將非晶矽轉換為多晶矽的方法
2023-12-01 01:15:11
專利名稱：將非晶矽轉換為多晶矽的方法
技術領域：
本發明是關於一種將非晶矽(amorphous silicon)轉換為多晶矽(poly-silicon)的方法。
背景技術：
目前半導體技術主要是以非晶矽加工為主，以其製程較為簡單且適合大規模製造，成本較低為優勢。然而非晶矽材質的半導體元件其電子移動速率較慢，漸漸無法符合半導體元件微小化之後所需要的高速電子移動速率，因此新技術「低溫多晶矽」(LTPS，Low Temperature PolySilicon)便應運而生，目前較為顯著的應用是在TFT-LCD產業上。
與原先a-Si TFT-LCD最大的差異在於，LTPS TFT-LCD的電晶體需進一步接受準分子雷射退火(ELA，excimer laser annealing)的製程步驟，將非晶矽的薄膜轉變為多晶矽薄膜層。而這樣的轉變，使得LTPSTFT-LCD在矽晶結構上較a-Si TFT-LCD排列較有秩序，可以提高電子傳導速率達a-Si TFT-LCD的100倍以上，達到200cm2/V-sec；因此可以將TFT元件做得更小但反應更快，與a-Si TFT-LCD相較，可使TFT元件縮小50％以上；並提升開口率(aperture ratio)，若與相同尺寸下a-S TFT-LCD相比，LTPS TFT-LCD可以製造出更高的解析度，且功率的消耗降低；而由於其電子傳導速度較快，因此可以將部分驅動IC整合至玻璃基板內，以降低材料成本，同時更可以在後段模組組裝過程中，避免組裝所造成的產品損害，進而提升良率以降低製造成本；且採用單純的P-type電路結構，較傳統的CMOS電路結構更能節省光罩層次，並降低成本；除此之外，由於整合部分Driver IC的使用，除了減少IC的重量，更可以減少後段組裝所需的其他材料，整體的重量將會大幅度的減少。
然而一般以化學氣相沉積方式(CVD，Chemical Vapor Deposition)所鍍出來的的a-Si前驅物質，在經歷ELA(Excimer Laser Annealing)時其適用範圍(process window)很狹小(10-20mJ/cm2)，然而a-Si前驅質對於雷射的穩定度十分敏感，只要雷射穩定度不佳時就會造成多晶矽的品質均勻度不佳，進而影響或降低所製成的半導體元件良率。
發明內容
本發明的主要目的是在提供一種將非晶矽轉換為多晶矽的方法，以便能降低a-Si前驅質對於雷射不穩定度的敏感度，並增加其適用範圍。
本發明的另一目的是在提供一種將非晶矽轉換為多晶矽的方法，以便能降低準分子雷射退火所需要的能量密度，進而增加總產率。
為達成上述目的，本發明的一種將非晶矽轉換為多晶矽的方法，主要包括提供一非晶矽基板，並對該非晶矽基板進行一惰性氣體原子摻雜(doping)製程；以及提對該非晶矽基板的表面升溫而進行一熱製程或熱程序製程。
詳細論之，本發明的方法主要是在準分子雷射退火製程將a-Si轉換為poly-Si之前，先進行一惰性氣體的摻雜製程，將一惰性氣體分子如氦氣、氖氣、氬氣等摻雜至該a-Si前驅質之中，以降低矽結晶中的轉換能量密度(Eth)以及最佳能量密度(Ec)，進而增加process window。
本發明的將非晶矽轉換為多晶矽的方法中，該惰性氣體原子較佳是為至少一種選自一由包括氮氣、氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣及氡氣組成的群組，亦即該惰性氣體可為單一惰性氣體或惰性氣體混合物，其中惰性氣體較佳為氬氣；本發明的方法中，該惰性氣體原子與該非晶矽基板的比例並無限制，較佳地，該惰性氣體原子是佔該非晶矽基板的1-0.001原子百分比；本發明的方法中，達成該惰性氣體原子摻雜製程的方式並無限制，較佳是以電漿摻雜方式、化學氣相沉積方式、幹蝕刻等方式達成。本發明的方法中的功能性元件可為現有的功能性元件，較佳為該功能性開關元件為薄膜電晶體。本發明的方法中的該多晶矽基板可為現有的各用途多晶矽基板，較佳為該多晶矽基板為平面顯示器用面板，最佳為液晶顯示器用面板。本發明的方法中的準分子雷射工作能量範圍可為任何現有的準分子雷射工作能量範圍，較佳為該準分子雷射工作能量範圍是介於300至450mJ/cm2之間。
