專利名稱：低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法
低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法
技術領域：
本發明是關于一種低溫多晶硅薄膜 晶體管制造方法，尤其是一種對非晶硅層進行預處理使其成為多層微晶粒狀的非晶硅層后再進行準分子激光退火工藝的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法。
背景技術：
隨著高科技的發展，視頻產品，特別是數字化的視頻或影像裝置已經成為在一般日常生活中所常見的產品。這些數字化的視頻或影像裝置中，顯示器是一個重要組件，以顯示相關信息。使用者可由顯示器讀取信息，或進而控制裝置的運作。而薄膜晶體管(TFT)可應用于液晶顯示器(liquid crystal display,簡稱LCD)的驅動組件，使得液晶顯示器成為桌上直式型平面顯示器的主流，于個人計算器、游戲機、監視器等市場成為未來主導性產品。目前，因非晶娃(amorphous silicon,簡稱a_Si)薄膜晶體管，可于攝氏200-300度的低溫生長，因此被廣泛使用。但非晶硅的電子遷移率(electron mobility)低,不超過Icm2/V. s,使得非晶娃薄膜晶體管已不敷目前高速組件應用的需求，而多晶娃(polycrystalline silicon,簡稱poly-Si)薄膜晶體管相較于非晶娃薄膜晶體管有較高的遷移率(約比非晶硅薄膜晶體管高2-3個數量級)及低溫敏感性(lowtemperature sensitivity),使其更適用于高速組件。然而，以傳統方式退火非晶娃形成多晶硅時，其形成溫度需攝氏600度以上，故一般使用石英(quartz)作為基板。由于石英基板成本比玻璃基板貴很多，且在基板尺寸的限制下，基板大約僅有2至3時，因此過去只能發展小型基板。目前為了降低成本必須使用玻璃基板，故須使多晶硅的形成溫度降至攝氏500度以下。因此，許多降低多晶硅的形成溫度的方法紛紛被采用，其中以準分子激光退火工藝(excimer laser annealing,簡稱ELA)及金屬誘導結晶工藝(metal inducedcrystallization,簡稱MIC)較受矚目，因為前述工藝均可生長高質量、無污染及低缺陷密度(low defect density)的多晶娃，以前述低溫工藝作的多晶娃薄膜晶體管又稱為”低溫多晶硅薄膜晶體管”。再者，由于多晶硅本身的電子遷移率高，所以通常在進行制造薄膜晶體管數組的工藝時，可以一并于顯示區外圍的周邊電路區制作周邊電路。而金屬誘導結晶工藝的結晶方式是以側向生長(lateral growth)為主,其是于非晶硅層形成前或形成后形成一金屬層，用以促進非晶硅層的結晶，并于金屬層形成后進行低溫退火工藝，以形成多晶硅。而金屬誘導結晶工藝中使用的金屬層不但可促進非晶硅結晶，更重要的是為了要形成金屬硅化物。而主要的方式是控制其橫向成長方向與源極-溝道-漏極延伸方向之間的關系，若兩方向垂直則適用像素區，若兩方向平行則適用于周邊電路(peripheral circuit)區。但是,金屬誘導結晶工藝的缺點在于所長成的多晶娃層缺陷(defect)太多，需要再加一道高溫工藝,如快速熱工藝(rapid thermal process)或激光退火工藝，所以目前多以準分子激光退火工藝為主。而現形成多晶娃的作法是運用電衆輔助化學氣相沉積(plasma enhancedchemical vapor deposition, PECVD)在玻璃基板上沉積一二氧化娃(Si02)膜,接著再沉積一非晶娃膜，其中二氧化娃(Si02)膜為一緩沖層(buffer layer),可防止玻璃基板之鈉、鉀離子污染多晶硅薄膜晶體主動層(active layer)之多晶硅膜。由于運用電漿輔助化學氣相沉積設備所沉積之非晶硅內含有8-15%氫含量(hydrogen content)，如未脫氫即進行準分子激光退火，硅膜將瞬間吸收龐大的準分子激光能量，并于準分子激光退火區產生氫爆，因而造成硅膜容易從基板產生脫落(ablation)，故需于準分子激光退火PECVD硅膜前需進行脫氫，經過脫氫后的非晶硅膜進行準分子激光退火，使非晶硅膜形成為多晶硅膜，然上述非晶硅膜一次性沉積之厚度約為440A，且此時的非晶硅膜之晶粒較為雜亂，而以該厚度經準分子激光退火形成之多晶硅膜之晶粒仍會有些許不均的狀況，所以電子遷移率(electron mobility)不高且并未達到真正的期望值。

