专利名称：低温多晶硅薄膜晶体管制造方法
低温多晶硅薄膜晶体管制造方法
技术领域：
本发明是关于一种低温多晶硅薄膜 晶体管制造方法，尤其是一种对非晶硅层进行预处理使其成为多层微晶粒状的非晶硅层后再进行准分子激光退火工艺的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法。
背景技术：
随着高科技的发展，视频产品，特别是数字化的视频或影像装置已经成为在一般日常生活中所常见的产品。这些数字化的视频或影像装置中，显示器是一个重要组件，以显示相关信息。使用者可由显示器读取信息，或进而控制装置的运作。而薄膜晶体管(TFT)可应用于液晶显示器(liquid crystal display,简称LCD)的驱动组件，使得液晶显示器成为桌上直式型平面显示器的主流，于个人计算器、游戏机、监视器等市场成为未来主导性产品。目前，因非晶娃(amorphous silicon,简称a_Si)薄膜晶体管，可于摄氏200-300度的低温生长，因此被广泛使用。但非晶硅的电子迁移率(electron mobility)低,不超过Icm2/V. s,使得非晶娃薄膜晶体管已不敷目前高速组件应用的需求，而多晶娃(polycrystalline silicon,简称poly-Si)薄膜晶体管相较于非晶娃薄膜晶体管有较高的迁移率(约比非晶硅薄膜晶体管高2-3个数量级)及低温敏感性(lowtemperature sensitivity),使其更适用于高速组件。然而，以传统方式退火非晶娃形成多晶硅时，其形成温度需摄氏600度以上，故一般使用石英(quartz)作为基板。由于石英基板成本比玻璃基板贵很多，且在基板尺寸的限制下，基板大约仅有2至3时，因此过去只能发展小型基板。目前为了降低成本必须使用玻璃基板，故须使多晶硅的形成温度降至摄氏500度以下。因此，许多降低多晶硅的形成温度的方法纷纷被采用，其中以准分子激光退火工艺(excimer laser annealing,简称ELA)及金属诱导结晶工艺(metal inducedcrystallization,简称MIC)较受瞩目，因为前述工艺均可生长高质量、无污染及低缺陷密度(low defect density)的多晶娃，以前述低温工艺作的多晶娃薄膜晶体管又称为”低温多晶硅薄膜晶体管”。再者，由于多晶硅本身的电子迁移率高，所以通常在进行制造薄膜晶体管数组的工艺时，可以一并于显示区外围的周边电路区制作周边电路。而金属诱导结晶工艺的结晶方式是以侧向生长(lateral growth)为主,其是于非晶硅层形成前或形成后形成一金属层，用以促进非晶硅层的结晶，并于金属层形成后进行低温退火工艺，以形成多晶硅。而金属诱导结晶工艺中使用的金属层不但可促进非晶硅结晶，更重要的是为了要形成金属硅化物。而主要的方式是控制其横向成长方向与源极-沟道-漏极延伸方向之间的关系，若两方向垂直则适用像素区，若两方向平行则适用于周边电路(peripheral circuit)区。但是,金属诱导结晶工艺的缺点在于所长成的多晶娃层缺陷(defect)太多，需要再加一道高温工艺,如快速热工艺(rapid thermal process)或激光退火工艺，所以目前多以准分子激光退火工艺为主。而现形成多晶娃的作法是运用电衆辅助化学气相沉积(plasma enhancedchemical vapor deposition, PECVD)在玻璃基板上沉积一二氧化娃(Si02)膜,接着再沉积一非晶娃膜，其中二氧化娃(Si02)膜为一缓冲层(buffer layer),可防止玻璃基板之钠、钾离子污染多晶硅薄膜晶体主动层(active layer)之多晶硅膜。由于运用电浆辅助化学气相沉积设备所沉积之非晶硅内含有8-15%氢含量(hydrogen content)，如未脱氢即进行准分子激光退火，硅膜将瞬间吸收庞大的准分子激光能量，并于准分子激光退火区产生氢爆，因而造成硅膜容易从基板产生脱落(ablation)，故需于准分子激光退火PECVD硅膜前需进行脱氢，经过脱氢后的非晶硅膜进行准分子激光退火，使非晶硅膜形成为多晶硅膜，然上述非晶硅膜一次性沉积之厚度约为440A，且此时的非晶硅膜之晶粒较为杂乱，而以该厚度经准分子激光退火形成之多晶硅膜之晶粒仍会有些许不均的状况，所以电子迁移率(electron mobility)不高且并未达到真正的期望值。
发明内容本发明提供一种低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，有效改善多晶硅层因为未经过预处理成为多层微晶粒状的非晶硅层再进行准分子激光退火工艺，使其多晶硅层之晶粒未达到理想晶粒大小，因此载子迁移率较小的问题。本发明提出一种像素结构，该方法为在一基板上形成一非晶硅层，接着在该非晶硅层上进行去氢处理，此时即使其非晶硅层成为一微晶粒状，而在该微晶粒状的非晶硅层上再形成一层未微晶粒化的非晶硅层，再接着对该非晶硅层上进行去氢处理使其非晶硅层也成为一微晶粒状，然继续重复形成该非晶硅层并进行去氢处理，以形成多层微晶粒状的非晶硅层，最后再进行一准分子激光退火工艺，使该多层微晶粒状的非晶硅层结晶成为一多晶硅层，其中该多晶硅层因为经过预处理成为多层微晶粒状的非晶硅层再进行准分子激光退火工艺，使其多晶娃层之晶粒变得更大，因此有效的大幅提闻载子迁移率。