專利名稱：制作低溫多晶硅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體元件及制作一低溫多晶硅薄膜(low temperaturepoly-silicon，LTPS)的方法，尤指一種利用側(cè)向生長(lateral growth)的半導(dǎo)體元件及制作一低溫多晶硅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
在薄膜晶體管液晶顯示器的制造過程中，由于玻璃基板的耐熱度往往只能到600℃，而多晶硅薄膜的沉積溫度約介于650-575℃，若在高溫下直接制作多晶硅薄膜將會造成玻璃基板的扭曲變形，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薄膜再結(jié)晶的方法來制作低溫多晶硅薄膜。
現(xiàn)有低溫多晶硅薄膜制作于一絕緣基板上，絕緣基板必需由透光的材料所構(gòu)成，通常為玻璃基板、石英基板或是塑料基板?，F(xiàn)有方法先于絕緣基板上形成一非晶硅薄膜，接著進行一準分子激光退火(excimer laser annealing，ELA)工藝，使非晶硅薄膜結(jié)晶成為多晶硅層。在準分子激光退火的過程中，非晶硅薄膜經(jīng)由對激光深紫外光的吸收而達到快速的熔融與結(jié)晶，形成多晶硅薄膜，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薄膜表面造成影響，并不會影響絕緣基板，故絕緣基板能一直保持在低溫的狀態(tài)。
由于非晶硅薄膜的品質(zhì)好壞對后續(xù)所形成的多晶硅薄膜晶體管特性影響很大，因此非晶硅薄膜沉積工藝中的各參數(shù)需要被嚴格控制，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薄膜。此外，由于非晶硅薄膜結(jié)晶形成的多晶硅薄膜用來作為薄膜晶體管的半導(dǎo)體層，以定義出源極、漏極以及通道等區(qū)域，因此多晶硅薄膜的品質(zhì)良好與否對于元件的電性表現(xiàn)更有著直接影響，例如多晶硅薄膜的晶粒大小(grain size)即為影響多晶硅薄膜品質(zhì)的一項重要因素。
為了增加晶粒的大小，在臺灣專利公告第485496號(對應(yīng)的美國專利為US 6,555,449 B1)提出一種連續(xù)側(cè)向固化(sequential lateral solidification，SLS)工藝，其在激光光學(xué)系統(tǒng)中利用光掩模遮蔽部分激光，使未照射激光的部分非晶硅薄膜保持固態(tài)，受到激光光照射的部分非晶硅薄膜則融化為液態(tài)，并且利用這兩個區(qū)域的溫度梯度使晶粒有方向性的成長。根據(jù)此方法雖然可以成長出較傳統(tǒng)方法大上許多倍的晶粒，但是卻無法精確地控制元件通道區(qū)域的晶粒以及晶界數(shù)量。舉例來說，薄膜晶體管液晶顯示器的部分元件通道區(qū)域的多晶硅薄膜可能存在主晶界(grain boundary)，部分元件通道區(qū)域可能落于無主晶界的多晶硅薄膜上，因此造成不同元件間的電性產(chǎn)生很大的差異。為了避免這個問題，現(xiàn)有方法必須犧牲多晶硅薄膜的應(yīng)用面積，在元件的形狀與角度上作許多配合與妥協(xié)，以改善元件間的均勻性，然而這樣的作法卻限制了元件的小尺寸發(fā)展與應(yīng)用。
此外，在臺灣專利公告第452892號(對應(yīng)的美國專利為US 6,432,758 B1)中還提出一種利用非晶硅薄膜的不同厚度設(shè)計來產(chǎn)生溫度梯度的方法。其利用微影與蝕刻工藝來控制非晶硅薄膜的厚度，使得非晶硅薄膜在不同的位置具有不同的厚度，以控制晶粒的成長方向。此種作法可以控制晶粒沿著水平方向均勻地成長，然而在蝕刻非晶硅薄膜的過程中，非晶硅薄膜的膜厚均勻性以及表面粗糙度均可能受到損害，對于元件的電性表現(xiàn)有著不利影響。
臺灣專利公告第466569號還提出一種利用金屬材料在非晶硅薄膜表面形成反射層以產(chǎn)生溫度梯度的方法。其于非晶硅薄膜上覆蓋一金屬圖案，并于進行激光結(jié)晶工藝之前先加熱基板，以使基板溫度維持于一特定范圍。
