专利名称：多晶硅薄膜的制造方法
技术领域：
本发明提供一种多晶硅薄膜的制造方法，特别是关于一种促进非晶硅薄膜结晶以形成多晶硅薄膜的方法。
背景技术：
在液晶显示器的制造中，多晶硅材料具有许多优于非晶硅材料的特性。多晶硅具有较大的晶粒(grain)，使得电子在多晶硅中容易自由移动，所以多晶硅的电子迁移率(mobility)高于非晶硅。以多晶硅制作的薄膜晶体管，其反应时间比非晶硅薄膜晶体管短。在相同分辨率的液晶显示器中，使用多晶硅薄膜晶体管(poly-Si TFT)所占用的基板面积可以比使用非晶硅薄膜晶体管小，从而提高液晶面板的开口率。在相同的亮度下，使用多晶硅薄膜晶体管的液晶显示器(poly-Si TFT LCD)可以采用低瓦数的背光源，达到低耗电量的要求。因此，多晶硅的晶粒大小是影响薄膜晶体管效能的主要因素。
目前在基板上制作多晶硅薄膜大多利用低温多晶硅工艺(LowTemperature Poly-Silicon，LTPS)。低温多晶硅工艺是以准分子雷射(ExcimerLaser)作为热源。当雷射光照射(irradiate)于具有非晶硅薄膜的基板上，非晶硅薄膜可吸收准分子雷射的能量而转变成为多晶硅薄膜。
请参照图1A及图1B，其为现有的多晶硅薄膜制造方法。如图1A所示，基板10具有氮化物层11形成于其上。氧化物层12形成于氮化物层11之上。随后非晶硅薄膜13藉由化学气相沉积(CVD)或溅镀法(sputtering)形成于氧化物层12之上。如图1B所示，以准分子雷射15照射非晶硅薄膜13使其结晶成为多晶硅薄膜14。为了获得较大的晶粒，准分子雷射15的能量必须使非晶硅薄膜13几乎完全熔解(melt)。些许未熔解(non-melted)的非晶硅颗粒残留于氧化物层12与非晶硅薄膜13的接口。已熔解的非晶硅薄膜利用未熔解的非晶硅颗粒作为晶种(crystallization seed)结晶成为多晶硅薄膜14。
然而，准分子雷射为一种脉冲雷射(pulse laser)，每个脉冲的能量密度(energy density)皆有些许差异。若能量密度太大则导致晶种数目减少，并使晶粒小且均匀性(homogeneity)差。现有的方法结晶方向不定，故产生的晶界(grain boundary)位置及数目均难以控制，且雷射源的输出能量固定，若要提高产能，则必须将结晶能量降低，然后利用光学系统将雷射放大(enlarge linebeam size)。除此之外，若晶界的数目多，会使多晶硅薄膜晶体管的电气特性(electrical characteristics)较差。
综上所述，现有的方法未能控制晶界数目与位置，导致结晶方向不定，并且无法降低结晶过程中准分子雷射所需提供的能量。
发明内容
有鉴于此，本发明人提出一种可改进上述缺点的多晶硅薄膜制造方法，并且应用于制造薄膜晶体管。
本发明的目的在于提供一种多晶硅薄膜的制造方法，于多晶硅薄膜形成过程中减少晶界(grain boundary)的数目，并增加晶粒均匀度。
本发明的目的还在于提供一种薄膜晶体管工艺，其利用活化层降低雷射结晶能量。
本发明的目的还在于提供一种薄膜晶体管，其具有较佳品质的多晶硅信道以提高其电子迁移率及提高穿透率。
本发明提供一种多晶硅薄膜的制造方法。首先，于基板上形成活化层，其中该活化层的材料包含碳、氢及硅；接着于该活化层上形成非晶硅薄膜；以及，对该非晶硅薄膜实施回火程序以形成多晶硅薄膜。
上述方法还包括将该非晶硅薄膜图案化藉以改变其厚度；以及于该活化层与该非晶硅薄膜之间形成阻障层；所述回火程序是对该非晶硅薄膜施以150-450mj/cm2(兆焦/cm2)的能量；活化层的材料还可包含氧原子，其优选以SiOx为主结构，碳及氢为侧链结构。
