半導體設備和其製造方法

2023-05-26 07:46:01 1

專利名稱：半導體設備和其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種包括薄膜電晶體(以下稱為TFT)構成的電路的半導體設備，及其製造方法。例如本發明涉及液晶顯示器面板所代表的電光裝置以及以上述電光裝置作為其一部分的電子設備。
背景技術：
本說明書中的半導體設備是指利用半導體特性來操作的所有器件，電光裝置、半導體電路以及電子設備都包括在這類半導體設備中。
近年來，半導體設備已經在不斷進步，其中採用在具有絕緣表面的襯底上形成的半導體薄膜(膜厚大約幾個至幾百個納米)形成薄膜電晶體(TFT)，該TFT用於構成大規模的集成電路。
有源矩陣類型液晶模塊、EL模塊以及接觸影像傳感器是其已知的典型示例。尤其是，採用具有以晶體結構(通常是多晶矽膜)作為有源層的矽膜的TFT(以下稱為多晶矽TFT)其場效應遷移性高，因此被用於形成具有各種功能的電路。
例如安裝在液晶顯示器上的液晶模塊包括在一個襯底上的像素部分和驅動電路，該驅動電路例如基於CMOS電路的移位寄存器電路、電平移位電路、緩衝電路或抽樣電路。像素部分為每個功能塊執行影像顯示，驅動電路控制像素部分。
另外，在有源矩陣類型液晶模塊的像素部分中，每一個TFT(像素TFT)被設置在幾十至幾百萬像素中，每個像素TFT設有像素電極。在相對的襯底側設置相對電極，液晶插入在兩個電極之間，由此形成以液晶作為電介質的電容器。然後通過TFT的開關功能來控制施加給每個像素的電壓，以控制給電容器施加的電荷，來驅動液晶，由此通過控制透射的光量而顯示影像。
像素TFT由n通道TFT構成，用於作為切換元件通過施加電壓而驅動液晶。利用交變電流來驅動液晶，大多數情況下採用所謂的幀轉換驅動方法。在這種方法中，作為所需要的像素TFT特性，重要的是OFF電流值(在TFT處於關閉狀態下導致流動的漏電路)足夠低，以降低功率損耗。
通常，當用雷射照射進行結晶或改善結晶時，半導體薄膜立刻從其表面熔融，然後熔融的半導體膜由於對襯底的熱傳導而被冷卻，以從襯底側固化。經過固化過程進行重結晶，以形成具有大晶粒尺寸的晶體結構的半導體膜。但是該半導體膜一旦熔融之後，會導致體積膨脹，而在半導體表面上形成稱為脊的不均勻。尤其是，在頂部柵類型TFT的情況下，具有脊的表面作為帶有柵絕緣膜的界面，從而極大地影響了元件的特性。
通常，在大多數情況下採用準分子雷射器或Ar雷射器進行雷射退火。以下所述進行雷射退火的方法是優選的，因為它適合於以高產率來進行大量的生產。即，具有高輸出的脈衝振蕩型雷射束被光學系統所處理，從而在要被照射的表面上成為方形光斑，它的側邊是幾個釐米，或是線性的，長度為例如10cm或更長，該雷射束在要被照射的表面上掃描，照射點相對變化。尤其是，在要被照射的表面中使用線性雷射束(以下稱為線性光束)的情況下，與使用點狀雷射束需要豎向和橫向掃描的情況不同，只在垂直於線性光束的線方向的方向進行掃描以對要被照射的整個表面施加雷射束就足夠了，由此獲得了高產率。只在垂直於線方向的方向掃描的原因在於該方向能夠進行最有效的掃描。因為產率高，因此用適當的光學系統處理具有高輸出的雷射束獲得的線性光束已經被主要用於雷射退火。而且，施加線性光束，同時通過將它在其橫向逐漸移動而使之重疊，從而無定形矽膜的整個表面進行雷射退火，由此可以結晶或改善結晶。
因此，雷射退火的技術對於以低成本形成具有較高電性能的半導體膜來說是必不可少的。
但是，在利用雷射的傳統的結晶技術中還存在著一個問題能量不是均勻的施加給整個膜，除了脊之外，還有雷射照射的波狀軌跡。
另外，如果通過深腐蝕方法、CMP方法等來平整在結晶之後形成的膜表面上的不均勻，就增加了步驟數量，同時半導體薄膜變得更薄，因而難以在良好地控制下將厚度為100nm或更薄的半導體薄膜表面變平整。

發明內容
本發明是鑑於上述問題作出的，提供了解決這些問題的方法。因此本發明的一個目的是提供半導體設備，例如有源矩陣類型液晶顯示設備為代表的電光設備，它通過使用TFT來形成，其中實現了操作性能的改善，能耗更低。
具體地說，本發明的一個目的是獲得一種具有變化更少的低OFF電流值的TFT。
為了解決上述各種問題，已經在各種領域中進行了各種試驗和研究，結果本發明的發明人發現水平度(粗糙度的均方根(rms)和峰一谷值(P-V值))在半導體膜的主表面內是高的，該半導體膜含有濃度為百分之幾優選是0.1-10個原子％的鍺，並且與沒有鍺的半導體膜進行雷射照射的情況相比，也進行了雷射照射。因此根據本發明可以解決上述各種問題。
本發明的結構描述如下。
在本說明書中披露的本發明涉及一種半導體設備，包括具有在絕緣膜上形成的半導體層的薄膜電晶體，其特徵在於含有矽作為主要成分以及含有鍺的半導體膜形成的半導體層被用作有源層，以及有源層P-V值小於70nm，它表示其主表面的表面粗糙度。
另外，根據本發明的另一種結構，提供一種半導體設備，包括具有在絕緣膜上形成的半導體層的薄膜電晶體，其特徵在於含有矽作為主要成分以及含有鍺的半導體膜形成的半導體層被用作有源層，以及有源層rms小於10nm，它表示其主表面的粗糙度。
另外，根據本發明的另一種結構，提供一種半導體設備，包括具有在絕緣膜上形成的半導體層的薄膜電晶體，其特徵在於含有矽作為主要成分以及含有鍺的半導體膜形成的半導體層被用作有源層，以及有源層rms小於10nm，P-V值小於70nm，它們分別表示其主表面的表面粗糙度。
並且，在上述結構中，半導體設備特徵在於，半導體膜含有濃度為0.1-10個原子％的鍺，用作具有晶體結構的矽膜。
並且，在上述結構中，半導體設備特徵在於，半導體膜含有濃度為1×1016/cm3-5×1018/cm3的金屬元素，用作具有晶體結構的矽膜。另外，金屬元素是用於加速矽結晶的金屬元素，是選自以下元素Fe、Ni、Co、Rh、Ru、Pd、Os、Ir、Pt、Cu和Au中的至少一種。
並且，用雷射照射含有濃度為0.1-10個原子％的鍺的半導體膜，可以在空氣中或在氧氣中進行，以除去在半導體膜表面上形成的氧化物膜，然後用雷射在惰性氣體中或在真空中照射，由此形成具有相當平的主表面的半導體膜。
另外，以下描述在本發明的製造方法中的結構。
本發明涉及一種製造半導體設備的方法，其特徵在於包括第一步驟，在絕緣表面上形成半導體膜，它含有濃度為0.1-10個原子％的鍺，並具有無定形結構；第二步驟，對具有無定形結構的半導體膜進行熱處理，然後用雷射對其進行照射用於結晶，以形成具有晶體結構的第一半導體膜和其上的氧化物膜；第三步驟，除去氧化物膜；以及第四步驟，在惰性氣體或真空中進行雷射照射，以平整半導體膜的表面。
並且，在上述結構中，製造半導體設備的方法其特徵在於第四步驟中的雷射能量密度比第二步驟中的雷射的高。
在上述結構中，可以在第二步驟之前有加入加速結晶的金屬元素的步驟。
另外，根據本發明的另一種結構，提供一種製造半導體設備的方法，其特徵在於包括第一步驟，在絕緣表面上形成第一半導體膜，它含有濃度為0.1-10個原子％的鍺，並具有無定形結構；第二步驟，向具有無定形結構的第一半導體膜加入促進結晶的金屬元素；第三步驟，對第一半導體膜進行熱處理，然後用雷射對其進行照射，以形成具有晶體結構的第一半導體膜和其上的氧化物膜；第四步驟，除去氧化物膜；第五步驟，在惰性氣體或真空中進行雷射照射，以平整第一半導體膜的表面；第六步驟，用含有臭氧的溶液氧化具有結晶結構的半導體膜的表面；第七步驟，在氧化膜上形成包括稀有氣體元素的第二半導體膜；第八步驟，使得第二半導體膜吸收金屬元素以除去或減少具有結晶結構的第一半導體膜中的金屬元素；以及第九步驟，除去第二半導體膜。
並且，在上述結構中，製造半導體設備的方法特徵在於在第五步驟中的雷射能量密度比在第三步驟中的雷射能量密度高。


