更窄的宽度。

根据本发明的上述器件的方法，其中该能量束的射束点为带状或椭圆形状，并且其扫描面为一个平面。

根据本发明的上述器件的方法，其中连续输出能量的该连续波激光束通过用与窄区域相匹配地调制的脉冲而进行照射。

本发明提供一种制造薄膜型半导体器件的方法，该半导体器件具有基片和构图形成在该基片上的工作半导体层，其中包括如下步骤：在该基片上形成要作为工作半导体层的一个半导体层；处理该半导体层，以便整形为它具有宽区域和比所述宽区域窄的窄区域；以及通过把能量束按照使能量束的射束点的扫描平面从半导体层的垂直位置到纵向方向倾斜的方式照射到半导体层上，而使该半导体层结晶。

根据本发明的上述器件的方法，其中当把能量束照射到半导体层上时，该射束点沿着半导体层的纵向方向扫描。

根据本发明的上述器件的方法，其中当把能量束照射到半导体层上时，该射束点在与被倾斜的射束点的倾斜角的方向上扫描。

根据本发明的上述器件的方法，其中该射束点的扫描平面的倾斜角在+15度和+75度之间，或者在-75度和-15度之间。

根据本发明的上述器件的方法，其中在处理该半导体层时，一个切口形成在该窄区域中。

根据本发明的上述器件的方法，其中进一步包括如下步骤：在处理该半导体层之后，形成窄区域的热保持层，以隔着一个隔离层覆盖该窄区域的侧面部分；其中在形成热保持层的状态下，把能量束沿着窄区域的纵向方向照射到半导体层上。

根据本发明的上述器件的方法，其中在半导体层的结晶之后，通过除去半导体层的外围边缘部分而对该工作半导体层构图，以使得该半导体层成形，从而该窄区域与宽区域相对称地设置。

根据本发明的上述器件的方法，其中该能量束对于时间连续地输出能量。

根据本发明的上述器件的方法，其中对于时间连续地输出能量的该能量束为连续波激光束。

根据本发明的上述器件的方法，其中该连续波激光束是半导体激励的固态激光束。

根据本发明的上述器件的方法，其中能量束的输出不稳定性小于±1％每小时。

根据本发明的上述器件的方法，其中该半导体层具有400纳米或更小的厚度。

根据本发明的上述器件的方法，其中该窄区域被形成作为用于工作半导体层的一个沟道。

根据本发明的上述器件的方法，其中该窄区域被形成为具有比所述工作半导体层的晶粒的宽度更窄的宽度。

根据本发明的上述器件的方法，其中该能量束的射束点为带状或椭圆形状，并且其扫描面为一个平面。

根据本发明的上述器件的方法，其中连续输出能量的该连续波激光束通过用与窄区域相匹配地调制的脉冲而进行照射。

附图说明

图1A、1B、1C和1D为示出在一个实施例的第一形成方法中按照工艺次序形成一个工作半导体层的方法的截面示图；

图2A、2B、2C和2D为示出在图1A、1B、1C和1D之后按照工艺次序形成该工作半导体层的方法的截面示图；

图3为示出一个所处理的无定形硅层的平面示图；

图4为示出形成有热保持层的无定形硅层的状态的平面示图；

图5为示出CW(连续波)激光束的照射方向的平面示图；

图6A和6B为示出晶体生长状态的平面示图；

图7A、7B和7C为示出晶体生长的状态的平面示图；

图8为示出由光刻胶部分覆盖的工作半导体层的平面示图；

图9为示出构图的工作半导体层的平面示图；

图10为示出该完成的工作半导体层的晶体状态的光学显微照像；

图11为示出在第一形成方法中一个变形例子的无定形硅层的状态的平面示图；

图12A、12B、12C和12D为示出在一个实施例的第二形成方法中按照工艺次序形成一个工作半导体层的方法的截面示图；

图13A、13B、13C和13D为示出在图12A、12B、12C和12D之后按照工艺次序形成该工作半导体层的方法的截面示图；

图14为示出一个所处理的无定形硅层的平面示图；

图15为示出形成有热保持层的无定形硅层的状态的平面示图；

图16为示出CW激光束的照射方向的平面示图；

图17为示出晶体生长状态的平面示图；

图18为示出完成的工作半导体层的结晶状态通过光学显微镜拍摄的照片；

图19为示出具有与图18中的光学显示照像(倾角φ：45度)相同区域的窄区域的TEM照片；

图20为示出形成一个TFT工作半导体层的构图状态的截面示图；

图21为示出在第二形成方法中在一个变形例子中把激光照射到一个无定形硅层的状态的平面示图；

图22A、22B、22C和22D为示出完成的工作半导体层的结晶状态的由光学显微镜拍摄的照片；

图23A、23B和23C为示出通过EBSD系统观察与图22A、22B、22C和22D中由光学显微镜所拍摄的照片相同的窄区域的映象分析(mapping analysis)结果；

