薄膜晶体管制造方法及薄膜晶体管 本发明涉及多晶硅薄膜晶体管的制造方法及在液晶显示器件和包括图象传感器等输入和输出器件中所使用的薄膜晶体管这一领域。
多晶硅薄膜晶体管的电子迁移率比无定形硅薄膜晶体管的电子迁移率大100倍。使用多晶硅薄膜晶体管使得可把元件减到最少且使得可更密集地在衬底上安装驱动电路。在液晶显示器件的领域中，近来已在具有内置驱动电路的薄膜晶体管阵列中使用了多晶硅薄膜晶体管。通过开发在可容易扩大的玻璃衬底上制造阵列这一技术，使得这些具有内置驱动电路的薄膜晶体管阵列成为可能。
为了在低温下形成多晶硅薄膜晶体管，开发在低温下把杂质注入多晶硅薄膜的激活方法以及在低温下形成多晶硅薄膜的技术是重要的。通常利用使用准分子激光退火的低温结晶化，在低温下在大的衬底上形成良好的多晶硅薄膜。
例如，1986年5月第5期IEEE电子器件公报的第EDL-7卷，第276-278页揭示了涉及准分子激光退火技术。一般，使用热退火来激活，但激活速率随处理温度的降低而明显下降。
提出把快速热退火(RTA)和准分子激光激活作为提高低温下的杂质激活速率以克服以上缺点的方法。SID97 M/52：多晶硅TFT LCD的快速热处理的最新进展中揭示了RTA激活，第18届(1986)固态器件和材料国际会议的全文摘要第225-228页揭示了准分子激光激活。
图3A到3D示出描述制造液晶显示器件中所使用的有源矩阵阵列地多晶硅薄膜晶体管的常规方法的流程图。如图3A所示，使用等离子体CVD方法在透明玻璃衬底11上形成变为缓冲层12的氧化硅膜。然后，使用等离子体CVD方法淀积无定形硅(a-Si)膜，而其上形成缓冲层12的衬底11不暴露于空气。
接着，应用热处理来减少a-Si膜中的氢。通过准分子激光退火对a-Si进行多晶硅化，以形成多晶-Si膜13a。最后，把多晶-Si膜13a处理成为TFT所需的尺寸和形状。
接着，形成变为栅绝缘膜14的氧化硅膜。形成通常由Al合金构成的栅极15，并且，如图3A的箭头100所示，在薄膜晶体管中注入杂质以形成轻掺杂漏(LDD)区13b。如图3B所示，然后使用覆盖薄膜晶体管的LDD区13b的光致抗蚀剂25，形成把杂质注入源和漏区中的掩模。如图3B的箭头100所示，通过离子注入把大量磷离子(即杂质)注入源区21和漏区22中。把杂质浓度高的源区21和漏区22叫做SD区13C。
由于注入的杂质在电气上是不活泼的，所以如图3C的箭头101所示应用准分子激光来激活它。
然后，如图3D所示，形成变为层间绝缘膜16的氧化硅膜，并在源区21和漏区22中的绝缘膜上开出接触孔17a和17b。并形成Ti和Al构成的分层膜，并对它进行处理以形成SD布线18a和18b。
最后，形成由氮化硅制成的保护绝缘膜23，并在氢气中进行退火。氢气退火以氢填充多晶硅薄膜中的空离子键，使得可提高薄膜晶体管的特性。
然而，使用准分子激光的常规激活方法对栅极15产生程度高的热破坏。更具体来说，如图3C所示，通过薄膜晶体管源区21和漏区22处的栅绝缘膜14把所照射的准分子激光加到多晶硅上，被多晶硅所吸收。加到栅极15区的激光还被栅金属直接吸收，使得栅极的温度升高。如果把诸如W、Mo和Cr等具有高熔点的金属用于栅极15，则可能因激光照射所产生的热冲击(shock)而引起栅极15开裂或剥离。如果把Al合金用于栅极15，则可能发生诸如小丘(hillock)增加等质量问题。小丘是因温度升高而使材料表面变得不平的现象。
