專利名稱：半導(dǎo)體器件及制作一低溫多晶硅層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括地說關(guān)于一種半導(dǎo)體器件及制作一低溫多晶硅層(lowtemperature poly-silicon，LTPS)的方法，特別指一種利用側(cè)向長晶(lateral growth)的半導(dǎo)體器件及制作一低溫多晶硅層的方法。
背景技術(shù)：
在薄膜晶體管液晶顯示器的制造過程中，由于玻璃基片的耐熱度往往只能到600℃，而多晶硅層的沉積溫度約介于650-575℃，若在高溫下直接制作多晶硅層將會造成玻璃基片的扭曲變形，因此目前多晶硅薄膜晶體管液晶顯示器已逐漸采用非晶硅層再結(jié)晶的方法來制作低溫多晶硅層。
常規(guī)低溫多晶硅層制作于一絕緣基片上，絕緣基片必需由透光的材料所構(gòu)成，通常為玻璃基片、石英基片或是塑料基片。常規(guī)方法先于絕緣基片上形成一非晶硅層，接著進(jìn)行一準(zhǔn)分子激光退火(excimer laser annealing，ELA)處理，使非晶硅層結(jié)晶成為多晶硅層。在準(zhǔn)分子激光退火的過程中，非晶硅層經(jīng)由對激光深紫外光的吸收而達(dá)到快速的熔融與結(jié)晶，形成多晶硅層，而且這種采用短時間脈沖激光所造成的快速吸收只會對非晶硅層表面造成影響，并不會影響絕緣基片，故絕緣基片能一直保持在低溫的狀態(tài)。
由于非晶硅層的質(zhì)量好壞對后續(xù)所形成的多晶硅薄膜晶體管特性影響很大，因此非晶硅層沉積處理中的各參數(shù)需要被嚴(yán)格控制，以期能形成低氫含量、高膜厚均勻性以及低表面粗糙度的非晶硅層。此外，由于非晶硅層結(jié)晶形成的多晶硅層用來作為薄膜晶體管的半導(dǎo)體層，以定義出源極、漏極以及溝道等區(qū)域，因此多晶硅層的質(zhì)量良好與否對于元件的電性表現(xiàn)更有著直接影響，例如多晶硅層的晶粒大小(grain size)即為影響多晶硅層質(zhì)量的一項重要因素。
利用一般準(zhǔn)分子激光退火制作的多晶硅晶粒大小約為3000埃，且無法有效地控制晶粒成長方向。目前已有相關(guān)文獻(xiàn)提出在非晶硅層表面形成一溫度梯度，以產(chǎn)生較大且有方向性的結(jié)晶。舉例來說，美國專利US 5,851,862提出一種于非晶硅層下方形成一高熱傳導(dǎo)材料層的方法，其高熱傳導(dǎo)材料層由氮化鋁(aluminum nitride)、氮化硼(boron nitride)或金剛石類碳(diamondlike carbon)材料形成。此外，美國專利US 6,555,875中提出一種于半導(dǎo)體層下方形成高熱傳導(dǎo)材料層的半導(dǎo)體元件結(jié)構(gòu)，其高熱傳導(dǎo)材料層由氧化鋁(Al2O3)、氮化鋁、氮氧化合物(例如AlNxO1-x、AlSiON、LaSiON)、氮化硼或金剛石類碳等絕緣材料形成。由于上述高熱傳導(dǎo)材料層可以在激光照射的過程中吸收熱能，因此鄰近高熱傳導(dǎo)材料層的非晶硅層(半導(dǎo)體層)與其他區(qū)域的非晶硅層之間會形成一溫度梯度。鄰近高熱傳導(dǎo)材料層的部分非晶硅層具有較高的結(jié)晶速率，至于其他部分的非晶硅層則具有較低的結(jié)晶速率，因此晶粒會由鄰近高熱傳導(dǎo)材料層的區(qū)域向其他區(qū)域水平地成長。
上述具有高熱傳導(dǎo)速率的絕緣材料可以避免常規(guī)利用金屬材料當(dāng)作反射層以產(chǎn)生溫度梯度時，因高溫導(dǎo)致金屬原子擴(kuò)散到元件溝道的問題。然而，為了提高熱傳導(dǎo)速率，絕緣材料例如氮化鋁、氮化硼或金剛石類碳等材料必須在高溫下成膜，且在定義其圖案時又有不易蝕刻的問題，因此在實際應(yīng)用上仍有困難。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的即在提供一種半導(dǎo)體器件及制作一低溫多晶硅層的方法，可以避免常規(guī)應(yīng)用金屬或絕緣材料來制作低溫多晶硅層時所遭遇的問題。
在本發(fā)明的較佳實施例中，首先于一基片上形成多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)，接著于基片以及這些半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)上形成一緩沖層以及一非晶硅層，然后再進(jìn)行一激光結(jié)晶處理，以使非晶硅層轉(zhuǎn)化成一多晶硅層。
由于本發(fā)明可以利用半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)于激光結(jié)晶處理中快速地吸收部份非晶硅層的熱能，因此鄰近這些半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)的非晶硅層與其他區(qū)域的非晶硅層之間會形成一溫度梯度，進(jìn)而促使晶粒側(cè)向地成長。尤其本發(fā)明的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)可以直接利用一般低溫多晶硅處理中的半導(dǎo)體材料以及設(shè)備即可制作，對于生產(chǎn)成本以及處理復(fù)雜度的影響不大，因此在實際應(yīng)用上的可行性極高，且又可以完全避免常規(guī)應(yīng)用金屬或絕緣材料來制作低溫多晶硅層時所遭遇的問題。


圖1至圖3為本發(fā)明第一實施例的制作一低溫多晶硅層的方法示意圖。
圖4至圖7為本發(fā)明第二實施例的制作一低溫多晶硅層的方法示意圖。
圖8為本發(fā)明一薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9為本發(fā)明另一薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10為本發(fā)明一半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11為本發(fā)明另一半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖。