圖1A-1E表示本發明的視圖；圖2表示通過AFM得到的粗糙度均方根(rms)的曲線圖；圖3表示通過AFM得到的P-V值曲線圖；圖4A-4F表示本發明(實施方案1)製造步驟的視圖；圖5A-5D表示本發明(實施方案1)的製造步驟的視圖；圖6A-6D表示有源矩陣襯底(實施方案2)的製造步驟的視圖；圖7A-7C表示有源矩陣襯底(實施方案2)的製造步驟的視圖；圖8表示有源矩陣襯底(實施方案2)的視圖；圖9表示AM-LCD(實施方案3)的外部視圖；圖10表示部分液晶顯示器(實施方案4)的示例；圖11A和11B分別表示EL模塊的俯視圖和其截面視圖(實施方案5)；圖12A-12F分別表示電子設備(實施方案6)的示例；圖13A-13D分別表示電子設備(實施方案6)的示例；圖14A-14C分別表示電子設備(實施方案6)的示例；和圖15A-15C是表示矽鍺膜和矽膜表面的顯微照片。
具體實施例方式以下參考圖1A-1E描述本發明的實施方式。
首先，在絕緣表面上形成含有鍺的無定形半導體膜3。例如，在石英襯底或玻璃襯底上形成基底絕緣膜。此處，絕緣膜主要含有矽，例如在玻璃襯底1上形成的氧化矽膜、氮化矽膜或氧氮化物膜或其層疊物，作為基底絕緣膜2(圖1A)。要指出的是，設置基底絕緣膜2是為了防止從襯底的雜質擴散，在某些情況下，根據要使用的襯底，不是特別需要設置該膜。
通過等離子體體CVD方法、低壓CVD方法或其他適當的方法形成含有鍺的無定形半導體膜3。當使用等離子體體CVD方法時，在反應腔內引入SiH4和GeH4構成的反應氣體，以及任選的用SiH4和H2稀釋GeH4構成的反應性氣體，以進行頻率為1-200MHz的高頻放電，用於進行分解，由此在襯底上沉積無定形半導體膜。至於反應氣體，可以分別使用Si2H6或SiF4以及GeF4來代替SiH4和GeH4。而且，在使用低壓CVD方法的情況下，可以採用這種反應氣體。優選的是，反應氣體用He稀釋，在400-500℃的溫度下在襯底上沉積無定形半導體膜。在任何情況下，本發明中所使用的上述氣體被純化至高純度，以減少雜質元素例如氧、氮或碳的濃度，它們會在沉積的無定形半導體膜中被吸納。要指出的是，沉積的無定形半導體膜的厚度被設定為20-100nm。
然後通過熱處理使含有鍺的無定形半導體膜結晶(圖1B)。為了將含有鍺的無定形半導體膜結晶，必須在600℃或更高溫度進行熱處理10個小時或更長時間。
然後用雷射照射以提高結晶速度，並修復保留在晶粒中的缺陷(圖1C)。當向不含有鍺的無定形半導體膜施加雷射時，在其表面形成大的不均勻。另一方面，當向含有鍺的無定形半導體膜施加雷射時，儘管同樣形成不均勻，但是它足夠小而保持了表面的平整。
對於用雷射進行照射，使用波長為400nm或更小的準分子雷射器或者YAG雷射器或YVO4雷射器的第二諧波(波長532nm)至第四諧波(波長266nm)作為光源。上述雷射被光學系統會聚成線性或點狀，以其設定為100-700mJ/cm2的能量密度進行照射，該過程是通過掃描雷射束因此在襯底的預定區域會聚而進行的。
要指出的是，此處是以脈衝雷射器為例進行描述的，但是可以使用連續振蕩型雷射器。優選的是，為了經無定形矽膜結晶而獲得具有大晶粒尺寸的晶體，將能夠連續振蕩的固體雷射器與施加基波的二次諧波至四次諧波結合起來。一般來說，可以使用Nd:YVO4雷射器(基波1064nm)的第二諧波(波長532nm)或第三諧波(波長355nm)。當使用連續振蕩型雷射器時，從連續振蕩型YVO4雷射器發出的輸出為10W的雷射被非線性光學元件轉變為諧波。此處，有一種方法，其中YVO4晶體和非線性光學元件被放入諧振器中以發出諧波。然後，優選的是，在照射表面上通過光學系統形成矩形或橢圓形雷射，以被施加至要被處理的部件。此時，所需能量密度大致是0.01-100MW/cm2(優選的是0.1-10MW/cm2)。可以將半導體膜相對於雷射束按照大致10-2000cm/s的速度移動的方式來進行照射。
另外，作為雷射器的替換，可以使用滷燈、氙燈、汞燈、金屬滷化物燈等作為光源。
考慮到TFT的產率，上述熱處理不是始終都適合的，從而無定形矽膜的結晶可以只通過雷射(脈衝振蕩型準分子雷射器或連續振蕩型雷射器(YVO4的二次諧波))照射而進行。而且可以使用在JP07-130652A或JP08-78329A中披露的技術，其中引入了金屬元素來加速矽的結晶，通過在低於通常情況的溫度下進行熱處理而得到結晶矽膜。
另外，為了進一步改善平整度，可以在上述雷射照射後，採用稀的氫氟酸等除去雷射照射產生的氧化物膜(未顯示)，以再次在惰性氣氛中或在真空中施加雷射(能量密度高於前次施加的雷射)。
然後，採用已知的形成圖案的方法，將平整的半導體膜形成圖案，以形成具有所需形狀的半導體層6(圖1D)。希望在形成抗蝕劑製成的掩膜之前在其表面上用臭氧水形成薄的氧化物膜。
然後用含有氫氟酸的蝕刻劑洗滌半導體層的表面，以形成主要含矽的絕緣膜，用作柵絕緣膜7。希望表面的洗滌和柵絕緣膜的形成是連續進行的，沒有暴露於外界空氣。
然後洗滌柵絕緣膜7的表面，因此形成柵電極8。然後適當加入賦予半導體(在這種情況下是含磷的)以n型導電性的雜質元素(例如P或As)，以形成源區9和漏區10。在加入之後，進行熱處理、強光照射或雷射照射，用來活化雜質元素。而且在活化的同時，施加給柵絕緣膜的等離子體損壞或施加至柵絕緣膜與半導體層之間界面處的等離子體損壞可以被恢復。尤其是，將YAG雷射器的二次諧波在室溫至300℃大氣中從前或者後面施加以活化雜質元素是非常有效的。就較少維護的觀點而言，YAG雷射器是優選的活化設備。
以後的步驟如下形成中間絕緣膜12，進行氫化，形成通達源區和漏區的接觸孔，形成源電極13和漏電極14，以完成TFT(n通道TFT)(圖1E)。
如此獲得的TFT的通道形成區11的表面可以具有小於10nm的粗糙度均方根(rms)以及小於70nm的P-V值。
本發明不限於圖1E所示的TFT結構，可以採用LDD結構(輕微摻雜的漏結構)，其中按照需要LDD區夾在通道形成區和漏區(或源區)之間。這種結構是其中加有低濃度雜質元素的區被設置在以高濃度加入雜質元素而形成的通道形成區和源區或漏區之間。該區被稱為LDD區。另外，可以採用所謂的GOLD(柵-漏重疊的LDD)結構，其中LDD區被設置成通過柵絕緣膜而重疊柵電極。
此處採用n通道TFT來進行描述，但是無需說明，p通道TFT可以採用p型雜質元素來代替n型雜質元素而形成。
而且，此處以頂部柵型TFT為例進行了描述，但是可以採用本發明而無需考慮TFT結構，本發明可以用於例如底部柵型(反向參差型)TFT或正向參差型TFT。
實驗進行如下實驗。
在玻璃襯底上形成基底膜。該基底絕緣膜由雙層結構構成，包括厚度為50-100nm的第一氧氮化矽膜，它是採用SiH4、NH3和N2O作為反應氣形成的，以及包括厚度為100-150nm的第二氧氮化矽膜，它是採用SiH4和N2O作為反應氣形成的，這兩層膜被層壓。
然後在形成基底絕緣膜之後，形成無定形半導體膜。作為無定形半導體膜，分別通過等離子體CVD方法形成無定形矽膜、相對於矽含有1.7％鍺的無定形矽膜以及相對於矽含有3.5％鍺的無定形矽膜。
接下來，通過旋塗機施加含有重量比濃度為10ppm的鎳的醋酸鎳溶液而形成含鎳層。然後在500℃進行1小時的脫氫處理，以減少膜中的氫濃度，然後在550℃進行4小時的熱處理，以形成分別含有結晶結構的半導體膜。
此時，作為比較實施例，通過原子力顯微術(AFM)測量每個半導體膜的表麵條件。測量結果如圖2和3所示。圖2表示表面不均度的均方根(rms)，圖3表示不均度的峰-谷(P-V)值(最大值和最小值之間的高度差)。此處圖2和3的值都是在3μm×3μm的區域中測定的。
為了改善結晶速率和修復在晶粒中殘留的缺陷，再在大氣或氧氣中輻射雷射(XeCl波長308nm)。作為雷射，使用準分子雷射(波長400nm或更小)，以及YAG雷射的二次諧波或第三諧波。在任何情況下，使用具有大致為10-1000Hz的重複頻率的脈衝雷射，並通過光學系統將該雷射會聚成100-500mJ/cm2，以90-95％的重疊比例施加而掃描矽膜表面。