本发明提供了一种薄膜晶体管的制造方法及薄膜晶体管，它减少了在薄膜晶体管制造期间(包括通过激光照射来进行杂质激活的工艺)因照射激光而对栅极所产生的热破坏。
依据本发明一个示例实施例的薄膜晶体管制造方法包括以下步骤：在透明衬底上形成半导体薄膜；作为栅绝缘膜在半导体薄膜上形成折射率为n1且膜厚为d1的第一绝缘膜；在第一绝缘膜上形成栅极；把杂质注入半导体薄膜中；形成折射率为n2且膜厚为d2的第二绝缘膜，以覆盖第一绝缘膜和栅极；在形成第二绝缘膜后，通过加上波长为λ的激光来激活所注入的杂质。在此结构中，膜厚d1和d2实际上满足以下的一组公式(1)和(2)：
d2*n2＝2*m*λ/4 (1)
d1*n1+d2*n2＝(2*m1-1)*λ/4 (2)
这里，m和m1为任意给定的正整数。
这些膜厚使得激光被反射出栅极，并在栅极以外的部分被吸收。这使得减少了激光照射对栅极的热破坏，还实现了通过激光的有效的杂质激活。
本发明的另一个示例实施例指一种薄膜晶体管的制造方法，该方法包括以下步骤：在透明衬底上形成半导体薄膜；作为栅绝缘膜在半导体薄膜上形成折射率为n1且膜厚为d1的第一绝缘膜；在第一绝缘膜上形成栅极；在形成栅极后把杂质注入半导体薄膜中；形成折射率为n2且膜厚为d2的第二绝缘膜，以覆盖第一绝缘膜和栅极；在形成第二绝缘膜后，通过波长为λ的激光照射来激活所注入的杂质。
在此结构中，第一绝缘膜的膜厚d1和第二绝缘膜的膜厚d2实际上满足一组公式(5)和(6)，m和m1为任意给定的正整数。
abs{d2*n2-2*m*λ/4}＜λ/8 (5)；以及
abs{(d2*n2+d1*n1)-(2*m1-1)*λ/4}＜λ/8 (6)
以上膜厚d1和d2的可接受范围使得减少了激光照射对栅极的热破坏，还实现了通过激光的有效的杂质激活。
在这些薄膜晶体管制造方法中，第一绝缘膜是通过由等离子体分解至少包含有机硅材料的气体材料而制造的氧化硅。
本发明的薄膜晶体管包括在透明衬底上形成的半导体薄膜；作为栅绝缘膜在半导体薄膜上形成的折射率为n1且膜厚为d1的第一绝缘膜；在第一绝缘膜上形成的栅极；注入半导体薄膜中的杂质；形成的覆盖第一绝缘膜和栅极的折射率为n2且膜厚为d2的第二绝缘膜。通过加上波长为λ的激光来激活所注入的杂质。在此结构中，膜厚d1和d2实际上满足一组公式(1)和(2)，m和m1为任意给定的正整数。
图1A到1D是示出本发明较佳实施例中的薄膜晶体管制造方法的工艺的剖面图。
图2A示出绝缘膜的膜厚与激光的反射率之间的关系的特性曲线图；
图2B是薄膜晶体管中的区域A和B的剖面图。
图3A到3D是示出薄膜晶体管的常规制造方法的工艺的剖面图。
以下参考图1A到1D来描述本发明较佳实施例中的薄膜晶体管制造方法。如图1A所示，使用等离子体CVD方法在透明玻璃衬底11上形成400nm厚的氧化硅膜，以形成缓冲层12。然后，使用等离子体CVD方法淀积达到50nm厚的无定形硅(a-Si)，而其上形成氧化硅薄膜的玻璃衬底11不暴露于空气。为了减少a-Si膜中的氢，在1托的还原氮气中，在450℃下把玻璃衬底11热处理90分钟。通过准分子激光退火对a-Si膜进行多晶硅化，以形成多晶-Si膜13a，它是一非单晶半导体薄膜。对于准分子激光，使用波长为308nm的XeCl准分子激光，并在真空下照射。其能量密度为350mJ/cm2，平均照射量为35射(shot)/点。