上述结晶方法用于制造薄膜晶体管，该薄膜晶体管至少包括活化层，该活化层形成于该基板上，其材料包含碳、氢及硅；多晶硅层，形成于该活化层上，且包含位于该活化层之上的信道区，以及位于该信道区两侧的源极区及汲极区；闸极绝缘层，形成于该多晶硅层之上，且定义于该信道区之内；闸极金属，形成于该闸极绝缘层之上；绝缘层，形成于该闸极金属与该多晶硅层上且对应该源极区及该汲极区具有两开口；源极金属，形成于该绝缘层上且对应该源极区，藉由该开口与该多晶硅层连接；汲极金属，形成于该绝缘层上且对应该汲极区，藉由该开口与该多晶硅层连接。
上述薄膜晶体管还可选择性地包括(增加)阻障层，覆盖于该活化层与该多晶硅层上，该活化层与该阻障层重叠部分作为所述信道区。所述活化层的材料还可包含氧原子，其优选以SiOx为主结构，碳及氢为侧炼结构。
图1A-1B现有技术的多晶硅薄膜制造方法；图2A实施本发明多晶硅薄膜制造方法所需的基本结构；图2B多晶硅晶粒大小(grain size)对雷射结晶能量的关系图；图2C活化层光穿透率与SiN及SiOx重叠结构层的光穿透率曲线图；图3A-3C本发明的多晶硅薄膜的制造方法示意图；图3D图3C的俯视图；图3E依本发明的方法，于活化层与非晶硅薄膜之间形成阻障层；图3F依据本发明的方法，利用光罩定义非晶硅薄膜使信道区内的非晶硅薄膜厚度较两端薄；图4A-4G依据本发明的薄膜晶体管制造方法；图4H依据本发明的方法，利用光罩定义图4E的非晶硅薄膜使信道区内的非晶硅薄膜厚度较两端薄；图5MSQ结构式；
图6依据本发明的方法所形成的薄膜晶体管结构。
图号说明10基板33阻障层11氮化物层40基板12氧化物层41活化层13非晶硅薄膜 42阻障层14多晶硅薄膜 43非晶硅薄膜15准分子雷射 431信道区20基板432源极区21活化层 433汲极区22非晶硅薄膜 44多晶硅薄膜30基板45闸极绝缘层31活化层 46闸极金属32非晶硅薄膜 47源极金属321信道区 48汲极金属49绝缘层具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明，但不限定本发明的实施范围。
请参照图2A，其为实施多晶硅薄膜制造方法所需的基本结构。为了达到降低雷射结晶能量的目的，基板20上至少必须具有活化层21以及位于活化层21上的非晶硅薄膜22。对非晶硅薄膜22施以回火程序后，非晶硅结晶变成多晶硅。所获得的多晶硅晶粒大小(grain size)对雷射结晶能量的关系图如图2B所示。
请参照图2B，曲线23为雷射光照射基板/SiN500/SiO1500/非晶硅500的由下而上排列结构后，其所形成的多晶硅晶粒大小(grain size)对雷射结晶能量的关系图，以STD表示；曲线24为雷射光照射基板/活化层2000/SiO1500/非晶硅500的结果，以LK2000+SiO1500表示；曲线25为雷射光照射基板/活化层2000/SiO500/非晶硅500的结果以LK1000+SiO500表示；曲线26为雷射光照射基板/活化层2000/非晶硅500的结果，以LK2000表示。比较曲线23与其它三条曲线，显示在未使用活化层的状况下，所需雷射光能量较高，且晶粒大小在3000以下。比较曲线24、25及26，显示SiO厚度愈大，必须提供愈高的雷射光能量，且获得的晶粒较小。比较曲线23与26，可发现以活化层取代SiN，且直接接触非晶硅薄膜时，可降低雷射能量约30～40％。由此可证明，以雷射光照射非晶硅薄膜时，若其下方具有活化层，则可降低雷射能量。
