CN100433260C - 多晶硅层以及薄膜晶体管的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种多晶硅层的制造方法，其先提供一基板，此基板具有正面与背面。接着，依序形成缓冲层、非晶硅层与顶盖层于基板的正面上。再来，图形化顶盖层而形成一图形化顶盖层，其暴露出部分非晶硅层，其中所暴露出的部分非晶硅层的区域是一结晶开始区域。继之，形成金属催化剂层于图形化顶盖层上，且金属催化剂层与结晶开始区域中的非晶硅层接触。之后，对基板的背面进行激光加热工艺，使非晶硅层自结晶开始区域结晶并转变成多晶硅层。此多晶硅层的制造方法可解决加热时间过长的问题。

Description

多晶硅层以及薄膜晶体管的制造方法

技术领域

本发明是有关于一种多晶硅薄膜的制造方法与一种应用此方法来制造薄膜晶体管的方法，且特别是有关于一种以背面激光加热工艺(back laserheating process)以形成多晶硅薄膜的方法与应用此方法来制造薄膜晶体管的方法。

背景技术

显示器为人与资讯的沟通界面，目前以平面显示器为发展的趋势。平面显示器主要有以下几种：有机电激发光显示器(organicelectro-luminescence display，OLED)、电浆显示器(plasma displaypanel，PDP)、液晶显示器(Liquid crystal display，LCD)以及发光二极体显示器(light emitting diode，LED)等。

在上述显示器中，可利用薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)作为显示器的驱动元件。一般而言，根据通道层材料的选择，可将薄膜晶体管分为非晶硅薄膜晶体管(amorphous silicon TFT)以及低温多晶硅薄膜晶体管(low-temperature polysilicon thin film transistor，LTPS TFT)两种。其中，低温多晶硅薄膜晶体管是一种优于一般传统的非晶硅薄膜晶体管的技术，因为其电子迁移率可以达到200cm2/V-sec以上，故可使薄膜晶体管元件所占面积更小以符合高开口率(aperture)的需求，进而增进显示器亮度并减少整体的功率消耗问题。另外，由于电子迁移率的增加，所以部份驱动电路可以同时制作于玻璃基材上，如此一来，面板制造成本将可以大幅降低。

值得注意的是，在低温多晶硅薄膜晶体管中，作为通道层的多晶硅层的制作方法主要有以下几种。第一，热炉管加热工艺配合金属诱导横向结晶工艺(metal induced lateral crystallization，MILC)的方法。此方法藉由使基板上的非晶硅层与金属催化剂接触，并用热炉管使基板在固定温度(500℃～600℃)下，进行固相再结晶(solid phase crystallization)，因而使非晶硅层转变成多晶硅层。但是，此方法会遭遇到所需时间过长(数十个小时)，在长时间高温下，玻璃基板会产生形变(deform)、以及金属催化剂会残留等问题。

第二，准分子激光退火工艺(excimer laser annealing，ELA)。此方法是以激光的高能量使基板上的非晶硅层达到几乎或完全熔融的状态，再使熔融硅于冷却时进行结晶，最后使非晶硅层转变成多晶硅层。但是，此方法会遭遇到所需能量较高、形成晶粒较小、多晶硅层的缺陷(defect)较多、均匀性差(poor uniformity)、以及激光扫瞄面积较小等问题(narrowprocess window)。

第三，脉冲快速热退火工艺(pulse rapid thermal annealing，PRTA)配合金属诱导横向结晶工艺(MILC)的方法。此方法藉由使基板上的非晶硅层与金属催化剂接触，并利用加热灯源配合脉冲瞬间加热方式(pulserapid heating)，而对基板上的非晶硅层提供其结晶时所需的能量，故所需时间只需数分钟。但是由于相关的设备不易大型化，故此方法应用在大面积面板所需的多晶硅层的制作上，将会遭遇到困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种多晶硅层的制造方法，其加热时间较短、所需能量较低，且适于制造良好品质的多晶硅层。

