专利名称：将非晶硅转换为多晶硅的方法
技术领域：
本发明是关于一种将非晶硅(amorphous silicon)转换为多晶硅(poly-silicon)的方法。
背景技术：
目前半导体技术主要是以非晶硅加工为主，以其制程较为简单且适合大规模制造，成本较低为优势。然而非晶硅材质的半导体元件其电子移动速率较慢，渐渐无法符合半导体元件微小化之后所需要的高速电子移动速率，因此新技术“低温多晶硅”(LTPS，Low Temperature PolySilicon)便应运而生，目前较为显著的应用是在TFT-LCD产业上。
与原先a-Si TFT-LCD最大的差异在于，LTPS TFT-LCD的晶体管需进一步接受准分子激光退火(ELA，excimer laser annealing)的制程步骤，将非晶硅的薄膜转变为多晶硅薄膜层。而这样的转变，使得LTPSTFT-LCD在硅晶结构上较a-Si TFT-LCD排列较有秩序，可以提高电子传导速率达a-Si TFT-LCD的100倍以上，达到200cm2/V-sec；因此可以将TFT元件做得更小但反应更快，与a-Si TFT-LCD相较，可使TFT元件缩小50％以上；并提升开口率(aperture ratio)，若与相同尺寸下a-S TFT-LCD相比，LTPS TFT-LCD可以制造出更高的解析度，且功率的消耗降低；而由于其电子传导速度较快，因此可以将部分驱动IC整合至玻璃基板内，以降低材料成本，同时更可以在后段模组组装过程中，避免组装所造成的产品损害，进而提升良率以降低制造成本；且采用单纯的P-type电路结构，较传统的CMOS电路结构更能节省光罩层次，并降低成本；除此之外，由于整合部分Driver IC的使用，除了减少IC的重量，更可以减少后段组装所需的其他材料，整体的重量将会大幅度的减少。
然而一般以化学气相沉积方式(CVD，Chemical Vapor Deposition)所镀出来的的a-Si前驱物质，在经历ELA(Excimer Laser Annealing)时其适用范围(process window)很狭小(10-20mJ/cm2)，然而a-Si前驱质对于激光的稳定度十分敏感，只要激光稳定度不佳时就会造成多晶硅的品质均匀度不佳，进而影响或降低所制成的半导体元件良率。
发明内容
本发明的主要目的是在提供一种将非晶硅转换为多晶硅的方法，以便能降低a-Si前驱质对于激光不稳定度的敏感度，并增加其适用范围。
本发明的另一目的是在提供一种将非晶硅转换为多晶硅的方法，以便能降低准分子激光退火所需要的能量密度，进而增加总产率。
为达成上述目的，本发明的一种将非晶硅转换为多晶硅的方法，主要包括提供一非晶硅基板，并对该非晶硅基板进行一惰性气体原子掺杂(doping)制程；以及提对该非晶硅基板的表面升温而进行一热制程或热程序制程。
详细论之，本发明的方法主要是在准分子激光退火制程将a-Si转换为poly-Si之前，先进行一惰性气体的掺杂制程，将一惰性气体分子如氦气、氖气、氩气等掺杂至该a-Si前驱质之中，以降低硅结晶中的转换能量密度(Eth)以及最佳能量密度(Ec)，进而增加process window。
本发明的将非晶硅转换为多晶硅的方法中，该惰性气体原子较佳是为至少一种选自一由包括氮气、氦气、氖气、氩气、氪气、氙气及氡气组成的群组，亦即该惰性气体可为单一惰性气体或惰性气体混合物，其中惰性气体较佳为氩气；本发明的方法中，该惰性气体原子与该非晶硅基板的比例并无限制，较佳地，该惰性气体原子是占该非晶硅基板的1-0.001原子百分比；本发明的方法中，达成该惰性气体原子掺杂制程的方式并无限制，较佳是以电浆掺杂方式、化学气相沉积方式、干蚀刻等方式达成。本发明的方法中的功能性元件可为现有的功能性元件，较佳为该功能性开关元件为薄膜晶体管。本发明的方法中的该多晶硅基板可为现有的各用途多晶硅基板，较佳为该多晶硅基板为平面显示器用面板，最佳为液晶显示器用面板。本发明的方法中的准分子激光工作能量范围可为任何现有的准分子激光工作能量范围，较佳为该准分子激光工作能量范围是介于300至450mJ/cm2之间。
为能让审查员能更了解本发明的技术内容，特举一较佳具体实施例说明如下，其中图1是本发明实施例的电子移动速率对外加能量密度的变化图。
图2是本发明实施例的晶粒尺寸对能量密度的变化图。
图3是本发明实施例的能量密度减少值对于掺杂能量的变化图。
图4是已知的准分子激光器的示意图。
具体实施例方式
实施例非晶硅基板的氩掺杂在本实施例中，主要是针对一非晶硅基板在进行准分子激光以将其转换为多晶硅之前，先进行一氩掺杂制程。
在一玻璃基板上制造N型与P型金属氧化半导体场效晶体管(MOSFETs)的顶栅极(top gate)结构。在430℃状态下，利用电浆辅助化学气相沉积(PECVD)方式先沉积一层厚度为2000A的a-Si作为缓冲层，接着沉积一厚度为层500A的a-Si，准备进行准分子激光退火(ELA)。
在进行ELA之前，在480℃、氮气流(nitrogen now)之下进行10分钟的脱氢反应，以生成自然氧化物。在a-Si前驱物上，以30ns脉冲持续时间以及95％扫瞄重叠(scan overlap)进行氩原子掺杂(Argon布植)。在利用第一光罩对多晶硅层产生图形之外，也利用离子布植方法形成源极、漏极以及LDD(厚度为1mm)区域。在430℃的状态下利用PECVD方法，沉积厚度为1000A的SiO2以作为栅极绝缘层(gate insulator)。接下来的步骤为闸极金属沉积、图形产生以及内层介电层沉积。在通道孔蚀刻之后，作为第二层金属的Ti/Al/Ti接着被沉积且蚀刻。同时亦在高温下进行氢化反应(hydrogenation)。SiNx障蔽层(capping layer)亦包含在此结构当中。
