专利名称：多晶硅薄膜的制造方法
技术领域：
本发明是有关于一种薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)的制造方法，且特别是有关于一种薄膜晶体管液晶显示器中薄膜晶体管阵列的多晶硅薄膜的制造方法。
背景技术：
一般主动式阵列液晶显示器因材质可以分为多晶硅薄膜晶体管以及非晶硅薄膜晶体管两种，其中多晶硅薄膜晶体管由于可以整合驱动电路，故可以提供较非晶硅薄膜晶体管为高的开口率及降低成本，然而多晶硅薄膜晶体管技术被大力推崇的另一个原因是多晶硅薄膜晶体管能够大幅缩小元件尺寸，以达到高分辨率，一般要量产多晶硅薄膜晶体管液晶显示器，必须具有低温制造技术(约摄氏450至550度)、高品质的栅极绝缘膜的低温成膜技术以及大面积的离子布植技术三项要件。
基于玻璃基板的价格考量，而采用低温状态下进行薄膜的成长，故先是有固相结晶法(Solid Phase Crystallization，SPC)的引进，但其反应的温度仍偏高，反应温度约为600度且结晶性差，之后，则发展出将准分子激光(Excimer Laser)应用于上述低温薄膜结晶的准分子激光结晶化(Excimer Laser Crystallization，ELC)或是准分子激光退火(Excimer Laser Annealing，ELA)工艺，通过使用激光对非晶硅薄膜进行扫描使其熔融，再重新结晶成为多晶硅薄膜。
由于准分子激光结晶工艺具有将工艺温度降至低于摄氏450度的能力，并且由激光结晶法所形成的多晶硅薄膜具有较固相结晶法高的电子迁移率及较低的漏电流，因而能够采用更为低价的玻璃基板，进一步的降低工艺的成本，并得到较佳的薄膜晶体管元件特性。
图1A至图1B所示为公知多晶硅薄膜的制造流程图。
首先，请参照图1A，提供一基底100，此基底100上具有绝缘层102，接着再于绝缘层102上形成一层表面平整的非晶硅层104。在非晶硅层104沉积之后，利用足够能量的准分子激光106，使非晶硅层104几近完全熔融。所谓几乎完全熔融指的是在绝缘层的表面上会残存一些未熔融的非晶硅颗粒(未图标)以作为晶种。
接着请参照图1B，熔融的非晶硅层104以未熔融的非晶硅颗粒为晶种(Discrete Seeds)，结晶化后成为多晶硅层108，此多晶硅层108是用于薄膜晶体管的源极/漏极区域以及通道区域。
一般在公知多晶硅薄膜的结晶过程中，一定需将准分子激光的能量密度控制在刚好可以让非晶硅层几乎完全熔融，同时又可以残留一些未熔融的非晶硅颗粒以作为结晶的晶种，如此才会有较佳的结晶效果，但是准分子激光属于脉冲式激光，每一脉冲的能量密度皆会有所差异，所以准分子激光在能量密度上的控制不易，使得最后晶粒的大小尺寸不一致，并且于晶粒边界形成许多突起(Protrusion)，进而导致多晶硅薄膜的均匀性不佳，而影响后续薄膜晶体管的元件特性。
发明内容
因此，本发明的目的在提出一种多晶硅薄膜的制造方法，能够形成具有较大尺寸的晶粒，并能够降低形成于晶粒边界的突起的数量与密度，以得到具有较佳表面平坦度的多晶硅薄膜，并且此多晶硅薄膜应用于薄膜晶体管及/或其它电子元件时具有较佳的元件特性。
本发明提出一种多晶硅薄膜的制造方法，此方法为提供一基底，并于基底上形成第一多晶硅层，其中第一多晶硅层上具有不同高度的复数个第一突起。接着，于第一多晶硅层上形成第一非晶硅层，此第一非晶硅层上具有不同高度的第二突起，此些第二突起的顶端与基底表面的最大距离为X1、与基底表面的最小距离为Y1。接下来进行激光退火工艺，将总厚度低于Z1的第一非晶硅层与第一多晶硅层的部分熔融(其中Y1＜Z1＜X1)。此时，顶端与基底表面的距离大于Z1的一部分第二突起并未完全熔融，维持固态，而成为复数个硅微粒，这些硅微粒的数目会小于第一突起的数目。接下来进行结晶化步骤，此时熔融态的硅原子会以这些硅微粒为晶种，结晶化后结晶成长为第二多晶硅层。