在对a-Si膜进行多晶硅化以形成多晶-Si膜13a后，把多晶-Si膜13a处理成为TFT所需的尺寸和形状。淀积50nm厚的氧化硅膜，以形成栅绝缘膜14，它是第一绝缘膜。采用等离子体CVD方法从氧气和TEOS(原硅酸四乙酯，Si(OCH2CH3)4)气体的混合气体(它是有机硅材料)中形成此氧化硅膜。膜厚设定为45nm。
然后形成由Al合金构成的栅极15。把栅极15用作掩模，通过注入杂质来形成薄膜晶体管的LDD区13b。以70keV的加速电压来激励磷离子，并以1013/cm2的剂量率沿箭头100注入。在形成LDD区13b后，如图1B所示，加上覆盖薄膜晶体管的LDD区13b的光致抗蚀剂25，以形成把杂质注入源区21和漏区22的掩模。LDD区不是必不可少的，而是有利于减少薄膜晶体管的OFF状态电流。
在注入杂质后，如图1C所示，形成215nm厚的氧化硅膜作为第二绝缘膜，以形成层间绝缘膜16。然后，如图1C中的箭头101所示，加上短波准分子激光以激活所注入的杂质。用于激活的激光为XeCl准分子激光，它的波长λ为308nm，半宽度为30nm。其能量密度为300mJ/cm2，平均照射量为20射/点。
栅绝缘膜14(第一绝缘膜)的膜厚d1＝50nm，折射率n1＝1.46。在栅绝缘膜14上形成的层间绝缘膜16(第二绝缘膜)的膜厚d2＝215nm，折射率n2＝1.46。相应地，需要杂质激活的薄膜晶体管的源区21和漏区22上的绝缘膜的膜厚为d1+d2＝265nm。折射率n1都是1.46。
图2A示出在激光从空气进入绝缘膜(SiO2)时的激光反射率对绝缘膜的膜厚的关系曲线。图2B示出在激光激活期间薄膜晶体管的剖面图。此图相应于图1C中的剖面图。如图2A所示，当激光波长为λ且绝缘膜的折射率为n时，从空气进入绝缘膜的激光的反射率以λ/(4*n)的周期重复最大和最小反射率。
图2A示出当准分子激光的波长λ为308nm且绝缘膜(SiO2)的折射率n为1.46时的情况。在此情况下，反射率的半周期λ/(4*n)为52.7nm。相应地，自从激光进入图2B所示区域A(栅极)上的层间绝缘膜(d2＝215nm)后，薄膜晶体管的栅极15几乎不吸收入射激光能量。
另一方面，在图2B所示的区域B(晶体管的源区21、漏区22和LDD区13b)中，激光进入厚度为栅绝缘膜的膜厚d1＝50nm与层间绝缘膜的膜厚d2＝215nm之和(即d1+d2＝265nm)的膜。相应地，如图A所示反射率几乎最小，入射激光能量最有效地达到底部的多晶-Si膜13a。因而，多晶-Si膜13a被最有效地退火，且令人满意地激活所注入的杂质。
以上结论可采用以下的数字形式。
当层间绝缘膜厚d2为反射率半周期的偶数倍，即
d2＝2*m*λ/(4*n1)；以及
两个绝缘膜厚之和d1+d2为反射率半周期的奇数倍，即
d1+d2＝(2*m1-1)*λ(4*n1)
时实现了理想情况。这里m和m1是任意给定的正整数。
然后，可如下重新排列这些公式：
d2*n1＝2*m*λ/4；以及
(d1+d2)*n1＝(2*m1-1)*λ/4。
对于层间绝缘膜的折射率n2不同于栅绝缘膜的折射率n1的情况，可如下归纳这些公式：
d2*n2＝2*m*λ/4 (1)；以及
d2*n2+d1*n1＝(2*m1-1)*λ/4 (2)。
换句话说，在满足一组公式(1)和(2)时，激光理想地激活了杂质。