本发明的再一目的是提供一种薄膜晶体管的制造方法，其利用上述的多晶硅层的制造方法，进而制造出具有良好品质的多晶硅层的薄膜晶体管。

基于上述目的或其他目的，本发明提出一种多晶硅层的制造方法，其先提供一基板，此基板具有正面与背面。接着，依序形成缓冲层、非晶硅层与顶盖层于基板的正面上。再来，图形化顶盖层以形成一图形化顶盖层，并暴露出部分非晶硅层，其中所暴露出的部分非晶硅层的区域是一结晶开始区域。继之，形成金属催化剂层于图形化顶盖层上，且金属催化剂层与结晶开始区域中的非晶硅层接触。之后，对基板的背面进行激光加热工艺，使非晶硅层自结晶开始区域结晶并而转变成多晶硅层。

在本发明的一实施例中，上述的激光加热工艺所使用的激光为准分子激光，且此准分子激光的波长为308纳米。

在本发明的一实施例中，上述的于图形化顶盖层上形成金属催化剂层的方法包括蒸镀、溅镀、化学气相沉积、物理气相沉积及涂布其中之一。

在本发明的一实施例中，上述的金属催化剂层的材料是选自于铁、钴、钯、镍、金、锑、铂、钛、锌、银及其组合其中之一。

在本发明的一实施例中，上述于基板的正面上依序形成缓冲层、非晶硅层与顶盖层的方法包括化学气相沉积法(chemical vapor deposition，CVD)。

在本发明的一实施例中，上述的缓冲层的材料可以是氮化硅及氧化硅其中之一。

在本发明的一实施例中，上述的顶盖层的材料可以是氧化硅。

在本发明的一实施例中，上述的基板的材料可以是玻璃及石英其中之一。

在本发明的一实施例中，上述在进行激光加热工艺之后，更包括移除图形化顶盖层以及金属催化剂层的步骤。

基于上述目的或其他目的，本发明再提出一种薄膜晶体管的制造方法，接着，依序形成缓冲层、非晶硅层与顶盖层于基板的正面上。再来，图形化顶盖层以形成一图形化顶盖层，并暴露出部分非晶硅层，其中所暴露出的部分非晶硅层的区域是一结晶开始区域。继之，形成金属催化剂层于图形化顶盖层上，且金属催化剂层与结晶开始区域中的非晶硅层接触。接着，对基板的背面进行激光加热工艺，使非晶硅层自结晶开始区域结晶并转变成多晶硅层。再来，移除图形化顶盖层以及金属催化剂层。继之，移除结晶开始区域的多晶硅层，并形成多个多晶硅岛状物于基板上。接着，形成栅绝缘层以覆盖多晶硅岛状物。继之，在栅绝缘层上形成多个栅极。之后，利用栅极为掩膜，并于多晶硅岛状物中形成源极/漏极，而此源极/漏极之间的区域即是一沟道区。

在本发明的一实施例中，上述的激光加热工艺所使用的激光为准分子激光，且此准分子激光的波长为308纳米。

在本发明的一实施例中，上述的于图形化顶盖层上形成金属催化剂层的方法包括蒸镀、溅镀、化学气相沉积、物理气相沉积及涂布其中之一。

在本发明的一实施例中，上述的金属催化剂层的材料是选自于铁、钴、钯、镍、金、锑、铂、钛、锌、银及其组合其中之一。

在本发明的一实施例中，上述的于基板的正面上依序形成缓冲层、非晶硅层与顶盖层的方法包括化学气相沉积法。

在本发明的一实施例中，上述的缓冲层的材料可以是氮化硅及氧化硅其中之一。

在本发明的一实施例中，上述的顶盖层的材料可以是氧化硅。

在本发明的一实施例中，上述的基板的材料可以是玻璃及石英其中之一。

在本发明的一实施例中，上述的薄膜晶体管的制造方法，更包括下列步骤。首先，形成一保护层，其覆盖多晶硅岛状物以及栅极。继之，图形化保护层，以暴露出源极/漏极。之后，在保护层上形成一源极/漏极金属层，其中源极/漏极金属层会与暴露出的源极/漏极电性连接。

本发明因对基板的背面进行激光加热工艺，且配合金属诱导横向结晶工艺，所以提升将非晶硅层转变成多晶硅层的效率。并且本发明的方法不需将非晶硅层熔融，而只需提供非晶硅层热能以进行金属诱导横向结晶，因此本发明除了具有金属诱导横向结晶的优点外，又具有加热时间较短、所需能量较低以及金属催化剂不易扩散的优点。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1A～图1E绘示为本发明较佳实施例中一种多晶硅层的制造方法的步骤流程剖面示意图。