图24A、24B和24C为按照工艺次序示出制造与本实施例相关的TFT的方法的截面示图；

图25A、25B和25C为示出在图24A、24B和24C之后按照工艺次序制造与本实施例相关的TFT的方法的截面示图；

图26A和26B为示出在图25A、25B和25C之后按照工艺次序制造与本实施例相关的TFT的方法的截面示图；

图27A、27B和27C为示出在图26A和26B之后按照工艺次序制造与本实施例相关的TFT的方法的截面示图；

图28A和28B为分别示出使用根据第一形成方法的工作半导体层的n型和p型TFT的迁移率的特性曲线图；以及

图29A和29B为分别示出使用根据第二形成方法的工作半导体层的n型和p型TFT的迁移率的特性曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述应用本发明的具体实施例。

在本实施例中，薄膜晶体管(TFT)被简化作为一个半导体器件，并且将描述其结构以及其制造方法。

-工作半导体层的结构-

在描述制造方法之前，将首先描述作为本发明的一个特征的TFT工作半导体层的结构。

作为本发明的工作半导体层的最重要特征是使该工作半导体层的沟道部分基本上为一个单晶结构。为了在没有子晶的基片上形成具有这种结构的工作半导体层，如下机制是重要的。

(1)形成一个晶粒的机制，

(2)控制生长方向的机制，以及

(3)在生产过程中限制其它晶粒的出现的机制。

关于(1)

为了形成一个晶粒，需要从要形成单晶的区域上除去过量的晶粒边界。

关于(2)

受激准分子激光结晶(ELC)取决于高速度的熔化和固化处理。在硅熔化物和基底之间的界面上从偶然形成的晶核生长出晶体。极其难以控制晶核的位置。当晶核的数目较少时，晶粒直径远大于硅层的厚度，从而尽管晶粒的距离较短，但是可以认为出现横向生长的情况。晶体的尺寸由从相邻晶核生长的晶粒的冲突(collision)而确定。横向生长不能被人工控制，而是一种自然现象。另一方面，在使用能量束(在此为CW激光)来输出对于时间连续的能量的结晶处理中，通过扫描能量束而形成流型，从而可以在特定距离上控制生长方向。

关于(3)

为了限制除了目标晶粒之外的其它晶粒的生长，需要控制半导体层的温度梯度。

为了用单晶形成沟道区，需要防止作为流型的边界的晶粒边界进入该沟道区。因此，本发明根据机制(1)至(3)提出一种机制来防止晶粒边界进入沟道区，如下文所述。

-工作半导体层的形成方法-

下面描述工作半导体层的形成方法。

(第一形成方法)

首先，说明第一形成方法。图1A、1B、1C、1D和图2A、2B、2C、2D为按照工艺次序示出该工作半导体层的第一形成方法的截面示图。

首先，如图1A中所示，要作为缓冲层的氧化硅层2形成在玻璃基片1上，层面厚度大约为400纳米。然后，在此通过PECVD方法形成由无定形硅所制成的无定形硅层3，作为具有大约200纳米的层厚的半导体层。该无定形硅层3的层厚为400纳米或更小，最好大约为30纳米至大约200纳米，其厚度与下文所述的热保持层的层厚相关。接着，在玻璃基片1上在450度的温度下进行两个小时的热处理以除去氢。

接着，如图1B中所示无定形硅层3被处理为岛状。在本实施例中，无定形硅层3通过光刻和干法蚀刻而构图，使其具有一个宽区域3a和一个窄区域3b，并且该窄区域3b连接到该宽区域3a使得窄区域3b相对于宽区域3a不对称，如图3中所示。在此，宽区域3a和窄区域3b之间的边界附近变为一个颈部区域。

然后，如图1C中所示，通过PECVD方法形成一个氧化硅层4，作为一个隔离层，其具有大约50纳米的层厚，以覆盖无定形硅层3的整个表面(侧面和上表面)。

接着，如图1D中所示，通过等离子体CVD方法来形成一个无定形硅层，使其具有大约250纳米的层厚，以隔着该氧化硅层4覆盖该无定形硅层3，并且该无定形硅层被通过使用镍(Ni)的金属引导固相生长方法而改变为多晶硅层5。对于引导固相生长的金属杂质，可以使用除了镍之外的任何其它金属。在此时，固相生长温度被设置为570℃，并且用于热处理的时间被设置为8小时。尽管具有大约250纳米的层厚的无定形硅层被通过该处理改变为多晶硅层5，但是被作为隔离层的氧化硅膜4所覆盖的无定形硅层3被保持在无定形硅状态，因为氧化硅层4防止镍扩散。

