專利名稱：將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種將非晶硅(amorphous silicon)轉(zhuǎn)換為多晶硅(poly-silicon)的方法。
背景技術(shù)：
目前半導(dǎo)體技術(shù)主要是以非晶硅加工為主，以其制程較為簡單且適合大規(guī)模制造，成本較低為優(yōu)勢。然而非晶硅材質(zhì)的半導(dǎo)體元件其電子移動速率較慢，漸漸無法符合半導(dǎo)體元件微小化之后所需要的高速電子移動速率，因此新技術(shù)“低溫多晶硅”(LTPS，Low Temperature PolySilicon)便應(yīng)運(yùn)而生，目前較為顯著的應(yīng)用是在TFT-LCD產(chǎn)業(yè)上。
與原先a-Si TFT-LCD最大的差異在于，LTPS TFT-LCD的晶體管需進(jìn)一步接受準(zhǔn)分子激光退火(ELA，excimer laser annealing)的制程步驟，將非晶硅的薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч璞∧?。而這樣的轉(zhuǎn)變，使得LTPSTFT-LCD在硅晶結(jié)構(gòu)上較a-Si TFT-LCD排列較有秩序，可以提高電子傳導(dǎo)速率達(dá)a-Si TFT-LCD的100倍以上，達(dá)到200cm2/V-sec；因此可以將TFT元件做得更小但反應(yīng)更快，與a-Si TFT-LCD相較，可使TFT元件縮小50％以上；并提升開口率(aperture ratio)，若與相同尺寸下a-S TFT-LCD相比，LTPS TFT-LCD可以制造出更高的解析度，且功率的消耗降低；而由于其電子傳導(dǎo)速度較快，因此可以將部分驅(qū)動IC整合至玻璃基板內(nèi)，以降低材料成本，同時更可以在后段模組組裝過程中，避免組裝所造成的產(chǎn)品損害，進(jìn)而提升良率以降低制造成本；且采用單純的P-type電路結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)的CMOS電路結(jié)構(gòu)更能節(jié)省光罩層次，并降低成本；除此之外，由于整合部分Driver IC的使用，除了減少IC的重量，更可以減少后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(xué)氣相沉積方式(CVD，Chemical Vapor Deposition)所鍍出來的的a-Si前驅(qū)物質(zhì)，在經(jīng)歷ELA(Excimer Laser Annealing)時其適用范圍(process window)很狹小(10-20mJ/cm2)，然而a-Si前驅(qū)質(zhì)對于激光的穩(wěn)定度十分敏感，只要激光穩(wěn)定度不佳時就會造成多晶硅的品質(zhì)均勻度不佳，進(jìn)而影響或降低所制成的半導(dǎo)體元件良率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是在提供一種將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，以便能降低a-Si前驅(qū)質(zhì)對于激光不穩(wěn)定度的敏感度，并增加其適用范圍。
本發(fā)明的另一目的是在提供一種將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，以便能降低準(zhǔn)分子激光退火所需要的能量密度，進(jìn)而增加總產(chǎn)率。
為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的一種將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，主要包括提供一非晶硅基板，并對該非晶硅基板進(jìn)行一惰性氣體原子摻雜(doping)制程；以及提對該非晶硅基板的表面升溫而進(jìn)行一熱制程或熱程序制程。
詳細(xì)論之，本發(fā)明的方法主要是在準(zhǔn)分子激光退火制程將a-Si轉(zhuǎn)換為poly-Si之前，先進(jìn)行一惰性氣體的摻雜制程，將一惰性氣體分子如氦氣、氖氣、氬氣等摻雜至該a-Si前驅(qū)質(zhì)之中，以降低硅結(jié)晶中的轉(zhuǎn)換能量密度(Eth)以及最佳能量密度(Ec)，進(jìn)而增加process window。