為能讓審查員能更了解本發明的技術內容，特舉一較佳具體實施例說明如下，其中圖1是本發明實施例的電子移動速率對外加能量密度的變化圖。
圖2是本發明實施例的晶粒尺寸對能量密度的變化圖。
圖3是本發明實施例的能量密度減少值對於摻雜能量的變化圖。
圖4是已知的準分子雷射器的示意圖。
具體實施例方式
實施例非晶矽基板的氬摻雜在本實施例中，主要是針對一非晶矽基板在進行準分子雷射以將其轉換為多晶矽之前，先進行一氬摻雜製程。
在一玻璃基板上製造N型與P型金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFETs)的頂柵極(top gate)結構。在430℃狀態下，利用電漿輔助化學氣相沉積(PECVD)方式先沉積一層厚度為2000A的a-Si作為緩衝層，接著沉積一厚度為層500A的a-Si，準備進行準分子雷射退火(ELA)。
在進行ELA之前，在480℃、氮氣流(nitrogen now)之下進行10分鐘的脫氫反應，以生成自然氧化物。在a-Si前驅物上，以30ns脈衝持續時間以及95％掃瞄重疊(scan overlap)進行氬原子摻雜(Argon布植)。在利用第一光罩對多晶矽層產生圖形之外，也利用離子布植方法形成源極、漏極以及LDD(厚度為1mm)區域。在430℃的狀態下利用PECVD方法，沉積厚度為1000A的SiO2以作為柵極絕緣層(gate insulator)。接下來的步驟為閘極金屬沉積、圖形產生以及內層介電層沉積。在通道孔蝕刻之後，作為第二層金屬的Ti/Al/Ti接著被沉積且蝕刻。同時亦在高溫下進行氫化反應(hydrogenation)。SiNx障蔽層(capping layer)亦包含在此結構當中。
本實施例的結果顯示於圖1、圖2以及圖3的中。請先參見圖1，此是本實施例的電子移動速率對外加能量密度的變化圖。在本圖中列出了四種不同的實驗條件，分別為N-STD(N-mos標準狀態)、N-Ar(N-mos加入氬原子摻雜)、P-STD(P-mos標準狀態)、以及P-Ar(P-mos加入氬原子摻雜)。圖1代表了兩種意義，其一為，氬原子摻雜後的多晶矽基板其電子移動速率(mobility)的穩定度較高；以N-mos元件為例，若從圖1的縱軸選定一區間值，例如從120至130，可見到在此區間之中，加入氬原子摻雜之後其斜率較未摻雜氬原子為低，因此有摻雜氬原子的多晶矽基板其退火製程的準分子雷射工作能量範圍(390-410mJ/cm2)，比未摻雜氬原子的多晶矽基板的工作能量範圍(390-400mJ/cm2)大，代表著製程所能容許的雷射能量變化較大，或意味著該電子移動速率受該雷射的不穩定度的影響或對該雷射的不穩定度敏感度降低，雷射的不穩定度對均勻度的影響小，從而提高了產品的均勻度以及生產良率。另一方面，摻雜氬原子的多晶矽基板其電子遷移速率一般會比未摻雜氬原子的多晶矽基板為低，然而從本圖中可見，雖然N-mos元件摻雜氬原子之後其電子移動速率的確稍低於為摻雜氬原子，然其降低幅度並不明顯，以410mJ/cm2為例，其降低幅度約為15％左右，並且P-mos的電子移動速率不論有無摻雜氬原子，均無太大變化。
接著請參見圖2，此是本實施例中晶粒尺寸(grain size)對能量密度(energy density)的變化圖。在本圖中可見到，有加入氬原子摻雜步驟的矽基板較的未摻雜氬原子的矽基板，其工作範圍(process window)明顯較大。以晶粒尺寸2500-3000A的範圍為例，未摻雜氬原子的矽基板其雷射掃瞄工作範圍僅能容許在約373-378mJ/cm2之間，然而摻雜氬原子的矽基板其工作範圍則大幅擴大至約360-380mJ/cm2之間，其可容許的雷射掃瞄能量誤差值提高了約四倍左右，證明本發明能夠增加準分子雷射退火製程的工作範圍，減低誤差產生的情形，提高產物的良率。
