專利名稱：半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶及半導(dǎo)體元件制造的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般和半導(dǎo)體制造有關(guān)，更明確地說，是關(guān)于利用保熱層來(lái)結(jié)晶非晶硅膜以制造半導(dǎo)體元件的方法。
背景技術(shù)：
由于對(duì)具有更高分辨率顯示器的小型電子產(chǎn)品的需求，激起液晶顯示器(LCD)領(lǐng)域不斷地進(jìn)行研發(fā)。LCD中有一重要元件為薄膜晶體管(TFT)。TFT通常是制造于透明基板(如玻璃或塑料基板)上，且運(yùn)用薄膜硅半導(dǎo)體。
薄膜硅半導(dǎo)體通常包含非晶硅(a-Si)半導(dǎo)體及多晶硅(p-Si)半導(dǎo)體。非晶硅半導(dǎo)體最常使用，因?yàn)樗鼈兛赏ㄟ^量產(chǎn)以非常低廉的成本來(lái)制造。p-Si半導(dǎo)體具有優(yōu)于a-Si半導(dǎo)體的物理特性，如導(dǎo)電性。然而，制造p-Si半導(dǎo)體卻比a-Si半導(dǎo)體還要困難。由于p-Si半導(dǎo)體具有優(yōu)越的特性，許多研究均集中在改善制造p-Si半導(dǎo)體的工藝上。
制造p-Si TFT LCD的方法包含結(jié)晶工藝。該項(xiàng)工藝包含在玻璃基板上形成a-Si薄膜，且將該薄膜形成于p-Si膜之中。結(jié)晶方法的公知范例包含固相結(jié)晶法(SPC)及準(zhǔn)分子激光退火法(ELA)。上述這些方法均使用很低的熱預(yù)算，也就是，ELA方法為高溫及短退火時(shí)間，而SPC方法則為非常低溫及較長(zhǎng)的退火時(shí)間。該低熱預(yù)算工藝非常重要，因?yàn)長(zhǎng)CD中通常會(huì)使用的玻璃基板并無(wú)法耐受高退火溫度及/或長(zhǎng)退火時(shí)間而不變形或破裂。舉例來(lái)說，玻璃通常會(huì)在約600℃(在不變形該玻璃基板下通常允許的最高溫度)溫度處破裂或變形。
SPC法包含在約400℃至800℃的溫度處對(duì)該玻璃基板上所形成的a-Si膜進(jìn)行退火，以便獲得p-Si膜。因?yàn)镾PC法可能涉及使用高溫工藝，所以，便必須在該玻璃基板中使用昂貴的石英玻璃，其成本通常非常昂貴而無(wú)法適用于LCD元件中。
ELA法包含利用短脈沖準(zhǔn)分子激光來(lái)照射該a-Si膜，以便獲得該p-Si膜，該脈沖寬度約20至200ns。ELA法是目前多晶硅TFT制造中最常用的方法。p-Si薄膜的晶粒尺寸可達(dá)300至600nm，而p-SiTFT的載子移動(dòng)率則可達(dá)200cm2/V-s。不過，此數(shù)值并不符合未來(lái)高效能平面顯示器的需求。再者，ELA不穩(wěn)定的激光能量輸出通常會(huì)將工藝范圍縮小至數(shù)十個(gè)mJ/cm2的程度。所以，必須進(jìn)行頻繁的激光照射以重新熔化該不規(guī)律激光能量波動(dòng)所造成的有瑕疵精細(xì)晶粒，使得該ELA法的成本提高，進(jìn)而較不具競(jìng)爭(zhēng)力。
在p-Si TFT LCD中，不論是由SPC法或ELA法所制成，均強(qiáng)烈需要進(jìn)一步放大p-Si膜的晶粒尺寸。在公知的方法中，晶粒尺寸約為300至600nm。為增強(qiáng)p-Si TFT LCD的功能，必須將晶粒尺寸放大至數(shù)微米以上。下文說明要放大晶粒尺寸的理由。移動(dòng)率數(shù)值是影響半導(dǎo)體元件功能的因素。移動(dòng)率代表的是電子漂移速度。當(dāng)晶粒尺寸很小時(shí)，漂移速度便會(huì)下降，且在該電子路徑中會(huì)有許多晶粒場(chǎng)。當(dāng)漂移速度下降時(shí)，便無(wú)法預(yù)期該半導(dǎo)體元件的功能可以強(qiáng)化。
與通過公知的準(zhǔn)分子激光結(jié)晶所形成的晶粒尺寸相比，有一種稱為超橫向成長(zhǎng)(SLG)的已知技術(shù)用來(lái)形成較大的晶粒。雖然可獲得非常大的晶粒，不過，可達(dá)SLG效果的激光束能量強(qiáng)度區(qū)卻遠(yuǎn)高于常用的準(zhǔn)分子激光結(jié)晶中所用的能量。另外，該能量強(qiáng)度區(qū)的范圍還非常狹窄。從晶粒的位置控制觀點(diǎn)來(lái)看，可能無(wú)法控制獲得大型晶粒的位置。結(jié)果，晶粒的大小便不均勻且晶體表面的粗糙度也非常大。
