CN101409230B

CN101409230B - 多晶硅层的制作方法

Info

Publication number: CN101409230B
Application number: CN2007101811314A
Authority: CN
Inventors: 蔡依芸; 丘绍裕; 马佳萱; 游培甄
Original assignee: Chunghwa Picture Tubes Ltd
Current assignee: Chunghwa Picture Tubes Ltd
Priority date: 2007-10-08
Filing date: 2007-10-08
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2027-10-08
Also published as: CN101409230A

Abstract

一种多晶硅层的制作方法。首先，提供基板。接着，于基板上形成非晶硅层。再来，提供图案化光掩模，此图案化光掩模包括透光区与遮光区，且以图案化光掩模为罩幕，对非晶硅层照射一光线，其中，对应透光区的非晶硅层转变为亲水性的非晶硅层，而对应遮光区的非晶硅层为疏水性的非晶硅层。继而，提供亲水性金属催化剂，配置在亲水性的非晶硅层上。之后，进行退火工艺，使亲水性金属催化剂形成为金属催化剂层，并且，经由金属催化剂层的作用使非晶硅层转变为多晶硅层。

Description

多晶硅层的制作方法

技术领域

本发明是有关于一种半导体膜层(semiconductor layer)的制作方法，且特别是有关于一种多晶硅层(polysilicon layer)的制作方法。

背景技术

薄膜晶体管显示器(Thin Film Transistor Liquid Crystal Display，TFT-LCD)已成为目前许多平面显示器中的主流。根据沟道层材质的选择，薄膜晶体管液晶显示器可分为非晶硅薄膜晶体管(amorphous silicon TFT)液晶显示器及低温多晶硅薄膜晶体管(Low-Temperature PolySilicon Thin Film Transistor，LTPS-TFT)液晶显示器等两种。

承上述，由于低温多晶硅薄膜晶体管的电子迁移率可以达到200cm²/V-sec以上，所以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板上，可大幅降低面板制造成本。因此，目前的研究趋势大多着重于低温多晶硅薄膜晶体管的开发上。

一般而言，在低温多晶硅薄膜晶体管中，作为沟道层的多晶硅层的制作方法主要有以下两种。

第一，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。之后，使熔融硅于冷却时进行结晶，进而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(pooruniformity)、以及激光扫描面积较小等问题(narrow process window)。

第二，利用退火工艺配合金属诱导结晶工艺(Metal Induced Crystallization，MIC)或金属诱导横向结晶工艺(Metal Induced Lateral Crystallization，MILC)的方法。由于上述准分子激光退火工艺的缺点不易克服，因此，研发了此种多晶硅层的制作方法。此制作方法是利用金属在低温下与硅反应以形成金属硅化物(metal silicide)。此金属硅化物会诱导非晶硅进行结晶，而使非晶硅转变为多晶硅。

图1A～图1E绘示为现有一种多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。首先，请参照图1A，在基板100上形成粘着层110、阻障层120与非晶硅层130。再来，请参照图1B，在非晶硅层130上形成一金属催化剂层140。

接着，请参照图1C，利用微影蚀刻工艺图案化此金属催化剂层140，以形成一图案化金属催化剂层140。继而，请参照图1D，进行退火工艺150，使非晶硅层130转变为多晶硅层160，其中，与图案化金属催化剂层140接触的非晶硅层130是经由金属诱导结晶工艺(Metal Induced Crystallization，MIC)而转变为多晶硅层162，未与图案化金属催化剂层140接触的非晶硅层130是经由金属诱导横向结晶工艺(Metal Induced Lateral Crystallization，MILC)而转变为多晶硅层164。之后，请参照图1E，移除图案化金属催化剂层140，而完成多晶硅层160的制作。

图2A～图2F绘示为现有另一种多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。首先，请参照图2A，在基板200上形成粘着层210、阻障层220与非晶硅层230。再来，请参照图2B，在非晶硅层230上形成一氧化硅层240。

接着，请参照图2C，利用微影蚀刻工艺图案化此氧化硅层240，以形成一图案化氧化硅层240。继而，请参照图2D，在基板200上全面形成一金属催化剂层250。之后，请参照图2E，进行退火工艺260，使非晶硅层230转变为多晶硅层270，其中，与金属催化剂层250接触的非晶硅层230是经由金属诱导结晶工艺(Metal Induced Crystallization，MIC)而转变为多晶硅层272，未与金属催化剂层250接触的非晶硅层230是经由金属诱导横向结晶工艺(MetalInduced Lateral Crystallization，MILC)而转变为多晶硅层274。之后，请参照图2F，移除金属催化剂层250与图案化氧化硅层240，而完成多晶硅层270的制作。

