专利名称：半导体器件及其制造方法
对本发明，美国政府依据美国能源部与加利福尼亚大学之间关于劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)运作的第W-7405-ENG-48号合同而享有权利。
如上述参考的美国专利5,346,850例示，已在低温(＜250℃)制造出高性能多晶硅器件。这是通过用短脉冲紫外激光，比如波长为308nm的ArF激发物激光，晶化非晶硅层(和活化杂质)实现的。极短脉冲持续时间(20～50ns)允许硅薄膜熔化并再结晶而不损伤基片或器件中的其它层。这种方式产生的多晶层提供了高载流子迁移率并增强杂质浓度，导致更好的性能。
本发明拓展了上述方法和工艺的能力，以在足够低的温度制造非晶和多晶沟道硅薄膜晶体管，防止损伤到低成本的所谓低温塑料基片。本发明使用一反射性涂层以在加工过程中为塑料基片提供辐射保护。在该塑料基片上沉积一反射性涂层以保护其免受加工过程中由激光和高强度辐射源产生的高强度辐射的损伤。在低温塑料基片上制造硅薄膜晶体管的工艺、薄膜晶体管、和薄膜晶体管基片的设置(用于本发明的薄膜晶体管制造)，都有不同于现有薄膜晶体管的特征。它们有许多不同的用途。比如，塑料显示器和按照本发明制造的柔性结实的塑料基片上的微电子电路可用于便携消费电子产品(摄像机、个人数字助理、移动电话等等)或大面积平板显示器上。高分辨率大面积飞行模拟器需要大面积的塑料显示器。柔性探测器阵列已应用于辐射(X射线、伽马射线)探测中。绝缘体上生长的硅外延膜可被用于辐射硬化集成电路。本发明的许多其它用途已存在且其发展将产生附加的用途。
本发明提供了一种于廉价塑料基片上形成TFT的方法。本发明的方法使用足够低的加工温度，从而能够使用廉价的柔性塑料基片。所谓的低温塑料基片相比于传统使用的基片，如玻璃，石英和硅，有几个优点。虽然在加工过程中有短期的高温，根据本发明的方法的加工温度基本保持为120℃以下。这是通过使用脉冲激光加工实现的，该脉冲激光加工在短时间内产生所需的温度，同时保持基片温度在损伤阈值温度(比如，低于120℃)之下。一个反射性涂层被沉积于塑料基片之上，以保护该基片在加工过程中免受由激光或高强度辐射源产生的高强度辐射。因此，通过使用本发明的制造技术，使基片维持在足够低的温度，从而可防止廉价且柔性的低温塑料基片受到损伤。本发明提供一种方法，其依靠在低温下沉积半导体、电介质和金属的技术，以及用脉冲能量源来晶化和掺杂TFT中的各半导体层的技术。
本发明显著地增加了能被用于制造薄膜晶体管的塑料基片的类型。而且，塑料基片具有在传统基片(比如玻璃或硅)之上的几个优点，因为塑料基片远为便宜、更轻、更耐久、结实和柔软。根据本发明的在低温塑料基片上制造硅薄膜晶体管的工艺、薄膜晶体管和在制造薄膜晶体管中使用的薄膜晶体管基片的设置具有与已有的薄膜晶体管不同的特征。它们有许多种不同的用途。比如，在根据本发明制造的柔性、结实的塑料基片上的塑料显示器和微电子电路有多种用途，比如用于可现场设置的(field-deployable)便携式电子设备、战场操作设备和轮船、坦克和飞行器内部。高分辨率大区域的飞行模拟器需要大面积的塑料显示器。柔性探测器阵列被用于辐射(X-射线，伽马射线)探测。绝缘体上硅薄膜可被用于辐射硬化IC电路。本发明有很多别的用途且本发明的发展将会产生额外的用途。
本发明的一个目标是使硅基薄膜晶体管能够在塑料基片上制造。
本发明的进一步的目标是提供一种制造薄膜晶体管的方法，其中可使用低成本的低温基片。
本发明的另一个目标是提供这样一种制造薄膜晶体管的方法，其中可用廉价的塑料基片来替代标准的玻璃、石英以及硅晶片基基片。
本发明的再一个目标是提供这样一种制造薄膜晶体管的方法，其涉及以使用足够低的加工温度的工艺来替代标准的制造工艺，从而能够使用廉价的塑料基片。