值得一提的是，当制作薄膜晶体管时，使用本发明的活化层取代SiN有助于提高薄膜晶体管的光穿透率。请参照图2C，显示在大部分的可见光波长范围中，活化层的光穿透率高于SiN及SiOx的重叠结构层。
请参照图3A-3C，为本发明的多晶硅薄膜的制造方法示意图。首先，形成图案化的活化层31于基板30上，且活化层31的材料包含碳、氢及硅或是以SiOx为主结构，碳及氢为侧炼结构。接着，形成非晶硅薄膜32于活化层31与该基板30上，其与活化层31重叠的部分定义为信道区321。对非晶硅薄膜32实施回火程序使信道区321内外形成温度差而开始结晶。上述回火程序通常以准分子雷射提供能量。必须说明的是，由图2B可发现在非晶硅薄膜32结晶成多晶硅的过程中，若仅为达到降低雷射能量的目的，活化层31是否图案化并非必要条件。
请参照图3D，为图3C的俯视图。于结晶过程中，图标的虚线部位将形成晶界，晶界的左右侧具有温度梯度，使该部位成为结晶开始位置。晶粒由两端向中央成长，直到结晶停止时，产生停止晶界。如此，晶界位置规则而集中，可长成大而均匀的晶粒。由图2B及上述说明可知，以本发明的方法所产生的晶粒通常可大于0.3μm。
请参照图3E，在图3A的结构形成后，为避免活化层31于后续回火程序中扩散杂质至上方的非晶硅薄膜32中，可在形成非晶硅薄膜32前先形成阻障层(barrier layer)33于活化层31表面上。其中，阻障层33的材料可为SiOx。
参照图3F，为了使信道区321内外形成更明显的温度梯度，进而使侧向长晶更有效率，可移除部分位于活化层31上方的非晶硅薄膜32以减少图3C所示的非晶硅薄膜32厚度，使信道区321内的非晶硅薄膜32厚度薄于信道区321以外区域的非晶硅薄膜32。值得一提的是，阻障层33并非获得良好晶粒、控制结晶方向或降低雷射结晶能量的必要构造。
请参照图4A-4G，为依据本发明的薄膜晶体管制造方法。首先，形成活化层41于基板40上。以O2电浆蚀刻移除部分活化层41，使未移除的部分留在预定区域中。形成阻障层42于活化层41与基板40之上。随后形成非晶硅薄膜43于阻障层42上，其位于活化层41上方的部分定义为薄膜晶体管的信道区431，信道区431两侧分别为源极区432及汲极区433。对非晶硅薄膜43实施回火程序使信道区431内外形成温度梯度而由信道区431端边朝向中央结晶成多晶硅薄膜44。接着，形成闸极绝缘层45于多晶硅薄膜44之上。之后，形成闸极金属46于闸极绝缘层45之上；之后，形成绝缘层49于该闸极金属46以及该多晶硅薄膜44之上，该绝缘层49对应该源极区432及该汲极区433有两开口(未标示)。最后，形成源极金属47于该源极区432内，及汲极金属48于该汲极区433内，且藉由该开口与该多晶硅薄膜44连接。其中，阻障层42的材料可为SiOx。
请参照图4H，图4E所示结构于实施回火程序前，以光罩定义非晶硅薄膜43使该信道区431向下略为凹陷，使其厚度较源极区432及汲极区433薄。值得一提的是，上述活化层材料可为含氧原子或硅原子或同时含有氧及硅原子的有机物，例如MSQ，其结构式如图5所示或是以SiOx为主结构，碳及氢为侧炼结构，在450℃以上的高温环境中MSQ仍具有热稳定性，因此可耐受准分子雷射的高温。上述回火工艺是以准分子雷射提供介于200-400mj/cm2之间的能量。