然而，上述的方法均需要利用到微影蚀刻工艺，以定义出图案化金属催化剂层140(如图1C所示)，或是定义出图案化氧化硅层240(如图2C所示)。所以，在微影步骤中需要使用到光刻胶与光掩模，而在蚀刻步骤中需要使用到蚀刻液或蚀刻气体。因此，现有的多晶硅层的制作方法的步骤不易简化、且成本不易降低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多晶硅层的制作方法，搭配表面处理技术(surface treatment)、分子自组装技术(self-assembled monolayer，SAM)与金属诱导结晶(metal induced crystallizarion，MIC)技术以进行多晶硅层的制作，进而可简化工艺并降低成本。

基于上述，本发明提供一种多晶硅层的制作方法，包括下列步骤。首先，提供基板。接着，于基板上形成非晶硅层。再来，提供图案化光掩模(patternedphotomask)，此图案化光掩模包括透光区与遮光区，且以图案化光掩模为罩幕，对非晶硅层照射一光线，其中，对应透光区的非晶硅层转变为亲水性(hydrophilic)的非晶硅层，而对应遮光区的非晶硅层为疏水性(hydrophobic)的非晶硅层。继而，提供亲水性金属催化剂(hydrophilic metal catalyst)，配置在亲水性的非晶硅层上。之后，进行退火工艺(annealing process)，使亲水性金属催化剂形成为一金属催化剂层，并且，经由金属催化剂层的作用使非晶硅层转变为多晶硅层。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的光线的波长介于400～800纳米之间。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的提供亲水性金属催化剂的方法包括喷墨法或转印法。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的亲水性金属催化剂包括金属纳米粒子。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的亲水性金属催化剂的材质是选自于镍、铜、银、金及其组合。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的与金属催化剂层接触的非晶硅层经由金属催化剂层的诱导(metal induced crystallizarion)而转变为多晶硅层，未与金属催化剂层接触的非晶硅层则进行金属诱导侧向结晶(metal inducedlateral crystallizarion)而转变成多晶硅层。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的于基板上形成非晶硅层之前，还包括于基板上形成一粘着层与一阻障层，其中，粘着层设置于基板上，而阻障层设置于粘着层上。形成粘着层与阻障层的方法例如是化学气相沉积法。粘着层的材质例如是氮化硅。阻障层的材质例如是氧化硅。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的在非晶硅层转变为多晶硅层后，还包括移除金属催化剂层。

本发明再提出一种多晶硅层的制作方法，包括下列步骤。首先，提供基板。接着，于基板上形成非晶硅层。再来，于非晶硅层上形成图案化亲水性材料层。继而，提供亲水性金属催化剂，配置在图案化亲水性材料层上。之后，进行退火工艺，使亲水性金属催化剂形成为一金属催化剂层，并且，经由金属催化剂层的作用使非晶硅层转变为多晶硅层。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的提供图案化亲水性材料层的方法包括转印法或喷墨法。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的提供亲水性金属催化剂的方法包括喷墨法。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的与金属催化剂层接触的该非晶硅层经由金属催化剂层的诱导而转变为多晶硅层，未与金属催化剂层接触的非晶硅层则进行金属诱导侧向结晶而转变成多晶硅层。

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的于基板上形成非晶硅层之前，还包括于基板上形成一粘着层与一阻障层，其中，粘着层设置于基板上，而阻障层设置于粘着层上。形成粘着层与阻障层的方法例如是化学气相沉积法。粘着层的材质例如是氮化硅。阻障层的材质例如是氧化硅

在本发明的多晶硅层的制作方法中，上述的在非晶硅层转变为多晶硅层后，还包括移除图案化亲水性材料层与金属催化剂层。

本发明的多晶硅层的制作方法因采用表面处理、分子自组装与金属诱导结晶等技术以进行多晶硅层的制作。所以，不需采用现有较多步骤与使用较多化学试剂的微影蚀刻工艺，即可以完成多晶硅层的制作。因此，上述的多晶硅层的制作方法可达到简化工艺与降低成本的功效。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1A～图1E绘示为现有一种多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。

图2A～图2F示为现有另一种多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。

图3A～图3E绘示为本发明一实施例的多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。

图4A～图4E绘示为本发明另一实施例的多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。

主要元件符号说明：

100、200、300、400：基板

110、210、310、410：粘着层

120、220、320、420：阻障层

130、230、330、430：非晶硅层

140、250、360、450：金属催化剂层

140：图案化金属催化剂层

150、260、370、460：退火工艺

160、162、164、270、272、274：多晶硅层

240：氧化硅层

240：图案化氧化硅层

330a：亲水性的非晶硅层

330b：疏水性的非晶硅层

340：图案化光掩模

342：透光区

344：遮光区

350：光线

360、450：亲水性金属催化剂

380、382、384、470、472、474：多晶硅层

440：图案化亲水性材料层

具体实施方式

第一实施例

图3A～图3E绘示为本发明一实施例的多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。首先，请参照图3A，提供一基板300。此基板300可以是玻璃基板或石英基板。