本实施例的结果显示于图1、图2以及图3的中。请先参见图1，此是本实施例的电子移动速率对外加能量密度的变化图。在本图中列出了四种不同的实验条件，分别为N-STD(N-mos标准状态)、N-Ar(N-mos加入氩原子掺杂)、P-STD(P-mos标准状态)、以及P-Ar(P-mos加入氩原子掺杂)。图1代表了两种意义，其一为，氩原子掺杂后的多晶硅基板其电子移动速率(mobility)的稳定度较高；以N-mos元件为例，若从图1的纵轴选定一区间值，例如从120至130，可见到在此区间之中，加入氩原子掺杂之后其斜率较未掺杂氩原子为低，因此有掺杂氩原子的多晶硅基板其退火制程的准分子激光工作能量范围(390-410mJ/cm2)，比未掺杂氩原子的多晶硅基板的工作能量范围(390-400mJ/cm2)大，代表着制程所能容许的激光能量变化较大，或意味着该电子移动速率受该激光的不稳定度的影响或对该激光的不稳定度敏感度降低，激光的不稳定度对均匀度的影响小，从而提高了产品的均匀度以及生产良率。另一方面，掺杂氩原子的多晶硅基板其电子迁移速率一般会比未掺杂氩原子的多晶硅基板为低，然而从本图中可见，虽然N-mos元件掺杂氩原子之后其电子移动速率的确稍低于为掺杂氩原子，然其降低幅度并不明显，以410mJ/cm2为例，其降低幅度约为15％左右，并且P-mos的电子移动速率不论有无掺杂氩原子，均无太大变化。
接着请参见图2，此是本实施例中晶粒尺寸(grain size)对能量密度(energy density)的变化图。在本图中可见到，有加入氩原子掺杂步骤的硅基板较的未掺杂氩原子的硅基板，其工作范围(process window)明显较大。以晶粒尺寸2500-3000A的范围为例，未掺杂氩原子的硅基板其激光扫瞄工作范围仅能容许在约373-378mJ/cm2之间，然而掺杂氩原子的硅基板其工作范围则大幅扩大至约360-380mJ/cm2之间，其可容许的激光扫瞄能量误差值提高了约四倍左右，证明本发明能够增加准分子激光退火制程的工作范围，减低误差产生的情形，提高产物的良率。
接着请参见图3，此是本实施例中能量密度减少值对于掺杂能量的变化图。在本图中可见，使用了越高的氩原子掺杂百分比，所能减少的能量密度越多，这代表着加入氩原子掺杂之后的a-Si基板，其最佳能量密度(Ec，optimum energy density)可以不需要使用原来进行掺杂那么高的能量，这些多余的能量可用以加宽扫瞄激光的宽度，进而减少每一片基板所需要进行激光扫瞄的时间，提高产率，节省生产成本。
最后请参见图4，此是已知的准分子激光器的示意图。该准分子激光器主要包括一准分子激光射出元件2、一基板支撑座3以及一基板1。该准分子激光射出元件2连接至一支撑臂(图中未示)，并可依照所排定的方式逐一扫瞄该基板1的表面，以加热完成退火程序，将非晶硅基板的表面转变为多晶硅。
综合以上实施例所述，可以发现，在一般a-Si层进行退火之前先加入一道氩原子掺杂的步骤，一方面可以加大激光退火的工作范围，一方面可以减低激光退火所需要的Ec，并可将原机台输出的多余能量转换为更宽的扫瞄激光宽度，减少每一基板的扫瞄时间，增进生产线上的制程效率。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。
权利要求
1.一种将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，主要包括提供一非晶硅基板，并对该非晶硅基板进行一惰性气体原子掺杂制程；以及提对该非晶硅基板的表面升温而进行一热制程或热程序制程。
2.如权利要求1所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中，至少一惰性气体原子是选自一由氦气、氖气、氩气、氪气、氙气及氡气组成的群组。
3.如权利要求2所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该惰性气体原子是为氩气。
4.如权利要求1所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该惰性气体原子是占该非晶硅基板的1-0.001原子百分比。
5.如权利要求1所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该惰性气体原子掺杂制程是以电浆掺杂方式达成。
6.如权利要求1所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该惰性气体原子掺杂制程是以化学气相沉积方式达成。
7.如权利要求1所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该惰性气体原子掺杂制程是以干蚀刻方式达成。
8.如权利要求1所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该非晶硅基板为液晶显示器用面板。
9.如权利要求1所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该热制程是为一准分子激光退火制程。
10.如权利要求9所述的将非晶硅转换为多晶硅的方法，其特征在于，其中该准分子激光工作能量范围是介于300至450mJ/cm2之间。
全文摘要
本发明是有关于一种将非晶硅转换为多晶硅的方法，主要包括提供一非晶硅基板，并对该非晶硅基板进行一惰性气体原子掺杂(doping)制程；以及提对该非晶硅基板的表面升温而进行一热制程或热程序制程。
文档编号H01L21/02GK1549313SQ0313783
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月21日 优先权日2003年5月21日
发明者张茂益, 许建宙, 陈明炎, 吕明仁 申请人:友达光电股份有限公司