CN100342493C - 薄膜晶体管的多晶硅制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，包含下列步骤：提供一基板；于基板上沉积一第一非晶硅层；用一准分子激光照射第一非晶硅层以形成一种晶层；于种晶层上沉积一第二非晶硅层；及进行炉管退火。

Description

薄膜晶体管的多晶硅制造方法
技术领域
本发明涉及一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，特别是一种应用于低温(low temperature processed，LTP)多晶硅薄膜晶体管的多晶硅制造方法。
背景技术
低温多晶硅薄膜晶体管一般用于主动式液晶显示器(active matrixliquid crystal display，AMLCD)以及主动式有机电激发光显示器(activematrix organic light-emitting display，AMOLED)等大面积的显示器中。由于低温多晶硅薄膜晶体管具有电子移动速率较快等优点，使其成为新一代主流制程之一。然而，欲制作高性能的低温多晶硅薄膜晶体管，其中最困难的步骤之一是将非晶硅(amorphous silicon，α-Si)转换成多晶硅(poly silicon，poly-Si)。
于现有技术中，一般利用固相结晶法(solid phase crystallization，SPC)在温度约600℃的环境下将玻璃基板上的非晶硅层转换成多晶硅层。如图1A所示，于形成有一缓冲氧化层22的一硅基材21表面上沉积一非晶硅层23。接着，以固相结晶法将非晶硅层23转换成一多晶硅层24，如图1B所示。然而，固相结晶法需要非常长的制程时间(约20-60小时)以形成较大的晶粒尺寸，所以并不适合工业上的应用。另外，利用固相结晶法所形成的多晶硅含有高密度的晶粒内部缺陷(in-grain defect)，更进一步减低了低温多晶硅薄膜晶体管的电性。
为了缩短制程的时间，目前工业界普遍使用准分子激光退火法(Excimer laser annealing，ELA)将非晶硅层转换成多晶硅层，除了利用准分子激光退火法取代固相结晶法之外，其余的制程步骤皆与图1A及图1B相同。然而，由于准分子激光退火法的结晶速率极高，使得所形成的晶粒尺寸皆小于100nm。此外，更由于激光束的重叠(overlapping)现象以及脉冲与脉冲之间(pulse-to-pulse)的稳定度较差，使得再结晶的多晶硅层的元件特性并不一致。
发明内容
有鉴于上述现有技术的不足与缺陷，本发明的目的为提供一种制程时间短、晶粒缺陷少以及元件特性一致的薄膜晶体管的多晶硅制造方法。
本发明的特征是利用一种二步骤退火方法来制造薄膜晶体管中的多晶硅层。
为达上述目的，依本发明的一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，包含下列步骤：提供一基板；于基板上沉积一第一非晶硅层；用一准分子激光照射第一非晶硅层以形成一种晶层；于种晶层上沉积一第二非晶硅层；以及进行炉管退火。
承上所述，本发明的一种薄膜晶体管的多晶硅层制造方法是利用二步骤退火方法来制造薄膜晶体管中的多晶硅层。与现有技术的固相结晶法相比，本发明减少了制程时间，同时亦降低了晶粒内部的缺陷密度。另外，与现有技术的准分子激光法相比，利用本发明所形成的多晶硅薄膜晶体管具有一致的元件特性，且同时多晶硅层拥有较大的晶粒尺寸。详细的比较如下表所示。
  固相结晶法   准分子激光法   本发明
  元件特性一致性   较佳   较差   较佳
  制程时间   较长   较短   较短
  晶粒缺陷   高密度   低密度   低密度
  晶粒尺寸   较大   较小   较大
为达上述目的，依本发明的一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，包含下列步骤：提供一基板；于基板上沉积一第一非晶硅层；用一准分子激光照射第一非晶硅层以形成一种晶层；于种晶层上沉积一第二非晶硅层；以及进行快速热制程(RTP)退火。
总括上述，本发明的薄膜晶体管的多晶硅制造方法在元件效能、元件特性一致性以及产品生产力之间的考量下，为目前工业应用上的最佳选择。
附图说明
图1A及图1B为现有薄膜晶体管的多晶硅制造方法的实施示意图；
图2为第一实施例中薄膜晶体管的多晶硅制造方法的方块图；
图3A至图3E为第一实施例中薄膜晶体管的多晶硅制造方法的实施示意图；
图4为第二实施例中薄膜晶体管的多晶硅制造方法的方块图。
图中符号说明
11    基板