本發(fā)明的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法中，該惰性氣體原子較佳是為至少一種選自一由包括氮?dú)狻⒑?、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(fā)明的方法中，該惰性氣體原子與該非晶硅基板的比例并無限制，較佳地，該惰性氣體原子是占該非晶硅基板的1-0.001原子百分比；本發(fā)明的方法中，達(dá)成該惰性氣體原子摻雜制程的方式并無限制，較佳是以電漿摻雜方式、化學(xué)氣相沉積方式、干蝕刻等方式達(dá)成。本發(fā)明的方法中的功能性元件可為現(xiàn)有的功能性元件，較佳為該功能性開關(guān)元件為薄膜晶體管。本發(fā)明的方法中的該多晶硅基板可為現(xiàn)有的各用途多晶硅基板，較佳為該多晶硅基板為平面顯示器用面板，最佳為液晶顯示器用面板。本發(fā)明的方法中的準(zhǔn)分子激光工作能量范圍可為任何現(xiàn)有的準(zhǔn)分子激光工作能量范圍，較佳為該準(zhǔn)分子激光工作能量范圍是介于300至450mJ/cm2之間。


為能讓審查員能更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉一較佳具體實(shí)施例說明如下，其中圖1是本發(fā)明實(shí)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(fā)明實(shí)施例的晶粒尺寸對能量密度的變化圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例的能量密度減少值對于摻雜能量的變化圖。
圖4是已知的準(zhǔn)分子激光器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例非晶硅基板的氬摻雜在本實(shí)施例中，主要是針對一非晶硅基板在進(jìn)行準(zhǔn)分子激光以將其轉(zhuǎn)換為多晶硅之前，先進(jìn)行一氬摻雜制程。
在一玻璃基板上制造N型與P型金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管(MOSFETs)的頂柵極(top gate)結(jié)構(gòu)。在430℃狀態(tài)下，利用電漿輔助化學(xué)氣相沉積(PECVD)方式先沉積一層厚度為2000A的a-Si作為緩沖層，接著沉積一厚度為層500A的a-Si，準(zhǔn)備進(jìn)行準(zhǔn)分子激光退火(ELA)。
在進(jìn)行ELA之前，在480℃、氮?dú)饬?nitrogen now)之下進(jìn)行10分鐘的脫氫反應(yīng)，以生成自然氧化物。在a-Si前驅(qū)物上，以30ns脈沖持續(xù)時間以及95％掃瞄重疊(scan overlap)進(jìn)行氬原子摻雜(Argon布植)。在利用第一光罩對多晶硅層產(chǎn)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(qū)域。在430℃的狀態(tài)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(chǎn)生以及內(nèi)層介電層沉積。在通道孔蝕刻之后，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(jìn)行氫化反應(yīng)(hydrogenation)。SiNx障蔽層(capping layer)亦包含在此結(jié)構(gòu)當(dāng)中。
本實(shí)施例的結(jié)果顯示于圖1、圖2以及圖3的中。請先參見圖1，此是本實(shí)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(shí)驗(yàn)條件，分別為N-STD(N-mos標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))、N-Ar(N-mos加入氬原子摻雜)、P-STD(P-mos標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))、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，氬原子摻雜后的多晶硅基板其電子移動速率(mobility)的穩(wěn)定度較高；以N-mos元件為例，若從圖1的縱軸選定一區(qū)間值，例如從120至130，可見到在此區(qū)間之中，加入氬原子摻雜之后其斜率較未摻雜氬原子為低，因此有摻雜氬原子的多晶硅基板其退火制程的準(zhǔn)分子激光工作能量范圍(390-410mJ/cm2)，比未摻雜氬原子的多晶硅基板的工作能量范圍(390-400mJ/cm2)大，代表著制程所能容許的激光能量變化較大，或意味著該電子移動速率受該激光的不穩(wěn)定度的影響或?qū)υ摷す獾牟环€(wěn)定度敏感度降低，激光的不穩(wěn)定度對均勻度的影響小，從而提高了產(chǎn)品的均勻度以及生產(chǎn)良率。另一方面，摻雜氬原子的多晶硅基板其電子遷移速率一般會比未摻雜氬原子的多晶硅基板為低，然而從本圖中可見，雖然N-mos元件摻雜氬原子之后其電子移動速率的確稍低于為摻雜氬原子，然其降低幅度并不明顯，以410mJ/cm2為例，其降低幅度約為15％左右，并且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(shí)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硅基板較的未摻雜氬原子的硅基板，其工作范圍(process window)明顯較大。以晶粒尺寸2500-3000A的范圍為例，未摻雜氬原子的硅基板其激光掃瞄工作范圍僅能容許在約373-378mJ/cm2之間，然而摻雜氬原子的硅基板其工作范圍則大幅擴(kuò)大至約360-380mJ/cm2之間，其可容許的激光掃瞄能量誤差值提高了約四倍左右，證明本發(fā)明能夠增加準(zhǔn)分子激光退火制程的工作范圍，減低誤差產(chǎn)生的情形，提高產(chǎn)物的良率。
