直接沉積多晶矽的方法

2023-05-04 10:34:01

專利名稱：：直接沉積多晶矽的方法
技術領域：
：本發明廣義上涉及一種半導體製造方法，且更特別的涉及一種通過等離子輔助化學氣相沉積(「CVD」)工藝形成多晶矽膜的方法。
背景技術：
：在平面面板顯示(「FPD」)裝置、薄膜電晶體(「TFT」)及液晶單元的製造中，金屬互連件及其他特徵是通過沉積及/或從玻璃基板移走導電、半導和介電材料的多層而形成。用於製造多結晶矽(以下稱多晶矽)TFT的公知方法中的一種是固相結晶作用(「SPC」)。在LCD裝置中，因為正常玻璃基板僅能在600℃以下的溫度工作，故在高溫下直接製造多晶矽膜將使玻璃基板扭曲。SPC方法通過使用昂貴的石英基板而克服高溫問題。然而，其僅能製造小尺寸的LCD面板。在稱為偏壓增強成核(「BEN」)方法中，鑽石以高密度在鉑或鉑合金基板上成核，可通過在沉積鑽石開始時施加偏壓於含碳的等離子氣氛中的基板而可行。在BEN方法中，為了鑽石成長，在已知CVD方法中，可使用諸如微波等離子CVD、射頻等離子CVD、熱絲CVD、DC等離子CVD方法、等離子噴射、燃燒、熱CVD及其類似者。BEN方法之實施例可在Yugo等的「通過等離子化學氣相沉積中之電場的鑽石核之產生(GenerationofDiamondNucleibyElectricFieldinPlasmaChemicalVaporDeposition)」，Appl.Phys.Lett.，58(1991年)，1036。該BEN方法有效是因為當含碳原子的離子由於偏壓而通過電場被吸附至基板時，基板表面迅速地因含碳原子而過飽和，且因此更容易形成及成長鑽石核。已經開發出低溫多晶矽(「LTPS」)製造工藝，用於製造液晶顯示器(「LCD」)裝置的TFT陣列。低溫多晶矽具有比非晶矽(a-Si)快將近100倍的電子移動率的特徵。因而，與非晶矽比較，低溫多晶矽的各像素皆具有更快速的反應時間及更小的外形尺寸。在低溫製造多晶矽TFT的公知方法可包括準分子雷射退火(「ELA」)及CVD工藝。與SPC方法相比，ELA方法可容許較低溫的結晶溫度。然而，由雷射提供的瞬間溫度可能會損壞聚合物基板。由於聚合物基板比玻璃基板在將來更具應用性，ELA方法仍可能有溫度方面的問題。此外，在大量生產中，ELA方法的成本並不低，因為ELA設備較昂貴。在CVD方法中，低溫多晶矽膜通過使非晶矽膜結晶而形成。用來產生TFT裝置的處理技術可包括等離子增強化學氣相沉積(「PECVD」)及其類似者等。由於沉積膜所需的相對較低處理溫度及等離子工藝產生的良好膜品質，等離子處理可充分適於TFT裝置的生產。CVD方法的實施例披露於Kakinuma等的「在低溫通過等離子氣相沉積製備的多晶矽膜的結構化特性(StructuralPropertiesofPolycrystallineSiliconFilmsPreparedatLowTemperaturebyPlasmaVaporDeposition.)」，J.Appl.Phys.，70(1991年)，7374；以及Won等的「通過感應耦合等離子化學氣相沉積所沉積的多晶矽膜的研究(StudyofPolycrystallineSiliconFilmsDepositedbyInductiveCouplePlasmaChemicalVaporDeposition)」，JournaloftheKoreanPhysicalSociety，Vol.39，第123至126頁，(2001年)。雖然CVD方法可能看似比SPC及ELA方法更有優勢，但已出版的研究文獻已指出以一般CVD方法中很難達到在基板上成膜即形成多晶矽狀態，需直到成長將近100到1000埃()的膜的非晶矽孕核層，其後才有多晶矽的形成，其缺點是需要較長的製造時間。CVD方法大體上可用於製造頂部柵極TFT元件。然而，並不建議以CVD方法製造底部柵極TFT元件。如此製造的底部柵極TFT元件可能由於供應的電流與電壓應力造成底部非晶矽傷害而遭遇臨限電壓(VTH)偏移，導致提早惡化。以一般CVD方法沉積低溫多晶矽於製造有機發光二極體(OLED)尚須在技術上有多改進。一般CVD方法用來沉積低溫多晶矽其沉積速率大約0.1到1埃/秒的相對較低沉積率，導致不合乎需求的輸出速率。因此需要一種用於製造多晶矽膜的方法，其克服上述公知方法的缺點以獲得較大的製造產出率、在大表面上更好的一致性及更薄的沉積層。
