[发明专利]半导体器件及其制造方法

说明书

本发明涉及一种半导体器件及其制造方法。更具体地说，本发明涉及一种半导体器件及其制造方法，它使用非晶硅膜结晶化而得的结晶硅膜做为有源区域。本发明可特别有效地运用于在绝缘基板上设置TFT(薄膜晶体管)的半导体器件，可利用于有源矩阵型液晶显示装置、密接型图像传感器、三维IC等。

近年来，为了实现大型且高解像度的液晶显示装置、高速且高解像度的密接型图像传感器、三维IC等，有人试图在玻璃等绝缘基板上或绝缘膜上形成高性能的半导体器件。用于此等装置上的半导体器件一般均用薄膜状硅半导体层。

此种薄膜状硅半导体层可大致可分为两类：即在硅(a-Si)半导体上制造的一种和在结晶硅半导体上制造的一种。非晶硅半导体的制作温度低，可较容易地用汽相法制造，可大量生产，故最常用，但其导电性等物理性能较由结晶硅半导体制得的差。因此，今后为了得到高速特性，由具有结晶硅半导体所构成的半导体器件的制造方法实具高度必要性。具有结晶硅半导体的例子包括多晶硅、微结晶硅、含有结晶成分的非晶硅、具有结晶性与非晶性的中间状态的半非晶(semi-amorphous)硅等。

得到此等具有结晶性的薄膜状的硅半导体层之方法目前有下例三种：

(1)淀积半导体膜时直接在基板上生长结晶半导体膜。

(2)先淀积非晶硅半导体膜，其后以激光光束能量使该半导体膜结晶。

(3)先淀积非晶硅半导体膜，其后在其上加热能使之结晶。

但这些常规方法存下列问题：

在(1)的方法中，由于必须在成膜步骤中同时进行结晶化，故若要得到晶粒大的结晶硅膜则淀积厚的硅膜化是不可或缺的。但在基板全面上要均一地形成具有良好的半导体物理性能的膜在技术有困难。又，由于成膜温度高达600℃以上，不能使用便宜的玻璃基板，故有成本上的问题。

又，在(2)的方法中，由于利用到熔融固化过程的结晶现象，可得到粒径虽小但晶界良好的高品质结晶硅膜，但若以目前使用最普遍的激元激光为例，首先就有激光照射面积小致产量过低的问题。此外，由于激光的稳定性不足以均一地处理大面积基板的整个表面，以激光进行结晶化处理的技术是下一代的技术。

和(1)、(2)的方法对比，在(3)的方法中更有利于处理大面积的基板，但在结晶化时必须以600℃以上的高温加热处理数十小时。另外，若要考虑使用便宜的玻璃基板及提高产能，必须降低加热温度，并在短时间内使之结晶化。因此，在(3)的方法中，必须同时解决上述难于两全的问题。

又，在(3)的方法中，由于利用到固相结晶化(外延)现象，晶粒在平行于基板表面上横向生长，可获得粒径达数μm的晶粒，但由于成长后的晶粒互相接触形晶界，该晶界起着载流子俘获能级(traplevel)的作用，构成TFT场效应迁移率降低的原因。

利用上述(3)的方法并解决上述晶界问题的方法分开日本专利公报特开昭64-57615号、特开平4-119633号、特开平6-29320号、特开平3-155124号、和特开平5-136048号中。在此等方法中，系用某种手段将非晶硅膜的一部分选择性地结晶化之后，以该结晶化区域为籽晶结晶再于其周围进行结晶生长，而进行晶界的控制。

具体而言，在日本专利公报特开昭64-57615号、特开平4-119633号及特开平6-29320号中，籽晶区域的选择性结晶化手段系利用激光、电子束、红外线等能量束照射法。限定籽晶区域的步骤的详细手法并未特别记载于特开昭64-57615号专利公报中，但在特开平4-119633号专利公报中，系在非晶硅膜上形成氧化硅膜，再于其上形成对能量束而言为反射膜的金属膜，藉著使该金属膜的一部分开口而从基板上方入射的能束，选择性地使只有金属膜开口区域的非晶硅膜结晶化。

又，在特开平6-29320号专利公报中，系在非晶硅膜上形成氧化硅膜及在两上层硅膜中设有一开口而对下层非晶硅膜进行能量束照射。

上层硅膜会吸收能量束，故能量束不会达到被上层硅膜覆盖的区域中的下层非晶硅膜，只有开口部的非晶硅膜被选择性地结晶化。其后，同对二者进行加热处理，从被选择性地结晶化的籽晶区域中生长结晶硅膜以反映其结晶性。

在特开平3-155124号或特开平5-136048号专利公报中，通过将某种外加物质引入非晶硅膜中作为结晶生长的晶核，其后施以热处理，得到以该外加物质为晶核的大晶粒的结晶硅膜。