為了避免前述問題限制低溫多晶硅薄膜的應(yīng)用，如何有效地增加晶粒大小以及控制晶粒成長方向，進而改善低溫多晶硅薄膜液晶顯示器的電性表現(xiàn)，已成為一項重要課題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的即在提供一種半導(dǎo)體元件及制作一低溫多晶硅薄膜的方法，可以控制低溫多晶硅薄膜在元件通道區(qū)域內(nèi)的晶粒以及晶界數(shù)量，進而改善元件的電性表現(xiàn)。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，首先于一基板上形成一非晶硅薄膜，接著于非晶硅薄膜上形成一隔絕層以及一激光吸收層，并且進行一光刻腐蝕工藝，去除部分的激光吸收層、隔絕層，以暴露出部分的非晶硅薄膜，最后再進行一激光結(jié)晶工藝，以使非晶硅薄膜轉(zhuǎn)化成一多晶硅薄膜。
由于本發(fā)明可以利用激光吸收層以及隔絕層來覆蓋部分的非晶硅薄膜，使覆蓋有激光吸收層的非晶硅薄膜不會受到激光照射。未受到激光照射的部分非晶硅薄膜與受到激光照射的其它部分非晶硅薄膜間會產(chǎn)生溫度梯度，促使多晶硅薄膜的晶粒由未照射激光的區(qū)域向有照射激光的區(qū)域側(cè)向地成長。因此，本發(fā)明可以依據(jù)激光吸收層以及隔絕層的圖案定義來控制元件通道區(qū)域內(nèi)的晶粒與晶界數(shù)量，使元件通道區(qū)域具有較大的晶粒，并且控制元件通道區(qū)域均只具有一個晶界，以提升薄膜晶體的載流子移動率以及均勻性，并且改善元件的電性表現(xiàn)。


圖1與圖2為本發(fā)明制作一低溫多晶硅薄膜的方法示意圖。
圖3為本發(fā)明一非晶硅薄膜表面的溫度梯度示意圖。
圖4為本發(fā)明一多晶硅薄膜表面晶粒的掃描式電子顯微鏡相片。
圖5為本發(fā)明的激光吸收層材料對于不同波長激光的吸收率的關(guān)系示意圖。
圖6為本發(fā)明一半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖。
簡單符號說明10基板 11緩沖層12非晶硅薄膜14激光隔絕圖案16激光吸收層18隔絕層20準分子激光A 通道區(qū)域B 非通道區(qū)域具體實施方式
請參考圖1與圖2，圖1與圖2為本發(fā)明制作一低溫多晶硅薄膜的方法示意圖。如圖1所示，本發(fā)明方法先提供一基板10，例如玻璃基板、石英基板或是塑料基板，接著于基板10上依序形成一非晶硅薄膜12，以及一由激光吸收層16以及隔絕層18形成的激光隔絕圖案14覆蓋于部分的非晶硅薄膜12上方。舉例來說，本發(fā)明可利用一等離子體增強化學(xué)氣相沉積方法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)于基板10上連續(xù)沉積非晶硅薄膜12、隔絕層18以及激光吸收層16。其中，非晶硅薄膜12表面定義有至少一通道區(qū)域A，以及至少一非通道區(qū)域B設(shè)置于通道區(qū)域A的周圍。在本發(fā)明的實施例中，激光吸收層16可以選自非晶硅、多晶硅、金屬氧化物(包含TiO2，Ta2O5，Al2O3等等)、半導(dǎo)體材料(包含SiGe，SiAs，GeAs等等)以及耐火性金屬(包含Ti，Al，Pt等等)等材料組成的群組，而在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，激光吸收層16由非金屬材料形成，例如非晶硅、多晶硅、半導(dǎo)體材料等材料，以避免金屬污染通道區(qū)域A。然后，利用上述對于準分子激光具有優(yōu)選吸收能力的材料形成單一材料層或是復(fù)合材料層，且激光吸收層16的優(yōu)選厚度建議約為500。隔絕層18由隔絕效果優(yōu)選的材料形成，例如氧化硅(SiOx)、氮化硅(SizNx)、氮氧化硅(SiOyNx)、低介電常數(shù)材料(包含block diamond，F(xiàn)SG，PSG，SiC等等)或金屬氧化物(包含TiO2，Ta2O5，Al2O3等等)，利用上述隔絕效果優(yōu)選的材料形成單一材料層或是復(fù)合材料層，用來吸收能量，避免激光吸收層16內(nèi)的熱能傳導(dǎo)至隔絕層18下方的非晶硅薄膜12，且隔絕層18的優(yōu)選厚度建議約為1500。
本發(fā)明于形成非晶硅薄膜12、隔絕層18以及激光吸收層16后，接著再于高于400℃的高溫爐中進行一去氫工藝，降低非晶硅薄膜12中的氫氣含量。之后進行一光刻腐蝕工藝來定義激光吸收層16與隔絕層18的圖案，例如去除覆蓋于通道區(qū)域A的激光吸收層16與隔絕層18，并且使殘留于通道區(qū)域A周圍的非通道區(qū)域B內(nèi)的激光吸收層16與隔絕層18形成激光隔絕圖案14。其中激光隔絕圖案14用來避免通道區(qū)域A周圍的非晶硅薄膜12表面受到激光照射以及避免其吸收激光產(chǎn)生的能量。