在本发明之一实施例中，上述形成该非晶娃层时，通入一气体为SiH4/H2,其中SiH4/H2比率需大于0. 5。在本发明之一实施例中，上述形成该非晶硅层时，所使用之功率(Power)为400W-2400W。在本发明之一实施例中，上述形成该非晶硅层时，该基板与上电极间之距离(Spacing)为 500MIL-1100MIL。在本发明之一实施例中，上述形成该非晶硅层时，腔体压力(Pressure)为1100MPA-2500MPA。在本发明之一实施例中，上述形成该非晶娃层时，腔体温度(Temperature)为280 0C -500。。。在本发明之一实施例中，上述形成该非晶硅层时，腔体气体流速(FLOW)为2000SCCM-45000SCCM。在本发明之一实施例中，上述形成该微晶粒状的非晶硅层时，通入腔室之气体为H2/He/Ar。在本发明之一实施例中，上述形成该该微晶粒状的非晶硅层时，功率(Power)为400W-2400W。 在本发明之一实施例中，上述形成该该微晶粒状的非晶硅层时，该基板与上电极间之距离(Spacing)为 500MIL-1100MIL。在本发明之一实施例中，上述形成该该微晶粒状的非晶硅层时，腔体压力(Pressure)为 1100MPA-3000MPA。在本发明之一实施例中，上述形成该该微晶粒状的非晶硅层时，腔体温度(Temperature)为 28CTC -50CTC。在本发明之一实施例中，上述形成该该微晶粒状的非晶硅层时，气体流速(FLOW)为 2000SCCM-45000SCCM。在本发明之一实施例中，上述的多层去氢后之非晶硅层至少为三层。在本发明之一实施例中，上述的三层非晶硅层总厚度为350-600A。根据以上所述，本发明的该多晶硅层因为经过预处理成为多层微晶粒状的非晶硅层再进行准分子激光退火工艺，在此特别提及，在未进行准分子激光退火工艺前而处理的非晶硅层已经成为微晶粒状的非晶硅层，所以其变成多层微晶粒状的非晶硅层再进行准分子激光退火工艺会让多晶硅层之晶粒变得更大，因此有效的大幅提高载子迁移率。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
图I至图7为本发明之低温多晶硅成膜制造方法示意图。图8至图11为本发明中一种低温多晶硅薄膜晶体管结构制造示意图。
具体实施方式为让本发明更明显易懂，下文特举较佳实施例详细介绍。本发明之较佳实施例均配以对应的图示标号。图I至图11为一种低温多晶硅薄膜晶体管制造方法的示意图，请先参照图I至图7为本发明之低温多晶硅成膜方法示意图，在本实施例之一种低温多晶硅薄膜晶体管制造方法包括以下步骤。首先，在一基板100上形成一缓冲层110，其中形成缓冲层110的方法可以是低压化学气相沉积(low pressure CVD, LPCVD)制程或是电衆加强化学气相沉积(plasma enhanced CVD, PECVD)制程,更详细而言,缓冲层110例如是单层氧化娃或是氧化硅/氮化硅之双层结构，此外基板100可以为玻璃基板、石英基板或是塑料基板。然后,在缓冲层110上形成一第一非晶娃层120,其中该第一非晶娃层120为一未经准分子激光退火工艺及未微晶粒化的非晶硅层，且形成该第一非晶硅层120需通入一气体为SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5、使用之功率(Power)为400W-2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA-2500MPA、腔体温度(Temperature)为 280°C _500°C、腔体气体流速(FLOW)为2000SCCM-45000SCCM，且 该基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为 500MIL-1100MIL 等。然后，进行一第一非晶硅层微晶粒制程S110，使该第一非晶硅层120形成为微晶粒状第一非晶硅层121，其中该第一非晶硅层微晶粒制程SllO的环境为在腔室内通入气体为 H2/He/Ar、使用功率(Power)为 400W-2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA-3000MPA、腔体温度(Temperature)为 280°C _500°C、气体流速(FLOW)为 2000SCCM-45000SCCM，且基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL等。接着，在微晶粒状第一非晶硅层121上形成一第二非晶硅层130，其中该第二非晶硅层130为一未经准分子激光退火工艺及未微晶粒化的非晶硅层，且形成该第一非晶硅层120需通入一气体为SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5、使用之功率(Power)为 400W_2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA_2500MPA、腔体温度(Temperature)为2800C _500°C、腔体气体流速(FLOW)为2000SCCM -45000SCCM，且该基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL等。