主要元件符號說明10、20 基片 11粘著層12、22、22’ 半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)14、24開口16、28 緩沖層18、30非晶硅層18’、30’ 多晶硅層 20、26、32準(zhǔn)分子激光34 柵極絕緣層36柵極38 層間介電層40源極/漏極L 溝道區(qū)域具體實施方式
請參考圖1至圖3，圖1至圖3為本發(fā)明第一實施例的制作一低溫多晶硅層的方法示意圖。如圖1所示，本發(fā)明方法先提供一基片10，例如玻璃基片、石英基片或是塑料基片，接著于基片10上形成一具有高熱傳導(dǎo)速率的半導(dǎo)體層(未顯示于圖中)，并且利用微影及蝕刻等方法去除部分的半導(dǎo)體層，以于半導(dǎo)體層中形成至少一開口14，以及使殘余的半導(dǎo)體層形成多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12。其中開口14用來定義一溝道區(qū)域L，且半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12環(huán)繞于溝道區(qū)域L周圍。半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12可以在激光照射的過程中吸收熱能并于非晶硅層表面形成一溫度梯度，以利于減少溝道區(qū)域L中的晶界(grainboundary)數(shù)目。
半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12的制作可以利用一般低溫多晶硅處理，例如可以利用等離子增強化學(xué)氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)方法于基片10上沉積半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12，且半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12的組成材料可以選自硅、鍺、硅化鍺、氮化鎵、砷化鎵組成的組，較佳為硅層。然而本發(fā)明并不限定僅能利用等離子增強化學(xué)氣相沉積方法來制作半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12，本發(fā)明亦可以利用處理控制來形成不同熱傳導(dǎo)速率(10-30W/m-k)的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12，例如利用準(zhǔn)分子激光退火形成的多晶硅層便比利用高溫烤箱形成的多晶硅層具有較高的熱傳導(dǎo)速率。此外，由于結(jié)晶固體中的熱傳導(dǎo)主要依靠晶格震動方式來傳導(dǎo)，因此對于同一種物質(zhì)來說，其熱傳導(dǎo)速率會受到晶格結(jié)構(gòu)，包含晶界、層疊缺陷(stacking fault)以及各種缺陷的數(shù)量而產(chǎn)生影響。舉例來說，單晶硅結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)速率即大于多晶硅結(jié)構(gòu)，而多晶硅結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)速率又大于非晶硅結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12可以視處理或產(chǎn)品需求形成單晶硅、多晶硅、非晶硅或經(jīng)摻雜的硅等不同晶格結(jié)構(gòu)，以達(dá)到不同的熱傳導(dǎo)速率。
在完成半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12的制作后，接著如圖2與圖3所示，于基片10以及半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12上依序形成一緩沖層16以及一非晶硅層18，并進(jìn)行一激光結(jié)晶處理，例如使用準(zhǔn)分子激光20照射非晶硅層18，以使非晶硅層18結(jié)晶為多晶硅層18’。緩沖層16以及非晶硅層18可利用等離子增強化學(xué)氣相沉積方法形成，其中緩沖層16可為一氧化硅層，用來隔絕半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12以及非晶硅層18。本發(fā)明于形成緩沖層16以及非晶硅層18后，可接著再于高于400℃的高溫爐中進(jìn)行一去氫處理，降低非晶硅層18中的氫氣含量。在進(jìn)行激光結(jié)晶處理時，具有高熱傳導(dǎo)速率的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12會快速地吸收熱能，使得位于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12上方的部分非晶硅層18與溝道區(qū)域L內(nèi)的部分非晶硅層18之間會形成一溫度梯度。由于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12快速地吸收熱能，使得位于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12上方的部分非晶硅層18具有較高的結(jié)晶速率，至于溝道區(qū)域L內(nèi)的部分非晶硅層18則具有較低的結(jié)晶速率，因此晶粒會由半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12的上方向溝道區(qū)域L側(cè)向地成長(側(cè)向長晶方向如圖3中箭號所標(biāo)示)，以形成多晶硅層18’。根據(jù)本發(fā)明方法制作的多晶硅層18’于溝道區(qū)域L中具有較大的晶粒以及較少的晶界數(shù)目，因此可以達(dá)到提升載流子遷移率(mobility)以及改善元件特性等優(yōu)點。