在改變能量密度條件的同時，照射雷射並對每個條件採用AFM進行測量。測量結果如圖2和3所示。
從圖2和3可以清楚地看出，隨著鍺含量的增加，表面的不均度變小。具體的說，表面粗糙度均方根(rms)和P-V值降低，而提高了表面的平整度。
關於粗糙度均方根(rms)，用雷射照射了之後，不含鍺的矽膜的值大約是10-30nm，而在含有鍺的膜中，表面上的不均度均方根(rms)被抑制為小於10nm。
關於P-V值，用雷射照射了之後，不含鍺的矽膜的值大約是70-100nm，而在含有鍺的膜中，表面上的不均度P-V值被抑制為小於70nm。
此處圖15A-15C是在用雷射在大氣中照射膜的情況的顯微照片，其中鏡頭(shot)設定為13，重複頻率設定為30Hz，能量密度設定為521mJ/cm2。圖15A表示矽鍺膜的情況(Si1-XGeX(X＝0.017))，圖15B表示矽鍺膜的情況(Si1-XGeX(X＝0.035))，圖15C表示矽膜的情況。從顯微照片中可以看出，與不含鍺的半導體膜相比(圖15C)，含有鍺的半導體膜(圖15A和15B)平整度高，不均度小。
另外，根據上述方法獲得的半導體膜相對於{101}晶面具有高取向比例。至於晶體的取向比例，晶粒主要向{101}晶面取向，並且可以觀察到晶粒傾向於向{311}面取向，該{311}面位於{001}平面和{111}平面中間的位置。具體的說，在{101}晶面、{001}平面或{111}平面中，其相對於半導體層表面的角度是10°或更低的晶粒的比例分別是20％或更大、3％或更小以及5％或更小。
通過電子反向衍射(backscatter diffraction)圖案(EBSP)獲得晶體取向的分布，該方法是用設置在掃描電子顯微鏡(SEM)的專用檢測器從一次電子的反向散射進行晶體取向分析的方法。通過在移動樣品被施加(測繪)電子束的位置的同時重複取向分析，可以獲得晶體取向或平面狀樣品中的取向上的信息。入射電子束的寬度根據掃描電子顯微鏡的電子槍類型而改變，但是在肖特基(Schottky)場發射類型的情況下，施加10-20nm的相當細的電子束。在測繪(mapping)中，隨著測量點數量或測量區域面積的增加，可以獲得晶體取向上進一步平均的信息。實際上，在100μm×100μm的區域以大致10000點(間隔1μm)至40000點(間隔0.5μm)進行測量。在通過測繪而完全確定每個晶粒的晶體取向之後，可以統計顯示晶粒取向相對於膜的條件。如果該分布集中在{101}晶面附近，那麼在實際膜中每個晶粒的101取向在大致垂直於襯底的方向上。此時，可以推想晶粒設置在那附近，有一些波動。對波動角設置一個可接受的值，例如5度或10度，角度小於上述值的晶粒的比例用數值顯示出來。此處，可以接受的偏離角被設定為如上所述的5或10度，角度落入該範圍的晶粒的比例被稱為晶體的取向率。
通過傳統方法形成的結晶矽膜在結晶時被襯底或基底絕緣膜所影響，由此沉積多個晶粒。因此儘管有向{111}平面的取向，朝向平面方向的取向的晶粒比例低。
通過使用如此獲得的平整度並且晶體在半導體膜中取向率高的半導體膜作為TFT的有源層，可以獲得具有較少變化的低OFF電流值的半導體器件。
利用以下實施方案進一步詳細描述本發明的上述結構。
圖4和5表示進行兩次雷射照射製造TFT的示例。
圖4A中附圖標記20表示具有絕緣表面的襯底，附圖標記21表示成為阻斷層的絕緣膜，附圖標記22表示具有無定形結構的半導體膜。
首先，由例如氧化矽膜、氮化矽膜或氧氮化矽膜(SiOxNy)的絕緣膜在襯底20上形成基底絕緣膜21，如圖4A所示。典型示例是雙層結構作為基底絕緣膜21。採用這樣一種結構，其中第一氧氮化矽膜厚度為50-100nm，它是採用SiH4、NH3和N2O作為反應氣形成的，以及第二氧氮化矽膜厚度為100-150nm，它是採用SiH4和N2O作為反應氣形成的，這兩層膜被層壓。另外，優選使用膜厚為10nmg或更小的氮化矽膜(SiN膜)或第二氧氮化矽膜(SiOxNy，其中X＞＞Y)作為基底絕緣膜21的一層。鎳具有易於移動至包括高濃度氧的區域，因此使用與半導體膜接觸的氮化矽膜作為基底絕緣膜是非常有效地。另外，也可以使用三層結構，其中第一氧氮化矽膜、第二氧氮化矽膜以及氮化矽膜被按照所述順序層壓。
然後在基底絕緣膜上形成含有鍺的無定形結構的第一半導體膜22。一般使用例如無定形矽鍺膜的膜，通過等離子體CVD、減壓CVD或濺射形成為10-100nm的厚度。優選將在第一半導體膜22中含有的雜質例如氧和氮的濃度降低至5×1018/cm3或更低(採用二次離子質譜法測量的原子濃度(SIMS))，以通過後面的結晶而獲得具有滿意的晶體結構的半導體膜。這些雜質元素導致了對後面的結晶的幹擾，而且使得結晶之後捕獲中心和複合中心的濃度增加。因此希望使用具有高純度的材料氣體，並採用超高真空CVD設備，其中它的反應腔內部被經過鏡面處理(電解拋光)，並設有無油抽真空系統。
然後採用JP專利申請特許公開平8-78329中公開的方法作為第一半導體膜22結晶的方法來進行結晶。在日本專利申請特許公開平8-78329中的方法是向無定形矽膜中選擇性加入用於促進結晶的金屬元素，並進行熱處理。如此形成半導體膜，它具有從加入了金屬元素的區域展開的晶體結構。首先，通過旋塗器向第一半導體膜22的表面施加含有重量比為1-100ppm的金屬元素(此處是鎳)的醋酸鎳溶液，以形成含鎳層23(見圖4B)，其中該金屬元素具有促進結晶的催化劑功能。可以採用通過濺射、蒸發或等離子體處理而形成非常薄的膜的方法，作為形成含鎳層23的其他方法。另外，儘管此處顯示了在整個表面上進行施加的示例，但是可以通過形成掩膜而選擇性的形成含鎳層。
結晶之後進行熱處理。在這種情況下，在半導體膜與促進半導體結晶的金屬元素相接觸的部分形成矽化物，然後利用矽化物作為核加速結晶。如圖4C所示，如此形成具有結晶結構的第一半導體膜24a。要指出的是，希望在結晶之後第一半導體膜24a中含有的氧濃度為5×1018/cm3或更小。在450℃進行1小時的脫氫熱處理，然後在550-650℃進行4-24小時的結晶熱處理。另外，在照射強光以進行結晶的情況下，可以使用選自紅外光、可見光以及紫外光的一種或多種。一般使用從滷燈、金屬滷化物燈、氙弧燈、碳弧燈、高壓鈉燈或高壓汞燈發出的光。燈的光源可以打開1-60秒，優選是30-60秒，該操作可以重複1-10次，以將半導體膜瞬時加熱至600-1000℃的數量級。要指出的是，如果需要，可以在照射強光之前進行使得包含的第一半導體膜24a中的氫逸出的熱處理。另外，可以同時採用熱處理和照射強光的方法來進行結晶。考慮到產率，優選採用強光照射而進行結晶。
金屬元素(此處是鎳)保留在如此形成的第一半導體膜24a中。儘管金屬元素在整個膜中不是均勻分布的，但是平均殘留濃度超過1×1019/cm3。即使在這種狀態下也當然可以形成各種類型的半導體元件，如TFT。但是以下描述通過吸氣方法除去金屬元素。
然後向具有晶體的第一半導體膜24a在大氣或氧氣中照射雷射(第一雷射)，以提高結晶度(晶體成分相對於總膜體積的比例)並修復晶粒中保留的缺陷。如果照射雷射，在表面中形成不均性，並形成薄的氧化物膜25(見圖4D)。所使用的雷射(第一雷射)是準分子雷射，波長為400nm或更小，或YAG雷射器的二次諧波或三次諧波。另外，從紫外光燈發出的光可以用作準分子雷射的替換。在任何情況下，使用重複頻率大致為10-1000Hz的脈衝雷射，該脈衝雷射被光學系統會聚成100-500mJ/cm2，用90-95％的重疊率來進行照射，由此可以掃描矽膜表面。