接著請參見圖3，此是本實(shí)施例中能量密度減少值對于摻雜能量的變化圖。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后的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(jìn)行摻雜那么高的能量，這些多余的能量可用以加寬掃瞄激光的寬度，進(jìn)而減少每一片基板所需要進(jìn)行激光掃瞄的時間，提高產(chǎn)率，節(jié)省生產(chǎn)成本。
最后請參見圖4，此是已知的準(zhǔn)分子激光器的示意圖。該準(zhǔn)分子激光器主要包括一準(zhǔn)分子激光射出元件2、一基板支撐座3以及一基板1。該準(zhǔn)分子激光射出元件2連接至一支撐臂(圖中未示)，并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，將非晶硅基板的表面轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч琛?br> 綜合以上實(shí)施例所述，可以發(fā)現(xiàn)，在一般a-Si層進(jìn)行退火之前先加入一道氬原子摻雜的步驟，一方面可以加大激光退火的工作范圍，一方面可以減低激光退火所需要的Ec，并可將原機(jī)臺輸出的多余能量轉(zhuǎn)換為更寬的掃瞄激光寬度，減少每一基板的掃瞄時間，增進(jìn)生產(chǎn)線上的制程效率。
上述實(shí)施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自應(yīng)以申請專利范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，主要包括提供一非晶硅基板，并對該非晶硅基板進(jìn)行一惰性氣體原子摻雜制程；以及提對該非晶硅基板的表面升溫而進(jìn)行一熱制程或熱程序制程。
2.如權(quán)利要求1所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，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(quán)利要求2所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該惰性氣體原子是為氬氣。
4.如權(quán)利要求1所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該惰性氣體原子是占該非晶硅基板的1-0.001原子百分比。
5.如權(quán)利要求1所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該惰性氣體原子摻雜制程是以電漿摻雜方式達(dá)成。
6.如權(quán)利要求1所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該惰性氣體原子摻雜制程是以化學(xué)氣相沉積方式達(dá)成。
7.如權(quán)利要求1所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該惰性氣體原子摻雜制程是以干蝕刻方式達(dá)成。
8.如權(quán)利要求1所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該非晶硅基板為液晶顯示器用面板。
9.如權(quán)利要求1所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該熱制程是為一準(zhǔn)分子激光退火制程。
10.如權(quán)利要求9所述的將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，其特征在于，其中該準(zhǔn)分子激光工作能量范圍是介于300至450mJ/cm2之間。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種將非晶硅轉(zhuǎn)換為多晶硅的方法，主要包括提供一非晶硅基板，并對該非晶硅基板進(jìn)行一惰性氣體原子摻雜(doping)制程；以及提對該非晶硅基板的表面升溫而進(jìn)行一熱制程或熱程序制程。
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(yōu)先權(quán)日2003年5月21日
發(fā)明者張茂益, 許建宙, 陳明炎, 呂明仁 申請人:友達(dá)光電股份有限公司