多晶矽薄膜的製造方法

2023-12-02 19:56:11 1

專利名稱：多晶矽薄膜的製造方法
技術領域：
本發明提供一種多晶矽薄膜的製造方法，特別是關於一種促進非晶矽薄膜結晶以形成多晶矽薄膜的方法。
背景技術：
在液晶顯示器的製造中，多晶矽材料具有許多優於非晶矽材料的特性。多晶矽具有較大的晶粒(grain)，使得電子在多晶矽中容易自由移動，所以多晶矽的電子遷移率(mobility)高於非晶矽。以多晶矽製作的薄膜電晶體，其反應時間比非晶矽薄膜電晶體短。在相同解析度的液晶顯示器中，使用多晶矽薄膜電晶體(poly-Si TFT)所佔用的基板面積可以比使用非晶矽薄膜電晶體小，從而提高液晶面板的開口率。在相同的亮度下，使用多晶矽薄膜電晶體的液晶顯示器(poly-Si TFT LCD)可以採用低瓦數的背光源，達到低耗電量的要求。因此，多晶矽的晶粒大小是影響薄膜電晶體效能的主要因素。
目前在基板上製作多晶矽薄膜大多利用低溫多晶矽工藝(LowTemperature Poly-Silicon，LTPS)。低溫多晶矽工藝是以準分子雷射(ExcimerLaser)作為熱源。當雷射光照射(irradiate)於具有非晶矽薄膜的基板上，非晶矽薄膜可吸收準分子雷射的能量而轉變成為多晶矽薄膜。
請參照圖1A及圖1B，其為現有的多晶矽薄膜製造方法。如圖1A所示，基板10具有氮化物層11形成於其上。氧化物層12形成於氮化物層11之上。隨後非晶矽薄膜13藉由化學氣相沉積(CVD)或濺鍍法(sputtering)形成於氧化物層12之上。如圖1B所示，以準分子雷射15照射非晶矽薄膜13使其結晶成為多晶矽薄膜14。為了獲得較大的晶粒，準分子雷射15的能量必須使非晶矽薄膜13幾乎完全熔解(melt)。些許未熔解(non-melted)的非晶矽顆粒殘留於氧化物層12與非晶矽薄膜13的接口。已熔解的非晶矽薄膜利用未熔解的非晶矽顆粒作為晶種(crystallization seed)結晶成為多晶矽薄膜14。
然而，準分子雷射為一種脈衝雷射(pulse laser)，每個脈衝的能量密度(energy density)皆有些許差異。若能量密度太大則導致晶種數目減少，並使晶粒小且均勻性(homogeneity)差。現有的方法結晶方向不定，故產生的晶界(grain boundary)位置及數目均難以控制，且雷射源的輸出能量固定，若要提高產能，則必須將結晶能量降低，然後利用光學系統將雷射放大(enlarge linebeam size)。除此之外，若晶界的數目多，會使多晶矽薄膜電晶體的電氣特性(electrical characteristics)較差。
綜上所述，現有的方法未能控制晶界數目與位置，導致結晶方向不定，並且無法降低結晶過程中準分子雷射所需提供的能量。

發明內容
有鑑於此，本發明人提出一種可改進上述缺點的多晶矽薄膜製造方法，並且應用於製造薄膜電晶體。
本發明的目的在於提供一種多晶矽薄膜的製造方法，於多晶矽薄膜形成過程中減少晶界(grain boundary)的數目，並增加晶粒均勻度。
本發明的目的還在於提供一種薄膜電晶體工藝，其利用活化層降低雷射結晶能量。
本發明的目的還在於提供一種薄膜電晶體，其具有較佳品質的多晶矽信道以提高其電子遷移率及提高穿透率。
本發明提供一種多晶矽薄膜的製造方法。首先，於基板上形成活化層，其中該活化層的材料包含碳、氫及矽；接著於該活化層上形成非晶矽薄膜；以及，對該非晶矽薄膜實施回火程序以形成多晶矽薄膜。