所以已經(jīng)有人開發(fā)出序列式橫向固化(SLS)法以人為的方式來(lái)控制要發(fā)生于預(yù)期位置處的SLG。根據(jù)SLS法，會(huì)通過狹縫狀掩膜將脈沖振蕩準(zhǔn)分子激光束照射在材料上。當(dāng)該材料與該激光束間的相對(duì)位置在每次照射中位移略等于通過該SLG所形成的晶體的長(zhǎng)度時(shí)便完成該結(jié)晶作用。不過，該SLS法可能會(huì)因該材料表面上光束點(diǎn)與該材料基板間的激光束的饋孔距(也就是，相對(duì)的偏移距離)非常小的關(guān)系而導(dǎo)致處理量不足。
所以，需要有一種半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶的方法，能夠以成本較低的方式達(dá)成較高處理量以及更大且均勻的晶粒尺寸、且不會(huì)損失預(yù)期的電特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種解決因先前技術(shù)的限制與缺點(diǎn)所造成的種種問題的方法。
根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例，提供一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其包括提供基板；在該基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該已圖案化的保熱層。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其包括提供基板；在該基板上形成緩沖層；在該緩沖層上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及利用激光來(lái)照射該非晶硅層與該已圖案化的保熱層。
進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其包括在基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該非晶硅層與該保熱層。
在下文的說明中將部份提出本發(fā)明的其它特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)，而且從該說明中將了解本發(fā)明其中一部份，或者通過實(shí)施本發(fā)明亦可得知。通過權(quán)利要求中特別列出的元件與組合將可了解且達(dá)成本發(fā)明的特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)。
應(yīng)該了解的是，上文的概要說明以及下文的詳細(xì)說明都僅供作例示與解釋，其并未限制本文所主張的發(fā)明。


當(dāng)結(jié)合各隨附附圖而閱覽時(shí)，即可更佳了解本發(fā)明之前披露的摘要以及下文詳細(xì)說明。為達(dá)本發(fā)明的說明目的，各附圖里表示有現(xiàn)屬較佳的各具體實(shí)施例。然應(yīng)了解本發(fā)明并不限于所表示的精確排置方式及設(shè)備裝置。
現(xiàn)將詳細(xì)參照本發(fā)明具體實(shí)施例，其實(shí)施例圖解于附圖之中。盡其可能，所有附圖中將依相同元件符號(hào)以代表相同或類似的部件。
在各附圖中圖1A至1G為根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例用于制造半導(dǎo)體元件的方法的示意圖；圖2為根據(jù)圖1A至1G的方法所形成的主動(dòng)層的概略示意圖；以及圖3A與3B分別為單柵極結(jié)構(gòu)與雙柵極結(jié)構(gòu)的概略示意圖。
主要元件標(biāo)記說明10基板12緩沖層14非晶硅層14-1 主動(dòng)層16保熱層16-1 保熱層A 初始成長(zhǎng)部位B 初始成長(zhǎng)部位18激光20晶粒邊界22晶粒邊界30單柵極結(jié)構(gòu)31柵極
32柵極指狀部36第一擴(kuò)散區(qū)38第二擴(kuò)散區(qū)40雙柵極結(jié)構(gòu)41柵極42第一柵極指狀部43第二柵極指狀部44第一擴(kuò)散區(qū)46第三區(qū)48第二擴(kuò)散區(qū)具體實(shí)施方式
圖1A至1G為根據(jù)本發(fā)明一具體實(shí)施例用于制造半導(dǎo)體元件的方法的示意圖。參照?qǐng)D1A，舉例來(lái)說，通過沖洗與烘干來(lái)界定基板10。基板10包含半導(dǎo)體晶片、石英、玻璃、塑料、或金屬箔中的一種?；?0的厚度可能隨著材料不同而改變。在其中一項(xiàng)觀點(diǎn)中，對(duì)4英寸半導(dǎo)體晶片而言，基板10的厚度約為0.525毫米(mm)，或?qū)?英寸半導(dǎo)體晶片而言，基板的厚度則約為0.625mm。在其它觀點(diǎn)中，由玻璃、塑料、或金屬箔所制成的基板10的厚度分別約為0.5、0.2、以及0.05mm。