然后，进行一第二非晶硅层微晶粒制程S120，使该第二非晶硅层130形成为微晶粒状第二非晶硅层131，其中该第二非晶硅层微晶粒制程S120的环境为在腔室内通入气体为 H2/He/Ar、使用功率(Power)为 400W-2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA-3000MPA、腔体温度(Temperature)为 280°C _500°C、气体流速(FLOW)为 2000SCCM-45000SCCM，且基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL等。接着，在微晶粒状第二非晶硅层131上形成一第三非晶硅层140，其中该第三非晶硅层140为一未经准分子激光退火工艺及未微晶粒化的非晶硅层，且形成该第一非晶硅层120需通入一气体为SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5、使用之功率(Power)为 400W_2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA_2500MPA、腔体温度(Temperature)为2800C _500°C、腔体气体流速(FLOW)为2000SCCM-45000SCCM，且该基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL等。然后，进行一第三非晶硅层微晶粒制程S130，使该第三非晶硅层140形成为微晶粒状第三非晶硅层141，其中该第三非晶硅层微晶粒制程S130的环境为在腔室内通入气体为 H2/He/Ar、使用功率(Power)为 400W-2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA-3000MPA、腔体温度(Temperature)为 280°C _500°C、气体流速(FLOW)为 2000SCCM-45000SCCM，且基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL等。接着，在微晶粒状第三非晶硅层141上形成一第四非晶硅层150，其中该第四非晶硅层150为一未经准分子激光退火工艺及未微晶粒化的非晶硅层，且形成该第一非晶硅层120需通入一气体为SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于0. 5、使用之功率(Power)为 400W_2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA_2500MPA、腔体温度(Temperature)为2800C _500°C、腔体气体流速(FLOW)为2000SCCM-45000SCCM，且该基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL等。然后，进行一第四非晶硅层微晶粒制程S140，使该第四非晶硅层150形成为微晶粒状第四非晶硅层151，其中该第四非晶硅层微晶粒制程S140的环境为在腔室内通入气体为 H2/He/Ar、使用功率(Power)为 400W-2400W、腔体压力(Pressure)为 1100MPA-3000MPA、腔体温度(Temperature)为 280°C _500°C、气体流速(FLOW)为 2000SCCM-45000SCCM，且基板100与上电极(图中未显示)间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL等。接着，再将该微晶粒状第一非晶硅层121、微晶粒状第二非晶硅层131、微晶粒状第三非晶娃层141、微晶粒状第四非晶娃层151进行一雷射退火(Laser annealing)制程，使其该多层微晶粒状非晶硅层转变成多晶硅层160。然后，对于此多晶硅层160进行微显影(photolithography)制程与蚀刻(etching)制程，以在基板110上形成第一多晶娃岛状物210及第二多晶硅岛状物220。