图2A～图2E绘示为本发明较佳实施例中一种薄膜晶体管的制造方法的步骤流程剖面示意图。

图3A～图3C绘示为本发明的较佳实施例中一种于薄膜晶体管上形成保护层与源极/漏极金属层的步骤流程剖面示意图。

100：基板               102：正面

104：背面               110：缓冲层

120：非晶硅层           120a：结晶开始区域

130：顶盖层             130’：图形化顶盖层

130a：开口              140：金属催化剂层

150：激光加热工艺       160：多晶硅层

160a：多晶硅岛状物      170：栅绝缘层

180：栅极               190：源极/漏极

195：沟道区             198：离子植入工艺

300：保护层             310：源极/漏极金属层

具体实施方式

图1A～图1E绘示为本发明较佳实施例中一种多晶硅层的制造方法的步骤流程剖面示意图。

此方法首先提供一基板100，此基板100具有正面102与背面104，如图1A所绘示。在一实施例中，基板100的材料可以是玻璃或石英，且基板100是透明基板。

接着，于基板100的正面102上依序形成缓冲层110、非晶硅层120与顶盖层130，如图1B所绘示。在一实施例中，于基板100的正面102上依序形成缓冲层110、非晶硅层120与顶盖层130的方法包括化学气相沉积法，其中缓冲层110的材料可以是氮化硅或氧化硅，此缓冲层110是用以使非晶硅层120较佳地附着于基板100上，并阻挡来自于基板100的杂质进入非晶硅层120；顶盖层130的材料可以是氧化硅，其作为后续用来定义结晶开始区域120a(绘示于图1C中)的图形化罩幕。

再来，图形化顶盖层130而形成一图形化顶盖层130’，其暴露出部分非晶硅层120，其中所暴露出的非晶硅层120的区域是一结晶开始区域120a，如图1B与图1C所绘示。在一实施例中，图形化此顶盖层130的方法，可以是一般微影蚀刻工艺(photolithography)，在此将不予以详述。值得注意的是，图形化顶盖层130’具有开口130a，藉由开口130a使结晶开始区域120a的非晶硅层120暴露出来。

继之，于图形化顶盖层130’上形成金属催化剂层140，且金属催化剂层140与结晶开始区域120a中的非晶硅层120接触，如图1D所绘示。在一实施例中，于图形化顶盖层130’上形成金属催化剂层140的方法可以是蒸镀(evaporation)、溅镀(sputtering)、化学气相沉积(chemical vapordeposition，CVD)、物理气相沉积(physical vapor deposition)或涂布(coating)。并且，金属催化剂层140的材料例如是选自于铁、钴、钯、镍、金、锑、铂、钛、锌、银及其组合其中之一。

之后，对基板100的背面104进行激光加热工艺150，使结晶开始区域120a中的非晶硅开始结晶并使非晶硅层120转变成多晶硅层160，如图1E所绘示。在本发明的一实施例中，激光加热工艺150使用的激光为准分子激光，且此准分子激光使用的波长为308纳米，非晶硅层120可有效地吸收波长为308纳米的激光的能量。

以下将说明非晶硅层120转变成多晶硅层160的过程，请继续参照图1D与图1E。由于非晶硅层120会吸收激光的能量，所以整个非晶硅层120将会被加热。此时，在结晶开始区域120a中的非晶硅层120与金属催化剂层140是彼此接触的状态，所以在此区域中，金属催化剂层140与非晶硅层120将进行反应而形成金属硅化物(未绘示)。并且，由于此金属硅化物具有与多晶硅类似的晶格结构(crystal lattice)，所以非晶硅会以结晶开始区域120a中的金属硅化物作为晶种，而进行金属诱导横向结晶(metalinduced lateral crystallization，MILC)，进而使非晶硅层120转变成多晶硅层160。