本发明提出另一种多晶硅薄膜的制造方法，此方法为提供一基底，接着于基底上形成第一多晶硅层，其中第一多晶硅层上具有复数个第一突起，且此些第一突起具有不同高度，并且第一突起的顶端与基底表面的最大距离为X2、与基底表面的最小距离为Y2。接着，对第一多晶硅层进行蚀刻工艺，将厚度低于Z2的第一多晶硅层部分去除(其中Y2＜Z2＜X2)。此时，顶端与基底表面的距离大于Z2的第一多晶硅层部分并未被完全蚀刻，因而在基底表面上形成复数个硅微粒，这些硅微粒的数目会小于第一突起的数目。然后，于基底与硅微粒上形成第一非晶硅层，再进行激光退火工艺。通过提供适当的激光能量，使第一非晶硅层完全熔融并维持硅微粒为固态。接下来进行结晶化步骤，此时熔融态的硅原子会以这些硅微粒为晶种，结晶化后结晶成长为第二多晶硅层。
如上所述，本发明为利用一般多晶硅层形成时表面突起具有不同高度的现象，使用部分高度较高的突起产生晶种，使用于接下来的固化步骤中，因此能够使新形成的多晶硅薄膜具有大小均匀且颗粒较大的晶粒，并具有数量与密度较少的突起，进而具有较佳的表面平坦度。
而且，由上述方法所形成的多晶硅薄膜，能够应用于多晶硅薄膜晶体管及/或其它电子元件，且具备有良好的元件特性。
图1A至图1B所示为公知多晶硅薄膜的制造流程图。
图2A至图2F所示为依照本发明第一实施例的多晶硅薄膜的制造方法的工艺剖面图。
图3A至图3G所示为依照本发明第二实施例的多晶硅薄膜的制造方法的工艺剖面图。
图4所示为对图2C以及图3C中所形成的多晶硅层进行测试所得的突起高度对突起数量分布图。
100、200、300基底102、202、302绝缘层104、204、214、304、316非晶硅层106准分子激光108、208、224、308、326多晶硅层206、306第一激光退火工艺207、307非晶硅颗粒210、310晶粒边界212、215、312、317突起218、318第二激光退火工艺220、320液态硅层222、315硅微粒314蚀刻工艺D1、D2、D3、D4、D5、D6厚度S1切线具体实施方式
第一实施例请参照图2A至图2F，其为依照本发明第一实施例的多晶硅薄膜的制造流程剖面图。
首先，请先参照图2A，提供一基底200，此基底200例如为硅晶圆、玻璃基板或是塑料基板，在基板200上形成一绝缘层202，此绝缘层202的材质例如是二氧化硅，形成的方式例如是以低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)或是溅镀(Sputter)的方式，于基底200上形成一层二氧化硅层。接着再于绝缘层202上形成一层非晶硅层204，此非晶硅层204例如以低压化学气相沉积法、等离子增强型化学气相沉积法或是以溅镀的方式形成，其中所形成的非晶硅层204具有厚度D1，且厚度D1例如为1nm至1000nm左右。
接着，请参照图2B，进行一第一激光退火工艺206，其中此第一激光退火工艺206例如是用准分子激光对非晶硅层204进行照射。以使非晶硅层204几近完全熔融，并于绝缘层202的表面上残存一些未熔融的非晶硅颗粒207，以作为结晶时的结晶位置(Nucleation Site)/晶种。
接着，请参照图2C，熔融的非晶硅层204以未熔融的非晶硅颗粒207为结晶位置(晶种)，结晶化后结晶成长为多晶硅层208，并且多晶硅层208具有厚度D2，此厚度D2例如为1nm至1000nm左右。如图2C所示，在结晶的过程中，晶粒会由结晶位置横向成长(lateralgrowth)至接触到相邻的晶粒为止，并且，在相邻晶粒的晶粒边界210，会由于两晶粒互相推挤的结果而形成突起212。一般而言，此些突起212受到结晶位置之间的距离、晶粒的成长速度、非晶硅层204受激光照射后的温度分布等因素影响，使得突起212呈现不同的高度分布。