多晶硅层5可以从开始用化学气相生长方法或者物理蒸发方法而形成，以覆盖无定形硅层3。最好使用无定形硅。

然后，如图2A和图4中所示，多晶硅层5被构图为岛状，以覆盖窄区域3b的侧部，然后通过使用HF溶液除去暴露的氧化硅膜4。在此时，窄区域3b的表面上除了侧部之外被暴露。

然后，如图2B中所示，在作为热保持层的多晶硅层5从侧表面隔着氧化硅膜4包住窄区域3b的状态下，窄区域3b被CW激光束(在此为半导体激发(LD激发)的固态激光(DPSS激光))从上表面照射，以使无定形硅层3结晶，从而形成该工作半导体层11。

在此，作为一个例子，上述固态激光器是使用具有532纳米的波长的二次谐波的半导体LD激发Nd:YVO₄激光器，其输出为10w。在半导体LD激发的固态激光器中，表示能量束的不稳定性的噪声(光噪声)在10Hz至2MHz的范围内为0.1rms％或更小，并且能量束输出不稳定性的指数小于±1％每小时，这与其它能量束相比是非常优良的。

顺便提及，CW激光束照射的部分不限于基片的前表面，而且它可以从后表面照射。

对于CW激光束的照射方向(扫描方向)，如图5中所示，该射束与窄区域3b的纵向方向相平行从面积较大的宽区域3a向着面积较小的窄区域3b扫描。在此时，宽度突然变窄的颈部区域产生所谓的滤波效应，从而在该区域中的许多晶粒边界消失，并且防止该晶粒边界进入到窄区域3b。因此，形成一个单晶硅。顺便提及，当照射该CW激光束时，还可以利用通过与窄区域3b相匹配而调制的脉冲照射连续输出能量的CW激光束。

下面描述根据该形成方法通过照射CW激光束而形成单晶硅的原理。

由于仅仅在窄区域3b的侧面部分上无定形硅层3被作为热保持层的厚多晶硅层5所覆盖，因此在侧表面上的多晶硅层5作为储热器。结果，没有晶核从窄区域3b的侧边缘产生。在这种情况中，在温度降低的过程中从窄区域3b的中部进行结晶。但是，由于仅仅窄区域3b的侧面部分被多晶硅层5有选择地覆盖，因此难以降低该侧面部分的温度，从而可以实现有效的结晶。在窄区域3b的结晶时，在颈部区域中选择的单晶粒作为晶种(图6A)。由于CW激光束与窄区域3b相平行地扫描，因此固态-液态界面也与窄区域3b相平行地移动。由于仅仅从一个晶种开始结晶，则在窄区域3b中形成一个单晶硅(图6B)。

在宽区域3a中的晶体生长中，在宽区域3a的边缘形成晶核，该晶体向内部生长。

在宽区域3a中，如图7A中所示，在具有5微米或更大的晶粒直径的大颗粒的扫描方向中流动的流型内执行晶体生长，该大颗粒对应于由受激准分子激光结晶(ELC)所形成的晶体的颗粒直径的10至100倍的大小。在此时，晶粒边界向着宽区域3a的中央移动。

在图7B中示出用光学显微镜观察的实际结果。该图像示出通过执行干法蚀刻(seccoetching)而形成的晶粒边界的示意图。

作为形成与宽区域3a相对称的窄区域3b的一个例子在图7C中示出，以与本例相比较。因此，由于形成在宽区域3a中的流型的晶粒边界向着宽区域3a的中部移动，则当窄区域3b被设置在宽区域3a的中部时，该晶粒边界大量地进入窄区域3b。在此时，在窄区域3b中生长单晶的可能性非常低。

另一方面，由于在本例中窄区域3b被形成为与宽区域3a不对称，因此晶粒边界倾斜地移向窄区域3b。相应地，在窄区域3b到宽区域3a的边界部分，晶粒边界碰到窄区域3b的壁面并且消失，从而防止进入窄区域3b内部。因此，窄区域3b非常容易获得单晶状态。

另外，由于CW激光束从具有大面积的宽区域3a向着具有小面积的窄区域3b扫描，因此晶粒倾向于随着扫描距离越长而生长得越大。一旦形成大晶粒，则晶粒边界进入窄区域3b的可能性减小。相应地，希望窄区域3b的宽度小于晶粒的宽度。