上述方法還包括將該非晶矽薄膜圖案化藉以改變其厚度；以及於該活化層與該非晶矽薄膜之間形成阻障層；所述回火程序是對該非晶矽薄膜施以150-450mj/cm2(兆焦/cm2)的能量；活化層的材料還可包含氧原子，其優選以SiOx為主結構，碳及氫為側鏈結構。
上述結晶方法用於製造薄膜電晶體，該薄膜電晶體至少包括活化層，該活化層形成於該基板上，其材料包含碳、氫及矽；多晶矽層，形成於該活化層上，且包含位於該活化層之上的信道區，以及位於該信道區兩側的源極區及汲極區；閘極絕緣層，形成於該多晶矽層之上，且定義於該信道區之內；閘極金屬，形成於該閘極絕緣層之上；絕緣層，形成於該閘極金屬與該多晶矽層上且對應該源極區及該汲極區具有兩開口；源極金屬，形成於該絕緣層上且對應該源極區，藉由該開口與該多晶矽層連接；汲極金屬，形成於該絕緣層上且對應該汲極區，藉由該開口與該多晶矽層連接。
上述薄膜電晶體還可選擇性地包括(增加)阻障層，覆蓋於該活化層與該多晶矽層上，該活化層與該阻障層重疊部分作為所述信道區。所述活化層的材料還可包含氧原子，其優選以SiOx為主結構，碳及氫為側煉結構。


圖1A-1B現有技術的多晶矽薄膜製造方法；圖2A實施本發明多晶矽薄膜製造方法所需的基本結構；圖2B多晶矽晶粒大小(grain size)對雷射結晶能量的關係圖；圖2C活化層光穿透率與SiN及SiOx重疊結構層的光穿透率曲線圖；圖3A-3C本發明的多晶矽薄膜的製造方法示意圖；圖3D圖3C的俯視圖；圖3E依本發明的方法，於活化層與非晶矽薄膜之間形成阻障層；圖3F依據本發明的方法，利用光罩定義非晶矽薄膜使信道區內的非晶矽薄膜厚度較兩端薄；圖4A-4G依據本發明的薄膜電晶體製造方法；圖4H依據本發明的方法，利用光罩定義圖4E的非晶矽薄膜使信道區內的非晶矽薄膜厚度較兩端薄；圖5MSQ結構式；
圖6依據本發明的方法所形成的薄膜電晶體結構。
圖號說明10基板33阻障層11氮化物層40基板12氧化物層41活化層13非晶矽薄膜 42阻障層14多晶矽薄膜 43非晶矽薄膜15準分子雷射 431信道區20基板432源極區21活化層 433汲極區22非晶矽薄膜 44多晶矽薄膜30基板45閘極絕緣層31活化層 46閘極金屬32非晶矽薄膜 47源極金屬321信道區 48汲極金屬49絕緣層具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本發明，但不限定本發明的實施範圍。
請參照圖2A，其為實施多晶矽薄膜製造方法所需的基本結構。為了達到降低雷射結晶能量的目的，基板20上至少必須具有活化層21以及位於活化層21上的非晶矽薄膜22。對非晶矽薄膜22施以回火程序後，非晶矽結晶變成多晶矽。所獲得的多晶矽晶粒大小(grain size)對雷射結晶能量的關係圖如圖2B所示。
請參照圖2B，曲線23為雷射光照射基板/SiN500/SiO1500/非晶矽500的由下而上排列結構後，其所形成的多晶矽晶粒大小(grain size)對雷射結晶能量的關係圖，以STD表示；曲線24為雷射光照射基板/活化層2000/SiO1500/非晶矽500的結果，以LK2000+SiO1500表示；曲線25為雷射光照射基板/活化層2000/SiO500/非晶矽500的結果以LK1000+SiO500表示；曲線26為雷射光照射基板/活化層2000/非晶矽500的結果，以LK2000表示。比較曲線23與其它三條曲線，顯示在未使用活化層的狀況下，所需雷射光能量較高，且晶粒大小在3000以下。比較曲線24、25及26，顯示SiO厚度愈大，必須提供愈高的雷射光能量，且獲得的晶粒較小。比較曲線23與26，可發現以活化層取代SiN，且直接接觸非晶矽薄膜時，可降低雷射能量約30～40％。由此可證明，以雷射光照射非晶矽薄膜時，若其下方具有活化層，則可降低雷射能量。
