CN100537838C - 一种低温多晶硅薄膜器件及其制造方法与设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低温多晶硅薄膜器件及其制造方法与设备，该制造方法的步骤包括：提供一基材；及施加一偏压给该基材并以一等离子体化学汽相沉积法沉积一多晶硅材料于该基材上，以通过该偏压的诱发使该多晶硅材料结晶为该多晶硅薄膜。本发明可于低温下获得较高品质的多晶硅薄膜器件，结晶率高且减少孕核层厚度，避免了破真空的污染。

Description

一种低温多晶硅薄膜器件及其制造方法与设备
技术领域
本发明涉及一种多晶硅薄膜及其形成方法，特别是涉及一种低温多晶硅薄膜及其制造方法与设备。
背景技术
在众多装置如半导体、薄膜级太阳能电池及各种液晶显示器的制造上，都需要在低温下形成一硅薄膜，即在600℃以下的温度中，利用物理汽相沉积(Physical Vapor Deposition；PVD)、离子增长型化学汽相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition；PE-CVD)或化学汽相沉积(ChemicalVapor Deposition；CVD)等方式汽相沉积一硅薄膜，但是在沉积时此硅薄膜并没有足够的能量形成多晶硅(poly-silicon；poly-Si)，而仅能形成非晶硅(amorphous silicon；a-Si)。由于多晶硅的硅结晶排列比非晶硅有次序，因此多晶硅具有较高的电子迁移率及低温度敏感性。
目前为了得到多晶硅薄膜，一般利用固相结晶法(Solid PhaseCrystallization)或准分子激光退火(Excimer Laser Annealing；ELA)方式，致使非晶硅薄膜在高温退火环境下结晶成多晶硅，方能得到多晶硅的结构。
然而，在利用固相结晶法时，需要较高的结晶温度，因此必须以硅片(Siwafer)或石英(Quartz；SiO3)等材料作为基材，而这些材料的成本较为昂贵，因而不利于大批量生产。
再者，在利用激光退火方法时，其虽然可降低结晶温度，但是机台设备成本极高，且采用激光扫描方式其形成速度尚有待加强。
近几年来已发展出可利用离子增长型化学汽相沉积法或热丝化学蒸镀法(Hot wire chemical vapor deposition；HW-CVD)等化学汽相沉积法来直接沉积多晶硅材料，但是在沉积多晶硅薄膜的初期，由于成核密度过低，因此必须沉积到达数千埃(>1000
Figure C200510116621D0003085333QIETU
)之后才可获得结晶程度较佳的多晶硅薄膜。
此外，除了此种直接沉积的方法外，已发展出利用金属诱导横向结晶法(metal-induced lateral crystallization；MILC)技术以慢速沉积出一较薄的多晶硅，以供作为后续非晶硅的种子层(Seed layer)，其中沉积此多晶硅所使用的慢流速低于正常沉积非晶硅气体流速的数倍之多，而后在沉积一适当厚度的非晶硅，再以600℃的温度进行炉内退火，以使非晶硅转化为多晶硅。由于其已具有晶种层，因此可于短时间内将非晶硅转化为多晶硅。事实上，由于以低速形成种子层所耗时间过长，因此于总形成时间(由沉积至退火完成)上并未有所节省。再者，此种利用金属诱导横向晶化技术的成长方法需要考虑金属与硅的共熔点过高，并且会有薄膜遭金属污染的问题，因此并不适合于批量生产使用；另外一方面，以种子层帮助薄膜成长的方法，仍有基材温度过高等无法克服的问题存在。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于提供一种在低温下就可直接沉积形成多晶硅薄膜的制造方法及其所应用的设备，从而改善沉积薄膜品质，降低孕核层的厚度。
为实现上述目的，本发明提供的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法包括有下列步骤：提供一基材，再施加一偏压给基材并通过等离子体化学汽相沉积法沉积多晶硅材料于基材上，以通过偏压的诱发使多晶硅材料结晶为多晶硅薄膜。于此，利用偏压的施加而使多晶硅材料表面的硅原子具有足够的扩散能量，以提高多晶硅材料的结晶程度，进而在低基材温度下形成多晶硅薄膜。