接着，请参照图2D，在已结晶的多晶硅层208上形成一层非晶硅层214，此非晶硅层214例如以低压化学气相沉积法、等离子增强型化学气相沉积法或是以溅镀的方式形成，其中所形成的非晶硅层214具有厚度D3，且厚度D3例如为1nm至1000nm左右。并且，如图6所示，于非晶硅层214上亦会对应多晶硅层208的突起212，而于突起212上方的非晶硅层214上形成相对应的突起215。尚且，在此些突起215中，其顶端与绝缘层202表面的最大距离为X1(未图标)，且与绝缘层202表面的最小距离为Y1(未图标)。
接着，请参照图2E，进行一第二激光退火工艺218，其中此第二激光退火工艺218例如是使用准分子激光对非晶硅层214进行照射，以使非晶硅层214与多晶硅层208转变为液态硅层220，并于绝缘层202的表面上形成未熔融的残留硅微粒222。其中此准分子激光的能量密度，是由非晶硅层214、多晶硅层208与突起216的高度来决定。通过控制准分子激光的能量密度，将总厚度低于Z1的第一非晶硅层与第一多晶硅层的部分熔融(其中Y1＜Z1＜X1)。此时，顶端与基底表面的距离大于Z1的一部分第二突起并未完全熔融，维持固态，而成为复数个硅微粒，这些硅微粒的数目会小于第一突起的数目。接下来进行结晶化步骤，此时熔融态的硅原子会以这些硅微粒为晶种，结晶化后结晶成长为第二多晶硅层。
亦即是如下式(1)所表示Y1＜Z1＜X1(1)
由上述式(1)可知，顶端与绝缘层202的距离小于Z1的突起216将会被准分子激光完全熔融，至于突起216顶端与绝缘层202之距离大于Z1的区域，由于此准分子激光工艺是由突起215与非晶硅层214的表面向基底200熔融，因此在熔融Z1的深度之后，尚有(X1-Z1)厚度的多晶硅材质无法熔融，此些无法熔融的部分即为上述的设置于绝缘层202的硅微粒222。
最后，请参照图2F，接下来进行结晶化步骤，此时熔融的液态硅层220会以硅微粒222为结晶位置(晶种)，结晶化后结晶成长为多晶硅层224。
第二实施例请参照图3A至图3G，其为依照本发明第二实施例的多晶硅薄膜的制造流程剖面图。
首先，请先参照图3A，提供一基底300，此基底300例如为硅晶圆、玻璃基板或是塑料基板，在基板300上形成一绝缘层302，其中此绝缘层302的材质例如是二氧化硅，形成的方法例如为以低压化学气相沉积法、等离子增强型化学气相沉积法或是以溅镀的方式，于基底300上形成一层二氧化硅层。接着再于绝缘层302上形成一层非晶硅层304，此非晶硅层304例如以低压化学气相沉积法、等离子增强型化学气相沉积法或是以溅镀的方式形成，其中所形成的非晶硅层304具有厚度D4，且厚度D4例如为1nm至1000nm左右。
接着，请参照图3B，进行一第一激光退火工艺306，其中此第一激光退火工艺306例如是用准分子激光对非晶硅层304进行照射，以使非晶硅层304几近完全熔融，并于绝缘层302表面上残存一些未熔融之非晶硅颗粒307，以作为结晶时的结晶位置/晶种。
接着，请参照图3C，将熔融的非晶硅层304以未熔融的非晶硅颗粒307为结晶位置(晶种)，结晶化后结晶成长为多晶硅层308，其中此多晶硅层308的厚度例如是D5，且厚度D5例如为1nm至1000nm左右。并且，如图3C所示，在结晶的过程中，晶粒会由结晶位置横向成长至接触到相邻的晶粒为止，且在相邻晶粒的晶粒边界310，会由于两晶粒互相推挤的结果而形成突起312。一般而言，此些突起312会受到结晶位置之间的距离、晶粒的成长速度、非晶硅层304受激光照射后的温度分布等种种因素的影响，使得突起312呈现不同的高度分布。尚且，在此些突起312中，与绝缘层302表面的最大距离为X2(未图标)，且与绝缘层302表面的最小距离为Y2(未图标)。
接着，请参照图3D，对多晶硅层308进行一蚀刻工艺314，将厚度低于Z2的多晶硅层308部分去除(其中Y2＜Z2＜X2)。此时，其中蚀刻工艺314例如是使用非等向性蚀刻法，且蚀刻总厚度Z2为介于突起312与绝缘层202的最大距离X2与最小距离Y2之间，亦即是如下式(2)所表示Y2＜Z2＜X2(2)在上述工艺中，由于控制蚀刻工艺314将顶端高度在Z2以下的突起312与多晶硅层308蚀刻去除，突起312顶端与基底表面的距离大于Z2的第一多晶硅层部分并未被完全蚀刻，因而在基底表面上形成复数个硅微粒315，且这些硅微粒315的数目会小于突起312的数目。
