專利名稱：應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶硅退火結(jié)構(gòu)及其方法，特別是涉及一種應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)及其方法。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管(thin-film transistors，TFT)可應(yīng)用于液晶顯示器(liquidcrystal display，LCD)的驅(qū)動(dòng)元件，由于非晶硅(amorphous silicon，α-Si)薄膜晶體管可于200-300℃低溫制造，因此被廣泛使用于LCD當(dāng)中。目前市面上常見的薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)幾乎都是使用非晶硅(α-Si)薄膜晶體管做為像素(pixel)區(qū)域的開關(guān)元件。但非晶硅的電子遷移率(electronmobility)低，不超過1cm2/V.s，但若要整合驅(qū)動(dòng)電路在玻璃基板上，非晶硅(α-Si)薄膜晶體管已不敷目前高速元件應(yīng)用的需求。而多晶硅(ploy-Si)薄膜晶體管具有高載子移動(dòng)率、低溫敏感性(low temperature sensitivity)與優(yōu)選的驅(qū)動(dòng)能力，因此更適用于發(fā)展高速元件。以多晶硅薄膜晶體管做為開關(guān)元件的液晶顯示器，顯示畫面的速度快而且亮度高，同時(shí)外圍的驅(qū)動(dòng)元件與控制電路也可制作于同一基板上，能提升可靠性與壓低制造成本，因此成為今后薄膜晶體管液晶顯示器的發(fā)展主流。
液晶顯示器(LCD)為了要達(dá)到畫質(zhì)高亮度高分辨率水準(zhǔn)，例如現(xiàn)在投影機(jī)、數(shù)字相機(jī)使用的LCD，薄膜晶體管制造工藝溫度需達(dá)到攝氏1200度到1400度的高溫，所以必需使用石英(quartz)材料作為基板。但石英基板的價(jià)格昂貴，于是，為了降低生產(chǎn)成本，趨向使用玻璃基板代替石英基板，但玻璃基板能承受的制造工藝溫度必須在攝氏600度以下，所以發(fā)展低溫多晶硅的薄膜晶體管是必然的趨勢(shì)。而現(xiàn)今大多數(shù)液晶屏幕所使用的是傳統(tǒng)非晶硅制造工藝，其退火溫度仍需高達(dá)攝氏500度以上高溫，使用耐高溫的玻璃仍是成本的一大考量。于是，相應(yīng)產(chǎn)生許多降低多晶硅制造工藝溫度的方法，其中，由于準(zhǔn)分子激光誘發(fā)結(jié)晶(eximer laser-induced crystalline，ELC)法和金屬誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶(metal induced lateral crystallization，MILC)法，均可應(yīng)用以生長高品質(zhì)及低缺陷密度(low defect density)的多晶硅，而受到矚目。
以準(zhǔn)分子激光(excimer laser)退火的方式，是將激光光經(jīng)過投射系統(tǒng)后，產(chǎn)生能量均勻分布的激光束，投射于非晶硅結(jié)構(gòu)的玻璃基板上，當(dāng)玻璃基板上的非晶硅膜吸收準(zhǔn)分子激光的特定波長能量后會(huì)瞬間熔融，然后再結(jié)晶轉(zhuǎn)變成為多晶硅結(jié)構(gòu)，而玻璃基板對(duì)此特定波長并不會(huì)吸收能量，不會(huì)產(chǎn)生熱破壞。因?yàn)闇?zhǔn)分子激光退火的方式，整體制造工藝都是在低溫以下完成，所以一般玻璃基板皆可適用。
其中，多晶硅薄膜晶體管的臨界電壓(threshold voltage)、場(chǎng)效遷移率(filed-effect mobility)和驅(qū)動(dòng)電流(driving current)的優(yōu)劣取決于多晶硅的晶粒尺寸與結(jié)構(gòu)。使用準(zhǔn)分子激光退火的低溫制造工藝形成多晶硅時(shí)，準(zhǔn)分子激光的激光脈沖時(shí)間僅數(shù)十納秒(ns，10-9second)，無法提供硅原子足夠的時(shí)間進(jìn)行具有方向性的重新排列，以形成較大、較均勻的多晶硅結(jié)晶顆粒，使得以準(zhǔn)分子激光退火制造工藝形成多晶硅的制造工藝無法廣為利用。而金屬誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶法為側(cè)向生長法，亦可得到較大的硅結(jié)晶晶粒。于元件應(yīng)用時(shí)，金屬可鍍于源極/漏極(source/drain)處，于形成金屬誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長的同時(shí)，亦形成金屬硅化物接觸(contacts)。因此，為了能提高低溫多晶硅薄膜晶體管的效能，逐漸發(fā)展出上述兩者技術(shù)的制造工藝。
