專利名稱：低溫多晶硅薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫多晶硅薄膜晶體管(low temperature polysilicon thinfilm transistor，LTP TFT)的層間介電層(interlayer dielectric layer)的制作方法，尤其涉及一種包含有一復(fù)合式層間介電層(interlayer dielectric layer，ILDlayer)的低溫多晶硅薄膜晶體管的制作方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)今的平面顯示器技術(shù)中，液晶顯示器(liquid crystal display，LCD)可謂其中最為成熟的一項(xiàng)技術(shù)，舉凡日常生活中常見的手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝影機(jī)、筆記本電腦以至于監(jiān)視器均是利用此項(xiàng)技術(shù)所制造的商品。然而隨著人們對(duì)于顯示器視覺感受要求的提高，加上新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)展，于是乎更高畫質(zhì)、高解析度、高亮度且具低價(jià)位的平面顯示器便成為未來顯示技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，也造就了新的顯示技術(shù)發(fā)展的原動(dòng)力。而在各式的液晶顯示器中，低溫多晶硅薄膜晶體管(low temperature polysilicon thin filmtransistor，LTPS TFT)型液晶顯示器除了可用陣列方式主動(dòng)驅(qū)動(dòng)液晶顯示面板上的各像素電極外，更可藉由其高載流子遷移率來達(dá)到輕薄、省電、高畫質(zhì)的需求。
由于在低溫多晶硅薄膜晶體管工藝中，每一個(gè)晶體管與其上方的金屬導(dǎo)線層間均會(huì)設(shè)有一層間介電層(inter layer dielectric，ILD)層，用來隔離并保護(hù)顯示器面板上的電路元件，且該層間介電層內(nèi)另設(shè)有多個(gè)接觸孔(contacthole)，以使該金屬導(dǎo)線層能填入各該接觸孔而電連接至下方相對(duì)應(yīng)的晶體管。因此，數(shù)據(jù)信號(hào)便可藉由該金屬導(dǎo)線層經(jīng)由該接觸孔內(nèi)的金屬導(dǎo)線層傳送到晶體管的源/漏極，以進(jìn)一步控制顯示面板中各像素電極的運(yùn)作。
請(qǐng)參考圖1至圖4，圖1至圖4為現(xiàn)有技術(shù)中于一顯示面板上制作一低溫多晶硅薄膜晶體管的層間介電層的方法示意圖。一般而言，一顯示面板中通常均包含有多個(gè)低溫多晶硅薄膜晶體管，以分別驅(qū)動(dòng)顯示面板上的各像素電極，為方便說明起見，以下圖示中僅以一低溫多晶硅薄膜晶體管代表。如圖1所示，一顯示面板10包含有一基板12，其中基板12可為一玻璃基板或是一硅基板。首先進(jìn)行一化學(xué)氣相沉積工藝或是一濺鍍工藝以于基板12上方形成一厚度約500埃的非晶硅薄膜(未顯示)，并利用一準(zhǔn)分子激光退火工藝(excimer laser annealing process)使該非晶硅薄膜再結(jié)晶成一多晶硅薄膜14。隨后再進(jìn)行一第一光刻暨蝕刻工藝，以將多晶硅薄膜14圖案化，僅留下預(yù)定形成各該低溫多晶硅薄膜晶體管的部分，其中多晶硅薄膜14內(nèi)定義有一源極區(qū)域(source region)18、一漏極區(qū)域(drain region)20以及一溝道區(qū)域(channel region)22。
如圖2所示，接著進(jìn)行一化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)工藝，以于多晶硅薄膜14表面形成一柵極絕緣層(gate insulating layer)24。隨后再進(jìn)行一濺鍍工藝，以于柵極絕緣層24的表面形成一金屬層，并利用一第二光刻暨蝕刻工藝將該金屬層圖案化，以于溝道區(qū)域22上方形成一柵極26。