本发明还有一个目标是使得能够用塑料基片来制造薄膜晶体管，该薄膜晶体管可用于大面积低成本的电子设备，比如平板显示器和便携式电子设备。
本发明的另一个目标是通过使用一窄频带(narrow-band)反射层，在加工过程中保护透明的塑料基片免于因暴露于辐射而导致的损伤。
由下面的说明、附图和并通过对本发明的实践，本发明的其它目标和优点将变得显而易见。
图1A、1B和1C显示脉冲激光熔化塑料基片上的硅而形成多晶硅(poly-si)。
图2A、2B和2C对损伤提供了说明，该损伤可能在脉冲激光熔化图案化的硅膜时发生于塑料基片上。
图3示出了涂层反射率的测量结果。
图4A、4B、4C、4D和4E示出这样的配置，其中一个反射层可被用来保护其下的基底或层，使其在加工另一层时免受高强度辐射。
图5A，5B和5C示出使用激光加工制造的TFT结构。
图6示出用激光掺杂形成于MOSFET的浅结。
图7示出在本发明优选实施方案中使用的另一个涂层的反射率的测量的结果。
在薄膜晶体管(TFT)的制造中，高强度辐射被用来加工材料。在很多情况下，只需要暴露TFT中特定的材料或区域于辐射。这是常见的情况，因为存在别的材料，包括基片，易受辐射的损伤。本发明的TFT是通过沉积一反射性涂层于这些易受损伤的材料之上以便辐射被反射并阻止损伤而制造的。高强度辐射源可被用于TFT，(如果不是反射性涂层)直接暴露于这样的辐射，TFT将被损伤。这使得在设计工艺时有更大的灵活性，可以使用易受高强度辐射损伤的材料。
下面这些步骤可用于工艺中，包括高强度辐射以退火、熔化、晶化、掺杂、烧蚀、光刻、直接激光写/成图案等。高强度辐射源包括短波源，其易于被基片材料吸收(例如，脉冲UV激发态激光，倍频NdYAG激光，UV闪光灯，X射线源等)。反射性涂层包括单层和多层以用于窄带或宽带反射。
在低温塑料基片上制造硅TFT的方法和工艺包括在低温沉积半导体，电介质和金属的技术，以及用脉冲能量源，比如激发态激光，晶化和掺杂半导体层于薄膜晶体管的技术。P.G.Carey等在1998年10月6日公布的美国专利5,817,550上说明并要求了这些工艺，该专利转让给即时应用的受让人。这里将美国专利5,817,550的说明书、权利要求和附图结合作为参考。
从下列具体说明中可获得对本发明的更好的理解(1)在低温塑料基片上制造硅薄膜晶体管的方法和工艺；(2)薄膜晶体管和(3)薄膜晶体管基片组以用于制造薄膜晶体管。本说明书提供了优选的本发明的实施方案。
第一个优选实施方案提供脉冲激光晶化和掺杂成图案的硅薄膜于透明塑料基片，其有多层窄带反射性涂层。第二实施方案提供脉冲激光掺杂CMOS结，其中在MOSFET门，绝缘氧化物和别的区域的上部沉积有一反射层，以保护它们免受激光脉冲的损伤。该步骤将下列制造成为可能1)用硅基片或绝缘体上外延硅层为CMOS集成电路形成浅结；2)在塑料基片上为硅(或锗)微电子(器件)形成浅结；3)在塑料基片上的动态矩阵平板显示器(active matrix flat panel display)；4)在塑料基片上的高性能硅(或锗)基电子电路。
两个被克服的技术障碍是(1)制造和(2)掺杂多晶硅膜，同时防止对塑料基片的任何热损伤。传统工艺制造或掺杂多晶硅需要温度在600℃或以上，该温度会损伤塑料。本发明通过使用脉冲激光退火以制造多晶硅，以及反射性涂层，来防止对塑料的损伤，从而克服这些障碍。
参考图1A，1B和1C，提供了有助于理解本发明的信息。这些图示出了脉冲激光熔化塑料基片上的硅形成多晶硅的工艺，一般由参考号10表示。这说明了多晶硅(poly-si)基的薄膜晶体管于低温塑料基片的制造。