值得注意的是，此激光加热工艺150并不会将非晶硅层120熔融，而只是提供非晶硅层120在进行金属诱导横向结晶时所需要的热量，所以本发明的多晶硅层的制造方法具有所需能量较低的优点，结晶速率较高。另外，由于是利用激光加热工艺150，所以加热的时间也可因此而大幅缩短，而提升多晶硅层的制作效率。再者，由于加热时间较短，所以金属催化剂的扩散效应也会因而降低，而不易产生金属催化剂残留的问题。

特别是，对基板100的背面104进行激光加热工艺150的作法，可以使得激光不会受到位在基板100的正面102的金属催化剂层140的反射，因此可以减少激光能量的消耗，进而提高激光加热工艺150的加热效率。

另外，在本发明的一实施例中，在进行如图1E所绘示的激光加热工艺150之后，更包括移除图形化顶盖层130’以及金属催化剂层140的步骤，而使得所形成的多晶硅层160暴露出来(如图2A中所绘示)，以利于进行下一工艺步骤。

综上所述，相较于习知技术而言，本发明的多晶硅层的制造方法具有加热时间短、金属催化剂扩散效应低、结晶速率高，以及所需能量低等优点，另外，由于相关的设备较容易大型化，所以其十分适于制造大面积面板中的薄膜晶体管所使用的多晶硅通道层。以下，将说明一种应用上述的多晶硅层的制造方法的薄膜晶体管的制造方法。

图2A～图2E绘示为本发明较佳实施例中一种薄膜晶体管的制造方法的步骤流程剖面示意图。

如图2A所绘示，基板100上已形成有一多晶硅层160，且多晶硅层160与基板100的间具有一缓冲层110。此处多晶硅层160的制作，即可以应用上述的多晶硅层160的制造方法，值得注意的是，其中结晶开始区域120a中具有高浓度的金属催化剂。

继之，移除结晶开始区域120a的多晶硅层160，而未被移除的多晶硅层160即为一多晶硅岛状物160a，如图2A与图2B所绘示。因为结晶开始区域120a中的多晶硅层160具有高浓度的金属催化剂，所以其不利于作为后续形成的薄膜晶体管的通道层，因此必须将其移除。移除的方法可以是一般的微影蚀刻方法，在此将不予以详述。

接着，形成栅绝缘层170以覆盖此多晶硅岛状物160a，如图2C所绘示，而图2C中仅绘示一个多晶硅岛状物160a。形成栅绝缘层170的方法可以是化学气相沉积法，而栅绝缘层170的材料例如是氧化硅或氮化硅。

继之，在栅绝缘层170上形成一栅极180，如图2D所绘示。在一实施例中，形成栅极180的方式例如是先全面地沉积一层栅极金属层(未绘示)后，再进行一般的微影蚀刻工艺，或是利用荫掩膜(shadow mask)(未绘示)配合镀膜工艺的方式，直接在栅绝缘层170上沉积形成栅极180，熟知技艺者应可据以实施，在此将不详述工艺的步骤。

之后，于多晶硅岛状物160a两侧形成一源极/漏极190，而此源极/漏极190的间即是一沟道区195，如图2E所绘示。形成源极/漏极190的方法例如是以栅极180为自行对准罩幕，进行一离子植入工艺198，以将掺杂离子植入到多晶硅岛状物160a中，至此，源极/漏极190、通道层195、栅极180即组成一薄膜晶体管200。

在本发明的一较佳实施例中，上述的薄膜晶体管的制造方法，例如更包括如图3A～图3C所绘示的步骤。首先，请参照图3A，形成一保护层300以覆盖多晶硅岛状物160a以及栅极180。形成此保护层300的方法例如是化学气相沉积法或电浆加强化学气相沉积法，而保护层300的材料例如是氮化硅或氧化硅。接着，请参照图3B，图形化此保护层300以暴露出源极/漏极190。此图形化工艺为一般的微影蚀刻工艺，在此不予以详述。之后，请参照图3C，在保护层300上形成一源极/漏极金属层310，其中源极/漏极金属层310会与暴露出的源极/漏极190电性连接。

综上所述，本发明的多晶硅层的制造方法以及薄膜晶体管的制造方法具有下列优点：

(1)对基板的背面进行激光加热工艺，并配合金属诱导横向结晶工艺的作法，由于其不需将非晶硅层熔融，而仅需提供非晶硅层热能以进行金属诱导横向结晶，因此本发明的所需能量较低、加热时间较短且结晶速率较高。