隨后如圖3所示，再進(jìn)行一離子注入(ion implantation)工藝，并利用柵極26作為掩模，以于多晶硅薄膜14內(nèi)的源極區(qū)域18以及漏極區(qū)域20中分別形成一源極(source)28以及一漏極(drain)30，并與柵極26共同形成一低溫多晶硅薄膜晶體管構(gòu)造32。由于在薄膜晶體管(TFT)的應(yīng)用中，源極/漏極的串聯(lián)電阻(series resistance)必須很低，因此于離子注入工藝后會(huì)再進(jìn)行一個(gè)活化(activation)工藝，使源極28以及漏極30內(nèi)的摻雜劑(dopants)被高度活化，活化的過程除了將離子移至正確的晶格位置外，亦有將離子注入時(shí)所造成的晶格缺陷(lattice defect)予以修補(bǔ)的作用，以完成低溫多晶硅薄膜晶體管的制作。
于完成低溫多晶硅薄膜晶體管26的源極28、漏極30以及柵極26制作之后，如圖4所示，隨即再沉積一介電層34覆蓋于柵極26以及柵極絕緣層24上，并利用一第三光刻暨蝕刻工藝于源極區(qū)域18以及漏極區(qū)域20的上方分別形成一直達(dá)源極28以及漏極30的接觸孔(contact hole)36。最后再填入一導(dǎo)電層38，以完成后續(xù)的電連接工作。
其中，所形成的介電層34除了可作為一保護(hù)層來保護(hù)下方的各電路元件不會(huì)受到后續(xù)工藝的影響外，另一重要功能是作為一層間介電層，以進(jìn)行后續(xù)的多層連線工藝。然而就目前常用的介電層材料而言，往往不能同時(shí)滿足上述二要求。以一般半導(dǎo)體工藝或顯示面板工藝中常用的硅氧層與氮硅層為例，氮硅層雖具有良好的防護(hù)能力，能夠抵抗水氣與金屬離子的穿透，然而其高介電常數(shù)卻容易造成寄生電容，產(chǎn)生信號(hào)延遲的現(xiàn)象，而不適合作為一層間介電層，而硅氧層雖然具有低介電常數(shù)，不會(huì)造成信號(hào)延遲的現(xiàn)象，但其防護(hù)能力卻與前述的氮硅層有顯著的差異，而不能提供一良好的防護(hù)能力。
此外，在制作上述硅氧層時(shí)可采用硅烷(silane)或是四乙氧基硅烷(tetra-ethyl-ortho-silicate，TEOS)作為硅來源，而形成兩種不同性質(zhì)的硅氧層，亦即一般所謂的以硅烷為主的硅氧層(silane-based silicon oxide)或是以TEOS為主的硅氧層(TEOS-based silicon oxide)，其中前者由于會(huì)含有顯著的氫原子，可做為元件氫化的氫原子來源，以修補(bǔ)多晶硅薄膜中的缺陷，但卻由于其階梯覆蓋能力不佳，而容易生成孔洞，后者雖在進(jìn)行沉積時(shí)雖具有較佳的階梯覆蓋能力，但卻不能提供氫化工藝的氫原子來源，亦即需額外提供另一氫化工藝，這將會(huì)大幅增加氫化工藝的設(shè)備成本以及制作時(shí)間。
如上所述，在各種現(xiàn)有技術(shù)中，沒有任何一種方法可以制作出既具有良好介面特性以及高起始電壓穩(wěn)定度，又對(duì)水氣以及金屬離子具有較佳的阻擋與防堵能力，同時(shí)更具有高擊穿電壓的層間介電層。因此，要如何發(fā)展出一種兼具有上述各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)的低溫多晶硅薄膜晶體管制作方法，便成為當(dāng)前的重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種具有一復(fù)合式層間介電層(ILD layer)的低溫多晶硅薄膜晶體管的制作方法，以解決上述問題。
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例先提供一基板，并于該基板表面形成一多晶硅薄膜，接著再于該多晶硅薄膜表面依序形成一柵極絕緣層以及一柵極，隨后進(jìn)行一離子注入工藝，以于該柵極周圍分別形成一源極以及一漏極，接著藉由一第一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，形成一氮硅層覆蓋于該柵極與該多晶硅薄膜表面，然后再進(jìn)行一第二等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，以于該氮硅層表面形成一以四乙氧基硅烷為主的硅氧層，最后再進(jìn)行一光刻暨蝕刻工藝，以于該薄膜晶體管的源極與漏極上方分別形成一接觸孔通達(dá)該低溫多晶硅薄膜晶體管的該源極與該漏極，并于各該接觸孔內(nèi)填入一導(dǎo)電層，分別電連接于該源極與該漏極。
由于本發(fā)明的低溫多晶硅薄膜晶體管中利用一第一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝來形成一以硅烷為主的氮硅層，以增加對(duì)水氣的防護(hù)能力并提供后續(xù)氫化工藝的氫離子來源，接著再藉由一第二等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，形成一以四乙氧基硅烷為主的硅氧層，以提供一較好的階梯覆蓋能力，并降低介電常數(shù)，進(jìn)而避免寄生電容的生成，故能達(dá)到有效提升低溫多晶硅薄膜晶體管電性表現(xiàn)以及可靠度的目的。