參照?qǐng)D1B，視情況可在基板10上形成緩沖層12。緩沖層12(如二氧化硅(SiO2)層)是用來(lái)避免基板10中的金屬離子污染基板10上所形成的后續(xù)層。緩沖層12的厚度約為3000埃。
接著，參照?qǐng)D1C，利用化學(xué)氣相沉積法(CVD)在緩沖層12上形成半導(dǎo)體前驅(qū)層14。在根據(jù)本發(fā)明的其中一具體實(shí)施例中，半導(dǎo)體前驅(qū)層14包含非晶硅，厚度約為500埃。
參照?qǐng)D1D，利用CVD在半導(dǎo)體前驅(qū)層14上形成保熱層16。制造保熱層16的材料可吸收一部份照射光束且透射該光束。根據(jù)本發(fā)明其中一具體實(shí)施例，保熱層16包含硅的氮氧化合物(SiOxNy)，x與y為適宜整數(shù)，該層會(huì)吸收30％的照射光束。保熱層16的厚度約為2000至5000埃。
參照?qǐng)D1E，舉例來(lái)說，利用圖案化與蝕刻工藝來(lái)界定保熱層16，該項(xiàng)工藝決定非晶硅層14上的初始成長(zhǎng)部位A與B。已界定的保熱層16-1充當(dāng)掩膜以控制TFT的主動(dòng)區(qū)的大小。明確地說，位于該已界定的保熱層16下方介于部位A與B之間的一部份非晶硅層14在稍后會(huì)成為晶體管的主動(dòng)區(qū)。再者，已界定的保熱層16-1同樣是用來(lái)控制形成在非晶硅層14中的晶粒邊界，其說明如后。
為在高溫處加熱非晶硅層14且同時(shí)防止基板10遭到破壞，要使用到激光退火工藝，其會(huì)以脈沖的方式在短周期中產(chǎn)生激光束。參照?qǐng)D1F，非晶硅層14及已界定的保熱層16-1均裸露于激光18之中。在上述的激光束中，明確地說，以倍頻Nd:YAG激光束或準(zhǔn)分子激光束為宜，例如波長(zhǎng)約308nm的氯化氙(XeCl)激光束、波長(zhǎng)約351nm的氟化氙(XeF)激光束、以及波長(zhǎng)約248nm的氟化氪(KrF)激光束。實(shí)行激光退火的方式是利用光學(xué)系統(tǒng)(圖中未顯示)來(lái)處理激光18，以使在要被照射的表面處將其設(shè)計(jì)成點(diǎn)狀形狀或線性形狀?；?0上要被照射的表面會(huì)被激光18掃描。也就是，該激光束的照射位置會(huì)依據(jù)要被照射的表面來(lái)移動(dòng)。而后，便會(huì)反復(fù)地利用該激光束進(jìn)行照射且步進(jìn)移動(dòng)基板10，直到位于已界定的保熱層16-1下方的非晶硅層14被多晶化為止。
在根據(jù)本發(fā)明的其中一具體實(shí)施例中，是以每秒20次的方式來(lái)照射光束直徑20μm的能量短脈沖。激光18會(huì)以約0.2μm或該激光直徑1％的照射位置重疊的方式依據(jù)非晶硅層14與已界定的保熱層16-1來(lái)移動(dòng)。與照射位置重疊約介于50％至95％間的公知技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的1％重疊有助于大幅改善處理量。
激光18提供必要的能量以熔化位于已界定的保熱層16-1下方的非晶硅層14。結(jié)晶成長(zhǎng)是利用超橫向成長(zhǎng)法從初始成長(zhǎng)部位A與B處開始。在該超橫向成長(zhǎng)法中，會(huì)形成一部份因激光束照射的關(guān)系而被完全熔化的半導(dǎo)體以及一部份仍保留的固態(tài)半導(dǎo)體區(qū)，接著，便會(huì)在當(dāng)作晶核的固態(tài)半導(dǎo)體區(qū)附近開始進(jìn)行結(jié)晶成長(zhǎng)。因?yàn)樵诒煌耆刍膮^(qū)域中進(jìn)行結(jié)核需要一段特定的時(shí)間周期，所以在該被完全熔化的區(qū)域中進(jìn)行結(jié)核的時(shí)間周期期間，便已經(jīng)在上述半導(dǎo)體的膜表面的水平或橫向方向中在當(dāng)作晶核的上述固態(tài)半導(dǎo)體區(qū)附近長(zhǎng)出晶體。所以，晶粒的長(zhǎng)度會(huì)成長(zhǎng)至該膜厚度的數(shù)十倍長(zhǎng)。該現(xiàn)象稱為受控式超橫向成長(zhǎng)法(C-SLG)。
接著，參照?qǐng)D1G，未被已界定的保熱層16-1覆蓋的非晶硅層14的其它部份會(huì)被蝕除。已界定的保熱層16-1是充當(dāng)該蝕刻工藝中的掩膜，所以便無(wú)需任何額外的掩膜。蝕刻后剩余的非晶硅層14會(huì)在稍后成為TFT的主動(dòng)層。