發明內容本發明涉及一種可消除已有技術的限制與缺點所造成的一個或多個問題的方法。本發明之一具體實施例提供一種用以在等離子輔助化學氣相沉積(CVD)系統中形成多晶矽膜的方法，該系統包括其中設置第一電極及與第一電極隔開的第二電極的室，該方法包含在該第二電極上提供基板，該基板包括暴露至該第一電極的表面；施加第一功率至該第一電極，用於在該室內產生等離子；在多晶矽膜成核階段期間施加第二功率至該第二電極，用於離子轟擊該基板的表面；且使侵蝕氣體流入該室。同時，本發明提供一種用以在等離子輔助化學氣相沉積(CVD)系統中形成多晶矽膜的方法，該系統包括其中設置第一電極及與該第一電極隔開的第二電極的一室，該方法包含在該第二電極上提供基板，該基板包括暴露至該第一電極的表面；施加第一功率至該第一電極，用於在該室內產生等離子；及在多晶矽膜成核階段期間施加第二功率至第二電極或基板中的一個，用於離子轟擊該基板的表面。本發明進一步提供一種用以在等離子輔助化學氣相沉積(CVD)系統中形成多晶矽膜的方法，該系統包括其中設置第一電極及與該第一電極隔開的第二電極的室，該方法包含在該第二電極上提供基板，該基板包括暴露至該第一電極的表面；在多晶矽膜的成核階段及在該成核階段後的成長階段期間，在該室內產生等離子；在多晶矽膜成核階段期間離子轟擊該基板的表面；且化學侵蝕該基板的表面。於下文的說明中將部分提出本發明的其他特點與優點，而且從該說明中將了解本發明其中一部分，或者通過實施本發明亦可得知。通過隨附的權利要求中特別列出的元件與組合將可了解且實現本發明的特點與優點。應該了解的是，上文的概要說明以及下文的詳細說明都僅供作例示與解釋，其並未限制本文所主張的發明。當並同各附圖而閱覽時，即可更佳地了解本發明之前披露的摘要以及上文詳細說明。為達本發明的說明目的，各附圖裡繪製有現屬較佳的各具體實施例。然應了解本發明並不限於所繪的精確排置方式及設備裝置。在各圖式中圖1是依據本發明之一具體實施例用以形成多晶矽膜的系統示意圖；圖2是顯示依據本發明之一具體實施例用於形成多晶矽膜的方法示意圖；圖3A及3B是分別顯示由依據本發明一具體實施例的方法形成的多晶矽膜平面圖及斷面圖的TEM(透射電子顯微鏡)照片圖；及圖4是在圖3A及3B中所示的多晶矽膜上Raman光譜分析的圖形。主要元件標記說明10系統/等離子輔助化學反應系統12室12-1第一電極12-2第二電極14第一功率產生器14-1匹配網路16第二功率產生器/第二電源供應器18氣體控制器20熱控制器22提升機構24泵30基板30-1表面具體實施方式圖1是依據本發明具體實施例用於形成多晶矽膜系統10的示意圖。參考圖1，系統(等離子輔助化學反應系統)10包括室12，第一功率產生器14及第二功率產生器16。除第二功率產生器16外，系統10可包括由AppliedKomatsuTechnology製造的AKT-1600PECVD系統、由AppliedMaterials公司製造的高密度等離子CVD(HDPCVD)系統、或感應耦合等離子CVD(ICP-CVD)系統。然而，本發明不限於上述系統且可配合其他市場上可用的沉積系統使用。置於室12中的基板30(玻璃或聚合物材料)配置有一對平行板電極，包括第一電極12-1及第二電極12-2。第一電極12-1的功能為氣體進入歧管或蓮蓬頭，由氣體控制器18提供的反應氣體通過其流入室12中。第二電極12-2與第一電極12-1分離若干英寸，其功能為支撐或保持基板30。在沉積期間，由第一功率產生器14通過匹配網路14-1提供的射頻(RF)電壓，施加於第一電極12-1，以在室12的反應氣體中產生等離子。該等離子造成反應氣體分解及沉積一層材料在基板30的暴露表面30-1上。第二電源供應器16提供RF電壓、直流(DC)電壓、交流(AC)電壓或脈衝電壓至第二電極12-2，以在第一電極12-1及第二電極12-2間產生電場。