专利名称：制作低温多晶硅薄膜的方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体元件及制作一低温多晶硅薄膜(low temperaturepoly-silicon，LTPS)的方法，尤指一种利用侧向生长(lateral growth)的半导体元件及制作一低温多晶硅薄膜的方法。
背景技术：
在薄膜晶体管液晶显示器的制造过程中，由于玻璃基板的耐热度往往只能到600℃，而多晶硅薄膜的沉积温度约介于650-575℃，若在高温下直接制作多晶硅薄膜将会造成玻璃基板的扭曲变形，因此目前多晶硅薄膜晶体管液晶显示器已逐渐采用非晶硅薄膜再结晶的方法来制作低温多晶硅薄膜。
现有低温多晶硅薄膜制作于一绝缘基板上，绝缘基板必需由透光的材料所构成，通常为玻璃基板、石英基板或是塑料基板。现有方法先于绝缘基板上形成一非晶硅薄膜，接着进行一准分子激光退火(excimer laser annealing，ELA)工艺，使非晶硅薄膜结晶成为多晶硅层。在准分子激光退火的过程中，非晶硅薄膜经由对激光深紫外光的吸收而达到快速的熔融与结晶，形成多晶硅薄膜，而且这种采用短时间脉冲激光所造成的快速吸收只会对非晶硅薄膜表面造成影响，并不会影响绝缘基板，故绝缘基板能一直保持在低温的状态。
由于非晶硅薄膜的品质好坏对后续所形成的多晶硅薄膜晶体管特性影响很大，因此非晶硅薄膜沉积工艺中的各参数需要被严格控制，以期能形成低氢含量、高膜厚均匀性以及低表面粗糙度的非晶硅薄膜。此外，由于非晶硅薄膜结晶形成的多晶硅薄膜用来作为薄膜晶体管的半导体层，以定义出源极、漏极以及通道等区域，因此多晶硅薄膜的品质良好与否对于元件的电性表现更有着直接影响，例如多晶硅薄膜的晶粒大小(grain size)即为影响多晶硅薄膜品质的一项重要因素。
为了增加晶粒的大小，在台湾专利公告第485496号(对应的美国专利为US 6,555,449 B1)提出一种连续侧向固化(sequential lateral solidification，SLS)工艺，其在激光光学系统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态，受到激光光照射的部分非晶硅薄膜则融化为液态，并且利用这两个区域的温度梯度使晶粒有方向性的成长。根据此方法虽然可以成长出较传统方法大上许多倍的晶粒，但是却无法精确地控制元件通道区域的晶粒以及晶界数量。举例来说，薄膜晶体管液晶显示器的部分元件通道区域的多晶硅薄膜可能存在主晶界(grain boundary)，部分元件通道区域可能落于无主晶界的多晶硅薄膜上，因此造成不同元件间的电性产生很大的差异。为了避免这个问题，现有方法必须牺牲多晶硅薄膜的应用面积，在元件的形状与角度上作许多配合与妥协，以改善元件间的均匀性，然而这样的作法却限制了元件的小尺寸发展与应用。
此外，在台湾专利公告第452892号(对应的美国专利为US 6,432,758 B1)中还提出一种利用非晶硅薄膜的不同厚度设计来产生温度梯度的方法。其利用微影与蚀刻工艺来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，以控制晶粒的成长方向。此种作法可以控制晶粒沿着水平方向均匀地成长，然而在蚀刻非晶硅薄膜的过程中，非晶硅薄膜的膜厚均匀性以及表面粗糙度均可能受到损害，对于元件的电性表现有着不利影响。
台湾专利公告第466569号还提出一种利用金属材料在非晶硅薄膜表面形成反射层以产生温度梯度的方法。其于非晶硅薄膜上覆盖一金属图案，并于进行激光结晶工艺之前先加热基板，以使基板温度维持于一特定范围。