請(qǐng)參考圖1A，其為現(xiàn)有的非晶硅退火結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖1A所示，先利用光微影技術(shù)將條紋狀金屬層11鍍于非晶硅層10表面，非晶硅層下方為氧化硅層12。再進(jìn)行準(zhǔn)分子激光退火。由于鍍有條紋狀金屬層11的部分可反射約95％的激光能量，而不為金屬層11所覆蓋的非晶硅部分，吸收準(zhǔn)分子激光束13固定波長的能量后則產(chǎn)生熔融現(xiàn)象。如圖1B所示，其為現(xiàn)有的非晶硅退火結(jié)構(gòu)上視示意圖。以激光束投射于非晶硅層10時(shí)，鍍有條紋狀金屬層11的部分可藉由金屬層11來散熱與熔融的部分產(chǎn)生溫度梯度，使得非晶硅層10產(chǎn)生側(cè)向的熱梯度；因此熔融的非晶硅層部分由鍍有條紋狀金屬層11的非晶硅邊緣開始成核，然后再結(jié)晶轉(zhuǎn)變成為多晶硅薄膜14。然后需再去除條紋狀金屬層11，才能完成后續(xù)的多晶硅薄膜晶體管的制作。
另一種方法請(qǐng)參考圖2，其為現(xiàn)有的非晶硅退火結(jié)構(gòu)剖面示意圖。如圖2所示，非晶硅層20的上下皆具有隔離的氧化層22，于非晶硅層20所預(yù)定的柵極區(qū)域的底層與緩沖層23之間形成一層空氣間隙21(air gap)，激光束13由上方投射于非晶硅層10，使空氣間隙區(qū)域的熱傳導(dǎo)速率慢于兩側(cè)預(yù)定為源極/漏極(source/drain)處。進(jìn)行準(zhǔn)分子激光退火，使柵極部分的熔融非晶硅由源極/漏極(source/drain)的邊緣開始成核，并產(chǎn)生側(cè)向結(jié)晶轉(zhuǎn)變成為多晶硅結(jié)構(gòu)。由上述技術(shù)可知，如何增加多晶硅的結(jié)晶尺寸以提高薄膜晶體管的效能，成為目前發(fā)展的重要目標(biāo)。
除此之外，為形成優(yōu)選的多晶硅結(jié)構(gòu)，更發(fā)展出連續(xù)側(cè)向固化法(Sequential Lateral Solidification，SLS)、相位偏移光掩模(Phase Shift Mask)和非晶硅平坦化(floating α-Si layer)等制造工藝。但是，利用這些方法需另外增加一些設(shè)備，增加了制造工藝的設(shè)備成本，也較不易整合至現(xiàn)有制造工藝。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)及其方法，從而增加多晶硅的結(jié)晶尺寸以形成高效能的薄膜晶體管。
本發(fā)明所提供的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)及其方法，于玻璃基板預(yù)定形成源極/漏極(source/drain)處先鍍上金屬層再覆以非晶硅膜，使源極和漏極中間預(yù)定出柵極有源區(qū)域位置，并使用準(zhǔn)分子激光退火，使鍍有金屬層的區(qū)域與預(yù)定柵極區(qū)域產(chǎn)生溫度梯度，使熔融的非晶硅膜由溫度低的金屬層上方區(qū)域開始成核。并且，由于柵極區(qū)域的溫度較高使非晶硅膜能有足夠的時(shí)間有方向性的結(jié)晶以形成優(yōu)選的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。
為達(dá)成本發(fā)明的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法，本發(fā)明還包括應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)，由玻璃基板、金屬圖案與非晶硅膜所組成；金屬圖案鍍于玻璃基板的一表面，并預(yù)定此金屬圖案為形成薄膜晶體管的源極和漏極的位置，非晶硅膜披覆于玻璃基板，并同時(shí)覆蓋住金屬圖案。由于在進(jìn)行多晶硅退火時(shí)，準(zhǔn)分子激光由背向穿透玻璃基板使非晶硅膜吸收準(zhǔn)分子激光束的能量以形成熔融狀態(tài)，而鍍有金屬層的區(qū)域則反射大部分的準(zhǔn)分子激光束。讓有金屬圖案區(qū)域和有源區(qū)域的非晶硅膜產(chǎn)生溫度梯度，誘發(fā)側(cè)向成長機(jī)制；并且此特定波長的準(zhǔn)分子激光束能量不會(huì)被玻璃所吸收，所以可讓非晶硅膜瞬間加熱至熔融狀而不致對(duì)玻璃基板造成損害。
由于本發(fā)明于薄膜晶體管的預(yù)定源極和漏極的位置形成金屬圖案，于退火制造工藝完成之后，并不需要去除金屬圖案，可將其作為一種良好的金屬接觸界面。此外，此多晶硅退火結(jié)構(gòu)制作成為薄膜晶體管后，在晶體管操作的情形下可分散漏極端的高電場(chǎng)效應(yīng)，以提升薄膜晶體管的效能。
