[发明专利]多晶半导体薄膜衬底及其制造方法、半导体器件和电子器件

说明书

技术领域

本发明涉及多晶半导体薄膜衬底及其制造方法、半导体器件、半导体器件和电子器件的制造方法，特别是涉及能有效地用于在多晶膜(多晶半导体薄膜)的表面层中制造晶体管(薄膜晶体管：TFT)的技术、用于制造薄膜晶体管的多晶半导体薄膜衬底的制造技术以及包含薄膜晶体管的电子装置例如液晶显示器和数据处理器。

背景技术

在先有技术中，已经使用作为器件材料的多晶硅形成用于图像显示器的薄膜晶体管(TFT)，此多晶硅是通过熔融再结晶法例如准分子激光退火从非晶硅和微晶硅而形成的，所述非晶硅或微晶硅是通过等离子CVD工艺形成在如采用玻璃或石英上作为基材的绝缘衬底上的。

下面将参考图17(a)至(d)描述先有技术中的半导体器件(TFT)及其制造方法。如图17(a)所示，在玻璃衬底201的表面上淀积非晶硅薄膜202。

然后，如图17(b)所示，当利用线性准分子激光束204在箭头203的方向上扫描非晶硅薄膜202的表面时，非晶硅薄膜202通过准分子激光束204被加热并且从非晶结构变到多晶结构。当在扫描下由准分子激光束204加热了整个非晶硅膜202的表面时，就形成了多晶硅薄膜205，如图17(c)所示。在图17(c)中，多晶硅薄膜205由硅晶粒制成，在晶粒之间形成了晶界206。

上述工艺称为激光加热工艺。当在包括低熔融材料如玻璃的衬底上制备高质量的多晶硅薄膜时采用此工艺。更具体地说，例如在“1996 Societyfor Information Display International Symposium Digest of TechnicalPaper，pp17-29”和“IEEE Transactions on ElectronDevice，vol.43，No.9，1996，pp1454 to 1458”等中有详细的描述。

图17(d)显示了利用图17(c)中的多晶硅薄膜形成的晶体管(TFT)。

栅绝缘膜208例如氧化硅膜设置在多晶硅薄膜205上。此外，在多晶硅薄膜205上形成源杂质注入区207和漏杂质注入区206。通过在源杂质注入区207和209以及栅绝缘膜208上设置栅极形成薄膜晶体管。

图18显示了在先有技术中硅晶粒的尺寸和多晶硅薄膜的粗糙度与照射激光能量之间的关系曲线(晶粒尺寸与激光能量密度的关系曲线301)。在200mJ/cm²或更低的激光能量密度的能量下，不能使硅结晶，但当能量密度超过200mJ/cm²时开始结晶，晶粒尺寸随着激光能量密度的增加而增加。

然而，当激光能量密度超过250mJ/cm²时，硅晶粒变得更小。由于通过增加硅晶粒的尺寸可以制造具有良好特性的多晶硅薄膜晶体管，因此将激光的能量密度设为250mJ/cm²。

在先有技术中，激光能量密度的值有时可以随着非晶硅膜的特性(例如，生长方法、膜厚)而变化。例如在“Applied PhysicsLetters，Vol.63，No.14，1993，pp1969-1971”中具体描述的。

此外，为了增加晶粒的粒径，最好通过在400℃加热衬底进行激光照射。这是因为通过加热衬底降低了固化速度，粒径增加到大约500nm。此外，由于在激光束的端部引起温度梯度，因此晶粒尺寸显著变化。为了防止这些缺陷，最好在重叠的状态下照射激光。这些在“Proceedings ofThe Institute of Electronics，Information and Communication EngineersC-II Vol.J76-C-II，1993，pp241-248”中报道了。

此外，为了使晶粒的尺寸均匀，首先以低能量密度施加第一激光照射，接着，以结晶所需要的高能量密度施加第二激光照射。为了通过第一激光照射形成籽晶和通过第二激光照射使其结晶，施加上述两个步骤的激光照射。在这种情况下，在提高均匀度的同时，也减小了粒径。上述内容在“Proceedings of 42th Laser Materials ProcessingConference，1997，pp.121-130”中报道了。

本发明的公开

已经发现上述先有技术包含以下问题。

例如，当在栅极下面的硅沟道区中存在许多晶界时，由于传导载流子的变化，其非均匀性有时会降低载流子迁移率μ到几个cm²/V.s。

此外，当存在于栅极下面的硅沟道区中的晶界密度变化时，在各个晶体管中，阈电压V_th变化到几伏。