發明內容本發明提供一種低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，有效改善多晶硅層因為未經過預處理成為多層微晶粒狀的非晶硅層再進行準分子激光退火工藝，使其多晶硅層之晶粒未達到理想晶粒大小，因此載子遷移率較小的問題。本發明提出一種像素結構，該方法為在一基板上形成一非晶硅層，接著在該非晶硅層上進行去氫處理，此時即使其非晶硅層成為一微晶粒狀，而在該微晶粒狀的非晶硅層上再形成一層未微晶粒化的非晶硅層，再接著對該非晶硅層上進行去氫處理使其非晶硅層也成為一微晶粒狀，然繼續重復形成該非晶硅層并進行去氫處理，以形成多層微晶粒狀的非晶硅層，最后再進行一準分子激光退火工藝，使該多層微晶粒狀的非晶硅層結晶成為一多晶硅層，其中該多晶硅層因為經過預處理成為多層微晶粒狀的非晶硅層再進行準分子激光退火工藝，使其多晶娃層之晶粒變得更大，因此有效的大幅提聞載子遷移率。在本發明之一實施例中，上述形成該非晶娃層時，通入一氣體為SiH4/H2,其中SiH4/H2比率需大于0. 5。在本發明之一實施例中，上述形成該非晶硅層時，所使用之功率(Power)為400W-2400W。在本發明之一實施例中，上述形成該非晶硅層時，該基板與上電極間之距離(Spacing)為 500MIL-1100MIL。在本發明之一實施例中，上述形成該非晶硅層時，腔體壓力(Pressure)為1100MPA-2500MPA。在本發明之一實施例中，上述形成該非晶娃層時，腔體溫度(Temperature)為280 0C -500。。。在本發明之一實施例中，上述形成該非晶硅層時，腔體氣體流速(FLOW)為2000SCCM-45000SCCM。在本發明之一實施例中，上述形成該微晶粒狀的非晶硅層時，通入腔室之氣體為H2/He/Ar。在本發明之一實施例中，上述形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，功率(Power)為400W-2400W。 在本發明之一實施例中，上述形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，該基板與上電極間之距離(Spacing)為 500MIL-1100MIL。在本發明之一實施例中，上述形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，腔體壓力(Pressure)為 1100MPA-3000MPA。在本發明之一實施例中，上述形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，腔體溫度(Temperature)為 28CTC -50CTC。在本發明之一實施例中，上述形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，氣體流速(FLOW)為 2000SCCM-45000SCCM。在本發明之一實施例中，上述的多層去氫后之非晶硅層至少為三層。在本發明之一實施例中，上述的三層非晶硅層總厚度為350-600A。根據以上所述，本發明的該多晶硅層因為經過預處理成為多層微晶粒狀的非晶硅層再進行準分子激光退火工藝，在此特別提及，在未進行準分子激光退火工藝前而處理的非晶硅層已經成為微晶粒狀的非晶硅層，所以其變成多層微晶粒狀的非晶硅層再進行準分子激光退火工藝會讓多晶硅層之晶粒變得更大，因此有效的大幅提高載子遷移率。為讓本發明的上述特征和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附圖式作詳細說明如下。

圖I至圖7為本發明之低溫多晶硅成膜制造方法示意圖。圖8至圖11為本發明中一種低溫多晶硅薄膜晶體管結構制造示意圖。
具體實施方式為讓本發明更明顯易懂，下文特舉較佳實施例詳細介紹。本發明之較佳實施例均配以對應的圖示標號。圖I至圖11為一種低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法的示意圖，請先參照圖I至圖7為本發明之低溫多晶硅成膜方法示意圖，在本實施例之一種低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法包括以下步驟。首先，在一基板100上形成一緩沖層110，其中形成緩沖層110的方法可以是低壓化學氣相沉積(low pressure CVD, LPCVD)制程或是電衆加強化學氣相沉積(plasma enhanced CVD, PECVD)制程,更詳細而言,緩沖層110例如是單層氧化娃或是氧化硅/氮化硅之雙層結構，此外基板100可以為玻璃基板、石英基板或是塑料基板。然后,在緩沖層110上形成一第一非晶娃層120,其中該第一非晶娃層120為一未經準分子激光退火工藝及未微晶粒化的非晶硅層，且形成該第一非晶硅層120需通入一氣體為SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5、使用之功率(Power)為400W-2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA-2500MPA、腔體溫度(Temperature)為 280°C _500°C、腔體氣體流速(FLOW)為2000SCCM-45000SCCM，且 該基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為 500MIL-1100MIL 等。然后，進行一第一非晶硅層微晶粒制程S110，使該第一非晶硅層120形成為微晶粒狀第一非晶硅層121，其中該第一非晶硅層微晶粒制程SllO的環境為在腔室內通入氣體為 H2/He/Ar、使用功率(Power)為 400W-2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA-3000MPA、腔體溫度(Temperature)為 280°C _500°C、氣體流速(FLOW)為 2000SCCM-45000SCCM，且基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL等。