為使對(duì)本發(fā)明的目的、構(gòu)造特征及其功能有進(jìn)一步的了解，茲配合附圖作詳細(xì)說明。


圖1A為現(xiàn)有的非晶硅退火結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖1B為現(xiàn)有的非晶硅退火結(jié)構(gòu)上視示意圖；圖2為另一現(xiàn)有的非晶硅退火結(jié)構(gòu)剖面示意圖；圖3為本發(fā)明的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法的實(shí)施例步驟流程圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例的高效能薄膜晶體管的多晶硅結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意圖；及圖5為本發(fā)明實(shí)施例的高效能薄膜晶體管的多晶硅結(jié)構(gòu)的下視示意圖。
簡單符號(hào)說明210 玻璃基板220 鋁金屬圖案230 非晶硅膜240 準(zhǔn)分子激光束具體實(shí)施方式
本發(fā)明所揭露的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)及其方法，將于非晶硅膜和玻璃基板之間制作金屬圖案的多晶硅退火結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于進(jìn)行非晶質(zhì)硅退火制造工藝以形成具有優(yōu)選晶粒尺寸的多晶硅。
為更詳細(xì)說明本發(fā)明，請(qǐng)參考圖3，其為本發(fā)明的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法的實(shí)施例步驟流程圖，其實(shí)施例步驟包括提供一玻璃基板(步驟110)；于玻璃基板的表面鍍上鋁金屬圖案，并預(yù)定鋁金屬圖案為形成薄膜晶體管的源極和漏極的位置(步驟120)；披覆非晶硅膜于玻璃基板，同時(shí)覆蓋鋁金屬圖案(步驟130)；提供準(zhǔn)分子激光束以投射于玻璃基板的另一表面(步驟140)，使準(zhǔn)分子激光束穿透玻璃基板使非晶硅膜吸收準(zhǔn)分子激光束的能量以形成熔融狀態(tài)，而鍍有鋁金屬圖案的區(qū)域則反射大部分準(zhǔn)分子激光束；使非晶硅膜由接近鋁金屬圖案之處成核，并向中央?yún)^(qū)域持續(xù)進(jìn)行側(cè)向結(jié)晶以形成多晶硅薄膜(步驟150)。
由上述流程可知，本發(fā)明方法需配合應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅結(jié)構(gòu)，由玻璃基板、鋁金屬圖案與非晶硅膜所組成。請(qǐng)參考圖4，其為本發(fā)明實(shí)施例的側(cè)視示意圖；鋁金屬圖案220鍍于玻璃基板210的一表面，并預(yù)定此鋁金屬圖案220為形成薄膜晶體管的源極和漏極的位置，非晶硅膜230披覆于玻璃基板210，并同時(shí)覆蓋住鋁金屬圖案220。在進(jìn)行多晶硅退火時(shí)，準(zhǔn)分子激光束240由另一表面穿透玻璃基板210，使非晶硅膜230吸收準(zhǔn)分子激光束240的能量以形成熔融狀態(tài)，同時(shí)，鍍有鋁金屬圖案220的區(qū)域則反射大部分的激光束。熔融狀態(tài)的非晶硅膜230由接近鋁金屬圖案220之處開始成核，鋁金屬圖案220間隙的非晶硅膜230形成溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域，溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域降溫較為緩慢，能使硅原子有足夠的時(shí)間有序排列，產(chǎn)生較大的硅結(jié)晶尺寸。其結(jié)晶結(jié)果請(qǐng)參考圖5，其為本發(fā)明實(shí)施例的下視示意圖；由于接近鋁金屬圖案220之處溫度較低即成為成核起始處，然后由于溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域降溫較為緩慢，則使非晶硅膜230逐漸結(jié)晶至形成較大的晶粒尺寸。鋁金屬圖案220為形成薄膜晶體管的源極和漏極的位置，其誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域?yàn)榻⒈∧ぞw管的柵極的位置。
由于鋁金屬圖案間隙的非晶硅膜其上方的空氣間隔形成良好的隔熱區(qū)，同時(shí)，其鋁金屬圖案可反射大部分的準(zhǔn)分子激光束，使得鍍有金屬圖案和金屬圖案間隙的非晶硅膜的溫度梯度更大；而有效形成溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域。同時(shí)，相比于前案本發(fā)明不需要去除鋁金屬圖案和增加其它的制造工藝設(shè)備，可節(jié)省制造工藝步驟和制作成本。其中，本發(fā)明所使用的準(zhǔn)分子激光束為氯化氙(XeCl)激光束或氟化氪(KrF)激光束等。