接着，请参照图3E，形成一层非晶硅层316，此非晶硅层316例如是以低压化学气相沉积法、等离子增强型化学气相沉积法或是以溅镀的方式形成，其中所形成的非晶硅层316具有厚度D6，且厚度D6例如为1nm至1000nm左右。并且，如图3D所示，于非晶硅层316上亦会对应绝缘层302上的硅微粒315，而于硅微粒315上方的非晶硅层316上形成相对应的突起317。
接着，请参照图3F，进行一第二激光退火工艺318，其中此第二热退火工艺318例如是使用准分子激光对非晶硅层316进行照射，以使非晶硅层316转变为液态硅层320，并于绝缘层302表面上残留未熔融的多晶硅颗粒(亦即是于图3D中所残留的硅微粒315)。其中此准分子激光的能量密度被调整为不使硅微粒315完全被熔融。由于将准分子激光的能量密度控制在上述的范围内，因此硅微粒315并不会被完全的熔融，而能够用以作为结晶位置(晶种)。
最后，请参照图3G，接下来进行结晶化步骤，此时熔融的液态硅层320会以硅微粒315为新的结晶位置(晶种)，结晶化后结晶成长为多晶硅层324。
在上述第一实施例与第二实施例中，于基底200、300与非晶硅层204、304之间形成有绝缘层202、302，因此X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2所表示为与绝缘层202之间的距离，在未形成绝缘层202的情形下，则X1、X2、Y1、Y2、Z1、Z2所表示则变为与基底200之间的距离。
尚且，于上述第一实施例中，图2D的多晶硅层208与非晶硅层214两者可视为一固态硅层，且图2E的对非晶硅层214进行激光退火工艺218可视为对固态硅层的流体化步骤。
此外，于上述第二实施例中，由图3D的对多晶硅308进行蚀刻工艺314，乃至于图3F的对非晶硅层316进行激光退火工艺318可视为一流体化步骤。
请参照图4，图4所示为对图2C以及图3C中所形成的多晶硅层进行测试所得的突起高度分布图，并且于图4中的横轴为突起的高度，纵轴为突起的数量。由图4中的曲线可知，突起的高度对数量的曲线呈高斯分布，亦即是愈接近平均值高度的突起数量愈多，并由平均高度向两侧(亦即是向最高高度与最低高度)的方向移动，则突起的数量则渐次的减少。如图4所示，本发明是利用上述第一实施例与第二实施例所述的方法，将一定高度以下的突起去除(如图4中的切线S1左半部以降的突起)，因此突起的数量与密度得以大量的减少，并利用剩余的突起作为新结晶位置，而能够长出较大颗粒的晶粒与具有较少的突起的多晶硅薄膜。以使多晶硅薄膜具有较佳的平坦度，且应用于薄膜晶体管时具备良好的电子迁移率以及关闭电流等元件特性。
综上所述，本发明的多晶硅薄膜具有下列优点1.本发明通过在已结晶的多晶硅层上沉积一层非晶硅层，再进行准分子激光工艺的方式，得以降低多晶硅层中突起的数量与密度，并以剩余的突起(多晶硅颗粒)作为新的结晶位置，因此能够使新形成的多晶硅薄膜具有大小均匀且颗粒较大的晶粒，进而具有较佳的表面平坦度。
2.本发明通过对已结晶的多晶硅层进行蚀刻，再于其上沉积一层非晶硅层，其后进行准分子激光工艺的方式，而能够降低多晶硅层中突起的数量与密度，并以剩余的突起作为新的结晶位置，因此能够使新形成的多晶硅薄膜具有大小均匀且颗粒较大的晶粒，并具有数量与密度较少的突起，进而具有较佳的表面平坦度。
3.由上述两方法所形成的多晶硅薄膜，能够应用于薄膜晶体管的通道多晶硅薄膜，且具备有良好的电子迁移率以及关闭电流等元件特性。此外，本发明所形成的多晶硅薄膜亦可适用于其它电子元件上，例如COG工艺的驱动电路。
权利要求