圖1至圖4為現(xiàn)有制作低溫多晶硅薄膜晶體管的層間介電層的方法示意圖；圖5至圖9為本發(fā)明第一實(shí)施例中制作一低溫多晶硅薄膜晶體管的層間介電層的方法示意圖；圖10至圖12為本發(fā)明第二實(shí)施例中制作一低溫多晶硅薄膜晶體管的層間介電層的方法示意圖。
附圖中的附圖標(biāo)記說明如下10顯示面板12基板14多晶硅薄膜 18源極區(qū)域20漏極區(qū)域22溝道區(qū)域24柵極絕緣層 26柵極28源極30漏極32低溫多晶硅薄膜晶體管34介電層36接觸孔 38導(dǎo)電層110顯示面板 112基板114多晶硅薄膜 118源極區(qū)域120漏極區(qū)域 122溝道區(qū)域124柵極絕緣層 126柵極128源極 130漏極131低溫多晶硅薄膜晶體管 132氮硅層134硅氧層 136接觸孔138導(dǎo)電層 212基板214柵極 216柵極絕緣層
218非晶硅薄膜 220多晶硅薄膜222源極 224漏極226低溫多晶硅薄膜晶體管 228氮硅層230硅氧層 232復(fù)合式層間介電層234接觸孔 236導(dǎo)電層具體實(shí)施方式
請(qǐng)參考圖5至圖8，圖5至圖8為根據(jù)本發(fā)明制作一低溫多晶硅薄膜晶體管的方法示意圖。同前所述，一顯示面板中通常均包含有多個(gè)低溫多晶硅薄膜晶體管，以分別驅(qū)動(dòng)顯示面板上的各像素電極，為方便說明起見，以下圖示中僅以一低溫多晶硅薄膜晶體管代表。如圖5所示，首先進(jìn)行一化學(xué)氣相沉積工藝或是一濺鍍工藝以于一顯示面板110上形成一厚度約500埃的非晶硅薄膜(未顯示)，并利用一準(zhǔn)分子激光退火工藝(excimer laserannealing process)使該非晶硅薄膜再結(jié)晶成一多晶硅薄膜114，隨后再進(jìn)行一第一光刻暨蝕刻工藝，以將多晶硅薄膜114圖案化，僅留下預(yù)定形成各該低溫多晶硅薄膜晶體管的部分。其中，顯示面板110為一基板112，且基板112可為一玻璃基板或是一硅基板，而多晶硅薄膜114表面則定義有一源極區(qū)域(source region)118、一漏極區(qū)域(drain region)120以及一溝道區(qū)域(channel region)122。
由于非晶硅薄膜(未顯示)的品質(zhì)好壞對(duì)后續(xù)所形成的多晶硅薄膜114特性影響很大，因此非晶硅薄膜沉積工藝中的各參數(shù)(parameter)需要被嚴(yán)格控制，以期能形成低氫含量(hydrogen content)、高膜厚均勻性(thicknessuniformity)以及低表面粗糙度(surface roughness)的非晶硅薄膜。此外，在準(zhǔn)分子激光退火的過程中，非晶硅薄膜經(jīng)由對(duì)激光深紫外光的吸收而達(dá)到快速的熔融與再結(jié)晶，形成多晶硅薄膜114，而且這種采用短時(shí)間脈沖激光所造成的快速吸收只會(huì)針對(duì)非晶硅薄膜進(jìn)行，故能使基板112一直保持在低溫的狀態(tài)而不受影響。
如圖6所示，接著進(jìn)行一化學(xué)氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)工藝，以于多晶硅薄膜114表面形成一柵極絕緣層(gate insulating layer)124。隨后再進(jìn)行一濺鍍工藝，以于柵極絕緣層124的表面形成一金屬層，并利用一第二光刻暨蝕刻工藝將該金屬層圖案化，以于溝道區(qū)域122上方形成一柵極126。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，柵極絕緣層124為氮硅層、硅氧層或同時(shí)包含有氮硅層或硅氧層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，而形成該金屬層的材料則包含有鎢、鋁、鉻或其合金。
如圖7所示，接著再進(jìn)行一離子注入(ion implantation)工藝，并利用柵極126作為掩模，以于多晶硅薄膜114內(nèi)的源極區(qū)域118以及漏極區(qū)域120中分別形成一源極(source)128以及一漏極(drain)130，并與柵極126共同形成一低溫多晶硅薄膜晶體管構(gòu)造131。隨即再進(jìn)行一個(gè)活化(activation)工藝，以使源極128以及漏極130內(nèi)的摻雜劑(dopants)被高度活化，而將離子移至正確的晶格位置，并同時(shí)將離子注入時(shí)所造成的晶格缺陷予以修補(bǔ)的作用。