另外，在窄区域3b中，在被CW激光束液化之后的固化时间中，形成在中央部分为低温和在外围部分为高温的温度分布。由于这种温度分布，形成从中央部分到外围部分的温度梯度，即使晶粒边界混合到窄区域3b中，该晶粒边界在晶体生长过程中向外部移动。换句话说，当扫描距离变长时，所有缺陷部分向外移动，从而促进单晶的形成。

由于上述机制，在单晶形成中该窄区域3b被结晶。

然后，如图2C和图8中所示，在如此形成的工作半导体层11中不存在氧化硅膜4和多晶硅层5的部分被光刻胶膜12所覆盖。

如图2D中所示，在使用光刻胶膜12作为掩膜通过干法蚀刻除去多晶硅层5之后，通过灰化处理等等而除去该光刻胶膜12，然后通过HF溶液除去氧化硅膜4。

如上文所述，完成该工作半导体层(硅岛)11。

如此完成的工作半导体层11的结晶状态的光学显微照片在图10中示出。

在此，执行干法蚀刻，使该缺陷出现，并且使用仅仅保留窄区域11b的掩膜图案研究窄区域11b的结晶性。这是为什么宽区域11a的一部分消失的原因。从该照片可以看出窄区域11b处于单晶状态。

通过使用如此形成的硅岛，可以通过如图9中所示的其它新的图案而形成该TFT工作半导体层11，其形状为使窄区域11b与宽区域11a对称。在此，由于例如层面的剥离这样的缺陷容易出现在硅岛外围边界部分上，因此通过用该构图除去外围部分而形成没有缺陷的更加优良的工作半导体层。

-变型例子-

考虑一种优良的晶体生长方法，在此将说明用于形成具有不同图案形状的变形例子。

在本例中，在把无定形硅层3处理为岛状时，在后来的激光照射处理过程中，在宽区域3a的流型中接近于窄区域3b的晶粒边界的一个端部处形成切口13，如图11中所示。然后，进一步限制在该流型中的晶粒边界进入窄区域3b，从而更加可靠地实现单晶。

(第二形成方法)

首先，说明第二形成方法。图12A、12B、12C、12D和图13A、13B、13C、13D为按照工艺次序示出该工作半导体层的第二形成方法的截面示图。

首先，如图12A中所示，要作为缓冲层的氧化硅层2形成在玻璃基片1上，层面厚度大约为400纳米。然后，在此通过PECVD方法形成由无定形硅所制成的无定形硅层31，作为具有大约200纳米的层厚的半导体层。该无定形硅层31的层厚为400纳米或更小，最好大约为30纳米至大约200纳米，其厚度与下文所述的热保持层的层厚相关。接着，在玻璃基片1上在550度的温度下进行两个小时的热处理以除去氢。

接着，如图12B和14中所示，通过光刻和干法蚀刻对无定型硅层31进行构图成形，从而它具有宽区域31a和窄区域31b，并且窄区域31b连接到宽区域31a，使得窄区域31b相对于宽区域31a对称。在此，宽区域31a和窄区域31b之间的边界附近变为一个颈部区域。

然后，如图12C中所示，通过PECVD方法形成作为隔离层的氧化硅膜4，其使具有大约50纳米的厚度，以覆盖无定形硅层31的整个表面(侧面和上表面)。

接着，如图12D中所示，通过等离子体CVD方法形成无定形硅层，使其具有大约250纳米的厚度，以隔着氧化硅膜4覆盖无定形硅层31，并且通过使用镍(Ni)进行金属引导的固相生长，使该无定形硅层改变为多晶硅层5。对于引导固相生长的金属杂质，可以使用除了镍之外的任何其它金属。在此时，固相生长温度被设置为570℃，并且用于热处理的时间被设置为8小时。尽管具有大约300纳米的层厚的无定形硅层通过该处理被改变为多晶硅层5，但是被作为隔离层的氧化硅膜4所覆盖的无定形硅层31保持在无定形硅状态，因为氧化硅膜4防止镍产生扩散。

可以在开始通过化学气相生长方法或物理蒸发方法形成多晶硅层5，以覆盖无定形硅层31。并且最好还使用无定形硅。

然后，如图13A和图15中所示，多晶硅层5被构图为岛状，以覆盖窄区域31b的侧面部分，然后使用HF溶液除去暴露的氧化硅膜4。在此时，窄区域31b的表面除了侧面部分之外被暴露。