雖然本發(fā)明以優(yōu)選實(shí)施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以后附的權(quán)利要求所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法，其步驟包括提供一基板；于該基板的一表面形成一金屬圖案，并預(yù)定該金屬圖案為形成薄膜晶體管的源極和漏極的位置；披覆一非晶硅膜于該基板，同時(shí)覆蓋該金屬圖案；提供一準(zhǔn)分子激光束以投射于該基板的另一表面，并穿透該基板使該非晶硅膜吸收該準(zhǔn)分子激光束的能量以形成熔融狀態(tài)，其中鍍有該金屬圖案的區(qū)域則反射大部分準(zhǔn)分子激光束；及再結(jié)晶該非晶硅膜以形成一多晶硅薄膜，該金屬圖案間隙的非晶硅膜形成一溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域，該溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域降溫較為緩慢，以使該非晶硅膜由接近該金屬圖案之處成核，并向該溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域持續(xù)進(jìn)行側(cè)向結(jié)晶至完成該多晶硅薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法，其中該準(zhǔn)分子激光束為一氯化氙(XeCl)激光束。
3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法，其中該準(zhǔn)分子激光束為一氟化氪(KrF)激光束。
4.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法，其中該準(zhǔn)分子激光束為可為硅薄膜所吸收的一等效激光束。
5.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法，其中該金屬圖案為一鋁金屬圖案。
6.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火方法，其中該溫度梯度誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域?yàn)樾纬杀∧ぞw管的柵極的位置。
7.一種應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于進(jìn)行非晶質(zhì)硅退火制造工藝以形成多晶硅，其包括一基板；一金屬圖案，形成于該基板的一表面，并預(yù)定該金屬圖案為形成薄膜晶體管的源極和漏極的位置；及一非晶硅膜，披覆于該基板，并同時(shí)覆蓋該金屬圖案。
8.如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)，其中該金屬圖案為一鋁金屬圖案。
9.如權(quán)利要求7所述的應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)，其中該金屬圖案的間隙為形成薄膜晶體管的柵極的位置。
全文摘要
一種應(yīng)用于高效能薄膜晶體管的多晶硅退火結(jié)構(gòu)及其方法，于玻璃基板預(yù)定形成源極和漏極處先鍍上金屬圖案再覆以非晶硅膜，使源極和漏極中間的預(yù)定柵極區(qū)域形成誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長區(qū)域，以形成多晶硅退火結(jié)構(gòu)；并進(jìn)一步結(jié)合準(zhǔn)分子激光退火，準(zhǔn)分子激光由另一表面穿透玻璃基板使非晶硅膜吸收準(zhǔn)分子激光束的能量以形成熔融狀態(tài)，而鍍有金屬層的區(qū)域則反射大部分準(zhǔn)分子激光束，使非晶硅膜產(chǎn)生溫度梯度，以誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶生長，在有源區(qū)域內(nèi)形成優(yōu)選的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，提升薄膜晶體管的性能。
文檔編號(hào)H01L21/324GK1700429SQ200410043289
公開日2005年11月23日 申請(qǐng)日期2004年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月17日
發(fā)明者柯明道, 鄧至剛, 曾當(dāng)貴, 石安 申請(qǐng)人:統(tǒng)寶光電股份有限公司