如圖8所示，隨后進(jìn)行一第一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(plasmaenhanced chemical vapor deposition，PECVD)工藝，藉著通入硅烷、氨氣(NH3)以及氮?dú)?N2)，形成一以硅烷為主的氮硅層132(silicon nitride layer，SiNxlayer，0.8＜x＜1.6)覆蓋于柵極126與柵極絕緣層124上，然后再藉由通入四乙氧基硅烷以及氧氣，于氮硅層132上形成一以四乙氧基硅烷為主的硅氧層(TEOS based silicon oxide layer)134。其中，以硅烷為主的氮硅層132以及以四乙氧基硅烷為主的硅氧層134共同構(gòu)成一復(fù)合式層間介電層。
值得注意的是，由于氮硅層132的介電常數(shù)(dielectric constant)較硅氧層134大很多，因此本發(fā)明的方法需對(duì)氮硅層132與硅氧層134的厚度進(jìn)行一最佳化的調(diào)整，以刻意增加硅氧層134所占的厚度比例的方法，來有效降低該復(fù)合式層間介電層的介電常數(shù)，進(jìn)而避免因介電常數(shù)過高而發(fā)生信號(hào)延遲的現(xiàn)象。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，氮硅層132的厚度約為500至3500埃，而硅氧層134的厚度則約為2500至10000埃。此外，該第一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝以及該第二等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝可于一同一反應(yīng)室連續(xù)沉積或在不同反應(yīng)室內(nèi)分別完成上述二道等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝。
如圖9所示，接著再進(jìn)行一第三光刻暨蝕刻工藝于源極區(qū)域118以及漏極區(qū)域120分別形成一通達(dá)源極128以及漏極130的接觸孔(contacthole)136，之后再于接觸孔洞136內(nèi)填入一導(dǎo)電層138分別電連接于源極128與漏極130，以完成低溫多晶硅薄膜晶體管131的電連接。
由于本發(fā)明的制作方法利用二道等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，分別于低溫多晶硅薄膜晶體管上形成一以硅烷為主的氮硅層以及一以四乙氧基硅烷為主的硅氧層，因此一方面可藉由氮硅層來提供后續(xù)氫化制成的氫離子來源，并增強(qiáng)對(duì)水氣及金屬離子防護(hù)能力，另一方面更可以藉由以四乙氧基硅烷為主的硅氧層來增加階梯覆蓋能力，降低介電常數(shù)，提高擊穿電壓(breakdownvoltage)，而達(dá)到有效提升元件的特性以及可靠度(reliability)的目的。
以上所公開的制作方法以一上柵極(top gate)式低溫多晶硅薄膜晶體管為例，然而本發(fā)明的制作方法并不限于此，其亦可應(yīng)用于下柵極式低溫多晶硅薄膜晶體管的制作。
請(qǐng)參考圖10至12，圖10至12為本發(fā)明第二實(shí)施例中制作一低溫多晶硅薄膜晶體管的方法示意圖。如圖10所示，首先于一基板212上形成一柵極214，并依序形成一柵極絕緣層216以及一非晶硅薄膜218覆蓋于柵極214與基板212上。接著如圖11所示，進(jìn)行一準(zhǔn)分子激光退火工藝，以將非晶硅薄膜218再結(jié)晶為一多晶硅薄膜220，隨后再進(jìn)行一離子注入工藝，以于多晶硅薄膜220內(nèi)形成一源極222以及一漏極224，以構(gòu)成一下柵極式(bottom gate)低溫多晶硅薄膜晶體管226。最后如圖12所示，利用相同的方式于低溫多晶硅薄膜晶體管226上依序形成一以硅烷為主的氮硅層228以及一以四乙氧基硅烷為主的硅氧層230，以構(gòu)成一復(fù)合式層間介電層232，再于復(fù)合式層間介電層232中形成二接觸孔234分別通達(dá)源極222以及漏極224，并于接觸孔洞234內(nèi)填入一導(dǎo)電層236，完成低溫多晶硅薄膜晶體管226的電連接。