值得一提的是，當製作薄膜電晶體時，使用本發明的活化層取代SiN有助於提高薄膜電晶體的光穿透率。請參照圖2C，顯示在大部分的可見光波長範圍中，活化層的光穿透率高於SiN及SiOx的重疊結構層。
請參照圖3A-3C，為本發明的多晶矽薄膜的製造方法示意圖。首先，形成圖案化的活化層31於基板30上，且活化層31的材料包含碳、氫及矽或是以SiOx為主結構，碳及氫為側煉結構。接著，形成非晶矽薄膜32於活化層31與該基板30上，其與活化層31重疊的部分定義為信道區321。對非晶矽薄膜32實施回火程序使信道區321內外形成溫度差而開始結晶。上述回火程序通常以準分子雷射提供能量。必須說明的是，由圖2B可發現在非晶矽薄膜32結晶成多晶矽的過程中，若僅為達到降低雷射能量的目的，活化層31是否圖案化並非必要條件。
請參照圖3D，為圖3C的俯視圖。於結晶過程中，圖標的虛線部位將形成晶界，晶界的左右側具有溫度梯度，使該部位成為結晶開始位置。晶粒由兩端向中央成長，直到結晶停止時，產生停止晶界。如此，晶界位置規則而集中，可長成大而均勻的晶粒。由圖2B及上述說明可知，以本發明的方法所產生的晶粒通常可大於0.3μm。
請參照圖3E，在圖3A的結構形成後，為避免活化層31於後續回火程序中擴散雜質至上方的非晶矽薄膜32中，可在形成非晶矽薄膜32前先形成阻障層(barrier layer)33於活化層31表面上。其中，阻障層33的材料可為SiOx。
參照圖3F，為了使信道區321內外形成更明顯的溫度梯度，進而使側向長晶更有效率，可移除部分位於活化層31上方的非晶矽薄膜32以減少圖3C所示的非晶矽薄膜32厚度，使信道區321內的非晶矽薄膜32厚度薄於信道區321以外區域的非晶矽薄膜32。值得一提的是，阻障層33並非獲得良好晶粒、控制結晶方向或降低雷射結晶能量的必要構造。
請參照圖4A-4G，為依據本發明的薄膜電晶體製造方法。首先，形成活化層41於基板40上。以O2電漿蝕刻移除部分活化層41，使未移除的部分留在預定區域中。形成阻障層42於活化層41與基板40之上。隨後形成非晶矽薄膜43於阻障層42上，其位於活化層41上方的部分定義為薄膜電晶體的信道區431，信道區431兩側分別為源極區432及汲極區433。對非晶矽薄膜43實施回火程序使信道區431內外形成溫度梯度而由信道區431端邊朝向中央結晶成多晶矽薄膜44。接著，形成閘極絕緣層45於多晶矽薄膜44之上。之後，形成閘極金屬46於閘極絕緣層45之上；之後，形成絕緣層49於該閘極金屬46以及該多晶矽薄膜44之上，該絕緣層49對應該源極區432及該汲極區433有兩開口(未標示)。最後，形成源極金屬47於該源極區432內，及汲極金屬48於該汲極區433內，且藉由該開口與該多晶矽薄膜44連接。其中，阻障層42的材料可為SiOx。
請參照圖4H，圖4E所示結構於實施回火程序前，以光罩定義非晶矽薄膜43使該信道區431向下略為凹陷，使其厚度較源極區432及汲極區433薄。值得一提的是，上述活化層材料可為含氧原子或矽原子或同時含有氧及矽原子的有機物，例如MSQ，其結構式如圖5所示或是以SiOx為主結構，碳及氫為側煉結構，在450℃以上的高溫環境中MSQ仍具有熱穩定性，因此可耐受準分子雷射的高溫。上述回火工藝是以準分子雷射提供介於200-400mj/cm2之間的能量。