接著，在微晶粒狀第一非晶硅層121上形成一第二非晶硅層130，其中該第二非晶硅層130為一未經準分子激光退火工藝及未微晶粒化的非晶硅層，且形成該第一非晶硅層120需通入一氣體為SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5、使用之功率(Power)為 400W_2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA_2500MPA、腔體溫度(Temperature)為2800C _500°C、腔體氣體流速(FLOW)為2000SCCM -45000SCCM，且該基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL等。然后，進行一第二非晶硅層微晶粒制程S120，使該第二非晶硅層130形成為微晶粒狀第二非晶硅層131，其中該第二非晶硅層微晶粒制程S120的環境為在腔室內通入氣體為 H2/He/Ar、使用功率(Power)為 400W-2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA-3000MPA、腔體溫度(Temperature)為 280°C _500°C、氣體流速(FLOW)為 2000SCCM-45000SCCM，且基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL等。接著，在微晶粒狀第二非晶硅層131上形成一第三非晶硅層140，其中該第三非晶硅層140為一未經準分子激光退火工藝及未微晶粒化的非晶硅層，且形成該第一非晶硅層120需通入一氣體為SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5、使用之功率(Power)為 400W_2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA_2500MPA、腔體溫度(Temperature)為2800C _500°C、腔體氣體流速(FLOW)為2000SCCM-45000SCCM，且該基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL等。然后，進行一第三非晶硅層微晶粒制程S130，使該第三非晶硅層140形成為微晶粒狀第三非晶硅層141，其中該第三非晶硅層微晶粒制程S130的環境為在腔室內通入氣體為 H2/He/Ar、使用功率(Power)為 400W-2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA-3000MPA、腔體溫度(Temperature)為 280°C _500°C、氣體流速(FLOW)為 2000SCCM-45000SCCM，且基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL等。接著，在微晶粒狀第三非晶硅層141上形成一第四非晶硅層150，其中該第四非晶硅層150為一未經準分子激光退火工藝及未微晶粒化的非晶硅層，且形成該第一非晶硅層120需通入一氣體為SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于0. 5、使用之功率(Power)為 400W_2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA_2500MPA、腔體溫度(Temperature)為2800C _500°C、腔體氣體流速(FLOW)為2000SCCM-45000SCCM，且該基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL等。然后，進行一第四非晶硅層微晶粒制程S140，使該第四非晶硅層150形成為微晶粒狀第四非晶硅層151，其中該第四非晶硅層微晶粒制程S140的環境為在腔室內通入氣體為 H2/He/Ar、使用功率(Power)為 400W-2400W、腔體壓力(Pressure)為 1100MPA-3000MPA、腔體溫度(Temperature)為 280°C _500°C、氣體流速(FLOW)為 2000SCCM-45000SCCM，且基板100與上電極(圖中未顯示)間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL等。接著，再將該微晶粒狀第一非晶硅層121、微晶粒狀第二非晶硅層131、微晶粒狀第三非晶娃層141、微晶粒狀第四非晶娃層151進行一雷射退火(Laser annealing)制程，使其該多層微晶粒狀非晶硅層轉變成多晶硅層160。然后，對于此多晶硅層160進行微顯影(photolithography)制程與蝕刻(etching)制程，以在基板110上形成第一多晶娃島狀物210及第二多晶硅島狀物220。