然后，如图13B中所示，在作为热保持层的多晶硅层5从侧表面隔着氧化硅膜4包住窄区域31b的状态下，窄区域31b被CW激光束(在此为半导体激发(LD激发)的固态激光(DPSS激光))从上表面照射，以使该无定形硅层31结晶，从而形成该工作半导体层11。

作为一个例子，上述固态激光器(在此为CW激光器)是使用具有532纳米的波长的二次谐波的半导体LD激发Nd:YVO₄激光器，其输出为10w。在半导体LD激发的固态激光器中，表示能量束的不稳定性的噪声(光噪声)在10Hz至2MHz的范围内为0.1rms％或更小，并且能量束输出不稳定性的指数小于±1％每小时，这与其它能量束相比是非常优良的。

顺便提及，CW激光束照射的部分不限于基片的前表面，而且它可以从后表面照射。

在该形成方法中，在把CW激光束照射到无定形硅层31时，如图16中所示，CW激光束的射束点41的扫描平面42从(由图16中的Y轴所表示的)垂直位置向(由图16中的X轴所表示的)无定形硅层31的纵向方向倾斜预定的角度(倾角φ)，并且射束点41在垂直方向向着(由图16中的Y轴和箭头M所表示的)无定形硅层31的纵向方向扫描。在此，对于射束点41，最好使用带状或椭圆形状，并且其扫描平面42基本上为一个平面。在此时，由于在宽度突然变窄的位置作为一个颈部区域，因此形成一个单晶硅。

下面描述根据该形成方法通过照射CW激光束来形成单晶硅的机制。

如图17中所示，为了把作为TFT沟道的窄区域31b形成为一个单晶，需要抑制晶核出现在窄区域31b上，并且防止在要作为晶粒的边界的宽区域31a中具有大面积的区域A上生长的晶粒边界进入窄区域31b。在该形成方法中，通过向着窄区域31b到宽区域31a的边界部分倾斜而扫描和照射该射束点41，该晶粒边界被形成在与射束点41的扫描平面42的边界相垂直的方向上。因此，晶粒边界被倾斜地形成，使得射束点41向X轴方向倾斜。相应地，即使从晶核生长的一个晶粒的晶粒边界进入该窄区域31b，该晶粒边界倾斜地移向该窄区域31b，并且在窄区域31b到宽区域31a的边界部分，该晶粒边界碰到窄区域31b的壁面，并且大部分边界消失，从而限制该晶粒边界进入到窄区域31b内部。因此，窄区域31b比较容易获得单晶状态。

在该形成方法中，该晶粒边界以较高的可靠性倾斜地进入宽区域31a与窄区域31b之间的边界部分，这与上述第一形成方法不同。换句话说，根据该形成方法，可以确保晶粒边界碰到窄区域31b的壁面，而不是偶然性的。

考虑上文的描述，最好使射束点41的扫描平面42的倾角φ为+15度至+75度，或者-75度至-15度。这是因为当该角度等于或小于+15度时(等于或大于-15度)，晶粒边界难以碰到窄区域31b的壁面，当该角度等于或大于+75度时(等于或小于-75度)，则由于窄区域31b的单晶率降低，因此难以保证CW激光束有效照射到无定形硅层31上。

由于不定形硅层31被厚的多晶硅层5所覆盖，其作为仅仅在窄区域31b的侧面部分上的热保持层，在侧面上的多晶硅层5作为具有大热容量的储热器。因此，熔化物的冷却速度较小并且无定形硅层31的热分布被控制，从而晶核形成的位置和晶体生长的方向被控制。在这种情况中，通过降低温度从窄区域31b的中部进行结晶化。但是，由于仅仅窄区域31b的侧面部分被多晶硅层5有选择地覆盖，因此难以降低侧面部分的温度，并且可以实现有效地结晶。结果，可以高度可靠地实现具有大晶粒直径的结晶状态，而不会从窄区域31b的侧壁出现晶核。

另外，由于当激光的扫描距离越长时晶粒生长得越大，因此在倾斜方向上生长晶体是有利的。另外，类似于第一形成方法，通过在相对于宽区域31a不对称的位置形成窄区域31b，并且通过形成较大的宽区域31a，可以进一步延长激光的扫描距离。一旦形成大的晶粒，则晶粒边界进入窄区域31b的可能性进一步减小。

在窄区域31b，在被CW激光束熔化之后再固化时，在中央部分为低温以及在外围部分为高温的温度分布，即使晶粒边界混合到窄区域31b中，它在晶体生长过程中移向外部。换句话说，当扫描距离变长时，所有缺陷部分向外移动，从而促进单晶的形成。