为了避免前述问题限制低温多晶硅薄膜的应用，如何有效地增加晶粒大小以及控制晶粒成长方向，进而改善低温多晶硅薄膜液晶显示器的电性表现，已成为一项重要课题。
发明内容
因此，本发明的目的即在提供一种半导体元件及制作一低温多晶硅薄膜的方法，可以控制低温多晶硅薄膜在元件通道区域内的晶粒以及晶界数量，进而改善元件的电性表现。
在本发明的优选实施例中，首先于一基板上形成一非晶硅薄膜，接着于非晶硅薄膜上形成一隔绝层以及一激光吸收层，并且进行一光刻腐蚀工艺，去除部分的激光吸收层、隔绝层，以暴露出部分的非晶硅薄膜，最后再进行一激光结晶工艺，以使非晶硅薄膜转化成一多晶硅薄膜。
由于本发明可以利用激光吸收层以及隔绝层来覆盖部分的非晶硅薄膜，使覆盖有激光吸收层的非晶硅薄膜不会受到激光照射。未受到激光照射的部分非晶硅薄膜与受到激光照射的其它部分非晶硅薄膜间会产生温度梯度，促使多晶硅薄膜的晶粒由未照射激光的区域向有照射激光的区域侧向地成长。因此，本发明可以依据激光吸收层以及隔绝层的图案定义来控制元件通道区域内的晶粒与晶界数量，使元件通道区域具有较大的晶粒，并且控制元件通道区域均只具有一个晶界，以提升薄膜晶体的载流子移动率以及均匀性，并且改善元件的电性表现。
图1与图2为本发明制作一低温多晶硅薄膜的方法示意图。
图3为本发明一非晶硅薄膜表面的温度梯度示意图。
图4为本发明一多晶硅薄膜表面晶粒的扫描式电子显微镜相片。
图5为本发明的激光吸收层材料对于不同波长激光的吸收率的关系示意图。
图6为本发明一半导体元件的结构示意图。
简单符号说明10基板 11缓冲层12非晶硅薄膜14激光隔绝图案16激光吸收层18隔绝层20准分子激光A 通道区域B 非通道区域具体实施方式
请参考图1与图2，图1与图2为本发明制作一低温多晶硅薄膜的方法示意图。如图1所示，本发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，接着于基板10上依序形成一非晶硅薄膜12，以及一由激光吸收层16以及隔绝层18形成的激光隔绝图案14覆盖于部分的非晶硅薄膜12上方。举例来说，本发明可利用一等离子体增强化学气相沉积方法(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)于基板10上连续沉积非晶硅薄膜12、隔绝层18以及激光吸收层16。其中，非晶硅薄膜12表面定义有至少一通道区域A，以及至少一非通道区域B设置于通道区域A的周围。在本发明的实施例中，激光吸收层16可以选自非晶硅、多晶硅、金属氧化物(包含TiO2，Ta2O5，Al2O3等等)、半导体材料(包含SiGe，SiAs，GeAs等等)以及耐火性金属(包含Ti，Al，Pt等等)等材料组成的群组，而在本发明的优选实施例中，激光吸收层16由非金属材料形成，例如非晶硅、多晶硅、半导体材料等材料，以避免金属污染通道区域A。然后，利用上述对于准分子激光具有优选吸收能力的材料形成单一材料层或是复合材料层，且激光吸收层16的优选厚度建议约为500。隔绝层18由隔绝效果优选的材料形成，例如氧化硅(SiOx)、氮化硅(SizNx)、氮氧化硅(SiOyNx)、低介电常数材料(包含block diamond，FSG，PSG，SiC等等)或金属氧化物(包含TiO2，Ta2O5，Al2O3等等)，利用上述隔绝效果优选的材料形成单一材料层或是复合材料层，用来吸收能量，避免激光吸收层16内的热能传导至隔绝层18下方的非晶硅薄膜12，且隔绝层18的优选厚度建议约为1500。