接着，请再参照图3A，于基板300上形成一非晶硅层330。此非晶硅层330的形成方法例如是采用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)。在一实施例中，于基板300上形成非晶硅层330之前，还包括于基板300上形成一粘着层310与一阻障层320，其中，粘着层310设置于基板300上，而阻障层320设置于粘着层310上。形成粘着层310与阻障层320的方法例如是化学气相沉积法。粘着层310的材质例如是氮化硅。阻障层320的材质例如是氧化硅。

承上述，粘着层310具有将阻障层320与非晶硅层330粘着于基板300上的效果。另外，阻障层320可以防止来自基板300的杂质污染非晶硅层330，特别是，阻障层320具有蓄热的效果，可利于后续的退火工艺370中，使非晶硅层330保持在可转变为多晶硅层380的温度。当然，非晶硅层330也可直接形成于基板300上。

再来，请参照图3B，提供一图案化光掩模340，此图案化光掩模340包括一透光区342与一遮光区344，且以图案化光掩模340为罩幕，对非晶硅层330照射一光线350，其中，对应透光区342的非晶硅层330转变为亲水性(hydrophilic)的非晶硅层330a，而对应遮光区344的非晶硅层330为疏水性(hydrophobic)的非晶硅层330b。特别是，光线350的波长例如是介于400～800纳米之间。简言之，利用照光的技术进行非晶硅层330的表面处理，使一部份的非晶硅层330转变为亲水性的非晶硅层330a，另一部份的非晶硅层仍为疏水性的非晶硅层330b。

继的，请参照图3C，提供一亲水性金属催化剂360，配置在亲水性的非晶硅层330a上。提供亲水性金属催化剂360的方法例如是喷墨法或转印法。并且，此亲水性金属催化剂360例如是金属纳米粒子，而亲水性金属催化剂360的材质例如是选自于镍、铜、银、金及其组合。更详细而言，由于亲水性金属催化剂360与亲水性的非晶硅层330a之间具有强的作用力，所以，亲水性金属催化剂360能够进行分子自组装作用而形成在亲水性的非晶硅层330a上。

之后，请参照图3D，进行一退火工艺370，使亲水性金属催化剂360形成为一金属催化剂层360，并且，经由金属催化剂层360的作用使非晶硅层330转变为一多晶硅层380。此退火工艺370的温度例如是介于450℃～750℃之间。此时，阻障层320可发挥蓄热的效果，使非晶硅层330保持在可转变为多晶硅层380的温度。特别是，与金属催化剂层360接触的非晶硅层330经由金属催化剂层360的诱导而转变为多晶硅层382，未与金属催化剂层360接触的非晶硅层330则进行金属诱导侧向结晶而转变成多晶硅层384。至此，完成多晶硅层380的制作。

在另一实施例中，也可以在非晶硅层330转变为多晶硅层380后，继续移除金属催化剂层360，如图3E所绘示。进而，此多晶硅层380可以进行后续的应用，例如是将多晶硅层380作为薄膜晶体管(未绘示)的沟道层，并继续制作薄膜晶体管的栅极、保护层等的构件。

因此，上述如图3A～图3E的多晶硅层的制作方法不需要利用到现有的微影蚀刻工艺，而有利于工艺步骤的简化与工艺成本的降低。

第二实施例

图4A～图4E绘示为本发明另一实施例的多晶硅层的制作方法的制作流程剖面示意图。首先，请参照图4A，提供一基板400。此基板400可以是玻璃基板或石英基板。

接着，请再参照图4A，于基板400上形成一非晶硅层430。此非晶硅层430的形成方法例如是采用化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)。在一实施例中，于基板400上形成非晶硅层430之前，还包括于基板400上形成一粘着层410与一阻障层420，其中，粘着层410设置于基板400上，而阻障层420设置于粘着层410上。形成粘着层410与阻障层420的方法例如是化学气相沉积法。粘着层410的材质例如是氮化硅。阻障层420的材质例如是氧化硅。粘着层410与阻障层420的作用已于第一实施例中所述，在此不予以重述。

再来，请参照图4B，于非晶硅层430上形成一图案化亲水性材料层440。提供图案化亲水性材料层440的方法例如是转印法或喷墨法。也就是，对非晶硅层430的表面进行处理，使非晶硅层430的表面上形成亲水性的区域与疏水性的区域。另外，此图案化亲水性材料层440的材质例如是含NH₂官能基、SH官能基、COH官能基或COOH官能基的一的亲水官能团。