由于上述机制，在单晶形成中，该窄区域31b被结晶化。

然后，类似于第一形成方法，如图13C中所示，在如此形成的工作半导体层32中在没有氧化硅膜4和多晶硅层5的位置被光刻胶膜12所覆盖。

如图13D中所示，在使用光刻胶膜12作为掩膜通过干法蚀刻除去多晶硅层5之后，通过灰化处理等等除去光刻胶膜12，然后通过HF溶液除去氧化硅膜4。

如上文所述，完成该工作半导体层(硅岛)32。

如此完成的工作半导体层32的结晶状态的光学显微照片在图18中示出。

在此，作为一个例子，当通过给出倾角为φ的射束点而进行结晶时，以倾角φ等于45度为例。发现在窄区域中形成单个晶粒而没有大的晶粒边界。另外，由于没有发现在窄区域中层面的干涉颜色发生大的改变，因此得知可以获得一个平坦层面。对于工作半导体层的平整度，当表面的粗糙度Ra大约为7或更小时，该工作半导体层被认为是足够平整。实际上，当通过AFM的观察图像研究在窄区域中的表面粗糙度Ra时，Ra等于4纳米。

接着，图19中示出作为与图18中的光学显微照片相同区域(倾角φ：45度)的窄区域的TEM的观察结果。

在电子衍射图案中看到没有错位等等现象的清晰图案，并且在大约8微米×20微米的窄区域中没有看到晶粒边界，从而认为这是一个单晶粒。另外，从电子衍射图案看出在窄区域中的单晶状态具有(110)方向。类似的，它可以被控制为具有(100)方向作为单晶状态。实际上，当本发明人研究在窄区域中的单晶状态时，发现如果倾角φ为15度至45度，最好为30度至45度，则晶体容易具有(100)方向，并且如果倾角φ为45度至75度，最好为45度至60度，则倾角具有(110)方向。

如上文所述，根据该当前的形成方法，可以形成具有良好结晶性的单晶粒，并且当无定形硅层31的窄区域31b结晶时控制晶体的方向。

通过使用如此形成的硅岛，可以通过如图20中所示进一步构图所形成的具有宽区域32a和窄区域32b的TFT工作半导体层32。在此，由于例如层面的剥离这样的缺陷容易出现在硅岛的外围边界上，因此通过该构图除去外围边界部分而形成没有缺陷的优良的工作半导体层。

-变型例子-

在上述第二形成方法中，在把CW激光束照射到无定形硅层31上时，发现通过把射束点41的扫描平面42倾斜该倾角φ，射束点41在与无定形硅层31的纵向方向相垂直的方向上扫描。但是，在该变型例子中，如图21中所示，射束点41的扫描平面42被倾斜该倾角φ，并且射束点41沿着倾角φ的方向扫描(由图21中的箭头N所示)。顺便提及，在该变型例子中，仅仅射束点41的扫描方向与第二形成方法的方向不同，但是工作半导体层32的形状，结晶的外表和机制、CW激光器的结构和使用(除了扫描方向之外)，等等与第二形成方法相同。

通过光学显微镜拍摄的所完成的工作半导体32的结晶状态在图22中示出。

在此，作为各个例子，当通过给出倾角为φ的射束点而进行结晶时，在图22A、22B、22C和22D中分别示出倾角φ和扫描方向为-45度、30度、45度和60度的例子。在各个照片中，发现在该窄区域中形成一个单晶粒，而没有大晶粒边界。另外，由于在窄区域中没有看到层面的干涉颜色发生大的改变，因此认为可以获得一个平坦层面。

接着，映射分析的结果在图23A、23B和23C中示出，其中通过一个EBSD(电子反向散射衍射)系统观察与图22A、22B、22C和22D(倾角φ和30度、45度和60度的扫描方向)中的光学显微镜的照片相同的窄区域。图23A、23B和23C分别对应于倾角φ和30度、45度和60度的扫描方向。在每个图23A、23B和23C中，对于(100)的晶粒表面所指向的方向由基本三角形的颜色所表示。

由于在颜色上没有大的改变并且在示出晶体方向的一个指示符的IPF(反极象图)映射分析中的整个窄区域由相同的颜色所表示，因为认为形成一个单晶粒。另外，由于在窄区域中的晶粒可以清楚地在示出在EBSD系统中的清晰度指示符的一个IQ(图像质量)映射分析中清楚示出，因此认为在该窄区域中形成具有优良结晶性的晶粒，其没有晶粒边界也没有表面应力(surface strain)。