(2)由于加热时间较短，所以金属催化剂的扩散效应会降低，而减少金属催化剂残留的问题。

(3)由于相关设备可以较容易地大型化，所以本发明的多晶硅层的制造方法，将十分适于制造大面积面板中的薄膜晶体管所使用的多晶硅通道层。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定为准。

Claims (20)

1.一种多晶硅层的制造方法，包括：

提供一基板，该基板具有一正面与一背面；

依序形成一缓冲层、一非晶硅层与一顶盖层于该基板的该正面上；

图形化该顶盖层以形成一图形化顶盖层，并暴露出部分该非晶硅层，其中所暴露出的部分该非晶硅层的区域是一结晶开始区域；

形成一金属催化剂层于该图形化顶盖层上，且该金属催化剂层与该结晶开始区域中的该非晶硅层接触；以及

对该基板的该背面进行一激光加热工艺，使该非晶硅层自该结晶开始区域结晶并转变成一多晶硅层。

2.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中该激光加热工艺所使用的激光为一准分子激光。

3.根据权利要求2所述的多晶硅层的制造方法，其中该准分子激光的波长为308纳米。

4.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中于该图形化顶盖层上形成该金属催化剂层的方法包括蒸镀、溅镀、化学气相沉积、物理气相沉积及涂布其中之一。

5.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中该金属催化剂层的材料是选自于铁、钴、钯、镍、金、锑、铂、钛、锌、银及其组合其中之一。

6.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中于该基板的该正面上依序形成该缓冲层、该非晶硅层与该顶盖层的方法包括化学气相沉积法。

7.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中该缓冲层的材料包括氮化硅及氧化硅其中之一。

8.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中该顶盖层的材料包括氧化硅。

9.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中该基板的材料包括玻璃及石英其中之一。

10.根据权利要求1所述的多晶硅层的制造方法，其中在进行该激光加热工艺之后，更包括移除该图形化顶盖层以及该金属催化剂层的步骤。

11.一种薄膜晶体管的制造方法，包括：

提供一基板，该基板具有一正面与一背面；

依序形成一缓冲层、一非晶硅层与一顶盖层于该基板的该正面上；

图形化该顶盖层以形成一图形化顶盖层，并暴露出部分该非晶硅层，其中所暴露出的部分该非晶硅层的区域是一结晶开始区域；

形成一金属催化剂层于该图形化顶盖层上，且该金属催化剂层与该结晶开始区域中的该非晶硅层接触；

对该基板的该背面进行一激光加热工艺，使该非晶硅层自该结晶开始区域结晶并转变成一多晶硅层；

移除该图形化顶盖层以及该金属催化剂层；

移除该结晶开始区域的该多晶硅层，并形成多数个多晶硅岛状物于该基板上；

形成一栅绝缘层以覆盖该些多晶硅岛状物；

在该栅绝缘层上形成多数个栅极；以及

利用该些栅极为掩膜，并于该些多晶硅岛状物中形成源极/漏极，而该源极/漏极之间的区域即是一沟道区。

12.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该激光加热工艺所使用的激光为一准分子激光。

13.根据权利要求12所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该准分子激光的波长为308纳米。

14.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中于该图形化顶盖层上形成该金属催化剂层的方法包括蒸镀、溅镀、化学气相沉积、物理气相沉积及涂布其中之一。

15.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该金属催化剂层的材料是选自于铁、钴、钯、镍、金、锑、铂、钛、锌、银及其组合其中之一。

16.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中于该基板的该正面上依序形成该缓冲层、该非晶硅层与该顶盖层的方法包括化学气相沉积法。

17.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该缓冲层的材料包括氮化硅及氧化硅其中之一。

18.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该顶盖层的材料包括氧化硅。

19.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，其中该基板的材料包括玻璃及石英其中之一。

20.根据权利要求11所述的薄膜晶体管的制造方法，更包括：

形成一保护层，覆盖该些多晶硅岛状物以及该些栅极；

图形化该保护层，以暴露出该些源极/漏极；以及

在该保护层上形成一源极/漏极金属层，其中该源极/漏极金属层会与暴露出的该些源极/漏极电性连接。

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