第二電源供應器16的沉積工藝及操作將參考圖2於下文中詳盡討論。系統10進一步包括熱控制器20、提升機構22及泵24。熱控制器20提供電力至加熱器(圖中未示出)，用以在沉積期間加熱基板30以達到或保持第二電極12-2在適當溫度水平。提升機構22設置以支撐第二電極12-2在適當高度水平。泵24用來排空室12至真空狀態。圖2是顯示依據本發明一具體實施例用於形成多晶矽膜的方法示意圖。沉積工藝是在反應分子前驅體及基板30間的化學反應的結果。將會構成膜的初始原子及分子是作為前驅體傳送，其是從圖1所示的氣體控制器18饋入。需求的反應是沉積純膜在基板30的表面30-1上且消除包含前驅體的額外原子或分子。參考圖2，沉積工藝至少包括成核階段及成長階段。該成核階段是假設在穩定材料的膜沉積在基板30表面30-1上的成核位置時。基板30在表面30-1上具有許多鍵結位置(其中在沉積期間會發生化學結合)，造成氣體原子及分子會化學附著至表面30-1。然而，該反應不會發生在所有可能的鍵結位置。大體上，具有不規則布局或雜質的缺陷位置可能會捕獲分子前驅體。為提供更多此等缺陷位置，同時參考圖1，第二電源供應器16在成核階段期間提供偏壓至第二電極12-2，以在第一電極12-1及第二電極12-2間產生電場，導致在表面30-1上的離子轟擊效應。在另一具體實施例中，第二電源供應器16在成核階段期間提供偏壓至基板30。離子轟擊有助於供初始反應產品的缺陷位置的形成，即成核晶種。成核晶種固定且擴散分子前驅體具有高可能性與其碰撞且反應，導致亞穩團簇的成長。隨著亞穩團簇(metastablecluster)變大，大多數碰撞發生在亞穩團簇的邊界。由於亞穩團簇進一步三維地成長，大多數結合及反應過程發生在亞穩團簇的上表面上，導致臨界團簇的形成。最終，在成長階段中，臨界團簇的垂直成長導致晶粒的形成，其最後聚結成為連續膜。在根據本發明之一具體實施例中，由第一電源供應器提供的RF功率在將近13.56MHz頻率處為約600瓦特。所產生的等離子密度是將近1011到1013cm-3，其與少一或兩個數量級的較低密度相比，有助於以更短培養時間及更薄的培養層來成核。在一方面，第二電源供應器16在13.56MHz處提供從將近100到1000瓦特範圍中的RF功率。另一方面中，第二電源供應器16提供從將近0到600伏特範圍中的直流偏壓。在另一方面中，第二電源供應器16在將近0到400Hz的頻率處提供從將近0到500伏特範圍中的交流偏壓。在再另一方面中，第二電源供應器16提供脈衝電壓，例如以在單一方向(即，正或負)發射的方波的形式。脈衝電壓範圍在將近0到400Hz的頻率處為約0到500伏特，其具有1到10μm/秒的脈衝寬度。室12被排空到將近10-3託(Torr)的壓力。反應氣體包括矽烷(SiH4)、氫(H2)及氬(Ar)。在一具體實施例中，氬氣將近0到50sccm，矽烷將近50sccm，且矽烷與氫氣的比例將近1∶10至1∶100。基板30保持在將近25℃至500℃的溫度。培養層範圍將近從300埃到500埃，在該厚度非晶矽是結晶成多晶矽。在成長階段期間，會實行化學侵蝕工藝以移走在培養層上表面上微弱鍵結的非晶矽或矽分子。然而，在另一具體實施例中，化學侵蝕工藝是在成核階段中實行。因為分離的成核位置可導致基板30表面30-1上的晶粒邊界及空洞的形成，在其中可能的鍵結位置無法與分子前驅體鍵結，移走微弱鍵結材料有助於減少培養時間及培養層厚度。包括SiF4與氫氣或SF6與氫氣的侵蝕氣體用於化學侵蝕工藝中。在根據本發明的一具體實施例中，SiF4對氫氣的比例範圍從約1∶10到1∶100。在一方面中，SiF4是1sccm且氫氣是10sccm。在另一具體實施例中，在成長階段期間，第二電源供應器16提供將近50伏特的DC偏壓至第二電極12-2或基板30，以形成凝結多晶矽膜。在又另一具體實施例中，第二功率供應器16在將近0到400Hz的頻率處提供範圍從將近0到50伏特的AC偏壓。在再另一具體實施例中，第二電源供應器16在將近0到400Hz的頻率處提供約0到50伏特的脈衝電壓，其具有將近1到10μm/秒的脈衝寬度。再者，在成長階段期間，反應氣體氬氣被中斷，矽烷保持約在50sccm，且矽烷與氫氣的比例是約1∶10到1∶100。圖3A及3B分別顯示由依據本發明一具體實施例的方法形成的多晶矽膜的平面圖及斷面圖的TEM(透射電子顯微鏡)照片圖。參考圖3B，該膜的LTPS狀態是在該膜成長至將近500埃時達成。圖4是在圖3A及3B中所示多晶矽膜上Raman光譜分析的圖形。參考圖4，信號發生在520cm-1的波數處，其指示已經形成多晶矽。所屬