另外，当以相同的倾角φ和相同的扫描方向进行激光扫描而形成的窄区域的任何位置分别被EBSD所选择和分析时，各个晶体的方向在相同的倾角φ和扫描方向上相对接近于(100)。这表示通过调节倾角φ和扫描方向，可以在特定程度上控制晶体方向。具体来说，当本发明人研究在窄区域中的单晶状态时，发现如果倾角φ为15度至45度，最好为30度至45度时，该晶体容易具有(100)的方向，并且如果倾角φ为45度至75度，最好为45度至60度，则该晶体具有(110)方向。

在该变形中，类似于第二形成方法，可以确保晶粒边界碰到窄区域31b的壁面，而不是偶然发生，从而可以使窄区域31b高度可靠地变为大晶粒直径的单晶状态。

-TFT的制造-

使用如上文所述形成的工作半导体层11或32，制造一个TFT(n沟道TFT)。图24A至图27C为按照工艺次序示出与本实施例相关的TFT的制造方法的截面示图。下面假设使用根据第一形成方法的工作半导体层11进行描述。

首先，如图24A中所示，在玻璃基片21至作为缓冲层的氧化硅层22的上方准备通过上述方法形成的工作半导体层11。在此，工作半导体层11的窄区域11b作为一个沟道。

然后，如图24B中所示，通过PECVD方法在工作半导体层11上形成作为具有大约120纳米的层厚的栅氧化膜的氧化硅层23。在此时，可以使用其它方法，例如LPCVD方法或溅射方法。

然后，如图24C中所示，通过溅射方法形成铝膜(或者铝合金膜)24以具有大约350纳米的膜厚。

接着，如图25A中所示，通过光刻以及随后的干法蚀刻方法把铝膜24构图为一个电极形状，以形成一个栅极24。

然后，如图25B中所示，使用该构图的栅极24作为掩膜对氧化硅层23进行构图，以形成复制该栅极24的形状的栅氧化膜23。

然后，如图25C中所示，使用该栅极24作为掩膜在两侧部分对该工作半导体层11的栅极24进行离子注入。具体来说，n型杂质(在此为磷(P))在10keV的加速能量和5×10¹⁵/cm²的剂量的条件下进行离子注入，以形成源/漏区。

然后，如图26A中所示，在把受激准分子激光照射到源/漏区上以激活其中的磷，如图26B中所示，淀积层厚大约为300纳米的SiN，以覆盖层的表面，从而形成一个层间绝缘层25。

然后，如图27A中所示，分别使工作半导体层11的栅极24的表面部分和源/漏区的表面部分暴露的接触孔26被形成为该层间绝缘层25上的一个开孔。

然后，如图25B中所示，在形成由铝所制成的金属膜27等等以嵌入每个接触孔26之后，金属膜27被构图以形成分别通过如图27C中所示的接触孔26与工作半导体层11的栅极24和源/漏区相导通的布线27。

然后，在覆盖整个表面的热保持层的形成之后完成该n型TFT。

实际上，该实施例的n型TFT按照这样一种方式来产生，使得工作半导体层11具有大约5微米的沟道长度以及大约3微米的沟道宽度。作为检测其迁移率的结果，可以获得高达560cm²/Vs的高迁移率(图28A)。顺便提及，作为测量使用相同方法所制造的p型TFT的迁移率的结果，可以获得200cm²/Vs的迁移率(图28B)。

另外，使用根据第二形成方法的工作半导体层32，按照与图24A至图27C相同的方式制造n型TFT(大约5微米的沟道长度，大约3微米的沟道宽度)。作为测量其迁移率的结果，可以获得高达580cm²/Vs这样的高迁移率(图29A)。顺便提及，作为测量使用相同方法所制造的p型TFT的迁移率的结果，可以获得234cm²/Vs的迁移率(图29B)。

如上文所述，根据本实施例，可以形成具有可忽略的晶粒边界的小影响的优良的工作半导体层11或32，以实现具有极高迁移率的TFT。

应当指出，尽管在本实施例中无定形硅被用作为一个半导体层，但是除了无定形硅之外可以使用多晶硅。另外，该多晶硅可以通过金属引导固相生长方法而形成。最好通过升高基片的温度或者释放结晶的热应变，还可以提高晶体的质量。另外，可以使用硅与锗的混合物(组合物)。

在本实施例中所述的半导体器件可以应用于具有TFT、面板基系统(system-on-panel)、玻璃基系统(system-on-glass)以及SOI元件的外围电路集成形的液晶显示器(LCD)。