然後，除去氧化物膜25(圖1E)。然後在氮氣或真空中用雷射(第二雷射)照射具有晶體結構的第一半導體膜。當照射第二雷射時，通過照射第一雷射而形成的不均度的P-V值(峰-谷值高度的最大值和最小值的差值)和rms被減小。即進行半導體膜24b的平整(圖1F)。所使用的雷射(第二雷射)是準分子雷射，波長為400nm或更小，或YAG雷射器的二次諧波和三次諧波。另外，從紫外光燈發出的光可以用作準分子雷射的替換。要指出的是，第二雷射的能量密度比第一雷射的能量密度大，優選大30-60mJ/cm2。
另外，通過使用含臭氧的水溶液(通常是臭氧水)形成氧化物膜(稱為化學氧化物膜)，以形成總厚度為1-10nm的氧化物膜阻擋層26。然後在阻擋層26上形成含有惰性氣體元素的第二半導體膜27(圖5A)。阻擋層26在後面的只選擇性除去第二半導體膜106時起到蝕刻阻擋器的作用。另外，可以通過用水溶液處理而類似的形成化學氧化物，作為用於含有臭氧的水溶液的基板，在該水溶液中例如硫酸、鹽酸或硝酸的酸被混合了過氧化氫水溶液。也可以使用其他的方法來形成阻擋層26，其中通過在氧氣中照射紫外光而產生臭氧，並氧化具有晶體結構的半導體膜的表面。另外，可以利用如等離子體CVD、濺射或蒸發的方法作為形成阻擋層26的其他方法而將厚為1-10nm量級的氧化物膜沉積為阻擋層。另外，可以用清潔爐在200-350℃量級的溫度下加熱而形成薄的氧化物膜，作為形成阻擋層26的另一種方法。要指出的是，對形成阻擋層26的方法沒有特別的限制，只要能夠通過上述方法中的一種或其結合形成即可。但是阻擋層26必須具有的膜質量或薄厚應當為使得在第一半導體膜中的鎳可以通過後面的吸氣而移動到第二半導體膜中。
此處，含有惰性氣體元素的第二半導體膜27通過濺射形成，以形成吸氣位置。要指出的是，濺射條件優選被適當的調整，以使得惰性氣體元素不被加入到第一半導體膜中。選自氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)和氙(Xe)的一種或多種元素被作為惰性氣體元素。在這些元素中，優選使用氬(Ar)，它是低成本氣體。此處在含有惰性氣體元素的氣氛中使用矽靶以形成第二半導體膜。關於將稀有氣體元素即惰性氣體的離子包含在膜中的方法有兩種一種是形成不飽和鍵以賦予半導體膜以扭曲，另一種是在半導體膜的晶格中形成扭曲。如果使用具有比矽的原子半徑大的元素，例如氬(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)，就可以明顯的獲得半導體膜晶格中的扭曲。不僅是通過在膜內包含稀有氣體元素而形成的晶格扭曲，也形成不成對的鍵來有助於吸氣反應。
另外，在採用含磷(具有單導電類型的雜質元素)的靶形成第二半導體膜的情況下，除了用稀有氣體元素進行吸氣之外，採用磷的庫侖力來進行吸氣。
吸氣之後進行熱處理，以減少第一半導體膜中的金屬元素(鎳)的濃度或將其從第一半導體膜中除去(圖5B)。可以進行強光照射處理或熱處理來作為加熱處理。金屬元素在圖5B中所示箭頭方向移動(即在從襯底側向第二半導體膜表面的方向)，以除去被阻擋層26所覆蓋的第一半導體膜24b中含有的金屬元素或降低該金屬元素的濃度。金屬元素在吸氣過程中移動的距離可以是至少第一半導體膜厚度級別的距離，因此可以以相對短的時間完成吸氣。進行充分的吸氣以使得所有的鎳移動至第二半導體膜27，而不會被隔離在第一半導體膜24b中，因此在第一半導體膜24b中所含的鎳基本不存在。即進行吸氣從而第一半導體膜中的鎳的濃度變得等於或小於1×1018/cm3，優選是等於或小於1×1017/cm3。
在本說明書中，吸氣是指金屬元素從要被吸氣的區域(此處是第一半導體膜)因為熱能而散發，以及金屬元素因為擴散而移至吸氣位置的移動。因此，吸氣取決於加工溫度，隨著溫度的升高處理時間變短。
另外，在採用強光照射的方法作為吸氣熱處理的情況下，用於加熱的燈的光源打開1-60秒，優選是30-60秒，該操作重複1-10次，優選是2-6次。儘管可以任意設置光源的發光強度，但是半導體膜要被瞬時加熱至600-1000℃，優選是700-750℃。
在進行熱處理的情況下，可以在氮氣中在450-800℃加熱1-24小時，例如在550℃加熱14小時。除了熱處理之外，可以照射強光。
然後，利用阻擋層26作為蝕刻阻擋器而只選擇性的除去第二半導體膜，也除去氧化物膜26形成的阻擋層。可以進行不利用ClF3等離子體的幹法刻蝕，或者進行採用鹼溶液例如肼或含有四乙基氫氧化銨(化學式為(CH3)4NOH)的水溶液的溼法刻蝕，作為選擇性的只除去第二半導體膜的方法。另外，優選在除去第二半導體膜之後除去阻擋層，因為通過用TXRF測量鎳濃度在阻擋層的表面檢測到了高濃度的鎳。利用含有氫氟酸的蝕刻劑除去阻擋層。
然後利用已知的形成圖案的方法將平整的半導體膜24b形成為具有理想形狀的半導體層28(圖5C)。優選在表面上通過採用臭氧水在形成抗蝕劑掩膜之前形成薄的氧化物膜。
然後在採用含有氫氟酸的蝕刻劑清潔了半導體膜的表面之後，形成包括矽作為主要成分的成為柵絕緣膜29的絕緣膜。優選表面的清潔和柵絕緣膜的形成是連續的，而不會將其暴露在大氣中。
然後按照與本發明實施方案模式中同樣的方法進行後面的步驟，以形成TFT(圖5D)。要指出的是，附圖標記29-36分別表示柵絕緣膜、柵電極、源區、漏區、通道形成區、源電極、漏電極以及中間層絕緣膜。
另外，該實施方案可以與本發明的實施方案模式自由的結合。另外，本實施方案也可以和其他已知的吸氣方法結合。
另外，以下情況也是可以的通過吸氣將半導體層形成為預定形狀，然後在除去氧化物膜之後，在惰性氣氛或真空中進行第二雷射的照射，以進行平整，而在吸氣之前不進行第二雷射的照射。
以下參考圖6-8描述本發明的一個實施方案。此處，詳細描述同時在同一襯底上製造像素部分和設置在像素部分周圍的驅動迴路的TFT(n通道TFT和p通道TFT)的方法。
首先，在襯底100上形成基底絕緣膜101，獲得具有晶體結構的第一半導體膜。然後將半導體膜蝕刻成理想的形狀以形成島狀的彼此分開的半導體層102-106。
使用玻璃襯底(#1737)作為襯底100。對於基底絕緣膜101，採用等離子體CVD方法在400℃的膜沉積溫度形成以SiH4、NH3和N2O作為原料氣(組成比為Si＝32％，O＝27％，N＝24％，H＝17％)形成的氧氮化矽膜101a，其厚度為50nm(優選為10-200nm)。然後用臭氧水清潔了表面之後，利用稀氫氟酸(稀釋為1/100)除去表面上的氧化物膜。然後採用等離子體CVD方法在400℃的膜沉積溫度形成以SiH4和N2O作為原料氣(組成比為Si＝32％，O＝59％，N＝7％，H＝2％)形成的氫化的氧氮化矽膜101b，其厚度為100nm(優選為50-200nm)，由此形成層狀物。另外在不暴露在大氣的情況下，用SiH4作為膜沉積氣體，採用等離子體CVD方法在300℃的膜沉積溫度形成具有無定形結構的半導體膜(在這種情況下是無定形矽膜)，厚度為54nm(優選是25-80nm)。而且可以用Si2H6或SiF4代替SiH4，用GeF4代替GeH4。
在該實施方案中，基底膜101顯示為雙層結構，但是可以採用單層絕緣膜或其中層壓了兩層或更多層的結構。另外，對半導體膜材料沒有限制。但是該半導體膜優選由矽或矽鍺(SiXGe1-X(X＝0.0001-0.02)合金採用已知的方法(濺射、LPCVD、等離子體CVD等)形成。另外，等離子體CVD設備可以是單晶片類型或批量類型。另外，基底絕緣膜和半導體膜可以在同一個膜形成腔中在不暴露於大氣的環境下連續形成。
然後，在具有無定形結構的半導體膜表面被清潔之後，在表面由臭氧水形成厚度約為2nm的非常薄的氧化物膜。然後為了控制TFT的閥值，進行微量雜質元素(硼或磷)的摻雜。此處，採用離子摻雜方法，其中乙硼烷(B2H6)被等離子體激發而不是質量分離，在如下摻雜條件下將硼加入到無定形矽膜中加速電壓15KV；用氫稀釋為1％的乙硼烷氣體流速為30sccm；劑量為2×1012/cm2。
然後用旋塗器塗布含有重量比為10ppm的鎳的醋酸鎳鹽溶液。作為塗布的代替，可以採用向整個表面通過濺射而噴射鎳元素的方法。