相較于現(xiàn)有技術(shù)中低溫多晶硅薄膜晶體管的層間介電層的制作方法，本發(fā)明于形成低溫多晶硅薄膜晶體管后，先利用一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝形成一以四乙氧基硅烷為主的硅氧層，再利用另一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝形成一以硅烷為主的氮硅層，以構(gòu)成一復(fù)合式的層間介電層，因此不但能兼具高階梯覆蓋能力、高擊穿電壓以及極佳的水氣與金屬離子防護(hù)能力，尚可提供后續(xù)氫化制成的氫原子來源，以達(dá)到有效提升低溫多晶硅薄膜晶體管的電性表現(xiàn)以及可靠度的功效。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，該以硅烷為主的氮硅層包含有20％至40％的氫原子，以提供元件氫化的氫原子來源。然而，該氫原子的含量也可以為其它數(shù)值。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作低溫多晶硅薄膜晶體管的方法，該方法包含有下列步驟提供一基板；于該基板上方形成一多晶硅薄膜，且該多晶硅薄膜的表面包含有一源極區(qū)域、一漏極區(qū)域以及一溝道區(qū)域位于該源極區(qū)域與該漏極區(qū)域之間；于該基板上方形成一柵極絕緣層；于該基板上方形成一柵極；進(jìn)行一離子注入工藝，以于該源極區(qū)域以及該漏極區(qū)域內(nèi)的該多晶硅薄膜之內(nèi)分別形成一源極以及一漏極；形成一氮硅層覆蓋于該柵極與該多晶硅薄膜表面；以及于該氮硅層表面形成四乙氧基硅烷為主的硅氧層。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中該方法另包含有下列步驟進(jìn)行一光刻暨蝕刻工藝，以于該源極與該漏極上方分別形成一接觸孔；以及于各該接觸孔內(nèi)填入一導(dǎo)電層，分別電連接于該源極與該漏極。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中形成該多晶硅薄膜的方法包含有下列步驟于該基板上形成一非晶硅薄膜；以及進(jìn)行一準(zhǔn)分子激光退火工藝，使該非晶硅薄膜再結(jié)晶成該多晶硅薄膜。
4.如權(quán)利要求1的方法，其中該氮硅層為一以硅烷為主的氮硅層。
5.如權(quán)利要求4的方法，其中該氮硅層包含有20％至40％的氫原子，以提供元件氫化的氫原子來源。
6.如權(quán)利要求1的方法，其中該硅氧層的厚度為2500至10000埃。
7.如權(quán)利要求1的方法，其中該氮硅層的厚度為500至3500埃。
8.如權(quán)利要求1的方法，其中該方法利用一第一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝來制作該氮硅層。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中該方法利用一第二等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝來形成該硅氧層。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中該第一等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝與該第二等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝于同一反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行或于不同反應(yīng)室內(nèi)進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開一種低溫多晶硅薄膜晶體管的制作方法。該方法首先于一基板表面形成一多晶硅薄膜、一柵極絕緣層以及一柵極，接著于該柵極周圍形成一源極與一漏極，隨后進(jìn)行二等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積工藝，以分別形成氮化硅層以及以四乙氧基硅烷為主的硅氧層，覆蓋于該柵極與該多晶硅薄膜表面，最后于該源極與該漏極上方各形成一接觸孔，并填入一導(dǎo)電層以分別電連接于該源極與該漏極。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1567550SQ03145338
公開日2005年1月19日 申請(qǐng)日期2003年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者林輝巨 申請(qǐng)人:統(tǒng)寶光電股份有限公司