12    缓冲氧化层
13    第一非晶硅层
14    种晶层
15    第二非晶硅层
16    多晶硅层
S01   提供一基板
S02   于基板上沉积一第一非晶硅层
S03   用一准分子激光照射第一非晶硅层以形成一种晶层
S04   于种晶层上沉积一第二非晶硅层
S05   进行炉管退火
S11  提供一基板
S12  于基板上沉积一第一非晶硅层
S13  用一准分子激光照射第一非晶硅层以形成一种晶层
S14  于种晶层上沉积一第二非晶硅层
S15  进行快速热制程退火
具体实施方式
以下将参照相关附图，说明依本发明较佳实施例的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其中相同的元件将以相同的参照符号加以说明。
如图2所示，依据本发明第一实施例的一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，包含下列步骤：提供一基板(S01)；于基板上沉积一第一非晶硅层(S02)；用一准分子激光照射第一非晶硅层以形成一种晶层(S03)；于种晶层上沉积一第二非晶硅层(S04)；以及进行炉管退火(S05)。
如图3A所示，于步骤501中提供一基板11。在此，基板11可为一硅基板、一玻璃基板或一塑料基板。于本实施例中，基板11上形成有一缓冲氧化层(Buffer oxide layer)12，其利用加热氧化法生成于基板11的表面上，此缓冲氧化层12用以提升之后欲沉积材料对基板11表面的附着能力。
接着，如图3B所示，在步骤S02中，于基板11上沉积一第一非晶硅层13。于本实施例中，以SiH4(硅甲烷)为反应气体，于温度约550℃的环境下以低压化学气相沉积法(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)沉积第一非晶硅层13。以低压化学气相沉积法沉积的第一非晶硅层13有较佳的步阶覆盖能力，且第一非晶硅层13的均匀佳、纯度高。于此，第一非晶硅层13的厚度约为6纳米(nm)到12纳米。
另外，于步骤S03中，以一准分子激光照射第一非晶硅层13，用以形成一种晶层(Seed layer)14，如图3C所示。于本实施例中，于室温且接近真空(～10-3torr)的环境中，以氟化氪(KrF)准分子激光(激光强度为120mJ/cm2)照射第一非晶硅层13，使其转换成一种晶层14。其中，准分子激光的波长为248nm、脉冲维持时间为15ns以及重复速度为10Hz。另外，准分子激光亦可以用氟化氩(ArF)激光或是氯化氙(XeCl)激光。于此，种晶层14为多晶硅结构。
接下来，在步骤S04中，于种晶层14上沉积一第二非晶硅层15，如图3D所示。其中，第二非晶硅层15的沉积方法与第一非晶硅层13相同，于此不再赘述。于本实施例中，第二非晶硅层15的厚度约为30纳米到150纳米。另外，第一非晶硅层13较第二非晶硅层15薄。
最后，如图3E所示，于步骤S05中，进行炉管退火，此步骤是将第二非晶硅层15转换成一多晶硅层16。于本实施例中，于温度550～600℃且充满氮气的环境中以炉管退火方式(约2到24小时)进行结晶，使第二非晶硅层15转换成多晶硅层16。
再来，于形成多晶硅层16之后，将多晶硅层16图案化以形成数个独立的主动元件区域。接着，于温度约为300℃的环境下以电浆辅助化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)沉积一厚度约为120纳米的TEOS-oxide当作闸极绝缘层。接着，沉积一层厚度约为200纳米的多晶硅层，并且图案化使其形成元件闸极。接着，形成源极/汲极与闸极区。接下来，于充满氮气且温度600℃的环境下进行2小时活化布植退火步骤。再来，于温度300℃的环境下沉积一厚度约500纳米的PE-TEOS oxide以形成保护膜。最后，将周边的电极接合端子部分露出，以形成低温制作多晶硅薄膜晶体管。
于本实施例中，利用准分子激光照射第一非晶硅层使其形成种晶层，由于种晶层具有极佳的结晶中心，使得接下来的结晶晶粒成长时具有低密度的晶粒内部缺陷。再来，由于炉管退火步骤只包含结晶晶粒成长所需的时间，使得整个退火制成时间大大地缩短。且，由于晶粒成长机构与固相结晶法相似，使得本实施例所产生的多晶硅薄膜晶体管的元件特性有较佳的一致性。
如图4所示，依据本发明第二实施例的一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，包含下列步骤：提供一基板(S11)；于基板上沉积一第一非晶硅层(S12)；用一准分子激光照射第一非晶硅层以形成一种晶层(S13)；于种晶层上沉积一第二非晶硅层(S14)；以及进行快速热制程退火(S15)。