本发明于形成非晶硅薄膜12、隔绝层18以及激光吸收层16后，接着再于高于400℃的高温炉中进行一去氢工艺，降低非晶硅薄膜12中的氢气含量。之后进行一光刻腐蚀工艺来定义激光吸收层16与隔绝层18的图案，例如去除覆盖于通道区域A的激光吸收层16与隔绝层18，并且使残留于通道区域A周围的非通道区域B内的激光吸收层16与隔绝层18形成激光隔绝图案14。其中激光隔绝图案14用来避免通道区域A周围的非晶硅薄膜12表面受到激光照射以及避免其吸收激光产生的能量。
如图2所示，然后进行一激光结晶工艺，例如使用准分子激光20照射非晶硅薄膜12，以使非晶硅薄膜12结晶为多晶硅薄膜。在进行激光结晶工艺时，激光吸收层16会因为激光的照射而产生收缩，且表面覆盖有激光隔绝图案14的非晶硅薄膜12(即非通道区域B内的非晶硅薄膜12)不会受到激光的照射以及吸收激光能量，至于没有覆盖激光隔绝图案14的非晶硅薄膜12(即通道区域A内的非晶硅薄膜12)则会直接暴露于激光中。
请参考图3，图3为本发明一非晶硅薄膜表面的温度梯度示意图。如图3所示，由于激光隔绝图案14的隔绝作用，非晶硅薄膜12在激光照射后会因为所定义激光吸收层的图形不同可以形成不同的温度梯度分布情形，亦即在通道区域A形成一高温区域，以及在非通道区域B会形成一低温区域，以使非晶硅薄膜12由低温区域向高温区域进行侧向生长。请再参考图4，图4为本发明完成激光结晶工艺并且去除激光隔绝图案后的一多晶硅薄膜表面晶粒的扫描式电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)相片。如图4所示，通道区域A内的多晶硅薄膜因为吸收了激光能量而具有较大的晶粒，并且仅具有单一晶界，至于通道区域A周围的非通道区域B内的多晶硅薄膜则因为能量不足而形成较小的晶粒以及存在较多的晶界。由于本发明的通道区域A具有较大的晶粒以及单一晶界，因此有助于提升薄膜晶体管的载流子移动率以及均匀性，改善元件的电性表现。
请参考图5，图5为本发明的激光吸收层材料对于不同波长激光的吸收率的关系示意图，其中激光吸收层的厚度约为500。如图5所示，当激光吸收层选用非晶硅(以图形◇表示)或多晶硅(以图形□表示)形成时，其几乎可以完全吸收波长介于350nm以下的激光。因此，对于波长介于350nm以下的准分子激光来说，例如KrF激光(波长为248nm)以及ArF激光(波长为193.3nm)，即可利用非晶硅或多晶硅来形成激光吸收层，可以达到非常优异的激光吸收效果。然而，本发明并不限定使用非晶硅或多晶硅来形成激光吸收层，在本发明的其它实施例中，仍可以依据薄膜晶体管的电性需求、激光种类以及成本考量等因素选用不同的激光吸收材料来达到理想的激光吸收效果。
此外，为了减少非晶硅薄膜与基板间的热扩散与隔绝非晶硅薄膜与玻璃基板，在本发明的其它实施例中，于非晶硅薄膜与基板间形成一缓冲层(bufferlayer)。请参考图6，图6为本发明一包括缓冲层11的半导体元件的结构示意图。在实际应用上，缓冲层11的位置可以设于非晶硅薄膜12与基板10之间，或是设于非晶硅薄膜12与激光隔绝图案14之间，且缓冲层11可以切齐于激光隔绝图案14，以暴露出部分的非晶硅薄膜12。在图6中，其它元件编号与图1所示元件编号相同，且其后续工艺亦可参见图2，在此不再赘述。
此外，本发明在完成前述的低温多晶硅薄膜制作以及去除激光隔绝图案后，可再进行后续薄膜晶体管的工艺，包含于低温多晶硅薄膜表面进行掺杂，于低温多晶硅薄膜上形成栅极绝缘层、栅极(第一金属层)、层间介电层、源极/漏极导线(第二金属层)、保护层以及ITO透明导电层等结构，完成低温多晶硅薄膜晶体管的制作。