如圖2所示，然后進行一激光結(jié)晶工藝，例如使用準分子激光20照射非晶硅薄膜12，以使非晶硅薄膜12結(jié)晶為多晶硅薄膜。在進行激光結(jié)晶工藝時，激光吸收層16會因為激光的照射而產(chǎn)生收縮，且表面覆蓋有激光隔絕圖案14的非晶硅薄膜12(即非通道區(qū)域B內(nèi)的非晶硅薄膜12)不會受到激光的照射以及吸收激光能量，至于沒有覆蓋激光隔絕圖案14的非晶硅薄膜12(即通道區(qū)域A內(nèi)的非晶硅薄膜12)則會直接暴露于激光中。
請參考圖3，圖3為本發(fā)明一非晶硅薄膜表面的溫度梯度示意圖。如圖3所示，由于激光隔絕圖案14的隔絕作用，非晶硅薄膜12在激光照射后會因為所定義激光吸收層的圖形不同可以形成不同的溫度梯度分布情形，亦即在通道區(qū)域A形成一高溫區(qū)域，以及在非通道區(qū)域B會形成一低溫區(qū)域，以使非晶硅薄膜12由低溫區(qū)域向高溫區(qū)域進行側(cè)向生長。請再參考圖4，圖4為本發(fā)明完成激光結(jié)晶工藝并且去除激光隔絕圖案后的一多晶硅薄膜表面晶粒的掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)相片。如圖4所示，通道區(qū)域A內(nèi)的多晶硅薄膜因為吸收了激光能量而具有較大的晶粒，并且僅具有單一晶界，至于通道區(qū)域A周圍的非通道區(qū)域B內(nèi)的多晶硅薄膜則因為能量不足而形成較小的晶粒以及存在較多的晶界。由于本發(fā)明的通道區(qū)域A具有較大的晶粒以及單一晶界，因此有助于提升薄膜晶體管的載流子移動率以及均勻性，改善元件的電性表現(xiàn)。
請參考圖5，圖5為本發(fā)明的激光吸收層材料對于不同波長激光的吸收率的關(guān)系示意圖，其中激光吸收層的厚度約為500。如圖5所示，當激光吸收層選用非晶硅(以圖形◇表示)或多晶硅(以圖形□表示)形成時，其幾乎可以完全吸收波長介于350nm以下的激光。因此，對于波長介于350nm以下的準分子激光來說，例如KrF激光(波長為248nm)以及ArF激光(波長為193.3nm)，即可利用非晶硅或多晶硅來形成激光吸收層，可以達到非常優(yōu)異的激光吸收效果。然而，本發(fā)明并不限定使用非晶硅或多晶硅來形成激光吸收層，在本發(fā)明的其它實施例中，仍可以依據(jù)薄膜晶體管的電性需求、激光種類以及成本考量等因素選用不同的激光吸收材料來達到理想的激光吸收效果。
此外，為了減少非晶硅薄膜與基板間的熱擴散與隔絕非晶硅薄膜與玻璃基板，在本發(fā)明的其它實施例中，于非晶硅薄膜與基板間形成一緩沖層(bufferlayer)。請參考圖6，圖6為本發(fā)明一包括緩沖層11的半導(dǎo)體元件的結(jié)構(gòu)示意圖。在實際應(yīng)用上，緩沖層11的位置可以設(shè)于非晶硅薄膜12與基板10之間，或是設(shè)于非晶硅薄膜12與激光隔絕圖案14之間，且緩沖層11可以切齊于激光隔絕圖案14，以暴露出部分的非晶硅薄膜12。在圖6中，其它元件編號與圖1所示元件編號相同，且其后續(xù)工藝亦可參見圖2，在此不再贅述。
此外，本發(fā)明在完成前述的低溫多晶硅薄膜制作以及去除激光隔絕圖案后，可再進行后續(xù)薄膜晶體管的工藝，包含于低溫多晶硅薄膜表面進行摻雜，于低溫多晶硅薄膜上形成柵極絕緣層、柵極(第一金屬層)、層間介電層、源極/漏極導(dǎo)線(第二金屬層)、保護層以及ITO透明導(dǎo)電層等結(jié)構(gòu)，完成低溫多晶硅薄膜晶體管的制作。
本發(fā)明的特點于進行激光結(jié)晶工藝前，先于非晶硅薄膜上形成激光隔絕圖案，包括激光吸收層以及隔絕層等結(jié)構(gòu)，以于非晶硅薄膜表面形成溫度梯度，進而控制晶粒的大小以及成長方向。本發(fā)明可以利用微影以及蝕刻等方式使激光隔絕圖案覆蓋于通道區(qū)域周圍的非晶硅薄膜上，并且可以利用工藝條件來調(diào)整激光隔絕圖案的形狀、厚度以及配置，以使得激光隔絕圖案達到理想的激光吸收效果，因此可以有效改善激光結(jié)晶工藝于通道區(qū)域所形成的晶粒大小以及晶界數(shù)量，使得低溫多晶硅薄膜晶體管的通道區(qū)域可以具有較大的晶粒，并且減少通道區(qū)域中的晶界數(shù)量。