该技术，图示于图1A，1B和1C，涉及使用高强度紫外激发态激光脉冲，其被硅膜11的表面吸收。该脉冲能量足够熔化硅膜11。然而，由于时间短及硅下面的热障碍层12，塑料基片13经受了短时间(数十微秒)的少量热负荷，这阻止了对基片13的任何损伤。图1A示出了在塑料基片上的最初的非晶硅膜和热障碍。图1B示出了通过激光脉冲15熔化硅层。图1C示出固化后的多晶硅16。
该工艺的一个限制是如果塑料基片直接暴露于激光脉冲就会被严重损伤。目前本工艺的执行中，基片的整个面积都被硅膜覆盖以防止暴露于激光。
然而，有时需要在暴露于激光之前让硅成图案，这会导致图2A，2B和2C所示的情形。高强度紫外激发态激光脉冲25在硅膜21的表面被吸收。脉冲能量足够熔化硅膜21。在硅24下的热障碍层22保护塑料基片23并防止该区域内对塑料基片23的任何损伤。
如图2A，2B和2C所示，当一个图案被使用，硅21/24不能覆盖热阻隔层22的整个区域。没有被硅21/24覆盖的热阻隔层/塑料基片的区域暴露于激光脉冲25。如图2B所示，激光能量25通过热阻隔层22传递并被塑料基片23吸收。暴露于激光能量25的塑料基片23的这些区域易受损伤，且任何覆盖这些区域的膜也可能被损伤或分层。被损伤区域24如图2C所示。
在本发明中，一个高反射性涂层沉积于基片的上层以保护基片免受激光脉冲。在一个具体应用中，其中一个透光基片是必须的，一个窄带反射性涂层被沉积，其被设计成可传输可见光(当该可见光在激光波长时被高度反射时)。加入一个适当设计的高反射层以在激光加工步骤中允许更大的灵活性。
一个窄带反射性涂层通过溅射被沉积于聚酯(PET)基片上。这实际上是一个多层设计。这是通过使用材料SiNx和SiO2制造的。该涂层的反射率的测量结果在图3中示出。如图示，涂层对UV有高反射率，对波长在300nm到335nm之间的紫外光的反射率大于70％，而对可见光则是透明的。然后塑料覆层被暴露于波长为308nm的激发态激光脉冲。塑料能经受激光脉冲的能量密度达到350毫焦/厘米2。一未沉积的PET晶片被测试出只能经受至多50毫焦/厘米2。这清楚地说明沉积有反射层的塑料晶片可被用于工艺序列，其中的基片将被暴露于强烈的激光脉冲。
在本发明的优选实施方案中使用的另一个覆层的反射率的测量结果如图7所示。其可用材料HfOx和SiO2实现。HfOx比SiNx在设计波长(308nm)有较小的吸收，且更易制造。该反射覆层是通过溅射沉积于聚酯(PET)基片的。图7中的曲线示出该层的理论反射和透过率。该层对308nm有大于99％的反射，且对于可见光(波长400nm-700nm)有大于94％的透过。
本发明由在基片上沉积一反射层和/或别的材料层的物理组成和步骤以保护其免受由激光或别的高强度辐射源产生的高强度辐射。
参考附图，特别是图4A，4B，4C，4D和4E的配置，图中示出反射层32可用来在另一层的加工过程中保护反射层下的基片或层31免受高强度辐射35。反射层32被配置以便在加工过程中使用的辐射从易受不必要的辐射损伤的基片和/或任何别的材料层31反射掉。图4A，4B，4C，4D和4E对这样的多层配置作了说明。
在图4A中，一反射层32直接沉积到基片31，待加工材料33直接沉积到反射层32。除了直接位于反射层32之上的透明层的可能性，图4B类似于4A。图4C示出这样的情况，其中反射层32不仅保护基片31，也保护基片上的任何可能吸收辐射和可能被损伤的层。
反射层32也可被配置以保护在待被加工的材料33之上的材料。如图4D所示，其中要被保护的层36位于待被加工的层33之上，且反射层32成图案以允许特定区域的辐射。图4E提供了一个例子，其中辐射被用来加工基片37的暴露区域，而反射层32成图案以保护基片之上的层36。
如上所述，反射层反射辐射，否则可能引起对基片或基片之上的别的层的不必要的损伤。本发明将使得对基片使用高强度辐射源成为可能，否则会对直接暴露于这样的辐射的基片产生损伤。而且，图4D和4E中的配置在IC制造过程中加工硅基片时有用。
