CN101192519A - 半导体元件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体元件及其制作方法，包含下列步骤：提供一具有一绝缘表面的基板；形成一非晶硅层于绝缘表面上；加入一金属催化元素至非晶硅层；加热催化非晶硅层以形成一多晶硅层；依序形成一扩散层及一捕捉材料层于多晶硅层上；进行一热退火制程，捕捉材料层中含金属催化元素的浓度小于多晶硅层中含金属催化元素的浓度，故使金属催化元素扩散移动至捕捉材料层中；之后移除扩散层及捕捉材料层。

Description

半导体元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种半导体元件的制作方法，特别是一种多晶硅层半导体元件的制作方法。

背景技术

以低温多晶硅层制作的半导体元件，已经广泛的被应用于3C的环境，特别是用于平面显示器的控制元件上。使用低温多晶硅技术与非晶硅来比较，它拥有较快的电子迁移率，提供一较佳的结构与电子特性，因此可以制作出较高分辨率和色度的平面显示器。此外，它也可以结合驱动平面的电路直接形成于玻璃基板上，减少接角的连接。因而多晶硅多被用来发展与制造高性能、高品质元件，这些元件包括薄膜晶体管、影像感应器等。

一般非晶硅的制程，大都使用传统炉管退火、快速热退火或准分子激光退火技术。低温炉管退火使多晶硅在约600℃下的低压化学气相沉积情况下直接沉积于基板上。但从成核到成长成晶粒的整个过程，需要非常长的时间退火；快速热退火技术能降低热预算，但其结晶结果也较差；准分子激光技术是利用准分子激光，将非晶硅层熔融藉由退火的过程结晶成非晶硅，但熔融硅欠缺快速凝结速度而使非晶硅结晶颗粒过小。

美国专利号6197626揭露一种利用金属诱发结晶制作多晶硅层的方法。其提供一可靠的金属层(大多为镍或金)于非晶硅层的表面，升温使非晶硅层表面形成金属硅化物，非晶硅藉由金属硅化物的原子移动促其形成结晶硅，经由退火的过程形成多晶硅层。金属诱发结晶形成多晶硅层的方法，其优点是可以以较低温的制程制作，因此可适用于多种类型的基板上沉积多晶硅层，但其于金属诱发结晶的过程中无可避免的，金属留置于多晶硅晶格结构中，即形成金属污染，造成元件电性的损害。为了得到品质较好、元件电性较佳的多晶硅层，必须减少诱发结晶的金属于其中的残余量。因此，此篇专利亦提出于多晶硅层上再沉积一层二氧化硅及氮化硅，经由黄光微影制程，制作出图形然后植入磷离子，再经由退火的过程使多晶硅层中未植入磷离子区域的残余金属移除至以植入磷离子的区域，然后依元件设计的图案，以等向性蚀刻移除二氧化硅、氮化硅层及多余的多晶硅层。

然而此方法需要多一道黄光微影制程、三次蚀刻及磷离子植入，增加许多的制程时间及制作成本。因此根据上述的困扰，如何在减少制作时间及成本的前提下，可有效减少残余金属量是制作半导体元件重要课题之一。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的之一是提供一种半导体元件及其制作方法，利用一扩散层的形成阻挡残余金属回到半导体薄膜中。

本发明目的之一是提供一种半导体元件及其制作方法，无须额外的微影制程便可形成改善捕捉残余金属的扩散层及捕捉层于金属诱发多晶硅薄膜上，以捕捉金属诱发多晶硅薄膜中的残余金属。

本发明目的之一是提供一种多晶硅半导体元件及其制作方法，可快速制作结晶颗粒大且有效除去金属残留的多晶硅层。

为了达到上述目的，本发明一实施例提供一种半导体元件的制作方法，包含下列步骤：一非晶硅层形成于一具有绝缘表面的基板上；加入一金属催化元素于非晶硅层内并加热催化非晶硅层以形成一多晶硅层于绝缘表面上；依序形成一扩散层及一捕捉材料层于多晶硅层上；进行一热退火制程于捕捉材料层与多晶硅层；于进行热退火步骤后移除扩散层及捕捉材料层。