继而，请参照图4C，提供一亲水性金属催化剂450，配置在图案化亲水性材料层440上。此提供亲水性金属催化剂450的方法例如是喷墨法。并且，此亲水性金属催化剂450例如是金属纳米粒子，而亲水性金属催化剂450的材质是选自于镍、铜、银、金。更详细而言，由于亲水性金属催化剂450与图案化亲水性材料层440之间具有强的作用力，所以，能够进行分子自组装作用而形成在图案化亲水性材料层440上。

之后，请参照图4D，进行一退火工艺460，使亲水性金属催化剂450形成为一金属催化剂层450，并且，经由金属催化剂层450的作用使非晶硅层430转变为一多晶硅层470。此退火工艺460的温度例如是介于450℃～750℃之间。特别是，与金属催化剂层450接触的该非晶硅层430经由金属催化剂层450的诱导而转变为多晶硅层472，未与金属催化剂层450接触的非晶硅层430则进行金属诱导侧向结晶而转变成多晶硅层474。至此，完成多晶硅层470的制作。

在另一实施例中，也可以在非晶硅层430转变为多晶硅层470后，继续移除图案化亲水性材料层440与金属催化剂层450，如图4E所绘示。

因此，上述如图4A～图4E的多晶硅层的制作方法不需要利用到现有的微影蚀刻工艺，而有利于工艺步骤的简化与工艺成本的降低。

综上所述，本发明的多晶硅层的制作方法至少具有下列优点：

利用表面处理技术对非晶硅层表面进行处理并且使金属催化层与经过处理的表面进行反应，而可以省略现有技术中的蚀刻工艺，进而不需使用蚀刻液与蚀刻气体，而达到简化工艺步骤与降低成本的效果。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种多晶硅层的制作方法，其特征在于包括：

提供一基板；

于该基板上形成一非晶硅层；

提供一图案化光掩模，该图案化光掩模包括一透光区与一遮光区，且以该图案化光掩模为罩幕，对该非晶硅层照射一光线，其中，对应该透光区的该非晶硅层转变为亲水性的非晶硅层，而对应该遮光区的该非晶硅层为疏水性的非晶硅层；

提供一亲水性金属催化剂，配置在亲水性的该非晶硅层上；以及

进行一退火工艺，使该亲水性金属催化剂形成为一金属催化剂层，并且，经由该金属催化剂层的作用使该非晶硅层转变为一多晶硅层。

2.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该光线的波长介于400～800纳米之间。

3.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，提供该亲水性金属催化剂的方法包括喷墨法或转印法。

4.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该亲水性金属催化剂包括金属纳米粒子。

5.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该亲水性金属催化剂的材质是选自于镍、铜、银、金及其组合。

6.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，与该金属催化剂层接触的非晶硅层经由该金属催化剂层的诱导而转变为多晶硅层，未与该金属催化剂层接触的非晶硅层则进行金属诱导侧向结晶而转变成多晶硅层。

7.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，于该基板上形成该非晶硅层之前，还包括于该基板上形成一粘着层与一阻障层，其中，该粘着层设置于该基板上，而该阻障层设置于该粘着层上。

8.如权利要求7所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，形成该粘着层与该阻障层的方法包括化学气相沉积法。

9.如权利要求7所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该粘着层的材质包括氮化硅。

10.如权利要求7所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该阻障层的材质包括氧化硅。

11.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，在该非晶硅层转变为该多晶硅层后，还包括移除该金属催化剂层。

12.一种多晶硅层的制作方法，其特征在于包括：

提供一基板；

于该基板上形成一非晶硅层；

于该非晶硅层上形成一图案化亲水性材料层；

提供一亲水性金属催化剂，配置在该图案化亲水性材料层上；以及

13.如权利要求12所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，提供该图案化亲水性材料层的方法包括转印法或喷墨法。

14.如权利要求12所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，提供该亲水性金属催化剂的方法包括喷墨法。

15.如权利要求12所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该亲水性金属催化剂包括金属纳米粒子。

16.如权利要求12所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该亲水性金属催化剂的材质是选自于镍、铜、银、金及其组合。

17.如权利要求12所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，与该金属催化剂层接触的非晶硅层经由该金属催化剂层的诱导而转变为多晶硅层，未与该金属催化剂层接触的非晶硅层则进行金属诱导侧向结晶而转变成多晶硅层。

18.如权利要求12所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，于该基板上形成该非晶硅层之前，还包括于该基板上形成一粘着层与一阻障层，其中，该粘着层设置于该基板上，而该阻障层设置于该粘着层上。

19.如权利要求18所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，形成该粘着层与该阻障层的方法包括化学气相沉积法。

20.如权利要求18所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该粘着层的材质包括氮化硅。

21.如权利要求18所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，该阻障层的材质包括氧化硅。

22.如权利要求12所述的多晶硅层的制作方法，其特征在于，在该非晶硅层转变为该多晶硅层后，还包括移除该图案化亲水性材料层与该金属催化剂层。