上述之雷射退火制程例如是準分子雷射、固態雷射(solid-state laser)或二極管激發式固態雷射(diode pumped solid state laser,DPSS),其中，在對于多層微晶粒狀非晶硅層進行雷射退火制程之前，更可進行一去氫(dehydrogenation)制程，以降低多層微晶粒狀非晶硅層內之氫含量。其中，適當厚度的緩沖層110不僅能避免基板100內之金屬離子擴散至后續所形成之第一多晶硅島狀物210及第二多晶硅島狀物220中，更可降低雷射退火制程的冷卻速率，以形成較大的硅結晶顆粒，此外，上述之緩沖層110也可以改善基板100內的金屬離子擴散至多晶硅層160內的現象。接著再參照圖8，在基板100上形成一閘絕緣層300，并覆蓋住第一多晶硅島狀物210及第二多晶硅島狀物220，此外閘絕緣層300的材質可以是氧化硅或其它絕緣材料，更詳細而言，形成氧化硅的方式可以是采用PECVD制程，并配合SiH4/N20或TEE0S/02等反應氣體。其中，為了調整第一多晶硅島狀物210與第二多晶硅島狀物220的電性性質，在閘絕緣層300之后，也可以分別對于第一多晶硅島狀物210及第二多晶硅島狀物220進行離子植入制程，也就是通道摻雜(channel doping)制程。 然后，在第一多晶硅島狀物210上方之閘絕緣層300上形成一第一閘極410，并在第二多晶硅島狀物220上方之閘絕緣層300上形成一第二閘極420，更詳細而言，形成第一閘極410與第二閘極420的方式可以是先在閘絕緣層300上以濺鍍(sputtering)制程或物理氣相沉積(physics vapor deposition,PVD)制程形成一閘極材料層(圖中未顯示)，其中閘極材料層之材質可以是鉻(Cr)或是其它金屬材質，而閘極材料層的厚度可以是介于100埃至8000埃之間。接著再對此閘極材料層進行微顯影(photolithography)制程與蝕刻(etching)制程，以形成第一閘極410及第二閘極420。在形成第一閘極410及第二閘極420之后，在基板上形成一犧牲層500，并覆蓋在第一閘極410、第二閘極420與閘絕緣層300之上，其中犧牲層500的厚度可以是介于50埃至2000埃。此外,犧牲層500之材質例如是氮化娃(silicon nitride),而形成氮化娃的方式例如是采用PECVD制程，并配合反應氣體SiH4/NH3。請參照圖9，在第二多晶硅島狀物220上方之犧牲層500上形成一光阻層600為罩幕，移除第一多晶硅島狀物210上方之犧牲層500，當犧牲層500之材質為氮化硅時，移除犧牲層360的方式例如是使用磷酸(phosphoric acid)進行蝕刻制程。接著，進行一離子植入制程S210，以于第一閘極410兩側下方之第一多晶硅島狀物210中形成一第一源極/汲極210a，而第一源極/汲極210a之間即是一第一通道區210b。此外，第一離子植入制程S210所植入的離子可以P型摻雜物，其中P型摻雜物可以是硼離子。另外，硼離子的摻雜濃度可以是介于2E14至2E15 ionS/cm2，另外，植入能量例如是10至200keV。請參照圖10，在形成第一源極/汲極210a之后，移除光阻層600。接著，進行一第二離子植入制程S220，以于第二閘極420兩側下方之第二多晶硅島狀物220中形成一第二源極/汲極220a，而第二源極/汲極220a之間即是一第二通道區220b，此外，第二離子植入制程S220所植入的離子可以是η型摻雜物，其中η型摻雜物可以是磷離子。另外，磷離子的摻雜濃度例如是介于1Ε14至lE15ions/cm2，另外，植入能量例如是10至200keV。以上，由于犧牲層500的影響，因此第二離子植入制程S220不僅將離子植入第二多晶娃島狀物220內，更穿越第一多晶娃島狀物210而植入緩沖層300內。換目之，對于第一多晶硅島狀物210而言，第一離子植入制程S210所植入的離子與第二離子植入制程S220所植入的離子并不會互相影響，也就是說由于犧牲層500的影響，因此不同區域的摻雜深度并不相同。接續上述，請參照圖11，移除犧牲層500之后，在基板100上形成一圖案化介電層700，其中圖案化介電層700暴露出部份第一源極/汲極210a與部份第二源極/汲極220a，更詳細而言，形成圖案化介電層700的方式可以是先以CVD制程在基板100上形成一介電層，而此介電層的材質例如是氧化硅、氮化硅或其它絕緣材料。此外，此介電層的厚度可以是介于2000埃至8000埃之間。在形成介電層之后，對于上述制程所形成之結構體進行熱制程，其可以是快速加熱退火制程(rapid thermal annealing, RTA),其溫度范圍例如是500至650°C。此外，退火時間可以是介于10至120秒之間，而較佳的退火時間可以是70秒。接著，對于此介電層進行微顯影制程與蝕刻制程，以形成圖案化介電層700。然后，在圖案化介電層700上形成一第一源極/汲極導體層810及一第二源極/汲極導體層820，以完成薄膜晶體管的制作，其中第一源極/汲極導體層810分別與第一源極/汲極210a電性連接，而第二源極/汲極導體層820分別與第二源極/汲極220a電性連接。更詳細的說，形成第一源極/汲極導體層810與第二源極/汲極導體層820的方式可以是先以濺鍍制程或是PVD制程在圖案化介電層700上形成一源極/汲極導體材料層，其中源極/汲極導體材料層之材質可以是鉻(Cr)或是其它金屬材質。此外，源極/汲極導體層的厚度可以是介于1000埃至8000埃之間。接著，再對此源極/汲極導體材料層進行微顯影制程與蝕刻制程，以形成第一源極/汲極導體層810與第二源極/汲極導體層820。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然并非用以限定本發明，如傳統薄膜晶體管進行一淺摻雜離子植入制程以形成淺摻雜區(LDD),以改善熱載子效應(hot carriereffect)之設計亦也可應用在本發明之中，故任何熟悉此項技藝者，在不脫離本發明之精神和范圍內，當可做些許更動與潤飾，因此本發明之保護范圍當視權利要求書范圍所界定者為準。