1.一种多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该方法包含下列步骤在一基底上形成一第一固态硅层，其中该第一固态硅层上具有不同高度的复数个第一突起，并且该些第一突起的顶端与该基底表面的最大距离为X1，该些第一突起的顶端与该基底表面的最小距离为Y1；对该第一固态硅层进行一流体化步骤，使厚度为Z1的该第一固态硅层部分成为流体，且Y1＜Z1＜X1，其中顶端与该基底表面的距离大于Z1的一部分该些第一突起区域并未完全流体化，而形成复数个硅微粒；以及以该些硅微粒作为晶种，进行一结晶工艺。
2.如权利要求1所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该第一固态硅层包含一第一多晶硅层及一第一非晶硅层，该第一固态硅层的形成方法包含下列步骤于该基底上形成一第一多晶硅层，其中该第一多晶硅层上具有不同高度的复数个多晶硅突起；及于该第一多晶硅层上形成一第一非晶硅层。
3.如权利要求2所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该第一多晶硅层的形成方法包含下列步骤于该基底上形成一第二非晶硅层；施加能量于该第二非晶硅层，使该第二非晶硅层的一部分成为熔融的第二液态硅层，其中该第二非晶硅层未熔融的部分形成复数个非晶硅颗粒；以及进行结晶化步骤，该第二液态硅层会以该些非晶硅颗粒为晶种，结晶成长形成该第一多晶硅层。
4.如权利要求2所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该流体化步骤是施加一激光能量于该第一固态硅层，使厚度为Z1的该第一固态硅层部分成为熔融状态的一第一液态硅层。
5.如权利要求4所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该结晶工艺包含下列步骤降低温度，该第一液态硅层会以该些硅微粒作为晶种，结晶成长形成该多晶硅薄膜。
6.如权利要求5所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该第一多晶硅层的厚度为1nm至1000nm。
7.如权利要求5所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该激光能量是由一准分子激光所产生。
8.如权利要求5所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，更包括于该基底与该第一多晶硅层之间形成一绝缘层的步骤。
9.如权利要求1所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该第一固态硅层为一第一多晶硅层，该第一多晶硅层的形成方法包含下列步骤于该基底上形成一第二非晶硅层；施加能量于该第二非晶硅层，使该第二非晶硅层的一部分成为熔融的第二液态硅层，其中该第二非晶硅层未熔融的部分形成复数个非晶硅颗粒；以及进行结晶化步骤，该第二液态硅层会以该些非晶硅颗粒为晶种，结晶成长形成该第一多晶硅层，其中该第一多晶硅层上具有不同高度的复数个第一突起。
10.如权利要求9所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该流体化步骤包括对该第一固态硅层进行一蚀刻工艺，使厚度为Z1的该第一固态硅层部分成为气体状态；形成一第三非晶硅层于该基底及该些硅微粒之上；施加一激光能量于该第三非晶硅层及该些硅微粒，使该第三非晶硅层成为熔融的第三液态硅层，其中该些硅微粒并未完全熔融；
11.如权利要求10所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该蚀刻工艺为非等向蚀刻。
12.如权利要求10所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该结晶工艺包含下列步骤进行结晶化步骤，该第三液态硅层会以该些硅微粒为晶种，结晶成长形成该多晶硅薄膜。