圖2為根據(jù)圖1A至1G的方法所形成的主動(dòng)層14-1的概略示意圖。參照?qǐng)D2，在晶體成長(zhǎng)期間會(huì)在主動(dòng)層14-1中形成晶粒邊界20與22。明確地說，平行初始成長(zhǎng)部位A或B延伸的垂直晶粒邊界22預(yù)期會(huì)形成于部位A或B間的中間區(qū)域處。晶粒的晶粒邊界所指的是晶體的轉(zhuǎn)換對(duì)稱性遭到破壞的區(qū)域。已知的是，由于載子的再結(jié)合中心或陷捕中心的影響，或因晶體缺陷或類似因素在晶粒邊界中所造成的電位屏障的影響，載子的電流傳輸特征會(huì)下降。舉例來(lái)說，垂直晶粒邊界22可能會(huì)對(duì)在電流傳輸期間移動(dòng)跨越該中心區(qū)域的載子的移動(dòng)率造成負(fù)面影響。
圖3A與3B分別為單柵極結(jié)構(gòu)30與雙柵極結(jié)構(gòu)40的概略示意圖。參照?qǐng)D3A，單柵極結(jié)構(gòu)30包含柵極31、柵極指狀部32、以及主動(dòng)層14-1。在移除用來(lái)決定主動(dòng)層14-1的保熱層16-1之后，舉例來(lái)說，便可利用負(fù)離子對(duì)主動(dòng)層14-1進(jìn)行離子植入，然后利用多個(gè)熱循環(huán)進(jìn)行退火，以便形成重度n摻雜(n+)層。離子植入會(huì)被柵極指狀部32阻隔。在主動(dòng)層14-1內(nèi)，會(huì)在柵極指狀部32下方形成通道區(qū)(圖中未編號(hào))。該通道區(qū)會(huì)隔離第一擴(kuò)散區(qū)36(如源極區(qū))與第二擴(kuò)散區(qū)38(如漏極區(qū))。
參照?qǐng)D3B，雙柵極結(jié)構(gòu)40包含柵極41、第一柵極指狀部42、第二柵極指狀部43、以及主動(dòng)層14-1。在主動(dòng)層14-1內(nèi)，會(huì)在第一柵極指狀部41與第二柵極指狀部42下方形成兩個(gè)通道區(qū)(圖中未編號(hào))。上述的兩個(gè)通道區(qū)會(huì)將主動(dòng)層14-1分成三個(gè)區(qū)域，第一擴(kuò)散區(qū)44(如源極區(qū))、第二擴(kuò)散區(qū)48(如漏極區(qū))、以及第三區(qū)46(也就是，n+區(qū))。雙柵極結(jié)構(gòu)40可呈現(xiàn)優(yōu)于圖3A所示的單柵極結(jié)構(gòu)30的電氣特性，因?yàn)殡p柵極結(jié)構(gòu)40中的載子移動(dòng)率并不會(huì)受到垂直延伸晶粒邊界22的負(fù)面影響。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解可對(duì)上述各項(xiàng)具體實(shí)施例進(jìn)行變化，而不致悖離其廣義的發(fā)明性概念。因此，應(yīng)了解本發(fā)明并不限于此披露的特定具體實(shí)施例，而是為涵蓋歸屬權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍內(nèi)的修飾。
另外，在說明本發(fā)明的代表性具體實(shí)施例時(shí)，本說明書可將本發(fā)明的方法及/或工藝表示為一特定的步驟次序；不過，由于該方法或工藝的范圍并不是本文所提出的特定的步驟次序，故該方法或工藝不應(yīng)受限于所述的特定步驟次序。身為所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解其它步驟次序也是可行的。所以，不應(yīng)將本說明書所提出的特定步驟次序視為對(duì)權(quán)利要求的限制。此外，也不應(yīng)將有關(guān)本發(fā)明的方法及/或工藝的權(quán)利要求僅限制在以書面所載的步驟次序的實(shí)施，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員易于了解，上述這些次序也可加以改變，并且仍涵蓋于本發(fā)明的精神與范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其特征是包括提供基板；在該基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該已圖案化的保熱層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括在形成該非晶硅層以前先在該基板上形成緩沖層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