[发明专利]半导体器件和晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜晶体管(TFT)及其制造方法。依本发明的薄膜晶体管可以做在诸如玻璃的绝缘衬底上，也可做在如由晶体硅制成的衬底上。特别是本发明涉及一种通过结晶化和热退火激活等工艺步骤来制造的薄膜晶体管。

背景技术

近来，对包含一绝缘衬底并在其上设有一薄膜有源层(有时也称之为有源区)的绝缘栅型半导体器件进行了有效地研究。特别是，对薄膜型绝缘栅晶体管即通常所说的薄膜晶体管(TFT)的研究付出了极大的努力。将多个TFT做在透明的绝缘衬底上，主要是为了用它们来控制矩阵驱动显示装置的每个象素或驱动电路。根据TFT所用的半导体的材料和状态，可将TFT分为非晶硅TFT和结晶硅TFT。

在上述的诸多TFT中，非晶TFT的制造可不必经受高温工艺过程。非晶TFT早已投入实用，因为当把它们制做在大面积衬底上时，其成品率高。一般在实际的非晶硅TFT中采用倒梯型(也称之为底栅型)非晶硅TFT。此类非晶硅TFT的栅电极设在有源区的下方。

制造现有的TFT的工艺步骤包括：在一衬底上形成一栅电极；形成做为栅绝缘膜的非晶硅膜和有源层；以及在非晶硅膜上形成一N型结晶细密的硅膜，以设置源和漏区。然而、由于N型硅膜与作为基底而设置的非晶硅膜的腐蚀速率几乎相同，所以该工艺要求额外的步骤，例如设置一腐蚀终止层和类似层。

作为一种克服上述问题的措施，提供一种用离子掺杂工艺，将高速离子直接注入到非晶硅膜中形成源和漏的方法。

但该法尚有不尽人意之处，因为它产生的离子注入区的结晶性被明显损伤。这些区的电导率低，因而尚不适于实用。也曾提出，用激光束和类似的光能使这些区退火，以增大其结晶性，然而，此法不适用于批量生产。

目前实际有用的方法是靠加热使非晶硅结晶化的方法。但是此法要求在600℃或以上的温度的退火。因而由于衬底的问题此工艺也不受欢迎。更具体地说，一般用于非晶硅TFT的无碱玻璃衬底在600℃或低一些温度下即开始变形(如Corning^#7059玻璃衬底软化点在593℃)。在600℃的退火会使玻璃衬底收缩或变形。

而且，600℃的退火会损伤先前在低温下制作的非晶硅的特性。更具体地说，使有源区也经受在600℃的结晶化，而完全丧失了有利的特性，即非晶硅TFT不再具有它的低漏电流之特征。这问题要求结晶化工艺能在更低温度下进行(最好是在低于玻璃的变形温度50℃或再低些的温度)。

一般，处于非晶态的半导体具有低的电场迁移率。因而，它们不能用于要求高速运作的TFT。而且，P型非晶硅的电场迁移率极低。这就使P沟TFT(PMOS TFT)的制造行不通。以此推断得不到互补的MOS电路，因为为实现CMOS必须P沟TFT与N沟TFT(NMOS TFT)相结合。

与非晶半导体相比，晶体半导体具有更高的电场迁移率，因而适用于高速运作的TFT。结晶硅的优点还在于，用它容易制作CMOS电路，因为由结晶硅不仅能得到NMOS TFT，而且还能得到PMOS TFT。因此提出一种具有称为单片结构的有源矩阵驱动的液晶显示器，不仅在有源矩阵部分，而且在外围电路(例如驱动电路)均由CMOS的晶体TFT组成。由于这些原因，使得对使用结晶硅的TFT的研究及开发最近更加活跃。

对非晶硅用激光或光强相等的强光辐照可以得到结晶硅。然而，此工艺不适于批量生产；而且不稳定，因为激光输出本身就不稳定，还因为工艺过程太短。

一种使非晶硅结晶化的实际可行的工艺最近是采用热处理，即热结晶化。此工艺能生产出质量均匀的结晶硅，不管批量如何。但该工艺仍存在问题，尚待解决。

一般，热结晶化要求在大约600℃实施长时间的退火，或在高达1000℃温度，或甚至更高的温度退火。后种工艺使得对衬底材料的选择变窄，因为它不能应用于除石英衬底以外的衬底，前述的处理还有另一些问题。

具体地说，使用廉价的无碱玻璃衬底(如Corning^#7059玻璃衬底)来制造TFT的工艺过程包括：

在衬底上淀积一层非晶硅膜；

在600℃或更高的温度经24小时或更长的时间使非晶硅膜结晶化；

淀积一层栅绝缘膜；

形成栅电极；

引入杂质(用离子注入或离子掺杂)；

在600℃或更高的温度经24小时或更长的时间退火使掺入的杂质激活；形成层间绝缘体；以及形成源和漏区。