根据本发明，可以提供一种薄膜型半导体器件，其通过从具有可忽略的液晶边界的小影响的薄半导体层形成一个工作半导体层，而实现极高的迁移率，并且提供一种能够容易和可靠地制造半导体器件的半导体器件制造方法。

本实施例在各个方面被认为是说明性而非限制性的，并且在权利要求的等价含义和范围内的所有改变被包含在内。本发明可以体现在其它具体形式中而不脱离其精神或本质特征。

Claims (28)

1.一种制造薄膜型半导体器件的方法，该半导体器件具有基片和构图形成在该基片上的工作半导体层，其中包括如下步骤：

在该基片上形成要作为工作半导体层的一个半导体层；

处理该要整形的半导体层，从而它具有宽区域和比所述宽区域窄的窄区域，并且窄区域连接到宽区域，使得该窄区域被设置为相对于宽区域不对称；

在处理该半导体层之后，形成窄区域的热保持层，以隔着一个隔离层有选择地覆盖该窄区域的侧面部分；以及

在形成热保持层的状态下，通过把能量束沿着窄区域的纵向方向从宽区域向窄区域照射到半导体层上而使该半导体层结晶。

2.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中在处理该半导体层时，一个切口形成在该窄区域中。

3.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中在半导体层的结晶之后，通过除去半导体层的外围边缘部分而对该工作半导体层构图，以便使该半导体层成形为使得窄区域与宽区域相对称地设置。

4.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中该能量束对于时间连续地输出能量。

5.根据权利要求4所述的制造半导体器件的方法，其中对于时间连续地输出能量的该能量束为连续波激光束。

6.根据权利要求5所述的制造半导体器件的方法，其中该连续波激光束是半导体激励的固态激光束。

7.根据权利要求4所述的制造半导体器件的方法，其中能量束的输出不稳定性小于±1％每小时。

8.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中该半导体层具有400纳米或更小的厚度。

9.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中该窄区域被形成作为用于工作半导体层的一个沟道。

10.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中该窄区域被形成为具有比所述工作半导体层的晶粒的宽度更窄的宽度。

11.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中该能量束的射束点为带状或椭圆形状，并且其扫描面为一个平面。

12.根据权利要求1所述的制造半导体器件的方法，其中连续输出能量的该连续波激光束通过用与窄区域相匹配地调制的脉冲而进行照射。

13.一种制造薄膜型半导体器件的方法，该半导体器件具有基片和构图形成在该基片上的工作半导体层，其中包括如下步骤：

在该基片上形成要作为工作半导体层的一个半导体层；

处理该半导体层，以便整形为它具有宽区域和比所述宽区域窄的窄区域；以及

通过把能量束按照使能量束的射束点的扫描平面从半导体层的垂直位置到纵向方向倾斜的方式照射到半导体层上，而使该半导体层结晶。

14.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中当把能量束照射到半导体层上时，该射束点沿着半导体层的纵向方向扫描。

15.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中当把能量束照射到半导体层上时，该射束点在与被倾斜的射束点的倾斜角的方向上扫描。

16.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中该射束点的扫描平面的倾斜角在+15度和+75度之间，或者在-75度和-15度之间。

17.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中在处理该半导体层时，一个切口形成在该窄区域中。

18.根据权利要求14所述的制造半导体器件的方法，其中进一步包括如下步骤：

在处理该半导体层之后，形成窄区域的热保持层，以隔着一个隔离层覆盖该窄区域的侧面部分；

其中在形成热保持层的状态下，把能量束沿着窄区域的纵向方向照射到半导体层上。

19.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中在半导体层的结晶之后，通过除去半导体层的外围边缘部分而对该工作半导体层构图，以使得该半导体层成形，从而该窄区域与宽区域相对称地设置。

20.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中该能量束对于时间连续地输出能量。

21.根据权利要求20所述的制造半导体器件的方法，其中对于时间连续地输出能量的该能量束为连续波激光束。

22.根据权利要求21所述的制造半导体器件的方法，其中该连续波激光束是半导体激励的固态激光束。

23.根据权利要求20所述的制造半导体器件的方法，其中能量束的输出不稳定性小于±1％每小时。

24.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中该半导体层具有400纳米或更小的厚度。

25.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中该窄区域被形成作为用于工作半导体层的一个沟道。

26.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中该窄区域被形成为具有比所述工作半导体层的晶粒的宽度更窄的宽度。

27.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中该能量束的射束点为带状或椭圆形状，并且其扫描面为一个平面。

28.根据权利要求13所述的制造半导体器件的方法，其中连续输出能量的该连续波激光束通过用与窄区域相匹配地调制的脉冲而进行照射。

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