本发明可应用的工艺包括使用高强度辐射对基片或其上的任何材料退火、熔化、晶化、掺杂、烧蚀、光刻和直接激光写/成图案。高强度辐射源包括这些易于被基片材料吸收的短波(例如脉冲UV激发态激光，倍频NdYAG激光器，UV闪光灯，X射线源等)。反射覆层包括用于窄带或宽带反射的单层和多层。一个窄带反射覆层在需要透明基片时有优势，因为覆层对可见光可以是透明的。窄带反射覆层可通过溅射沉积于聚酯(PET)基片。这可是使用SiNx和SiO2材料的多层设计。覆层对UV有高反射率，对波长在300nm和335nm之间的UV大于70％，而对可见光仍然是透明的。在本发明的优选实施方案中使用的另一个覆层可使用材料HfOx和SiO2实现。HfOx在设计波长(308nm)比SiNx有较小的吸收，也易于制造。该反射覆层通过溅射沉积于聚酯(PET)基片。该设计在308nm有大于99％的反射，对可见波长(400nm-700nm)有大于99％的透射。
本发明通过在塑料基片上加工硅薄膜晶体管(TFT)而得到进一步说明。审阅P.G.Carey等在1998年10月6日公布的美国专利5,817,550(该专利转让给即时应用的受让人)可获得背景知识。美国专利5,817,550的揭示在此作为参考。
图5A示出一个使用本发明制造的完整的结构的实施方案。器件是在塑料基片41上制造的。一透明PET(聚对苯二甲酸乙二酯)基片被使用。该PET被暴露于激发态激光脉冲(其能量密度为半导体激光加工使用的能量密度)时易受损伤。一反射覆层42直接沉积到基片41上。为了该工艺，该层可以是由多层组成的窄带反射性覆层，该多层反射紫外辐射但对可见光是透明的。一个可选的热阻隔层可沉积于该反射层42之上或之下。目前该阻隔层是SiOx或SiNx，且保护该塑料免受激光加工硅层时的高强度辐射损伤。
该TFT由一金属门46，一门绝缘体45和一半导体层，其由源极44，漏极47和沟道48组成。我们目前使用铝作为金属，SiO2作为绝缘体。半导体可以是硅或锗，源极和漏极区被掺杂以达到高导电率和欧姆接触。这是传统的顶浇浇口(top-gate)TFT结构。
本发明可通过考虑在制造TFT中使用的激光熔化和激光掺杂步骤而得到最好的理解。这两个步骤在图5B和5C中作了说明。在激光熔化，激发态激光脉冲(波长308nm)被用于熔化半导体层。如图5B所示，在没有半导体的区域，激光脉冲被反射层所反射。没有该反射，激光能量将被塑料基片吸收导致损伤。没有该反射层时，有必要让整个基片区域覆盖半导体膜以保护基片。该反射层使得半导体在激光加工之前成图案，提高了安排工艺步骤的灵活性。
塑料基片在激光掺杂(图5C)过程中也被反射层保护。在该步骤中，激光脉冲在通过门金属被反射出沟道，熔化半导体的源极和漏极区。当半导体熔化时，杂质分子扩散进半导体。这些杂质是从气相(传统GILD工艺)或在激光熔化之前沉积于表面的薄膜引入的。背景信息可通过审阅并入这里的美国专利5,918,140获得。P.Wickboldt，P.G.Carey，P.M.Smith，A.Ellingboe和T.W.Sigmon在1997年6月16日公布的美国专利5,918,140中沉积杂质和脉冲能量驱动。一半导体掺杂工艺，其通过使用气体浸入激光掺杂(GILD)技术加强掺杂。加强掺杂是通过先沉积一杂质原子薄层于半导体表面而获得，然后暴露于一个或多个激光或离子束脉冲，其将熔化部分半导体至所需的深度，因此引起杂质原子进入熔化区。在熔化区晶化之后，杂质原子是电活性的。杂质原子通过等离子体加强化学气相沉积(PECVD)或别的已知沉积技术而沉积。
而且，在没有半导体的区域，反射层反射激光脉冲并保护塑料基片。图5A-C中的热阻隔层可以不位于反射层之上，而也可以位于其下。当该层对紫外光不透明时，这是有益的。而且，如果使用的材料不易受到激光脉冲的损伤，它们可以位于反射层之下。