其中，等离子体化学汽相沉积法可为一般的离子增长型化学汽相沉积法，也可为感应耦合等离子体化学汽相沉积(Inductively-Coupled PlasmaChemical Vapor Deposition；ICP-CVD)法。
再者，此感应耦合等离子体化学汽相沉积法通过下列步骤而执行；首先，将基材置入于一真空腔体中，并通入具有多晶硅材料的气体到真空腔体内，再利用感应线圈产生电感耦合电场于真空腔体内，以使通入的气体因电感耦合电场而形成高密度等离子体，最后此高密度等离子体扩散至基材，使多晶硅材料沉积于基材的表面上。
本发明公开的另一种低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法，包括有下列步骤：提供一基材，沉积具有既定晶格常数的材料于基材上，以形成具优选方向的诱发层，最后，再利用等离子体化学汽相沉积法将多晶硅材料沉积于诱发层上，以通过诱发层的诱发使多晶硅材料结晶而形成多晶硅薄膜。于此，诱发层可作为多晶硅材料的硅原子键结排列的温床，以使多晶硅材料可于低温下结晶为多晶硅薄膜。
其中，此既定晶格常数近似于硅的晶格常数，因此具有此既定晶格常数的材料包括有氮化铝等材料。此外，诱发层可利用化学汽相沉积(CVD)方式、物理汽相沉积(PVD)方式或原子层沉积(atomic layer deposition；ALD)方式来形成，而多晶硅薄膜可通过利用一般的离子增长型化学汽相沉积法或是感应耦合等离子体化学汽相沉积法直接沉积多晶硅材料于诱发层上而实现。
再者，此感应耦合等离子体化学汽相沉积法通过下列步骤而执行；首先，将基材置入于一真空腔体中，并通入具有多晶硅材料的气体到真空腔体内，再利用感应线圈产生电感耦合电场于真空腔体内，以使通入的气体因电感耦合电场而形成高密度等离子体，最后此高密度等离子体扩散至基材，并使多晶硅材料沉积于基材的表面上。
本发明还公开一种低温多晶硅薄膜器件，包括有基材、诱发层与多晶硅薄膜；诱发层位于基材上，多晶硅薄膜则位于诱发层上，其中此诱发层具有既定晶格常数及优选方向。
其中，此既定晶格常数近似于硅的晶格常数，因此具有此既定晶格常数的材料包括有氮化铝等材料。此外，诱发层可利用化学汽相沉积方式、物理汽相沉积方式或原子层沉积方式来形成，而多晶硅薄膜可通过利用一般的离子增长型化学汽相沉积法或是感应耦合等离子体化学汽相沉积法直接沉积多晶硅材料于诱发层上而获得。
另外，于基材与诱发层之间可具有一栅极。则于半导体器件制作时，即可以诱发层来充当栅极绝缘层，以降低制造成本与时间。
本发明还公开了一种感应耦合等离子体化学汽相沉积设备，用以沉积低温多晶硅薄膜于一基材上，此感应耦合等离子体化学汽相沉积设备包括有真空腔体、感应线圈与直流偏压源；其中，感应线圈与直流偏压源设置于真空腔体外部，且真空腔体内具有支撑座，可供承放基材，而此真空腔体内可通入一种以上的气体，其中于通入的气体中包括有多晶硅材料，再利用感应线圈产生电感耦合电场，驱使真空腔体内的前述气体反应为等离子，而等离子会扩散至基材表面产生吸附、反应、迁移等作用，而使多晶硅材料沉积于基材上，同时利用电性连接至支撑座上的直流偏压源，对于基材施加偏压，促使该多晶硅材料结晶为多晶硅薄膜。
本发明可于低温下获得较高品质的多晶硅薄膜器件，结晶率高且减少孕核层厚度，避免了破真空的污染。
附图说明
图1为根据本发明的第一实施例的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法的流程图；
图2为根据本发明的第一实施例的低温多晶硅薄膜器件的示意图；
图3为根据本发明的第一实施例的电感耦合式等离子化学汽相沉积设备的示意图；
图4为根据本发明的第二实施例的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法的流程图；
图5为根据本发明的第二实施例的低温多晶硅薄膜器件的示意图；
图6为根据本发明的实施例的低温多晶硅薄膜的拉曼光谱；及
图7为根据本发明的实施例的低温多晶硅薄膜晶体管的示意图。
其中，附图标记：
10    多晶硅薄膜器件                   11    基材
12    多晶硅薄膜                       13    诱发层
14    栅极                             15    阻挡层