13.如权利要求12所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该第一多晶硅层的厚度为1nm至1000nm。
14.如权利要求12所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该激光能量是由一准分子激光所产生。
15.如权利要求12所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，更包括于该基底与该第一多晶硅层之间形成一绝缘层的步骤。
16.一种多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该方法至少包括下列步骤提供一基底；于该基底上形成一第一多晶硅层，其中该第一多晶硅层上具有不同高度的复数个第一突起，并且该些第一突起与该基底表面的最大距离为X1，该些第一突起与该基底表面的最小距离为Y1；于该第一多晶硅层上形成一第一非晶硅层；以及进行一第一退火工艺，以将总厚度为Z1的该些第一突起、该第一非晶硅层与该第一多晶硅层熔融，其中Y1＜Z1＜X1，以使该基底表面上形成复数个第二突起，且该些第二突起的数目小于该些第一突起的数目，并以该些第二突起为晶种，进行结晶化步骤以形成一第二多晶硅层。
17.如权利要求16所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，形成该第一多晶硅层的方法包括下列步骤于该基底上形成一第二非晶硅层；以及进行一第二退火工艺，且未完全熔融该第二非晶硅层，其中该第二非晶硅层的未完全熔融的部分为位于该基底表面上的非晶硅颗粒，并以该些非晶硅颗粒为晶种，进行再结晶的步骤以形成该第一多晶硅层。
18.如权利要求16所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，更包括于该基底与该第一多晶硅层之间形成一绝缘层。
19.一种多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该方法至少包括下列步骤提供一基底；于该基底上形成一第一多晶硅层，其中该第一多晶硅层上具有复数个第一突起，且该些第一突起具有不同高度，并且该些第一突起与该基底表面的最大距离为X2，该些第一突起与该基底表面的最小距离为Y2；对该第一多晶硅层进行一蚀刻工艺，以去除总厚度为Z2的该些第一突起与该第一多晶硅层，其中Y2＜Z2＜X2，以于该基底上形成复数个第二突起，且该些第二突起的数目小于该些第一突起的数目；于该基底与该些第二突起上形成一第一非晶硅层；以及进行一第一退火工艺，以该些第二突起为晶种进行结晶化步骤以形成一第二多晶硅层。
20.如权利要求19所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，形成该第一多晶硅层的方法包括下列步骤于该绝缘层上形成一第二非晶硅层；以及进行一第二退火工艺，且未完全熔融该第二非晶硅层，其中该第二非晶硅层的未完全熔融的部分为位于该基底表面上的复数个非晶硅颗粒，并以该些非晶硅颗粒为晶种，进行结晶化步骤以形成该第一多晶硅层。
21.如权利要求19所述的多晶硅薄膜的制造方法，其特征是，该蚀刻工艺包括非等向性蚀刻法。
全文摘要
本发明提供一种多晶硅薄膜的制造方法，该方法是利用一般多晶硅层形成时表面突起具有不同高度的现象，利用部分高度较高的突起产生晶种，使用于接下来的结晶化步骤中，因此能够使新形成的多晶硅薄膜具有大小均匀且颗粒较大的晶粒，并具有数量与密度较少的突起，进而具有较佳的表面平坦度。
文档编号G02F1/136GK1567534SQ0314288
公开日2005年1月19日 申请日期2003年6月16日 优先权日2003年6月16日
发明者张茂益 申请人:友达光电股份有限公司