然後進行熱處理以進行結晶，由此形成具有晶體結構的半導體膜。採用電爐或強光照射的加熱方法可以用於熱處理。在採用電爐進行加熱的情況下，可以在500-650℃進行4-24小時。此處，在進行了脫氫的熱處理(550℃1小時)之後，進行用於結晶的熱加工(550℃4小時)，由此獲得具有結晶結構的矽膜。要指出的是，儘管採用爐子的加熱方法而進行結晶，但是也可以採用燈退火的方法進行結晶。而且要指出的是，儘管此處使用採用鎳作為促進矽結晶的金屬元素的結晶方法，可以使用其他已知的結晶方法，例如採用固相生長方法以及雷射結晶方法。
然後，在具有結晶結構的矽膜表面上的氧化物膜被稀氫氟酸等除去之後，在大氣或在氧氣中照射第一雷射(XeCl波長為308nm)，用於提高結晶速度並修復保留在晶粒中的缺陷。使用波長為400nm或更小的準分子雷射，或YAG雷射的二次諧波或第三諧波。在任何情況下，使用具有大致為10-1000Hz的重複頻率的脈衝雷射，並通過光學系統將該雷射會聚成100-500mJ/cm2，以90-95％的重疊比例進行照射而掃描矽膜表面。要指出的是，通過第一雷射照射在表面上形成氧化物膜，因為照射是在大氣或氧氣中形成的。
然後，在採用稀氫氟酸除去第一雷射照射形成的氧化物膜之後，在氮氣或真空中進行第二雷射照射，由此平整半導體膜的表面。使用波長為400nm或更小的準分子雷射，或YAG雷射的二次諧波或第三諧波作為雷射(第二雷射)。第二雷射的能量密度比第一雷射的大，優選大30-60mJ/cm2。
然後，用臭氧水對表面進行120秒的處理，由此形成總體厚度為1-5nm的由氧化物膜構成的阻擋層。
通過濺射在阻擋層上形成厚度為150nm的含有氬元素的無定形矽膜，該氬元素變為吸氣位置。在該實施方案中濺射的膜沉積條件是膜沉積壓力為0.3Pa，氣體(氬)流速為50sccm，膜沉積功率為3KW，襯底溫度為150℃。要指出的是，在上述條件下，在無定形矽膜中所含有的氬元素的原子濃度為3×1020/cm3-6×1020/cm3，氧的原子濃度為1×1019/cm3-3×1019/cm3。然後採用燈退火設備在650℃進行3分鐘的熱處理以進行吸氣。
隨後，利用阻擋層作為蝕刻停止器選擇性的除去含有氬元素(它是吸氣位置)的無定形矽膜，然後利用稀氫氟酸選擇性的除去阻擋層。要指出的是，存在一種傾向，即在吸氣中鎳可能移動至高氧濃度的區域，因此理想的是在吸氣之後除去由氧化物膜構成的阻擋層。
然後，在由臭氧水在所獲得的具有晶體結構的矽膜(也被稱為多晶矽膜)表面上形成薄氧化物膜之後，形成抗蝕劑掩膜，對其進行蝕刻以獲得理想的形狀，由此形成彼此分開的島狀半導體層102-106。在半導體層形成之後，除去抗蝕劑製成的掩膜。
然後利用含有氫氟酸的蝕刻劑除去氧化物膜，同時清潔矽膜的表面。然後形成含有矽作為主要成分的絕緣膜，它變成柵絕緣膜107。在該實施方案中，通過等離子體CVD形成厚度為115nm的氧氮化矽膜(組成比例Si＝32％，O＝59％，N＝7％，H＝2％)。
然後如圖6A所示，在柵絕緣膜107上，將厚度為20-100nm的第一導電膜108a和厚度為100-400nm的第二導電膜108b形成為層狀體。在該實施方案中，在柵絕緣膜107上順次層疊50nm厚的氮化鉭膜和370nm厚的鎢膜。
作為形成第一導電膜和第二導電膜的導電材料，採用選自Ta、W、Ti、Mo、Al和Cu的元素或含有上述元素作為主要成分的合金材料或化合物材料。另外，以摻雜了雜質元素例如磷的多晶矽膜或AgPdCu合金為代表的半導體膜可以作為第一導電膜和第二導電膜。另外，本發明不限於雙層結構。例如可以採用三層結構，其中50nm厚的鎢膜、膜厚為500nm的Al和Si的合金(Al-Si)膜和30nm厚的氮化鈦膜被順次層疊。另外，在三層結構的情況下，氮化鎢可以用於代替第一導電膜中的鎢，鋁和鈦(Al-Ti)的合金膜可以用於代替第二導電膜中的Al和Si的合金(Al-Si)膜，鈦膜可以用於代替第三導電膜的氮化鈦膜。另外，可以採用單層結構。
然後，如圖6B所示，通過曝光步驟形成掩膜110-115，進行第一蝕刻過程以形成柵電極和導線。在第一和第二蝕刻條件下進行第一蝕刻過程。優選採用ICP(感應耦合等離子體)方法進行蝕刻。採用ICP蝕刻方法，並適當的調整蝕刻條件(施加於線圈形狀的電極的電能、施加在襯底側的電極的電能、襯底側的電極的溫度等)，由此可以按照理想的錐形來蝕刻膜。要指出的是，可以適當的採用以Cl2、BCl3、SiCl4和CCl4為代表的氯-基的氣體、以CF4、SF6和NF3為代表的氟-基氣體以及O2作為蝕刻氣體。
在該實施方案中，也向襯底(樣品臺)施加150W的RF功率(13.56MHz)，以施加基本負性自偏置電壓。在第一蝕刻條件下，蝕刻W膜以將第一導電層的端部形成為錐形。在第一蝕刻條件下，對W的蝕刻速率為200.39nm/min，對TaN的蝕刻速率為80.32nm/min，W對TaN的選擇比約為2.5。另外，在第一蝕刻條件下，W的圓錐角大約是26°。然後將第一蝕刻條件變為第二蝕刻條件，而不除去抗蝕劑製成的掩膜110-115。採用CF4和Cl2作為蝕刻氣體，氣體的流速設定為30/30sccm，在1Pa的壓力下向線圈形狀的電極施加500W的RF功率(13.56MHz)，以產生等離子體，由此進行30秒的蝕刻。向襯底側(樣品臺)施加20W的RF功率(13.56MHz)，以施加基本負性自偏置電壓。在第二蝕刻條件下，其中混合了CF4和Cl2，以相同的程度來蝕刻W膜和TaN膜。在第二蝕刻條件下，對W的蝕刻速率為58.97nm/min，對TaN的蝕刻速率為66.43nm/min。要指出的是，將蝕刻時間增加10-20％，以進行蝕刻而不會在柵絕緣膜上留下殘餘。
在上述第一蝕刻過程中，抗蝕劑製成的掩膜的形狀是適當的，由此因為施加給襯底側的偏壓的效果，第一導電層的端部和第二導電層的端部分別都是錐形。錐形部分的角度被充分的設定在15-45°。
因此，通過第一蝕刻過程形成了由第一導電層和第二導電層(第一導電層117a-121a和第二導電層117b-121b)構成的第一形狀的導電層117-121。變成柵絕緣膜的絕緣膜107被刻蝕大約10-20nm，變為柵絕緣膜116，其中沒有被第一形狀導電層117-121覆蓋的區域是薄的。
然後，進行第二蝕刻過程，而不除去抗蝕劑製成的掩膜。此處，使用SF6、Cl2和O2作為蝕刻氣體，氣體的流速被設定為24/12/24sccm，在1.3Pa的壓力下向線圈形狀的電極施加700W的RF功率(13.56MHz)，以產生等離子體，由此進行25秒的蝕刻。向襯底側(樣品臺)施加10W的RF功率(13.56MHz)，以施加基本負性自偏置電壓。在第二蝕刻條件下，對W的蝕刻速率為227.3nm/min，對TaN的蝕刻速率為32.1nm/min，W對TaN的選擇比約為7.1，對作為絕緣膜116的SiON的蝕刻速率是33.7nm/min，W對SiON的選擇比約為6.83。在採用SF6作為蝕刻氣體的情況下，相對於絕緣膜116的選擇比是高的，如上所述。因此可以抑制膜厚的減小。在該實施方案中，絕緣膜116的膜厚只減少了約8nm。
通過第二蝕刻過程，W的圓錐角變為70°。通過第二蝕刻過程，形成第二導電層124b-129b。另一方面，很少蝕刻第一導電層成為第一導電層124a-129a(圖6C)。要指出的是，第一導電層124a-129a的尺寸基本與第一導電層117a-122a相同。實際上，第一導電層的寬度可以減少大約0.3μm，即與第二蝕刻過程之前相比，總線寬度大約減少了0.6μm。但是，第一導電層的尺寸基本沒有變化。