本发明的特点于进行激光结晶工艺前，先于非晶硅薄膜上形成激光隔绝图案，包括激光吸收层以及隔绝层等结构，以于非晶硅薄膜表面形成温度梯度，进而控制晶粒的大小以及成长方向。本发明可以利用微影以及蚀刻等方式使激光隔绝图案覆盖于通道区域周围的非晶硅薄膜上，并且可以利用工艺条件来调整激光隔绝图案的形状、厚度以及配置，以使得激光隔绝图案达到理想的激光吸收效果，因此可以有效改善激光结晶工艺于通道区域所形成的晶粒大小以及晶界数量，使得低温多晶硅薄膜晶体管的通道区域可以具有较大的晶粒，并且减少通道区域中的晶界数量。
相较于现有的制作低温多晶硅薄膜的方法，本发明利用激光吸收层以及隔绝层来作晶粒成长的区域控制，因此本发明可以依据激光吸收层以及隔绝层的图案定义来控制元件通道区域内的晶粒与晶界数量，使元件通道区域具有较大的晶粒，并且控制元件通道区域均只具有一个晶界，以提升低温多晶硅薄膜晶体的载流子移动率以及均匀性，并且改善元件的电性表现。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
权利要求
1.一种制作低温多晶硅薄膜的方法，包括提供一基板；形成一非晶硅薄膜于该基板上；形成一隔绝层及一激光吸收层于该非晶硅薄膜上；去除部分该激光吸收层及该隔绝层，以暴露出部分的该非晶硅薄膜；以及进行一激光结晶工艺，以使该非晶硅薄膜转化成一多晶硅薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，其中该基板为一绝缘基板。
3.如权利要求1所述的方法，其还包括于该基板上形成一缓冲层。
4.如权利要求1所述的方法，其利用一光刻腐蚀工艺去除部分该激光吸收层及该隔绝层。
5.如权利要求1所述的方法，其中该隔绝层选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数材料以及金属氧化物组成的材料。
6.如权利要求1所述的方法，其中该激光吸收层选自非晶硅、多晶硅、金属氧化物、半导体材料以及耐火性金属组成的材料。
7.一种制作低温多晶硅薄膜的方法，包括提供一基板；形成一非晶硅薄膜于该基板上；形成一激光隔绝图案，于该非晶硅薄膜上，且暴露出部分的该非晶硅薄膜，并定义出至少一通道区域于该非晶硅薄膜上；以及进行一激光结晶工艺，以使该非晶硅薄膜转化成一多晶硅薄膜；其中该激光隔绝图案避免该通道区域周围的该非晶硅薄膜表面受到激光照射以及吸收激光产生的能量，以使该非晶硅薄膜表面形成一温度梯度。
8.如权利要求7所述的方法，其中该激光隔绝图案包含至少一激光吸收层以及一隔绝层。
9.如权利要求8所述的方法，其中该激光吸收层选自非晶硅、多晶硅、金属氧化物、半导体材料以及耐火性金属组成的材料。
10.如权利要求8所述的方法，其中该隔绝层选自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、低介电常数材料以及金属氧化物组成的材料。
11.如权利要求7所述的方法，其还包括于该基板上形成一缓冲层。
12.如权利要求7所述的方法，其中表面覆盖有该激光隔绝图案的该非晶硅薄膜的温度小于表面未覆盖该激光隔绝图案的该非晶硅薄膜的温度。
13.如权利要求12所述的方法，其中该非晶硅薄膜由该通道区域周围向该通道区域侧向生长，并于该通道区域内形成较大的晶粒。
全文摘要
本发明提供一种半导体元件及制作一低温多晶硅薄膜的方法，其包含于一基板上形成一非晶硅薄膜，接着于非晶硅薄膜上形成一隔绝层以及一激光吸收层，并且进行一光刻腐蚀工艺，去除部分的激光吸收层及隔绝层，以暴露出部分的非晶硅薄膜，最后再进行一激光结晶工艺，以使非晶硅薄膜转化成一多晶硅薄膜。
文档编号H01L21/20GK1614741SQ20041008491
公开日2005年5月11日 申请日期2004年10月10日 优先权日2004年10月10日
发明者张志雄, 陈亦伟, 孙铭伟 申请人:友达光电股份有限公司