16    掺杂层                           17    源极/漏极
20    电感耦合式等离子化学汽相沉积设备
30    真空腔体                         31    支撑座
40    感应线圈                         50    直流偏压源
60    低温多晶硅薄膜晶体管
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，现配合实施例详细说明如下。
首先说明本发明的主要概念，乃利用高密度等离子体及诱导结晶的思想，来改善沉积薄膜品质与降低孕核层(Incubation layer)厚度。
请参阅图1所示，本发明的第一实施例所提供的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法的流程图，包括下列步骤：首先，提供一基材(步骤100)，然后，施加偏压给基材并以等离子体化学汽相沉积法于基材上沉积多晶硅材料(步骤110)。其中，可先开启施加给基材的偏压，再进行多晶硅材料的沉积，或是先开始进行多晶硅材料的沉积，再立刻开启施加给基材的偏压，或者施加偏压和多晶硅材料的沉积同时进行。如此一来，即可利用高密度等离子体配合基材偏压，而提供多晶硅材料表面的硅原子能有足够的能量扩散，以产生较为规则的原子排列，因而可在低温下多晶硅材料结晶成为多晶硅薄膜。并且，通过本实施例可制得由基材11与多晶硅薄膜12所构成的多晶硅薄膜器件10，如图2所示。
本实施例中，除了可利用一般的离子增长型化学汽相沉积设备来实现多晶硅材料的沉积外，还可使用一感应耦合等离子体化学汽相沉积(ICP-CVD)设备，来沉积此多晶硅薄膜；请参阅图3所示，此感应耦合等离子体化学汽相沉积设备20是由真空腔体30、感应线圈40与直流偏压源50所组成；真空腔体30内可通入一种以上的气体，并具有支撑座31，以供基材11置放，直流偏压源50电性连接至基材11上，且感应线圈40与直流偏压源50皆设置于真空腔体30外部，分别用以驱动等离子体产生与提供偏压。
当通入气体于真空腔体30内，利用感应线圈40产生电感耦合的电场，可使真空腔体30内的气体反应为高密度等离子体，当等离子体扩散至基材11表面会产生吸附、反应、迁移等作用，而在基材11上沉积为多晶硅材料，并配合直流偏压源50对于基材11施加偏压，使离子轰击基材11所产生的热能顺利传至多晶硅材料表面的硅原子，让表面的硅有足够的扩散能量，而提高多晶硅材料的结晶程度，因此在低基材温度下即可获得多晶硅薄膜12。
另外，于进行多晶硅材料的沉积之前，可先以晶格常数与硅相近的材料，如氮化铝(AlN)，沉积一层具有优选方向的诱发层，再利用此诱发层作为多晶硅晶种硅原子键结排列的温床，来沉积出品质较高的多晶硅薄膜。沉积过程完全结束以后，残余气体经与真空腔体相连接的抽气泵排出。
请参阅图4所示，本发明所提供的第二实施例的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法的流程图。于此，首先提供一基材(步骤200)；然后，沉积具既定晶格常数的材料于基材上，以形成具优选方向的诱发层(步骤210)，其中此诱发层可利用化学汽相沉积、物理汽相沉积或原子层沉积(atomic layerdeposition；ALD)等方式来形成；最后，以等离子体化学汽相沉积法沉积多晶硅材料于诱发层上(步骤220)。于此，用以沉积成诱发层的材料(例如：氮化铝等材料)可具备近似于硅的晶格常数。如此一来，即可利用诱发层来减小因晶格不匹配(lattice mismatch)所造成的应力与晶格散乱等问题，并藉以诱发多晶硅材料的硅原子形成有规则性的原子排列，进而在极小的厚度即可形成品质较高的多晶硅薄膜。再者，于此可利用一般的离子增长型化学汽相沉积法或感应耦合等离子体化学汽相沉积法来实现多晶硅材料的沉积。
通过上述的方法的运用即可于低温下制得一多晶硅薄膜器件；如图5所示，此多晶硅薄膜器件10是由基材11、诱发层13与多晶硅薄膜12所构成，其中诱发层13位于基材11上，多晶硅薄膜12则位于诱发层13上。诱发层具有优选方向且晶格常数近似于硅，因此，此诱发层的材料可为氮化铝等材料。