然後除去抗蝕劑製成的掩膜，然後進行第一摻雜過程以獲得圖6D所示的狀態。可以通過離子摻雜或離子植入而進行摻雜。以1.5×1014原子/cm2的劑量在60-100keV的加速電壓的情況下進行摻雜。作為賦予n型導電性的雜質元素，一般使用磷(P)或砷(As)。在這種情況下，第一導電層和第二導電層124-128變為阻擋賦予n型導電性的雜質元素的掩膜，以自對準的方式形成第一雜質區130-134。向第一雜質區130-134以1×1016/cm3至1×1017/cm3的濃度加入賦予n型導電性的雜質元素。此處，具有和第一雜質區域相同濃度範圍的區域也被稱為n-區。
要指出的是，儘管在該實施方案中在除去抗蝕劑製成的掩膜之後進行第一摻雜過程，但是可以不除去抗蝕劑製成的掩膜就進行第一摻雜過程。
然後，如圖7A所示，形成抗蝕劑製成的掩膜135-137，進行第二摻雜過程。掩膜135是用於保護形成驅動電路p通道TFT的半導體層的通道形成區和其周邊的，掩膜136用於保護形成驅動電路n通道TFT的半導體層的通道形成區和其周邊的，掩膜137是用於保護形成像素部分TFT的半導體層的通道形成區、其周邊和存儲電容器的。
在第二摻雜過程的離子摻雜條件下1.5×1015原子/cm2的劑量，60-100keV的加速電壓，摻雜磷(P)。此處，以自對準的方式以第二導電層124b-126b作為掩膜在各自的半導體層中形成雜質區。當然，不向被掩膜135-137覆蓋的區域加入磷。因此形成第二雜質區138-140以及第三雜質區142。向第二雜質區138-140以1×1020/cm3至1×1021/cm3的濃度範圍加入賦予n型導電性的雜質元素。此處，具有和第二雜質區域相同濃度範圍的區域也被稱為n+區。
另外，由第一導電層以比第二雜質區的低的濃度形成第三雜質區，並以1×1018/cm3至1×1019/cm3的濃度範圍加入賦予n型導電性的雜質元素。要指出的是，由於通過經第一導電層的具有錐形的部分進行摻雜，因此第三雜質區具有濃度梯度，其中雜質的濃度朝著錐形部分的端部方向增加。此處，具有和第三雜質區域相同濃度範圍的區域也被稱為n-區。另外，在第二摻雜過程中，被掩膜136-137所覆蓋的區域沒有被加入雜質元素，變為第一雜質區144和145。
然後在除去了抗蝕劑製成的掩膜135-137之後，新形成抗蝕劑製成的掩膜146-148，進行如圖7B所示的第三摻雜過程。
在驅動器迴路中，通過上述第三摻雜過程，形成第四雜質區149、150以及第五雜質區151、152，其中向形成p通道TFT的半導體層以及向形成存儲電容器的半導體層加入賦予p型導電性的雜質元素。
另外，向第四雜質區149和150以1×1020/cm3至1×1021/cm3的濃度範圍加入賦予p型導電性的雜質元素。要指出的是，在第四雜質區149、150，已經在前述步驟(n-區)中加入了磷(P)，但是可以按照磷的1.5-3倍的濃度加入賦予p型導電性的雜質元素。因此第四雜質區149、150具有p型導電性。此處，與第四雜質區具有相同濃度範圍的區域也被稱為p+區。
另外，在與第二導電層125a的錐形部分重疊的區域形成第五雜質區151和152，並以1×1018/cm3至1×1020/cm3的濃度加入賦予p型導電性的雜質元素。此處，與第五雜質區具有相同濃度範圍的區域也被稱為p-區。
通過上述步驟，在各自的半導體層中形成具有n型或p型導電性的雜質區。導電層124-127變為TFT的柵電極。另外，導電層128變為電極之一，它形成像素部分內的存儲電容器。另外，導電層129形成像素區內的源導線。
然後形成基本覆蓋整個表面的絕緣膜(未顯示)。在這個實施方案中，通過等離子體CVD形成50nm厚的氧化矽膜。當然，絕緣膜不限於氧化矽膜，可以以單層或層疊的結構使用含有矽的其他絕緣膜。
然後對加入到各自半導體層中的雜質元素進行活化。在這個活化步驟中，使用利用了燈光源的快速熱退火(RTA)方法、從背面輻射YAG雷射器或準分子雷射器發出的光、採用爐的熱處理或其結合等。
另外，儘管在該實施方案描述了在活化之前形成絕緣膜的示例，但是可以在活化之後進行絕緣膜形成步驟。
然後，由氮化矽膜形成第一中間絕緣膜153，進行熱處理(300-550℃下1-12小時)，由此進行半導體層的氫化(圖7C)。該步驟是通過在第一中間絕緣膜153所含有的氫來終止半導體層的懸空鍵的步驟。半導體層可以被氫化，而與氧化矽膜形成的絕緣膜(未顯示)的存在無關。順便提一句，在該實施方案中，含有鋁作為其主要成分的材料被用作第二導電層，因此在氫化步驟中重要的是所採用的熱處理條件是第二導電層能夠承受的。作為氫化的另一種方法，可以進行等離子體氫化(採用等離子體激發的氫)。
然後，由有機絕緣材料在第一中間絕緣膜153上形成第二中間絕緣膜154。在該實施方案中，形成厚度為1.6μm的丙烯酸類樹脂膜。然後形成通達源導線129的接觸孔、分別通達導電層127和128的接觸孔，以及通達各個雜質區的接觸孔。在該實施方案中，順次進行多個蝕刻過程。在該實施方案中，利用第一中間絕緣膜作為蝕刻阻擋器來蝕刻第二中間絕緣膜，利用絕緣膜(未顯示)作為蝕刻阻擋器來蝕刻第一中間絕緣膜，然後蝕刻絕緣膜(未顯示)。
此後，採用Al、Ti、Mo、W等形成導線和像素電極。作為電極和像素電極的材料，理想的是使用反射性能優異的材料，例如含Al或Ag作為它的主要成分的膜或上述膜的層疊膜。因此形成源電極或漏電極155-160，柵導線162、連接導線161以及像素電極163。
如上所述，可以在同一襯底上形成具有n通道TFT201、p通道TFT202以及n通道TFT203的驅動迴路206和具有n通道TFT構成的像素TFT204以及存儲電容器205的像素部分207(圖8)。在本說明書中，為了簡便起見，上述襯底被稱為有源矩陣襯底。
在像素部分207，像素TFT204(n通道TFT)具有通道形成區167、形成柵電極的導電層127之外的第一雜質區145(n--區)、以及用作源區的第二雜質區(n+區)140。另外，在作為存儲電容器205的電極之一的半導體層中，形成第四雜質區150和第五雜質區152。存儲電容器205由第二電極128和以絕緣膜(與柵絕緣膜同樣的膜)116作為電介質的半導體層150、152以及168構成。
另外，在驅動迴路206中，n通道TFT201(第一n通道TFT)具有通道形成區164、隔著絕緣膜與形成柵電極的部分導電層124重疊的第三雜質區(n-區)142、以及用作源區或漏區的第二雜質區(n+區)138。
另外，在驅動迴路206中，p通道TFT202具有通道形成區165、隔著絕緣膜與形成柵電極的部分導電層125重疊的第五雜質區(p-區)151、以及用作源區或漏區的第四雜質區(p+區)149。
另外，在驅動迴路206中，n通道TFT203(第二n通道TFT)具有通道形成區166、隔著絕緣膜與形成柵電極的部分導電層126重疊的第一雜質區(n--區)144、以及用作源區或漏區的第二雜質區(n+區)139。
上述TFT201-203被適當的結合，以形成漂移電阻迴路(shift resistercircuit)、緩衝迴路、電平漂移迴路、柵鎖迴路等，由此形成驅動迴路206。例如，在形成CMOS迴路的情況下，n通道TFT201和p通道TFT202可以彼此互補連接。
尤其是，n通道TFT203的結構適合用於具有高驅動電壓的緩衝電路，以防止由於熱載流子效應的損壞。
另外，是GOLD結構的n通道TFT201的結構適合於可靠性最優先的迴路。
本發明獲得的平整度和晶體取向率高的半導體膜被形成用作TFT的有源層，由此TFT所承受的電壓和可靠性被提高。
另外，在該實施方案中描述了製造有源矩陣襯底用於反射型顯示器的示例。但是如果由透明導電膜形成像素電極，儘管光掩膜的數量增加了1個，但是可以形成透射型顯示器。
而且，該實施方案可以與任何實施方案模式和實施方案1自由結合。
該實施方案描述了由在實施方案2中製造的有源矩陣襯底製造有源矩陣液晶顯示器設備的過程。以下的描述參考圖9。
在根據實施方案2獲得如圖8所示的有源矩陣襯底之後，在圖8的有源矩陣襯底上形成取向膜，並進行摩擦處理。在該實施方案中，在形成取向膜之前，對有機樹脂膜例如丙烯酸類樹脂膜形成圖案，以在理想的位置形成柱狀隔離件，將襯底分開。柱狀隔離件可以被噴射在襯底整個表面上的球形隔離件所代替。