上述之雷射退火制程例如是准分子雷射、固态雷射(solid-state laser)或二极管激发式固态雷射(diode pumped solid state laser,DPSS),其中，在对于多层微晶粒状非晶硅层进行雷射退火制程之前，更可进行一去氢(dehydrogenation)制程，以降低多层微晶粒状非晶硅层内之氢含量。其中，适当厚度的缓冲层110不仅能避免基板100内之金属离子扩散至后续所形成之第一多晶硅岛状物210及第二多晶硅岛状物220中，更可降低雷射退火制程的冷却速率，以形成较大的硅结晶颗粒，此外，上述之缓冲层110也可以改善基板100内的金属离子扩散至多晶硅层160内的现象。接着再参照图8，在基板100上形成一闸绝缘层300，并覆盖住第一多晶硅岛状物210及第二多晶硅岛状物220，此外闸绝缘层300的材质可以是氧化硅或其它绝缘材料，更详细而言，形成氧化硅的方式可以是采用PECVD制程，并配合SiH4/N20或TEE0S/02等反应气体。其中，为了调整第一多晶硅岛状物210与第二多晶硅岛状物220的电性性质，在闸绝缘层300之后，也可以分别对于第一多晶硅岛状物210及第二多晶硅岛状物220进行离子植入制程，也就是通道掺杂(channel doping)制程。 然后，在第一多晶硅岛状物210上方之闸绝缘层300上形成一第一闸极410，并在第二多晶硅岛状物220上方之闸绝缘层300上形成一第二闸极420，更详细而言，形成第一闸极410与第二闸极420的方式可以是先在闸绝缘层300上以溅镀(sputtering)制程或物理气相沉积(physics vapor deposition,PVD)制程形成一闸极材料层(图中未显示)，其中闸极材料层之材质可以是铬(Cr)或是其它金属材质，而闸极材料层的厚度可以是介于100埃至8000埃之间。接着再对此闸极材料层进行微显影(photolithography)制程与蚀刻(etching)制程，以形成第一闸极410及第二闸极420。在形成第一闸极410及第二闸极420之后，在基板上形成一牺牲层500，并覆盖在第一闸极410、第二闸极420与闸绝缘层300之上，其中牺牲层500的厚度可以是介于50埃至2000埃。此外,牺牲层500之材质例如是氮化娃(silicon nitride),而形成氮化娃的方式例如是采用PECVD制程，并配合反应气体SiH4/NH3。请参照图9，在第二多晶硅岛状物220上方之牺牲层500上形成一光阻层600为罩幕，移除第一多晶硅岛状物210上方之牺牲层500，当牺牲层500之材质为氮化硅时，移除牺牲层360的方式例如是使用磷酸(phosphoric acid)进行蚀刻制程。接着，进行一离子植入制程S210，以于第一闸极410两侧下方之第一多晶硅岛状物210中形成一第一源极/汲极210a，而第一源极/汲极210a之间即是一第一通道区210b。此外，第一离子植入制程S210所植入的离子可以P型掺杂物，其中P型掺杂物可以是硼离子。另外，硼离子的掺杂浓度可以是介于2E14至2E15 ionS/cm2，另外，植入能量例如是10至200keV。请参照图10，在形成第一源极/汲极210a之后，移除光阻层600。接着，进行一第二离子植入制程S220，以于第二闸极420两侧下方之第二多晶硅岛状物220中形成一第二源极/汲极220a，而第二源极/汲极220a之间即是一第二通道区220b，此外，第二离子植入制程S220所植入的离子可以是η型掺杂物，其中η型掺杂物可以是磷离子。另外，磷离子的掺杂浓度例如是介于1Ε14至lE15ions/cm2，另外，植入能量例如是10至200keV。以上，由于牺牲层500的影响，因此第二离子植入制程S220不仅将离子植入第二多晶娃岛状物220内，更穿越第一多晶娃岛状物210而植入缓冲层300内。换目之，对于第一多晶硅岛状物210而言，第一离子植入制程S210所植入的离子与第二离子植入制程S220所植入的离子并不会互相影响，也就是说由于牺牲层500的影响，因此不同区域的掺杂深度并不相同。接续上述，请参照图11，移除牺牲层500之后，在基板100上形成一图案化介电层700，其中图案化介电层700暴露出部份第一源极/汲极210a与部份第二源极/汲极220a，更详细而言，形成图案化介电层700的方式可以是先以CVD制程在基板100上形成一介电层，而此介电层的材质例如是氧化硅、氮化硅或其它绝缘材料。此外，此介电层的厚度可以是介于2000埃至8000埃之间。在形成介电层之后，对于上述制程所形成之结构体进行热制程，其可以是快速加热退火制程(rapid thermal annealing, RTA),其温度范围例如是500至650°C。此外，退火时间可以是介于10至120秒之间，而较佳的退火时间可以是70秒。接着，对于此介电层进行微显影制程与蚀刻制程，以形成图案化介电层700。然后，在图案化介电层700上形成一第一源极/汲极导体层810及一第二源极/汲极导体层820，以完成薄膜晶体管的制作，其中第一源极/汲极导体层810分别与第一源极/汲极210a电性连接，而第二源极/汲极导体层820分别与第二源极/汲极220a电性连接。更详细的说，形成第一源极/汲极导体层810与第二源极/汲极导体层820的方式可以是先以溅镀制程或是PVD制程在图案化介电层700上形成一源极/汲极导体材料层，其中源极/汲极导体材料层之材质可以是铬(Cr)或是其它金属材质。此外，源极/汲极导体层的厚度可以是介于1000埃至8000埃之间。接着，再对此源极/汲极导体材料层进行微显影制程与蚀刻制程，以形成第一源极/汲极导体层810与第二源极/汲极导体层820。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然并非用以限定本发明，如传统薄膜晶体管进行一浅掺杂离子植入制程以形成浅掺杂区(LDD),以改善热载子效应(hot carriereffect)之设计亦也可应用在本发明之中，故任何熟悉此项技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，当可做些许更动与润饰，因此本发明之保护范围当视权利要求书范围所界定者为准。