技術領域：
的技術人員應即了解可對上述各項具體實施例進行變化，而不致悖離其廣義的發明性概念。因此，應了解本發明並不限於本說明書披露的特定具體實施例，而應為涵蓋歸屬如權利要求所定義的本發明精神及範圍內的改進。另外，在說明本發明的代表性具體實施例時，本說明書可將本發明的方法及/或製造工藝表示為特定的步驟次序；不過，由於該方法或製造工藝的範圍並不是在本文所提出的特定步驟次序，故該方法或製造工藝不應受限於所述的特定步驟次序。身為所屬
技術領域：
的技術人員當會了解其它步驟次序也是可行的。所以，不應將本說明書所提出的特定步驟次序視為對權利要求的限制。此外，亦不應將有關本發明的方法及/或製造工藝的權利要求僅限制在以書面所載的步驟次序實施，所屬
技術領域：
的技術人員易於了解，上述這些次序亦可加以改變，並且仍涵蓋於本發明的精神與範疇之內。權利要求1.一種用以在等離子輔助化學氣相沉積(CVD)系統中形成多晶矽膜的方法，其特徵是該系統包括其中設置第一電極及與該第一電極隔開的第二電極的室，該方法包含在該第二電極上提供基板，該基板包括暴露於該第一電極的表面；施加第一功率至該第一電極，用於在該室內產生等離子；在該多該晶矽膜的成核階段期間施加第二功率至該第二電極，用於離子轟擊該基板的表面；且使侵蝕氣體流進該室。2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間施加射頻(RF)電壓、直流(DC)電壓、交流(AC)電壓或脈衝電壓中的一個至該第二電極。3.根據權利要求2所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間施加在將近100到1000瓦特範圍中的RF電壓至該第二電極。4.根據權利要求2所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間施加在將近0到600伏特範圍中的DC電壓至該第二電極。5.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含將包括SiF4與氫氣、或SF6與氫氣中的一種的侵蝕氣體流入該室。6.根據權利要求5所述的方法，其特徵是進一步包含流動包括SiF4與氫氣的侵蝕氣體，其中SiF4與氫氣的比例在從將近1∶10到1∶100範圍中。7.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間將該侵蝕氣體流入該室。8.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段後的該多晶矽膜的成長階段期間，將該侵蝕氣體流入該室。9.根據權利要求7所述的方法，其特徵是進一步包含使氬(Ar)、矽烷(SiH4)、氫氣(H2)氣體流入該室。10.根據權利要求8所述的方法，其特徵是進一步包含使矽烷(SiH4)及氫氣流入該室。11.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含維持該基板在將近25℃至500℃範圍中的溫度。12.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含玻璃基板或聚合物基板中的一種。13.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的成長階段期間施加DC電壓、AC電壓或脈衝電壓中的一種至該第二電極。14.根據權利要求1所述的方法，其特徵是進一步包含產生密度在將近1011到1013cm-3範圍中的等離子。15.