上述本发明第二实施例的一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其中步骤S11～S14与图2所示的步骤S01～S04相同，而于步骤S15中，进行快速热制程退火，此步骤同样是将第二非晶硅层15转换成一多晶硅层16。于本实施例中，于温度600～750℃且充满氮气的环境中以快速热制程退火方式(约120到30秒)进行结晶，使第二非晶硅层15转换成多晶硅层16。
本发明的一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法是利用二步骤退火方法来制造薄膜晶体管中的多晶硅层。与现有技术的固相结晶法相比，本发明减少了制程时间，同时亦降低了晶粒内部的缺陷密度。另外，与现有技术的准分子激光法相比，利用本发明所形成的多晶硅薄膜晶体管具有一致的元件特性，且同时多晶硅层拥有较大的晶粒尺寸。总括上述，本发明的薄膜晶体管的多晶硅制造方法在元件效能、元件特性一致性以及产品生产力之间的考量下，为目前工业应用上最佳的选择。
以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于权利要求书的范围中。

Claims (14)

1.一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，包含：
提供一基板；
于该基板上沉积一第一非晶硅层；
用一准分子激光照射该第一非晶硅层以形成一种晶层；
于该种晶层上沉积一第二非晶硅层；以及
进行炉管退火。
2.如权利要求1所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，更包含：于提供该基板之后，在该基板上形成一缓冲氧化层。
3.如权利要求1所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该基板包括硅基板、玻璃基板或塑料基板。
4.如权利要求1所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该第一非晶硅层较该第二非晶硅层薄。
5.如权利要求1所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该第一非晶硅层的厚度为6纳米到12纳米，该第二非晶硅层的厚度为30纳米到150纳米。
6.如权利要求1所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该准分子激光为氟化氪激光、氟化氩激光或氯化氙激光。
7.如权利要求1所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，炉管退火的温度为550～600℃。
8.一种薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，包含：
提供一基板；
于该基板上沉积一第一非晶硅层；
用一准分子激光照射该第一非晶硅层以形成一种晶层：
于该种晶层上沉积一第二非晶硅层；以及
进行快速热制程退火。
9.如权利要求8所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，更包含：于提供该基板之后，在该基板上形成一缓冲氧化层。
10.如权利要求8所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该基板包括硅基板、玻璃基板或塑料基板。
11.如权利要求8所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该第一非晶硅层较该第二非晶硅层薄。
12.如权利要求8所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该第一非晶硅层的厚度为6纳米到12纳米，该第二非晶硅层的厚度为30纳米到150纳米。
13.如权利要求8所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，该准分子激光为氟化氪激光、氟化氩激光或氯化氙激光。
14.如权利要求8所述的薄膜晶体管的多晶硅制造方法，其特征在于，快速热制程退火的温度为600～750℃。
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