請參考圖4至圖7，圖4至圖7為本發(fā)明第二實施例的制作一低溫多晶硅層的方法示意圖。如圖4所示，本發(fā)明方法先提供一基片20，例如玻璃基片、石英基片或是塑料基片，接著于基片20上形成一具有高熱傳導(dǎo)速率的半導(dǎo)體層(未顯示于圖中)，并且利用微影及蝕刻等方法去除部分的半導(dǎo)體層，以于半導(dǎo)體層中形成至少一開口24，并且使殘余的半導(dǎo)體層形成多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22。其中開口24用來定義一溝道區(qū)域L，且半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22環(huán)繞于溝道區(qū)域L周圍。半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22可以在激光照射的過程中吸收熱能并于非晶硅層表面形成一溫度梯度，以利于減少溝道區(qū)域L中的晶界數(shù)目。
在本實施例中，半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22可以為利用等離子增強化學(xué)氣相沉積方法沉積于基片20上的非結(jié)晶形的半導(dǎo)體材料，且半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22的組成材料可以選自硅、鍺、硅化鍺、氮化鎵、砷化鎵組成的組，較佳為非晶硅層。
如圖4與圖5所示，隨后進(jìn)行一激光結(jié)晶處理，例如使用準(zhǔn)分子激光26照射非結(jié)晶形的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22，以使半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22轉(zhuǎn)化為有結(jié)晶的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’，例如將半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22由非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅。在本發(fā)明的其他實施例中，上述激光結(jié)晶處理可以依實際處理需要替換為其他熱處理或照光處理，且半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22亦可以先利用激光結(jié)晶處理予以照射轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’后，再進(jìn)行微影以及蝕刻等處理來定義其圖案。
在完成半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’的制作后，接著如圖6與圖7所示，于基片20以及半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’上依序形成一緩沖層28以及一非晶硅層30，并再次進(jìn)行一激光結(jié)晶處理，例如使用準(zhǔn)分子激光32照射非晶硅層30，以使非晶硅層30結(jié)晶為多晶硅層30’。緩沖層28以及非晶硅層30可利用等離子增強化學(xué)氣相沉積方法形成，且其中緩沖層28可為一氧化硅層，用來隔絕半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’以及非晶硅層30。
在照射準(zhǔn)分子激光32時，具有高熱傳導(dǎo)速率的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’會快速地吸收熱能，使得位于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’上方的部分非晶硅層30與溝道區(qū)域L內(nèi)的部分非晶硅層30之間會形成一溫度梯度。由于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’快速地吸收熱能，使得位于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’上方的部分非晶硅層30具有較高的結(jié)晶速率，至于溝道區(qū)域L內(nèi)的部分非晶硅層30則具有較低的結(jié)晶速率，因此晶粒會由半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’的上方向溝道區(qū)域L側(cè)向地成長(側(cè)向長晶方向如圖7中箭號所標(biāo)示)，以形成多晶硅層30’。根據(jù)本發(fā)明方法制作的多晶硅層30’于溝道區(qū)域L中具有較大的晶粒以及較少的晶界數(shù)目，因此可以達(dá)到提升載流子遷移率以及改善元件特性等優(yōu)點。
本發(fā)明在完成前述的低溫多晶硅層制作后，可再進(jìn)行后續(xù)薄膜晶體管的處理。請參考圖8與圖9，圖8與圖9為本發(fā)明一薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖9為一具有長溝道的薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖，且圖9中的薄膜晶體管除了包含有多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’設(shè)置于溝道區(qū)域L兩側(cè)的源極/漏極區(qū)域(S/D)中，另外亦包含了多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)22’設(shè)置于溝道區(qū)域L中，以用來控制溝道區(qū)域L中的晶界數(shù)目。如圖8與圖9所示，本發(fā)明于完成圖7所示的多晶硅層30’后，可再于多晶硅層30’上形成柵極絕緣層34、柵極(第一金屬層)36、層間介電層38、以及源極/漏極導(dǎo)線(第二金屬層)40等元件，完成低溫多晶硅薄膜晶體管的制作。