請參照圖6，為依據本發明的方法所形成的薄膜電晶體結構。圖標的薄膜電晶體形成於基板40上，由活化層41、阻障層42、多晶矽層44、閘極絕緣層45以及閘極金屬46、絕緣層49、源極金屬47及汲極金屬48所組成。其中活化層41位於基板40上，其上並覆蓋阻障層42。多晶矽層44位於阻障層42上，包含信道區431位於活化層41與阻障層42重疊部分之上，信道區431兩側分別為源極區432及汲極區433。上述多晶矽層44的晶粒大於0.4μm且晶界位於信道區431的端邊。閘極絕緣層45形成於多晶矽層44之上，且定義於信道區431內的多晶矽層44之上。閘極金屬46則利用閘極絕緣層45及絕緣層49與下方的多晶矽層44及兩側的源極金屬47及汲極金屬48區隔。源極金屬47及汲極金屬48分別形成於源極區432與汲極區433之中並藉由絕緣層49的兩開口(未標示)與該多晶矽層44連接。
本發明所提供的多晶矽薄膜的製造方法，與現有技術相比時，更具備下列特性及優點1.利用活化層取代氮化層(SiN)，以提高薄膜電晶體的光穿透率。
2.利用活化層的低熱傳導特性，可降低非晶矽結晶過程中雷射光所需提供的能量。
3.在側向結晶的同時，可控制晶界的數目及晶粒的均勻。
上述僅為本發明優選實施例的具體說明，惟上述實施例並非用以限制本發明的保護範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為的等效實施或變更，均應包含於本發明的保護範圍中。
權利要求
1.一種多晶矽薄膜的製造方法，包括於基板上形成活化層，其中該活化層的材料包含碳、氫及矽；於該活化層上形成非晶矽薄膜；對該非晶矽薄膜實施回火程序以形成多晶矽薄膜。
2.如權利要求1所述的方法，還包括將該活化層圖案化。
3.如權利要求1所述的方法，還包括將該非晶矽薄膜圖案化藉以改變其厚度。
4.如權利要求1所述的方法，還包括於該活化層與該非晶矽薄膜之間形成阻障層。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述回火程序是對該非晶矽薄膜施以150-450mj/cm2的能量。
6.如權利要求1所述的方法，其中該活化層的材料是以SiOx為主結構，碳及氫為側鏈結構。
7.一種薄膜電晶體，形成於基板上，包括活化層，該活化層形成於該基板上，其材料包含碳、氫及矽；多晶矽層，形成於該活化層上，且包含位於該活化層之上的信道區，以及位於該信道區兩側的源極區及汲極區；閘極絕緣層，形成於該多晶矽層之上，且定義於該信道區之內；閘極金屬，形成於該閘極絕緣層之上；絕緣層，形成於該閘極金屬與該多晶矽層上且對應該源極區及該汲極區具有兩開口；源極金屬，形成於該絕緣層上且對應該源極區，藉由所述開口與該多晶矽層連接；汲極金屬，形成於該絕緣層上且對應該汲極區，藉由所述開口與該多晶矽層連接。
8.如權利要求7所述的薄膜電晶體，還包括阻障層，其覆蓋於該活化層與該多晶矽層上。
9.如權利要求7所述的薄膜電晶體，其中該活化層的材料還包含氧原子。
10.如權利要求7所述的薄膜電晶體，其中該活化層的材料是以SiOx為主結構，碳及氫為側鏈結構。
全文摘要
本發明提供了一種多晶矽薄膜的製造方法，其應用於製造薄膜電晶體，首先，於基板上形成活化層，其中該活化層的材料的分子結構含碳、氫、氧及矽；接著形成非晶矽薄膜於該活化層上，以及，對該非晶矽薄膜實施回火程序以形成該多晶矽薄膜。
文檔編號H01L21/70GK1808694SQ20051000234
公開日2006年7月26日 申請日期2005年1月17日 優先權日2005年1月17日
發明者彭佳添, 張志雄 申請人:友達光電股份有限公司