用硅的氮氧化物來(lái)形成該保熱層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用準(zhǔn)分子激光或YAG激光來(lái)照射該已圖案化的保熱層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括以約1％的照射位置重疊來(lái)照射該已圖案化的保熱層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用該已圖案化的保熱層作為掩膜來(lái)移除部份該非晶硅層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括在圖案化該保熱層中在非晶硅層上決定初始成長(zhǎng)部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括在該剩余的非晶硅層中形成第一擴(kuò)散區(qū)；以及在該剩余的非晶硅層中形成第二擴(kuò)散區(qū)，與該第一擴(kuò)散區(qū)隔開。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括在該剩余的非晶硅層中形成第一擴(kuò)散區(qū)；在該剩余的非晶硅層中形成第二擴(kuò)散區(qū)，與該第一擴(kuò)散區(qū)隔開；以及在該剩余的非晶硅層中形成第三擴(kuò)散區(qū)，位于上述的第一與第二擴(kuò)散區(qū)之間且與上述的第一與第二擴(kuò)散區(qū)隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括提供該基板，其包含晶片、石英、玻璃、塑料、或金屬箔中的一種。
11.一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其特征是包括提供基板；在該基板上形成緩沖層；在該緩沖層上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及利用激光來(lái)照射該非晶硅層與該已圖案化的保熱層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括以約1％的照射位置重疊，相對(duì)于該已圖案化的保熱層來(lái)移動(dòng)該激光。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用硅的氮氧化物來(lái)形成該保熱層。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用該已圖案化的保熱層作為掩膜來(lái)移除部份該非晶硅層。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括在圖案化該保熱層中在非晶硅層上決定初始成長(zhǎng)部位。
16.一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其特征是包括在基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該非晶硅層與該保熱層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用硅的氮氧化物來(lái)形成該保熱層。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括在圖案化該保熱層中在非晶硅層上決定初始成長(zhǎng)部位。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用激光來(lái)照射該非晶硅層與該保熱層；以及以約1％的照射位置重疊，相對(duì)于該非晶硅層與該已圖案化的保熱層來(lái)移動(dòng)該激光。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進(jìn)一步包括利用該已圖案化的保熱層作為掩膜來(lái)移除部份該非晶硅層。
全文摘要
一種制造半導(dǎo)體元件的方法，其包括提供基板；在該基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該已圖案化的保熱層。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1933104SQ20061006487
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者林家興, 陳麒麟 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院