通过上述技术特征，本发明的有益效果表现在：可适用于多种材质基板之上，无须增加制程步骤及生产的成本，可快速制作结晶颗粒大且有效除去金属残留的多晶硅层，并简化生产流程及提升元件的可靠度。

附图说明

图1为依据本发明实施之一多晶硅半导体元件制作方法流程图。

图2A至图2E为依据本发明概念制作一多晶硅半导体元件的步骤示意图。

图中符号说明

10    提供一基板

20    形成一非晶硅层

25    提供一金属催化元素

30    升温加热

35    形成多晶硅层

40    形成一扩散层

45    形成一捕捉材料层

50    进行一热退火制程

55    移除扩散层及捕捉材料层

12    基板

13    绝缘表面

14    非晶硅层

26    金属催化元素

32    多晶硅层

42    扩散层

46    捕捉材料层

具体实施方式

以下通过实施例及附图说明本发明的概念。请参照图1，图中所示为据本发明实施的一多晶硅半导体元件制作方法流程图。其至少包含下列步骤：提供具有一绝缘表面的一基板(步骤10)；形成一非晶硅层(步骤20)于基板的绝缘表面上；提供一金属催化元素于非晶硅层中(步骤25)；进行升温加热(步骤30)以催化非晶硅层以形成一多晶硅层薄膜于绝缘表面上(步骤35)；依序形成一扩散层(步骤40)及形成一捕捉材料层(步骤45)于多晶硅层上，此时多晶硅层中的金属催化元素含量大于捕捉材料层的金属催化元素含量；进行一热退火制程(步骤50)，因为捕捉材料层的金属催化元素浓度小于多晶硅层中的金属催化元素浓度，故金属催化元素可由多晶硅层移动至捕捉材料层；之后再一并移除扩散层及捕捉材料层(步骤55)，即去除残余于多晶硅层中的金属催化元素。

请一并参照图2A至图2E，其为依本发明概念实施的一多晶硅半导体元件的剖面示意图。如图2A所示，其提供一基板12，此基板12可依半导体元件应用的需求而予以各类型的材质，例如制作使用于液晶(LC)、无机和有机薄膜电致发光(EL和OEL)平面显示器的薄膜晶体管，为一玻璃板或一塑料材质制的可挠式基板，若为一影像感测元件，则为一硅晶圆等；于此基板12之一表面上，利用低压化学气相沉积法(LPCVD)，以氧化硅或氮化硅形成一绝缘表面13；于绝缘表面13上先形成一硅或硅锗化合物的非晶硅层14；之后提供一金属催化元素26(通常为镍、金或其它可替代的元素，诸如钴、铁、钯、铂、铜、铟、银、钛等)，以金属块材辅以直流溅镀法，或以一含金属离子化合物的溶液辅以涂布机旋转涂布的方法，形成于非晶硅层14的表面(如图2A所示)，金属催化元素26会与非晶硅层14的硅反应形成金属硅化物，并形成沿着一特定方向排列的晶粒，而形成一含金属催化元素26的多晶硅层32(如图2B所示)，此一藉由金属催化元素26形成多晶硅层32的方法即为金属诱发结晶(MILC，metal induced lateral crystallization)。

接续上述说明，如图2C所示，于多晶硅层32的另一面制作一层与硅呈惰性反应的化合物，如氮化硅、钽等(Si₃N₂、Ta)作为一扩散层42，其作用为提供一良好的界面以衔接多晶硅层32与后续即将制作的捕捉材料层46及作为于接续制程中，对多晶硅层32的保护作用；于扩散层42的另一面，以电子束蒸镀或直流溅镀法镀附一金属层或制作一非晶硅层当捕捉材料层46，其中金属层的材质为钽(Ta)、铜(Cu)、铁(Fe)、铝(Al)或铂(Pt)其中之一；接着升温并进行热退火制程，藉由升温及热退火的过程，使得原有残留于多晶硅层32晶格结构中的金属催化元素26，因受热能及浓度梯度影响，往不含此金属催化元素26的捕捉材料层46移动，待热退火步骤完成后即如图2D所示，金属催化元素26由原来残留于多晶硅层32晶格结构中移至捕捉材料层46之中。接着再以蚀刻技术，将扩散层42及捕捉材料层46一并移除，此一过程中扩散层42即作为保护作用，以避免多晶硅层32的表面结构于蚀刻过程中受到损害。完成上述制作过程后，即得到一如图2E所示的基板12上设有多晶硅层32的半导体结构，可接续于多晶硅层32上制作具快速载子迁移率的电子元件诸如薄膜晶体管等。