接著請參見圖3，此是本實施例中能量密度減少值對於摻雜能量的變化圖。在本圖中可見，使用了越高的氬原子摻雜百分比，所能減少的能量密度越多，這代表著加入氬原子摻雜之後的a-Si基板，其最佳能量密度(Ec，optimum energy density)可以不需要使用原來進行摻雜那麼高的能量，這些多餘的能量可用以加寬掃瞄雷射的寬度，進而減少每一片基板所需要進行雷射掃瞄的時間，提高產率，節省生產成本。
最後請參見圖4，此是已知的準分子雷射器的示意圖。該準分子雷射器主要包括一準分子雷射射出元件2、一基板支撐座3以及一基板1。該準分子雷射射出元件2連接至一支撐臂(圖中未示)，並可依照所排定的方式逐一掃瞄該基板1的表面，以加熱完成退火程序，將非晶矽基板的表面轉變為多晶矽。
綜合以上實施例所述，可以發現，在一般a-Si層進行退火之前先加入一道氬原子摻雜的步驟，一方面可以加大雷射退火的工作範圍，一方面可以減低雷射退火所需要的Ec，並可將原機臺輸出的多餘能量轉換為更寬的掃瞄雷射寬度，減少每一基板的掃瞄時間，增進生產線上的製程效率。
上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發明所主張的權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
權利要求
1.一種將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，主要包括提供一非晶矽基板，並對該非晶矽基板進行一惰性氣體原子摻雜製程；以及提對該非晶矽基板的表面升溫而進行一熱製程或熱程序製程。
2.如權利要求1所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中，至少一惰性氣體原子是選自一由氦氣、氖氣、氬氣、氪氣、氙氣及氡氣組成的群組。
3.如權利要求2所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該惰性氣體原子是為氬氣。
4.如權利要求1所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該惰性氣體原子是佔該非晶矽基板的1-0.001原子百分比。
5.如權利要求1所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該惰性氣體原子摻雜製程是以電漿摻雜方式達成。
6.如權利要求1所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該惰性氣體原子摻雜製程是以化學氣相沉積方式達成。
7.如權利要求1所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該惰性氣體原子摻雜製程是以幹蝕刻方式達成。
8.如權利要求1所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該非晶矽基板為液晶顯示器用面板。
9.如權利要求1所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該熱製程是為一準分子雷射退火製程。
10.如權利要求9所述的將非晶矽轉換為多晶矽的方法，其特徵在於，其中該準分子雷射工作能量範圍是介於300至450mJ/cm2之間。
全文摘要
本發明是有關於一種將非晶矽轉換為多晶矽的方法，主要包括提供一非晶矽基板，並對該非晶矽基板進行一惰性氣體原子摻雜(doping)製程；以及提對該非晶矽基板的表面升溫而進行一熱製程或熱程序製程。
文檔編號H01L21/02GK1549313SQ0313783
公開日2004年11月24日 申請日期2003年5月21日 優先權日2003年5月21日
發明者張茂益, 許建宙, 陳明炎, 呂明仁 申請人:友達光電股份有限公司