權利要求
1.一種低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于，該方法包括 于一基板上形成一非晶娃層； 對該非晶硅層進行去氫處理，使該非晶硅層成為一微晶粒狀； 再于該微晶粒狀的非晶硅層上形成一非晶硅層； 再對該非晶硅層進行去氫處理，使該非晶硅層成為一微晶粒狀； 重復形成該非晶硅層并進行去氫處理，以形成該多層微晶粒狀的非晶硅層； 進行一準分子激光退火工藝，使該多層微晶粒狀的非晶硅層結晶成為一多晶硅層。
2.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該非晶硅層通入之氣體為SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5。
3.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該非晶硅層時，所使用之功率(Power)為400W-2400W。
4.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該非晶硅層時，該基板與上電極間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL。
5.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該非晶硅層時，腔體壓力(Pressure)為 1100MPA-2500MPA。
6.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該非晶硅層時，腔體溫度(Temperature)為 280°C _500°C。
7.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該非晶硅層時，腔體氣體流速(FLOW)為2000SCCM-45000SCCM。
8.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該微晶粒狀的非晶硅層時，通入腔室之氣體為H2/He/Ar。
9.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，功率(Power)為400W-2400W。
10.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，該基板與上電極間之距離(Spacing)為500MIL-1100MIL。
11.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，腔體壓力(Pressure)為1100MPA-3000MPA。
12.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，腔體溫度(Temperature)為280°C _500°C。
13.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于形成該該微晶粒狀的非晶硅層時，氣體流速(FLOW)為2000SCCM-45000SCCM。
14.如權利要求I所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于該多層去氫后之非晶硅層至少為三層。
15.如權利要求14所述的低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，其特征在于該三層非晶硅層總厚度為350-600A。
全文摘要
本發明為一種低溫多晶硅薄膜晶體管制造方法，該方法為在一基板上形成一非晶硅層，接著對該非晶硅層進行去氫處理，此時即使非晶硅層成為一微晶粒狀，其后在該微晶粒狀的非晶硅層上再形成一層未微晶粒化的非晶硅層，再接著對該非晶硅層上進行去氫處理使非晶硅層也成為一微晶粒狀，然后繼續重復形成該非晶硅層并進行去氫處理，以形成多層微晶粒狀的非晶硅層，最后再進行一準分子激光退火工藝，使該多層微晶粒狀的非晶硅層結晶成為一多晶硅層，其中該多晶硅層因為經過預處理成為多層微晶粒狀的非晶硅層后再進行準分子激光退火工藝，使多晶硅層之晶粒變得更大，因此載子遷移率也變大。
文檔編號H01L21/324GK102629558SQ20121000441
公開日2012年8月8日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者余鴻志, 吳宏哲, 吳釗鵬, 莊涂城, 許民慶 申請人:深超光電(深圳)有限公司