综合上述，本发明可适用于多种材质基板之上，无须增加制程步骤及生产的成本，可快速制作结晶颗粒大且有效除去金属残留的多晶硅层，并简化生产流程及提升元件的可靠度。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (22)

1.一种半导体元件的制作方法，包含：

提供具有一绝缘表面的一基板；

形成一非晶硅层于该绝缘表面上；

加入一金属催化元素于该非晶硅层内；

加热催化该非晶硅层以形成一多晶硅层；

依序形成一扩散层及一捕捉材料层于该多晶硅层上；

进行一热退火制程于该捕捉材料层与该多晶硅层；以及

于该进行热退火步骤后移除该扩散层及该捕捉材料层。

2.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该绝缘表面为氧化硅层。

3.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该非晶硅层为硅或硅锗化合物。

4.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该基板的材质为玻璃、塑料或硅晶圆其中之一。

5.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该金属催化元素与该非晶硅层的硅反应形成一金属硅化物。

6.如权利要求5所述的半导体元件的制作方法，其中该金属硅化物诱发该非晶硅层形成沿着一特定方向排列的晶粒，而转变为该多晶硅层。

7.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该扩散层为一与硅成惰性反应的材质。

8.如权利要求7所述的半导体元件的制作方法，其中该扩散层的材质为氮化硅。

9.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该捕捉材料层为一金属层或一非晶硅层。

10.如权利要求9所述的半导体元件的制作方法，其中该金属层为钽、铜、铁、铝及铂其中之一。

11.如权利要求9所述的半导体元件的制作方法，其中该热退火步骤进行前，该多晶硅层的该金属催化元素浓度大于该捕捉材料层的该金属催化元素浓度。

12.如权利要求9所述的半导体元件的制作方法，其中该热退火步骤进行后，该捕捉材料层的该金属催化元素浓度大于该多晶硅层的该金属催化元素浓度。

13.如权利要求9所述的半导体元件的制作方法，其中该捕捉材料层藉由金属块材以电子束蒸镀或直流溅镀的方法形成。

14.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该金属催化元素藉由金属块材以电子束蒸镀或直流溅镀的方法形成。

15.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该金属催化元素藉由金属离子溶液以涂布机旋转涂布的方法形成。

16.如权利要求1所述的半导体元件的制作方法，其中该移除该扩散层及该捕捉材料层步骤完成后，该多晶硅层可接续制作为一薄膜晶体管元件。

17.一种半导体元件，包含：

一基板具有一绝缘表面；

一多晶硅层于该绝缘表面上，其中该多晶硅层中包含一金属催化元素；

一扩散层于该多晶硅层上；以及

一捕捉材料层于该扩散层上，其中该捕捉材料层中含该金属催化元素的浓度大于该多晶硅层中含该金属催化元素的浓度。

18.如权利要求17所述的半导体元件，其中该基板的材质为玻璃、塑料或硅晶圆其中之一。

19.如权利要求17所述的半导体元件，其中该多晶硅层为硅或硅锗化合物。

20.如权利要求17所述的半导体元件，其中该金属催化元素为镍、钴、铁、钯、铂、铜、金、铟、银及钛其中之一。

21.如权利要求17所述的半导体元件，其中该捕捉材料层为一金属层或一非晶硅层。

22.如权利要求21所述的半导体元件，其中该金属层为钽、铜、铁、铝及铂其中之一。

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