[发明专利]薄膜晶体管及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜晶体管及其制造方法、以及使用该薄膜晶体管的半导体装置及显示装置。

背景技术

薄膜晶体管(以下也称为“TFT”)已在液晶显示器的技术领域中被广泛地应用。TFT是一种场效应晶体管，它是根据形成沟道的半导体膜很薄的事实来命名的。现在，使用非晶硅或多晶硅作为该半导体薄膜来制造TFT的技术已被付诸应用。

长期以来，与非晶硅或多晶硅相同，被称为“微晶硅“的半导体材料是公知的，并且也存在关于与场效应晶体管有关的微晶硅的报告(例如，参照专利文献1：美国专利No.5,591,987)。然而，直到现在，与非晶硅晶体管和多晶硅晶体管相比，人们并未关注使用微晶硅的TFT；其实用化存在延迟，且其报告仅见于学术观点(例如，参照非专利文件1：Toshiaki Arai等人，“SID’07论文集”2007，第1370-1373页)。

可以通过等离子体CVD法利用等离子体(弱电离等离子体)使源气分解而在诸如玻璃之类的具有绝缘表面的衬底上形成微晶硅膜；然而，因为反应在非平衡状态下进行，所以认为难以控制晶核生成或晶体生长。

已经对微晶硅进行了各种研究。根据一种假说，微晶硅的生长机理如下：首先，原子随机构成的非晶相在衬底上生长，之后晶核开始生长(参照非专利文献2：Hiroyuki Fujiwara等人，“日本应用物理期刊(Jpn.J.Appl.Phys.)”第41卷，2002，第2821-2828页)。在非专利文献2中，因为当微晶硅的核开始生长时在非晶表面上观察到特异的硅-氢键，所以认为可以利用形成微晶硅膜时所使用的氢气浓度来控制微晶硅核的密度。

另外，还研究了诸如氧、氮的杂质元素对微晶硅膜的生长表面造成的影响，并且已有如下报告：通过降低杂质浓度，微晶硅膜的晶粒的粒径增大，因此缺陷密度(具体是电荷缺陷密度)降低(参照非专利文献3：ToshihiroKamei等人，“日本应用物理期刊(Jpn.J.Appl.Phys.)”第37卷，1998，第L265-L268页)。

此外，存在为了改善TFT的工作特性而需要提高微晶硅膜的纯度的报告，并且已尝试了通过将氧浓度、氮浓度、碳浓度分别控制为5×10¹⁶cm^-3、2×10¹⁸cm^-3、1×10¹⁸cm^-3来提高有效迁移率(参照非专利文献4：C.-H.Lee等人，“国际电子器件会议技术论文集(Int.Electron Devices Meeting Tech.Digest)”，2006，第295-298页)。另外，已报告了具有提高的有效迁移率的微晶半导体膜的制造，其中等离子体CVD的沉积温度被设定为150℃、氧浓度被降低到1×10¹⁶cm^-3(参照非专利文献5：Czang-Ho等人，“应用物理快报(Appl.Phys.Lett)”，第89卷，2006，第252101页)。

发明公开

然而，在通过在形成非晶硅膜之后设置由金属材料形成的光热转换层并执行激光辐照而形成微晶硅膜的方法中，可以提高结晶度；但是从生产率方面来看，相比通过激光退火形成的多晶硅膜并无优势。

虽然在微晶硅核开始生长时在非晶表面观察到特异的硅-氢键，但是无法直接控制核生成位置和核生成密度。

另外，通过提高微晶硅的纯度并降低杂质浓度，能得到晶粒的粒径增大且缺陷密度(具体是电荷缺陷密度)降低的微晶硅膜。然而，虽然这样的努力有助于改变微晶硅膜的物理性质，但这些策略不一定能改善TFT等的元件特性。这是因为：考虑到半导体元件是有意控制流过半导体中的电子或空穴导致的载流子流而进行工作的事实，改善元件特性要求改善有助于载流子流动的微晶硅膜的特定部分的膜质量。

鉴于上述描述，本发明的一个实施例的目的在于控制微晶半导体膜或包含晶粒的半导体膜的膜质量从而改善以TFT为代表的半导体元件的工作特性。本发明的一个实施例的另一目的在于通过控制微晶半导体膜或包含晶粒的半导体膜的沉积过程来改善以TFT为代表的半导体元件的特性。再者，本发明的一个实施例的另一目的在于提高薄膜晶体管的导通电流。

本发明的一个实施例如下：在形成非晶结构中包含多个晶体区域的半导体层时，通过控制作为晶体区域开始生长的起点的晶核的生成位置和生成密度，可控制该半导体层的质量。本发明的另一个实施例如下：在制造将非晶结构中包含多个晶体区域的半导体层作为沟道形成区的薄膜晶体管时，根据载流子流过的区域控制作为晶体区域开始生长的起点的晶核的生成位置和生成密度。