请参照图6，为依据本发明的方法所形成的薄膜晶体管结构。图标的薄膜晶体管形成于基板40上，由活化层41、阻障层42、多晶硅层44、闸极绝缘层45以及闸极金属46、绝缘层49、源极金属47及汲极金属48所组成。其中活化层41位于基板40上，其上并覆盖阻障层42。多晶硅层44位于阻障层42上，包含信道区431位于活化层41与阻障层42重叠部分之上，信道区431两侧分别为源极区432及汲极区433。上述多晶硅层44的晶粒大于0.4μm且晶界位于信道区431的端边。闸极绝缘层45形成于多晶硅层44之上，且定义于信道区431内的多晶硅层44之上。闸极金属46则利用闸极绝缘层45及绝缘层49与下方的多晶硅层44及两侧的源极金属47及汲极金属48区隔。源极金属47及汲极金属48分别形成于源极区432与汲极区433之中并藉由绝缘层49的两开口(未标示)与该多晶硅层44连接。
本发明所提供的多晶硅薄膜的制造方法，与现有技术相比时，更具备下列特性及优点1.利用活化层取代氮化层(SiN)，以提高薄膜晶体管的光穿透率。
2.利用活化层的低热传导特性，可降低非晶硅结晶过程中雷射光所需提供的能量。
3.在侧向结晶的同时，可控制晶界的数目及晶粒的均匀。
上述仅为本发明优选实施例的具体说明，惟上述实施例并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明的保护范围中。
权利要求
1.一种多晶硅薄膜的制造方法，包括于基板上形成活化层，其中该活化层的材料包含碳、氢及硅；于该活化层上形成非晶硅薄膜；对该非晶硅薄膜实施回火程序以形成多晶硅薄膜。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将该活化层图案化。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将该非晶硅薄膜图案化藉以改变其厚度。
4.如权利要求1所述的方法，还包括于该活化层与该非晶硅薄膜之间形成阻障层。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述回火程序是对该非晶硅薄膜施以150-450mj/cm2的能量。
6.如权利要求1所述的方法，其中该活化层的材料是以SiOx为主结构，碳及氢为侧链结构。
7.一种薄膜晶体管，形成于基板上，包括活化层，该活化层形成于该基板上，其材料包含碳、氢及硅；多晶硅层，形成于该活化层上，且包含位于该活化层之上的信道区，以及位于该信道区两侧的源极区及汲极区；闸极绝缘层，形成于该多晶硅层之上，且定义于该信道区之内；闸极金属，形成于该闸极绝缘层之上；绝缘层，形成于该闸极金属与该多晶硅层上且对应该源极区及该汲极区具有两开口；源极金属，形成于该绝缘层上且对应该源极区，藉由所述开口与该多晶硅层连接；汲极金属，形成于该绝缘层上且对应该汲极区，藉由所述开口与该多晶硅层连接。
8.如权利要求7所述的薄膜晶体管，还包括阻障层，其覆盖于该活化层与该多晶硅层上。
9.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中该活化层的材料还包含氧原子。
10.如权利要求7所述的薄膜晶体管，其中该活化层的材料是以SiOx为主结构，碳及氢为侧链结构。
全文摘要
本发明提供了一种多晶硅薄膜的制造方法，其应用于制造薄膜晶体管，首先，于基板上形成活化层，其中该活化层的材料的分子结构含碳、氢、氧及硅；接着形成非晶硅薄膜于该活化层上，以及，对该非晶硅薄膜实施回火程序以形成该多晶硅薄膜。
文档编号H01L21/70GK1808694SQ20051000234
公开日2006年7月26日 申请日期2005年1月17日 优先权日2005年1月17日
发明者彭佳添, 张志雄 申请人:友达光电股份有限公司