一種用以在等離子輔助化學氣相沉積(CVD)系統中形成多晶矽膜的方法，其特徵是該系統包括其中設置第一電極及與該第一電極隔開的第二電極的室，該方法包含在該第二電極上提供基板，該基板包括暴露至該第一電極的表面；施加第一功率至該第一電極，用於在該室內產生等離子；及在該多晶矽膜的成核階段期間施加第二功率至該第二電極或該基板中的一個，用於離子轟擊該基板的表面。16.根據權利要求15所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間將侵蝕氣體流入該室。17.根據權利要求15所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段後的該多晶矽膜的成長階段期間，將侵蝕氣體流入該室。18.根據權利要求16所述的方法，其特徵是進一步包含以從將近1∶10到1∶200範圍中的比例將SH4與氫氣氣體流入該室。19.根據權利要求17所述的方法，其特徵是進一步包含以從將近1∶10到1∶200範圍中的比例將SH4與氫氣氣體流入該室。20.根據權利要求15所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間施加射頻(RF)電壓至該第二電極或基板中的一個。21.根據權利要求15所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間施加直流(DC)電壓至該第二電極或基板中的一個。22.根據權利要求15所述的方法，其特徵是進一步包含將包括SiF4與氫氣、或SF6與氫氣其中一種的侵蝕氣體流入該室。23.根據權利要求15所述的方法，其特徵是進一步包含流動包括SiF4與氫氣的侵蝕氣體，其中SiF4與氫氣的比例在從將近1∶10到1∶100的範圍中。24.一種用以在等離子輔助化學氣相沉積(CVD)系統中形成多晶矽膜得方法，其特徵是該系統包括其中設置第一電極及與該第一電極隔開的第二電極的室，該方法包含在該第二電極上提供基板，該基板包括暴露至該第一電極的表面；在該多晶矽膜的成核階段及在該成核階段後的成長階段期間在該室內產生等離子；在該多晶矽膜的該成核階段期間離子轟擊該基板的表面；且化學侵蝕該基板的表面。25.根據權利要求24所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間施加射頻(RF)電壓、直流(DC)電壓、交流(AC)電壓或脈衝電壓中的一個至該第二電極。26.根據權利要求24所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成長階段期間施加射頻(RF)電壓、直流(DC)電壓、AC電壓或脈衝電壓中的一種至該基板。27.根據權利要求24所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成核階段期間將包括SiF4與氫氣、或SF6與氫氣其中一種的侵蝕氣體流入該室。28.根據權利要求24所述的方法，其特徵是進一步包含在該多晶矽膜的該成長階段期間將包括SiF4與氫氣或SF6與氫氣中的一種的侵蝕氣體流入該室。29.根據權利要求24所述的方法，其特徵是進一步包含將包括SiF4與氫氣的侵蝕氣體流入該室，其中SiF4與氫氣的比例在從將近1∶10到1∶100的範圍中。30.根據權利要求24所述的方法，其特徵是進一步包含產生密度在將近1011到1013cm-3範圍中的等離子。全文摘要一種用以在等離子輔助化學氣相沉積(CVD)系統中形成多晶矽膜的方法，該系統包括其中設置第一電極及與該第一電極隔開的第二電極的室，該方法包含在該第二電極上提供基板，該基板包括暴露至第一電極的表面；施加第一功率至第一電極，用於在該室內產生等離子；在多晶矽膜的成核階段期間施加第二功率至該第二電極，用於離子轟擊該基板的表面，且將侵蝕氣體流入該室中。文檔編號H01L21/20GK1962936SQ20061006487公開日2007年5月16日申請日期2006年3月16日優先權日2005年11月9日發明者王亮棠,陳麒麟,彭逸軒,張榮芳,黃志仁申請人:財團法人工業技術研究院