然後製備相對的襯底。該相對的襯底具有濾色片，其中有色層和光遮蔽層被相對於像素設置。光遮蔽層也被設置在驅動迴路部分。形成偏振膜以覆蓋濾色片和光遮蔽層。在偏振膜上，在像素部分由透明的導電層形成相對的電極。在相對的襯底的整個表面上形成取向膜並進行摩擦處理。
然後採用密封部件將相對的襯底粘接至其上形成有像素部分和驅動迴路的有源矩陣襯底。該密封部件具有混合在其中的填料，填料連同柱狀隔離件一起在兩個襯底粘接在一起的同時使其保持著距離。將液晶材料注入到兩個襯底之間，採用封裝劑(未顯示)來將襯底完全密封。可以使用已知的液晶材料。由此完成了有源矩陣液晶顯示器。如果需要，將有源矩陣襯底或相對的襯底切割成所需形狀的片。顯示器可以採用已知的技術適當的設有偏振板。然後採用已知的方法將EPF連至襯底。
如此獲得的液晶模塊的結構參考俯視圖9描述如下。
在有源矩陣襯底301的中心設置像素部分304。在像素部分304之上設置用於驅動源信號行的源信號行驅動電路302。在像素部分304的左邊和右邊設置了用於驅動柵信號行的柵信號行驅動電路302。儘管在該實施方案中柵信號行驅動電路303是關於像素部分304對稱的，但是液晶模塊可以在像素部分的一側上只有一個柵信號行驅動電路。在上述兩個選項中，設計者可以選擇就液晶模塊的襯底尺寸等而言而適合的布局。但是，圖9中的柵信號行驅動迴路的對稱布局就迴路操作可靠性、驅動效率等而言是優選的。
信號被從柔性印刷電路(FPC)305輸入驅動迴路。在中間絕緣膜和樹脂膜中開有接觸孔並且形成連接電極309從而通達設置在襯底301的給定位置中導線行之後，FPC305通過各向異性導電膜等壓配合。在該實施方案中，連接電極由ITO形成。
沿著襯底的圍繞驅動電路和像素部分的周邊施加密封劑307。通過密封劑307將相對的襯底306粘接至襯底301，同時提前在有源矩陣襯底上形成的隔離件將兩個襯底之間的距離(襯底301和襯底306之間的距離)保持為恆定。通過襯底沒有塗布密封劑307的區域注入液晶元件。然後用封裝劑308將襯底密封。通過上述步驟完成了液晶模塊。
儘管在所示的實施例中所有的驅動電路形成在襯底上，但是幾個IC可以用於某些驅動電路。
另外，該實施方案可以與實施方案模式、實施方案1和實施方案2中的任何結構自由結合。
實施方案2描述了反射型顯示器的示例，其中由反射金屬材料形成像素電極。在本實施方案中所述的是透射型顯示器示例，其中像素電極由透光導電膜形成。
直到形成中間絕緣膜的步驟的製作過程都與實施方案2的過程相同，其描述在此省略。在根據實施方案2形成中間絕緣膜之後，由透光導電膜形成像素電極601。透光導電膜的示例包括ITO(銦錫氧化物合金)膜、氧化銦-氧化鋅合金(In2O3-ZnO)膜，氧化鋅(ZnO)膜等。
然後在中間絕緣膜600中形成接觸孔。再形成與像素電極重疊的連接電極602。連接電極602通過接觸孔連接至漏區。在形成連接電極的同時，形成其他TFT的源電極或漏電極。
儘管在所示的實施例中所有的驅動電路形成在襯底上，但是幾個IC可以用於某些驅動電路。
如上所述完成有源矩陣襯底。由該有源矩陣襯底根據實施方案3來形成液晶模塊。液晶模塊設有背光604和光導向板605，並被蓋板606所覆蓋，以完成有源矩陣液晶顯示器，它的局部截面視圖如圖10所示。蓋板被利用粘合劑或有機樹脂粘接至液晶模塊。當將該襯底粘接至相對的襯底時，該襯底可以被加有外框，從而框和襯底之間的空間被填充有用於粘接的有機樹脂。由於該顯示器是透射型，因此有源矩陣襯底和相對的襯底分別都需要粘接有偏振片603。
該實施方案可以與實施方案模式、實施方案1-3中的任何結構自由結合。
在該實施方案中，製造設有EL(電發光)元件的發光顯示器的示例如圖11A和11B所示。
圖11A是EL模塊的俯視圖，圖11B是沿著圖11A的A-A』線的截面視圖。在具有絕緣表面的襯底900(例如玻璃襯底、結晶玻璃襯底、塑料襯底等)上，形成像素部分902、源側驅動電路901、柵側驅動電路903。像素部分和驅動電路可以根據上述實施方案來獲得。另外，附圖標記918表示密封部件，附圖標記919表示DLC膜。像素部分和驅動電路部分被密封部件918所覆蓋，該密封部件被保護膜919所覆蓋。另外，保護膜919被蓋板部件920用粘合劑所密封。理想的是，蓋板部件920由與襯底900相同的材料構成，例如是玻璃襯底，以能夠承受熱或外力導致的變形。蓋板部件920通過噴砂等被加工為具有凹形(深度為3-10μm)，如圖11B所示。理想的是蓋板部件920還被加工形成凹陷部分(深度為50-200μm)，其中可以設置乾燥劑921。另外在製造多個EL模塊的情況下，在襯底和蓋板部件被彼此連接之後，可以採用CO2雷射器等進行分割，從而端面彼此匹配。
要指出的是，附圖標記908表示用於傳輸輸入源側驅動電路901和柵側驅動電路903的信號的導線，並且接收來自外部輸入端FPC(柔性印刷電路)909的視頻信號和時鐘信號。要指出的是，儘管在圖中只顯示了FPC，但是印刷線路板(PWB)可以連接至FPC。本說明書中的發光設備不僅包括發光設備的主體，而且包括連接有FPC或PWB的發光設備。
以下參考圖11B描述局部結構。在襯底900上設置絕緣膜910，在絕緣膜910上形成像素部分902和柵側驅動電路903，由包括電流控制TFT911和連至電流控制TFT911的漏極的像素電極912的多個像素構成像素部分902。另外柵側驅動電路903採用其中結合了n通道TFT913和p通道TFT914的CMOS電路形成。
上述TFT(包括911、913和914)可以根據實施方案2中的n通道TFT201和p通道TFT202來製造。
要指出的是，作為設置在TFT和EL元件之間的絕緣膜的材料，適當的是使用不僅能阻擋雜質離子例如鹼金屬離子或鹼土金屬離子的擴散並且能積極的吸收雜質離子例如鹼金屬離子或鹼土金屬離子的材料，進一步是使用能夠承受後面的加工溫度的材料。作為滿足上述條件的材料，其示例是含有大量氟的氮化矽膜。在氮化矽膜中所含氟濃度為1×1019/cm3或更大，優選的是，氮化矽膜中氟的組成比例為1-5％。氮化矽膜中的氟與鹼金屬離子或鹼土金屬離子鍵連，並吸收進入膜。另外，作為另一個示例，給出含有銻(Sb)化合物、錫(Sn)化合物或銦(In)化合物構成的微粒的有機樹脂膜，該微粒吸收鹼金屬離子、鹼土金屬離子等，例如含有五氧化二銻(Sb2O5·nH2O)微粒的有機樹脂膜。要指出的是，該有機樹脂膜含有的微粒其平均顆粒尺寸為10-20nm，具有高透光性。以五氧化二銻微粒為代表的銻化合物特別適合於吸收例如鹼金屬離子或鹼土金屬離子的雜質。
像素電極912起到發光元件(EL元件)的陽極的作用。另外，在像素電極912的兩端形成觸排915，在像素電極912上形成EL層916以及發光元件的陰極917。
作為EL層916，發光層、電荷傳輸層和電荷注入層可以自由結合以形成EL層(用於發光和載流子移動發光的層)。例如，可以使用低分子量有機EL材料或高分子量有機EL材料。另外，作為EL層，可以使用由通過單線激發態發光(螢光)的發光材料(單線態化合物)形成的薄膜，或者由通過三線激發態發光(螢光)的發光材料(三線態化合物)形成的薄膜。另外，可以使用無機材料例如碳化矽用於電荷傳輸層或電荷注入層。可以使用已知的材料作為有機EL材料或無機材料。
陰極917也起到所有像素公用的導線的功能，並通過連接導線908被電連接至FPC909。另外，像素部分902和柵側驅動電路903中的所有的元件被陰極917、密封部件918和保護膜919所覆蓋。
要指出的是，對可見光透明或半透明的材料優選用作密封部件918。另外，理想的是，由儘可能不會滲透溼氣或氧氣的材料形成密封部件918。