此外，為了增加半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)與基片間的附著力，在本發(fā)明的其他實施例中，于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)與基片間形成一粘著層(adhesion layer)。請參考圖10與圖11，圖10與圖11為本發(fā)明一包含有粘著層的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖10與圖11所示，半導(dǎo)體器件包含有一粘著層11設(shè)于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12與基片10之間，以用來改善半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12與基片10間的附著力，避免半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12于激光結(jié)晶處理或其他熱處理中因局部熱傳導(dǎo)效率不均而自基片10剝離。在實際應(yīng)用上，粘著層11可以完全覆蓋于基片10上，或者粘著層11亦可以切齊于半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)12，以暴露出部分的基片10。在圖10與圖11中，其他元件編號與圖1所示元件編號相同，且其后續(xù)處理亦可參見圖2至圖9，在此不再贅述。
相較于常規(guī)的制作低溫多晶硅層的方法，本發(fā)明利用半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)于激光結(jié)晶處理中快速地吸收部份非晶硅層的熱能，因此鄰近這些半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)的非晶硅層與其他區(qū)域的非晶硅層之間會形成一溫度梯度，進(jìn)而促使晶粒側(cè)向地成長。尤其本發(fā)明的半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)可以直接利用一般低溫多晶硅處理中的半導(dǎo)體材料以及設(shè)備即可制作，對于生產(chǎn)成本以及處理復(fù)雜度的影響不大，因此在實際應(yīng)用上的可行性極高，且又可以完全避免常規(guī)應(yīng)用金屬或絕緣材料來制作低溫多晶硅層時所遭遇的問題。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所進(jìn)行的等效變化與修改，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作一低溫多晶硅層的方法，該方法包含下列步驟提供一基片；于該基片上形成多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)；于該基片以及該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)上形成一緩沖層以及一非晶硅層以及進(jìn)行一激光結(jié)晶處理，以使該非晶硅層轉(zhuǎn)化成一多晶硅層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)選自硅、鍺、硅化鍺、氮化鎵和砷化鎵組成的組。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)包含單晶硅、多晶硅、非晶硅或經(jīng)摻雜的硅。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)設(shè)置于一溝道區(qū)域周圍。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包含利用一激光來照射該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)，以改變該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)的晶格結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包含于該基片上形成一粘著層。
7.一種半導(dǎo)體器件，其包含一基片；多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)設(shè)于該基片上；一緩沖層設(shè)于該基片以及該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)上；以及一多晶硅層設(shè)于該緩沖層上。
8.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)選自硅、鍺、硅化鍺、氮化鎵和砷化鎵組成的組。
9.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)包含單晶硅、多晶硅、非晶硅或經(jīng)摻雜的硅。
10.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，其中該多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)設(shè)置于一溝道區(qū)域周圍。
11.如權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體器件，還包含一粘著層設(shè)于該基片上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及制作一低溫多晶硅層的方法，其包含于一基片上形成多個半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)，接著于基片以及這些半導(dǎo)體散熱結(jié)構(gòu)上形成一緩沖層以及一非晶硅層，然后再進(jìn)行一激光結(jié)晶處理，以使非晶硅層轉(zhuǎn)化成一多晶硅層。
文檔編號B23K26/00GK1604273SQ200410078639
公開日2005年4月6日 申請日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者張茂益, 陳亦偉 申請人:友達(dá)光電股份有限公司