在杂质激活后，如图1D所示，在层间绝缘膜16上开出接触孔17a和17b，然后分别形成Ti和Al分层膜构成的SD布线18a和18b。最后，形成由氮化硅制成的保护绝缘膜23，并在氢气中进行退火。相应地，由氢来填充多晶硅薄膜中的空离子键，以提高薄膜晶体管的特性。
以上描述中的退火最好在250℃和400℃之间进行30分钟到3小时。这里，退火温度为350℃，退火时间为1小时。使用本发明的制造方法所制造的薄膜晶体管表现出的迁移率为150cm2/V·sec及Vth＝2.0V。即使把Al合金用于栅极15，在通过激光的杂质激活工艺中也未观察到小丘的增加。
因而，本发明的制造方法使得可把准分子激光反射离栅极15上的层间绝缘膜16。另一方面，薄膜晶体管的源区21、漏区22和LDD区13b上的层间绝缘膜16和栅绝缘膜14防止了准分子激光的反射。这使得在需要杂质激活的区域有效地吸收了激光能量，同时，防止在需要避免温度升高的栅极处吸收激光能量。相应地，可能因温度升高而引起小丘、裂缝等的材料可用于栅极布线，这些材料诸如Al及包括Cr、Mo和Ni等应力大且熔点高的金属。
如图2A所示，相对于所使用的激光的波长λ及绝缘膜的折射率n1，在每一λ/(4*n1)[nm]的绝缘膜厚中重复最小和最大反射率。相应地，绝缘膜膜厚的误差最好在反射率变为最大值和最小值的最小间隔的一半的范围内，即±λ(8*n1)[nm]。如果把此条件量化，则栅绝缘膜的膜厚d1和层间绝缘膜的膜厚d2可满足以下的一组公式(3)和(4)，m和m1为任意给定的正整数：
abs {d2*n1-2*m*λ/4}＜λ/8 (3)；以及
abs{(d2+d1)*n1-(2*m1-1)*λ/4}＜λ/8 (4)。
较佳实施例对栅绝缘膜和层间绝缘膜使用相同材料，这意味着两个膜具有相同的折射率n1。然而，没有必要使用折射率相同的材料。当把折射率不同材料用于栅绝缘膜和层间绝缘膜时，膜厚d1和d2可满足以下的一组公式(5)和(6)，m和m1为任意给定的正整数：
abs{d2*n2-2*m*λ/4}＜λ/8 (5)；以及
abs{(d2*n2+d1*n1)-(2*m1-1)*λ/4}＜λ/8 (6)；
这里，栅绝缘膜的膜厚为d1，其折射率为n1，层间绝缘膜的膜厚为d2，其折射率为n2。
在满足以上公式(5)和(6)时，可实现较佳实施例中所述的相同结果。
如较佳实施例中所述，把有机硅材料(诸如通过等离子体分解的TEOS气体)用于栅绝缘膜有效地提高了薄膜晶体管的可靠性，因为在淀积该膜时对基底层的破坏极小。
如上所述，本发明使得在加上激光来激活杂质时，能够在栅极上形成防激光的光学反射膜，并在薄膜晶体管的源和漏区上形成防反射膜。这使得栅极可在激活期间反射激光束，同时，使注入杂质的区域有效地吸收能量。相应地，即使在实现足够的激活速率的激光退火条件下，也可防止栅极开裂和剥离。结果，本发明明显地提高了制造薄膜晶体管的成品率。
此外，绝缘膜使用通过等离子体分解有机硅材料而制成的氧化硅膜来覆盖薄膜晶体管的源区和漏区使得进一步提高了薄膜晶体管的可靠性。
标号
11 玻璃衬底
12 缓冲层
13a 多晶-Si膜
13b LDD区
13c SD区
14 栅绝缘膜(第一绝缘膜)
15 栅极
16 层间绝缘膜(第二绝缘膜)
17a，17b 接触孔
18a，18b SD布线
21 源区
22 漏区
25 光致抗蚀剂
23 保护绝缘膜