另外，在通過密封部件918完全覆蓋發光元件之後，優選的是，在至少密封部件918的表面(暴露表面)上設置DLC膜等構成的保護膜919，如圖11A和11B所示。另外，可以在包括襯底背面在內的所有表面上設置保護膜。此處，必須加以注意，保護膜不沉積在設置有外部輸入端(FPC)的部分。可以使用掩膜，以不形成保護膜。或者，外部輸入端部分可以被Teflon(註冊商標)等形成的帶所覆蓋，該帶被用作CVD設備中的掩膜帶，以不形成保護膜。
採用密封部件918和帶有上述結構的保護膜來密封發光元件，由此發光元件可以完全與外界隔離。因此可以防止因為EL層的氧化而促進惡化的物質，例如溼氣或氧氣從外界滲入。因此可以獲得具有高可靠性的發光設備。
另外，可以採用這樣的結構，其中像素電極是陰極，EL層和陽極被層疊以由此提供與圖11A和11B相反方向的發光。
要指出的是，該實施方案可以與實施方案模式和實施方案1中任何一個自由結合。
通過實施本發明而形成的驅動電路和像素部分可以用於各種模塊(有源矩陣類型的液晶模塊、有源矩陣類型的EL模塊和有源矩陣類型的EC模塊)。即本發明可以在集成有作為顯示部分的模塊的所有電子設備中實施。
作為這種電子設備，此處要提出的是視頻攝像機、數字攝象機、頭部安裝的顯示器(護目鏡型顯示器)、車用導航系統、投影儀、車用立體聲、個人計算機、可攜式信息終端(可移動計算機、行動電話或電子圖書)等。這些設備的示例如圖12-14所示。
圖12A表示個人計算機，包括主體2001、影像輸入部分2002、顯示部分2003以及鍵盤2004。本發明可以用於顯示部分2003。
圖12B表示視頻攝象機，包括主體部分2101，顯示部分2102、聲音輸入部分2103、操作開關2104、電池2105和影像接收部分2106。本發明可以用於顯示部分2102。
圖12C表示移動計算機，包括主體部分2201、攝象機部分2202、影像接收部分2203、操作開關2204以及顯示部分2205。本發明可以用於顯示部分2205。
圖12D表示護目鏡型顯示器，包括主體部分2301、顯示部分2302以及臂部分2303。本發明可以用於顯示部分2302。
圖12E表示採用記錄有程序的記錄介質(以下稱為記錄介質)的遊戲機，包括主體部分2401、顯示部分2402、揚聲器部分2403、記錄介質2404以及操作開關2405。該遊戲機採用DVD(數字通用盤)或CD作為記錄介質，可以聽音樂、看電影和玩遊戲或上網際網路。本發明可以用於顯示部分2402。
圖12F表示數字攝象機，包括主體部分2501、顯示部分2502、眼睛接觸部分2503、操作開關2504以及影像接收部分(未顯示)。本發明可以用於顯示部分2502。
圖13A表示前式投影儀，包括投影設備2601以及屏幕2602。本發明可以用於形成部分投影設備2601的液晶模塊2808。
圖13B表示後式投影儀，包括主體部分2701、投影設備2702、反射鏡2703和屏幕2704。本發明可以用於形成部分投影設備2702的液晶模塊2808。
圖13C表示圖13A和13B所示的投影設備2601和2702的結構示例。投影設備2601或2702由光源光學系統2801、反射鏡2802、以及2804-2806、二向色鏡2803、稜鏡2807、液晶顯示設備2808、相差板2809和投影光學系統2810構成。投影光學系統2810由包括投影透鏡的光學系統構成。儘管該實施方案中顯示的是三板類型，但是該實施方案不限於此，可以是例如單板類型。另外，實施本實施方案的人會在光路中相應的設置光學系統，例如光學透鏡、具有偏振功能的膜、用於調整相差的膜或IR膜，如圖13C箭頭所示。
圖13D表示圖13C中光源光學系統2801的結構示例。根據該實施方案，光源光學系統2801由反射器2811、光源2812、透鏡陣列2813和2814、偏振轉換元件2815和聚焦透鏡2816構成。圖13D所示的光源光學系統只是一個示例，該實施例不限於此。例如，實施本實施方案的人會在光源光學系統中相應的設置光學系統，例如光學透鏡、具有偏振功能的膜、用於調整相差的膜或IR膜。
但是根據圖13所示的投影儀，顯示了使用透射型電光設備的情況，沒有顯示用於反射類型電光設備和EL模塊的示例。
圖14A表示行動電話，包括主體部分2901、聲音輸出部分2902、聲音輸入部分2903、顯示部分2904、操作開關2905、天線2906和影像輸入部分(CCD、影像傳感器等)2907。本發明可以用於顯示部分2904。
圖14B表示便攜書(電子圖書)，包括主體部分3001、顯示部分3002和3003、記錄介質3004、操作開關3005和天線3006。本發明可以用於顯示部分3002和3003。
圖14C表示顯示器，包括主體部分3101、支撐基底3102和顯示部分3103。本發明可以用於顯示部分3103。
另外圖14C所示的顯示器是小型、中等或大型的，例如顯示器的屏幕為5-20英寸。優選的是通過尺寸為1×1m的襯底形成多次圖案來大量生產以形成這種尺寸的顯示部分。
如上所述，本發明的使用範圍非常廣，可以用於所有領域的電子設備。本發明的電子設備可以自由的結合實施方案1-5的結構來形成。
根據本發明，形成平整度和晶體取向率高的半導體膜，用於TFT的有源層，由此可以獲得具有更少變化的低OFF電流值的半導體設備。
權利要求
1.一種製造半導體設備的方法，包括以下步驟在一個絕緣表面上形成包含矽和鍺的半導體膜，其中鍺濃度為0.1-10原子％，以及通過照射雷射結晶化所述半導體膜，其中所述雷射是連續振蕩型雷射器的第二諧波。
2.根據權利要求1的製造半導體設備的方法，其特徵在於結晶的半導體膜的表面不均勻度的峰-谷值小於70nm，它表示其主表面的表面粗糙度。
3.根據權利要求1的製造半導體設備的方法，其特徵在於結晶的半導體膜的粗糙度均方根小於10nm，它表示其主表面的表面粗糙度。
4.根據權利要求1的製造半導體設備的方法，其特徵在於所述雷射是在一種氣氛或氧氣氛中照射的。
5.根據權利要求4的製造半導體設備的方法，其特徵在於還包括從所述結晶的半導體膜的表面去除氧化膜的步驟。
6.根據權利要求5的製造半導體設備的方法，其特徵在於還包括在惰性氣氛中或在真空中用雷射照射所述結晶的半導體膜的步驟。
7.根據權利要求1的製造半導體設備的方法，其特徵在於相對於所述結晶的半導體膜的{101}晶面的取向比例高於相對於所述結晶的半導體膜的{111}晶面的取向比例。
8.一種半導體設備，包括在一個絕緣表面上形成包含鍺的半導體層，其中鍺濃度為0.1-10原子％，形成在所述半導體層上的柵極絕緣膜，以及形成在所述柵極絕緣膜上的柵極電極，其中半導體層的表面不均勻度的峰-谷值小於70nm，它表示其主表面的表面粗糙度。
9.一種半導體設備，包括在一個絕緣表面上形成包含鍺的半導體層，其中鍺濃度為0.1-10原子％，形成在所述半導體層上的柵極絕緣膜，以及形成在所述柵極絕緣膜上的柵極電極，其中半導體層的粗糙度均方根小於10nm，它表示其主表面的表面粗糙度。
10.一種根據權利要求8或9所述的半導體設備，其特徵在於所述半導體設備是選自視頻攝像機、數位相機、車用導航系統、個人計算機、個人數字助理以及電子遊戲設備的一種。
11.一種根據權利要求8或9所述的半導體設備，其特徵在於相對於所述半導體層的{101}晶面的取向比例高於相對於所述半導體層的{111}晶面的取向比例。
全文摘要
一種半導體設備，其中具有平整主表面的半導體膜被用作有源層。具有平整主表面的半導體膜(5)其rms小於10nm，P－V值小於70nm，它們分別顯示表面粗糙度，該膜通過含有濃度為百分之幾、優選是0.1－10原子％的鍺的矽膜結晶並用雷射照射該膜而形成。在採用促進結晶的金屬元素進行結晶的情況下，獲得了晶體取向率以及平整度高的半導體膜。
文檔編號H01L21/268GK1913106SQ20061015169
公開日2007年2月14日 申請日期2002年7月2日 優先權日2001年7月2日
發明者笠原健司, 山崎舜平 申請人:株式會社半導體能源研究所