权利要求
1.一种低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于，该方法包括 于一基板上形成一非晶娃层； 对该非晶硅层进行去氢处理，使该非晶硅层成为一微晶粒状； 再于该微晶粒状的非晶硅层上形成一非晶硅层； 再对该非晶硅层进行去氢处理，使该非晶硅层成为一微晶粒状； 重复形成该非晶硅层并进行去氢处理，以形成该多层微晶粒状的非晶硅层； 进行一准分子激光退火工艺，使该多层微晶粒状的非晶硅层结晶成为一多晶硅层。
2.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该非晶硅层通入之气体为SiH4/H2，其中SiH4/H2比率需大于O. 5。
3.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该非晶硅层时，所使用之功率(Power)为400W-2400W。
4.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该非晶硅层时，该基板与上电极间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL。
5.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该非晶硅层时，腔体压力(Pressure)为 1100MPA-2500MPA。
6.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该非晶硅层时，腔体温度(Temperature)为 280°C _500°C。
7.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该非晶硅层时，腔体气体流速(FLOW)为2000SCCM-45000SCCM。
8.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该微晶粒状的非晶硅层时，通入腔室之气体为H2/He/Ar。
9.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该该微晶粒状的非晶硅层时，功率(Power)为400W-2400W。
10.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该该微晶粒状的非晶硅层时，该基板与上电极间之距离(Spacing)为500MIL-1100MIL。
11.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该该微晶粒状的非晶硅层时，腔体压力(Pressure)为1100MPA-3000MPA。
12.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该该微晶粒状的非晶硅层时，腔体温度(Temperature)为280°C _500°C。
13.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于形成该该微晶粒状的非晶硅层时，气体流速(FLOW)为2000SCCM-45000SCCM。
14.如权利要求I所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于该多层去氢后之非晶硅层至少为三层。
15.如权利要求14所述的低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，其特征在于该三层非晶硅层总厚度为350-600A。
全文摘要
本发明为一种低温多晶硅薄膜晶体管制造方法，该方法为在一基板上形成一非晶硅层，接着对该非晶硅层进行去氢处理，此时即使非晶硅层成为一微晶粒状，其后在该微晶粒状的非晶硅层上再形成一层未微晶粒化的非晶硅层，再接着对该非晶硅层上进行去氢处理使非晶硅层也成为一微晶粒状，然后继续重复形成该非晶硅层并进行去氢处理，以形成多层微晶粒状的非晶硅层，最后再进行一准分子激光退火工艺，使该多层微晶粒状的非晶硅层结晶成为一多晶硅层，其中该多晶硅层因为经过预处理成为多层微晶粒状的非晶硅层后再进行准分子激光退火工艺，使多晶硅层之晶粒变得更大，因此载子迁移率也变大。
文档编号H01L21/324GK102629558SQ20121000441
公开日2012年8月8日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者余鸿志, 吴宏哲, 吴钊鹏, 庄涂城, 许民庆 申请人:深超光电(深圳)有限公司