本发明对于本实施例的多晶硅薄膜以实验进行验证，如图6所示，为采用氮化铝为诱发层辅助沉积多晶硅薄膜的拉曼(Raman)光谱，于图中可发现明显的多晶硅的谱峰，表示根据本发明的实施例的确可获得多晶硅薄膜。
在此，通过高密度等离子体搭配基材偏压的方式来进行多晶硅材料的沉积，为硅原子提供足够能量，使硅原子有较好的原子排列，进而沉积出品质较高的多晶硅薄膜。
此外，利用根据本发明的方法除了可获得结构排列较佳的多晶硅薄膜外，用以形成诱发层的材料还具有较好的导热性质与介电绝缘性，因此可将其应用于显示器的基材散热，以及应用于薄膜晶体管(TFT)器件中的栅极绝缘层，以降低制造成本与时间。如图7所示，先将栅极14制作于基材11上，再形成一诱发层13于基板的上方，并覆盖此栅极14。然后在诱发层13上形成一多晶硅薄膜12，然后于多晶硅薄膜12上形成一阻挡层15，再于阻挡层15的两侧形成用以作为信道的掺杂层16，并在掺杂层16上形成源极/漏极17，因而形成一低温多晶硅薄膜晶体管60。
举例来说，在玻璃或硅晶基板上制作好栅极金属图形后，可将制作好栅极的玻璃或硅晶基板置入于感应耦合等离子体化学汽相沉积设备中，以进行诱发层材料如氮化铝(AlN)的沉积；可在约150℃的低温、腔体压力约30mtorr，以及感应耦合等离子体(ICP)功率约800W的条件下沉积10分钟，以沉积具优选方向的氮化铝作为栅极绝缘层，同时以此作为接续多晶硅沉积的温床；因此，在同一个沉积腔体内，可连续形成诱发成长绝缘层、多晶硅主动层和多晶硅掺杂层，进而形成器件结构。通过此种连续成长的方式可提高薄膜品质，并且不受破真空的污染，因而可得到高结晶率且高优选方向的多晶硅薄膜。
虽然本发明以前述的实施例公开如上，但并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所做的更动与修改，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参阅所附的权利要求书。

Claims (5)

1、一种低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法，其特征在于，包括下列步骤：
提供一基材；及
施加一偏压给该基材并以一等离子体化学汽相沉积法沉积一多晶硅材料于该基材上，以通过该偏压的诱发使该多晶硅材料结晶为该多晶硅薄膜。
2、如权利要求1所述的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法，其特征在于，在该施加一偏压给该基材并以一等离子体化学汽相沉积法沉积一多晶硅材料于该基材上，以通过该偏压的诱发使该多晶硅材料结晶为多晶硅薄膜的步骤中，该等离子体化学汽相沉积法为一离子增长型化学汽相沉积法。
3、如权利要求1所述的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法，其特征在于，在该施加一偏压给该基材并以一等离子体化学汽相沉积法沉积一多晶硅材料于该基材上，以通过该偏压的诱发使该多晶硅材料结晶为多晶硅薄膜的步骤中，该等离子体化学汽相沉积法为一感应耦合等离子体化学汽相沉积法。
4、如权利要求3所述的低温下直接沉积多晶硅薄膜的制造方法，其特征在于，该感应耦合等离子体化学汽相沉积法的进行，包含下列步骤：
将该基材置入于一真空腔体中；
通入具有该多晶硅材料的一气体到该真空腔体内；
利用一感应线圈产生一电感耦合电场于该真空腔体内，以使该气体因该电感耦合电场而形成一高密度等离子体；及
使该高密度等离子体扩散至该基材，以使该多晶硅材料沉积于该基材上。
5、一种感应耦合等离子体化学汽相沉积设备，用以沉积一低温多晶硅薄膜于一基材上，其特征在于，该感应耦合等离子体化学汽相沉积设备包括：
一真空腔体，可通入一种以上的气体，并具有一支撑座，用以承放该基材，其中通入的该气体中包括一多晶硅材料；
一感应线圈，置放于该真空腔体外部，用以感应产生一电感耦合电场于该真空腔体中，以致使该真空腔体中的该气体反应成一等离子体以离子轰击该基材而沉积于该基材上；及
一直流偏压源，电性连接至该支撑座，用以施加一偏压给该支撑座上的该基材，以诱发沉积于该基材上的该多晶硅材料结晶为该多晶硅薄膜。
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