目前的工艺适合制造TFT以用于在平板显示器上使用的透明PET，其中透明塑料基片是必须的。然而，本发明可被用于使用柔性电路的器件的激光加工和别的用途，其中基片要有半导体器件但暴露于激光又可能被损伤。
本发明也由于CMOS器件的激光加工。图6示出浅结MOSFET掺杂的具体例子。半导体结51通过使用激发态激光脉冲56激光熔化掺杂。当半导体熔化，杂质分子扩散进半导体。这些杂质在激光熔化之前通过气相(传统的GILD工艺)或薄膜淀积于表面(参看P.Wickboldt，P.G.Carey，P.M.Smith，A.Ellingboe和T.W.Sigmon在1997年6月16日公布的美国专利5,918,140中沉积杂质和脉冲能量驱动)。在暴露激光之前，反射层55沉积于器件上并成图案。反射层成图案覆盖并保护门区域52和54，绝缘氧化区域53和任何别的区域跨过可能含有易受激光损伤57的材料的基片。相应地，反射层成图案以暴露这些区域，硅基片50被掺杂以形成结51。
该应用可被用于保护多晶硅或硅化物门结构54，其将吸收激光辐射，导致不必要的损伤。而且，“场区域”(field region)53传统上是在硅基片上热生长的氧化物，其可能被激光熔化。
该例子说明本发明在MOSFET制造中的应用。然而，一个相似的方法可将本发明用于多种IC器件的激光工艺中。
低温塑料基片上的硅薄膜晶体管的制造工艺中，薄膜晶体管和用于制造本发明的薄膜晶体管的薄膜晶体管基片组有多种不同用途。制造硅薄膜晶体管于低温塑料基片的工艺，薄膜晶体管和用于制造本发明的薄膜晶体管的薄膜晶体管基片组和现有的薄膜晶体管有不同特征。新薄膜晶体管将有很多不同用途。例如，根据本发明制造的在柔性、结实的塑料基片上的塑料显示器和微电子电路有多种用途，如，现场可用的便携电子设备，战场使用的设备，和在轮船、战车和飞行器内部使用的设备。大区域的飞行模拟器需要大面积的塑料显示器。柔性探测器阵列被用于辐射(X-射线，伽马射线)探测。绝缘体上硅薄膜可被用于对IC电路的辐射-硬化。还有太多别的用途，无法在此一一例举。虽然在上文中给出了用以说明本发明的具体实施方案、制造工艺序列、材料、参数等等，但那些都是非限定性的。修改和变化对本领域的技术人员是很显然的，本发明倾向于仅被所附的权利要求所限定。
权利要求
1.一种半导体器件，其包括一用脉冲辐射退火制造的层，一可能被所述的脉冲辐射损伤的层，可操作地连接到所述用脉冲辐射退火制造的层，以及一反射层，其可操作地连接到所述可能被所述脉冲辐射损伤的所述层，以反射所述的脉冲辐射。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其中可被所述的脉冲辐射损伤所述的层是低温塑料。
3.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述的层是供窄带或宽带反射的单层或多层。
4.如权利要求3所述的半导体器件，其中所述的反射层是窄带反射覆层。
5.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述的用脉冲辐射退火制造的层是用具有易被吸收的短波的高强度辐射源制造的。
6.如权利要求5所述的半导体器件，其中高强度辐射源是脉冲UV激发态激光，倍频NdYAG激光，UV闪光灯或X射线源。
7.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述用脉冲辐射退火制造的层是用所述脉冲辐射退火晶化的硅膜。
8.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述用脉冲辐射退火制造的层是用所述脉冲辐射退火掺杂的硅膜。