相較于現(xiàn)有的制作低溫多晶硅薄膜的方法，本發(fā)明利用激光吸收層以及隔絕層來作晶粒成長的區(qū)域控制，因此本發(fā)明可以依據(jù)激光吸收層以及隔絕層的圖案定義來控制元件通道區(qū)域內(nèi)的晶粒與晶界數(shù)量，使元件通道區(qū)域具有較大的晶粒，并且控制元件通道區(qū)域均只具有一個晶界，以提升低溫多晶硅薄膜晶體的載流子移動率以及均勻性，并且改善元件的電性表現(xiàn)。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，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)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種制作低溫多晶硅薄膜的方法，包括提供一基板；形成一非晶硅薄膜于該基板上；形成一隔絕層及一激光吸收層于該非晶硅薄膜上；去除部分該激光吸收層及該隔絕層，以暴露出部分的該非晶硅薄膜；以及進行一激光結(jié)晶工藝，以使該非晶硅薄膜轉(zhuǎn)化成一多晶硅薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該基板為一絕緣基板。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其還包括于該基板上形成一緩沖層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其利用一光刻腐蝕工藝去除部分該激光吸收層及該隔絕層。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該隔絕層選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介電常數(shù)材料以及金屬氧化物組成的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該激光吸收層選自非晶硅、多晶硅、金屬氧化物、半導(dǎo)體材料以及耐火性金屬組成的材料。
7.一種制作低溫多晶硅薄膜的方法，包括提供一基板；形成一非晶硅薄膜于該基板上；形成一激光隔絕圖案，于該非晶硅薄膜上，且暴露出部分的該非晶硅薄膜，并定義出至少一通道區(qū)域于該非晶硅薄膜上；以及進行一激光結(jié)晶工藝，以使該非晶硅薄膜轉(zhuǎn)化成一多晶硅薄膜；其中該激光隔絕圖案避免該通道區(qū)域周圍的該非晶硅薄膜表面受到激光照射以及吸收激光產(chǎn)生的能量，以使該非晶硅薄膜表面形成一溫度梯度。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中該激光隔絕圖案包含至少一激光吸收層以及一隔絕層。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該激光吸收層選自非晶硅、多晶硅、金屬氧化物、半導(dǎo)體材料以及耐火性金屬組成的材料。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該隔絕層選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介電常數(shù)材料以及金屬氧化物組成的材料。
11.如權(quán)利要求7所述的方法，其還包括于該基板上形成一緩沖層。
12.如權(quán)利要求7所述的方法，其中表面覆蓋有該激光隔絕圖案的該非晶硅薄膜的溫度小于表面未覆蓋該激光隔絕圖案的該非晶硅薄膜的溫度。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該非晶硅薄膜由該通道區(qū)域周圍向該通道區(qū)域側(cè)向生長，并于該通道區(qū)域內(nèi)形成較大的晶粒。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體元件及制作一低溫多晶硅薄膜的方法，其包含于一基板上形成一非晶硅薄膜，接著于非晶硅薄膜上形成一隔絕層以及一激光吸收層，并且進行一光刻腐蝕工藝，去除部分的激光吸收層及隔絕層，以暴露出部分的非晶硅薄膜，最后再進行一激光結(jié)晶工藝，以使非晶硅薄膜轉(zhuǎn)化成一多晶硅薄膜。
文檔編號H01L21/20GK1614741SQ20041008491
公開日2005年5月11日 申請日期2004年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月10日
發(fā)明者張志雄, 陳亦偉, 孫銘偉 申請人:友達光電股份有限公司