9.如权利要求1所述的半导体器件包括绝缘层，其可操作地连接到所述可被脉冲辐射损伤的层，以反射所述的脉冲辐射。
10.如权利要求1所述的半导体器件，其中所述可被脉冲辐射损伤的层是低温塑料，所述的反射层是供窄带或宽带反射的单层或多层，且所述用脉冲辐射退火制造的层是用高强度辐射源制造的。
11.如权利要求8所述的半导体器件，其中所述的高强度辐射源是脉冲UV激发态激光，倍频NdYAG激光，UV闪光灯或X射线源。
12.如权利要求9所述的半导体器件，其中所述的层是窄带反射覆层。
13.如权利要求10所述的半导体器件，包括一绝缘层，其可操作地连接到所述可被所述的脉冲辐射损伤的层，以反射所述的脉冲辐射。
14.一种使用脉冲辐射退火制造半导体器件的方法，其包括提供一可被所述的脉冲辐射损伤的层，提供一半导体层，其可操作地连接到所述可被脉冲辐射损伤的层，提供一用于辐射保护的反射材料层，其可操作地连接到所述的半导体层和所述可被脉冲辐射损伤的层，以及用脉冲辐射退火加工所述的半导体。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述可被脉冲辐射损伤的层是低温塑料。
16.如权利要求14所述的方法，其中用于辐射保护的所述反射材料层是供窄带或宽带反射的单层或多层。
17.如权利要求14所述的方法，其中用于辐射保护的所述的反射材料层是窄带反射覆层。
18.如权利要求14所述的方法，其中所述的脉冲辐射是具有易于吸收的短波的高强度脉冲辐射。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述的脉冲辐射是高强度辐射源，比如UV激发态激光，倍频NdYAG激光，UV闪光灯或X射线源产生的。
20.如权利要求14所述的方法，其中所述可被脉冲辐射损伤的层是低温塑料，所述用于辐射保护的反射材料层是供窄带或宽带反射的单层或多层，且所述的脉冲辐射是具有易被吸收的短波的高强度辐射。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述的脉冲辐射是由高强度辐射源，比如脉冲UV激发态激光，倍频NdYAG激光，UV闪光灯或X射线源产生的。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述用于反射保护的反射材料层是窄带反射覆层。
23.如权利要求21所述的方法，包括一热绝缘层，其可操作地连接到所述可被脉冲辐射退火损伤的层。
24.如权利要求21所述的方法，其中所述的半导体层是硅。
25.如权利要求24所述的方法，其中所述的硅是晶化的或是用所述的脉冲辐射退火掺杂的。
26.如权利要求14所述的方法，其中所述的半导体器件是薄膜晶体管。
27.如权利要求21所述的方法，其中所述的半导体器件是薄膜晶体管，且所述的硅是晶化的或是用脉冲辐射退火掺杂的。
28.一种制造薄膜晶体管的方法，包括对在塑料基片之上的硅层采用脉冲辐射退火，以及在基片上采用可保护基片免受脉冲辐射损伤的反射层。
29.如权利要求30所述的制造薄膜晶体管的方法，其中所述的反射层是窄带反射层。
全文摘要
使用反射性涂层在低温塑料基片上制造硅薄膜晶体管(TFT)，以便廉价的塑料基片可取代标准玻璃，石英和硅晶片基的基片。该TFT可被用于大面积，低成本电子设备，比如平板显示器和便携电子设备，比如摄像机，个人数字助理和移动电话。
文档编号H01L27/04GK1471732SQ01818220
公开日2004年1月28日 申请日期2001年11月1日 优先权日2000年11月3日
发明者J·D·沃尔夫, S·D·泰斯, P·G·凯里, P·M·史密斯, P·威克博尔特, J D 沃尔夫, 凯里, 史密斯, 泰斯, 瞬┒ 申请人:加利福尼亚大学董事会