CN1553474A - 利用准分子激光再结晶工艺来制作多晶硅薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用准分子激光再结晶工艺来制作多晶硅薄膜的方法。该方法包括下列步骤：首先提供一衬底，且该衬底表面已定义有一第一区域及一第二区域，接着在该衬底上形成一非晶硅薄膜，再在该非晶硅薄膜上方形成一掩模层，随即移除该第一区域内的该掩模层，再形成一热含覆盖层且覆盖于该掩模层及该非晶硅薄膜上，最后进行一准分子激光再结晶工艺，使该第一区域内的该非晶硅薄膜再结晶成一多晶硅薄膜。从而增加所形成多晶硅薄膜的晶粒尺寸，提高元件的电性能。
Description
技术领域
本发明提供一种多晶硅薄膜的制作方法，特别是一种利用准分子激光再结晶(excimer laser crystallization，ELC)工艺来制作多晶硅薄膜的方法。
背景技术
随着科技的日新月异，轻薄、省电、可携带式的智慧型信息产品已经充斥了我们的生活空间，而显示器在其间扮演了相当重要的角色，不论是手机、个人数字助理或是笔记型电脑，均需要显示器作为人机沟通的界面。然而现今已大量生产的非晶硅薄膜晶体管液晶显示器(a-TFT LCD)，由于载流子移动率的限制，要进一步达到轻薄、省电、高画质的需求已经有所困难，取而代之的将会是低温多晶硅(low temperature polysilicon，LTPS)薄膜晶体管液晶显示器。
在液晶显示器中，由于一般玻璃衬底的耐热度往往只能到600℃，因此如果在高温下直接制作多晶硅薄膜，将会造成玻璃衬底的扭曲变形，因此现有的多晶硅薄膜晶体管液晶显示器往往必须使用价格昂贵的石英作为衬底材料，应用范围往往也只能局限于小尺寸的液晶面板。因此，目前另一种利用非晶硅(amorphous silicon)薄膜再结晶的低温多晶硅薄膜制作方法已逐渐成为主流，其中又以准分子激光再结晶(excimer laser crystallization，ELC)工艺格外受到重视。
准分子激光再结晶工艺大致分成两种类型，一种是传统扫描型激光再结晶工艺，另一种则是可控制晶界位置的准分子激光再结晶工艺。请参考图1，图1是扫描型激光再结晶工艺的方法示意图。如图1所示，首先在一玻璃衬底(substrate)10上顺序沉积一缓冲层12以及一非晶硅薄膜14，接着将玻璃衬底10放置在一承载平台上，使其沿着X方向步进式移动，并让准分子激光L逐步扫过非晶硅薄膜14的各区域，以对非晶硅薄膜14进行快速加热，从而使得非晶硅薄膜14熔融后再结晶成一多晶硅薄膜16。该方法虽然简便，然而由于无法对晶粒及晶界位置进行控制，因此限制了电子迁移速率及元件性能。
请参考图2和图3，图2和图3是一可控制晶界位置的准分子激光再结晶工艺的方法示意图。如图2和图3所示，该方法是先在一衬底20表面顺序形成一缓冲层22以及一非晶硅薄膜24，其中非晶硅薄膜定义有一第一区域26和一第二区域28，接着再在非晶硅薄膜24表面形成一图案化的掩模层(mask layer)30并覆盖于第二区域28上，一般而言，所使用的掩模层30大多包含有一金属层或一氮硅层，藉由增加反射率或热传导速率来降低下方非晶硅薄膜24的热吸收度，使覆盖有掩模层30的非晶硅薄膜24(第二区域28)成为部分熔融状态，而未覆盖有掩模层30的非晶硅薄膜24(第一区域26)达到完全熔融状态，因此当完成准分子激光照射开始固化时，会因为部分熔融与完全熔融区域间具有一异质界面，而以部分熔融区域为成核基点，由部分熔融的第二区域28开始往完全熔融的第一区域26作横向的晶粒成长，以形成一多晶硅薄膜。然后可进一步进行一黄光和蚀刻工艺，移除第二区域的掩模层30和非晶硅层24，从而在第一区域26内形成一多晶硅岛(polysiliconisland)32。随后可进行后续的液晶显示面板工艺，利用多晶硅岛32作为液晶显示器内的有源区域，以构成液晶显示器面板中的驱动电路。
在上述准分子激光再结晶工艺中，虽然可控制进一步晶界位置，但所形成的晶粒尺寸受到温度的限制(室温)，大约只有3μm，且在导体上直接使用金属层易造成元件的有源区域污染，而使用氮硅层也会因其含氢量过高而易发生半导体薄膜剥落的现象。因此，如何增加所形成的多晶硅薄膜内的晶粒尺寸，是当前的重要研究课题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有一热含覆盖层的准分子激光再结晶工艺，从而增加所形成多晶硅薄膜的晶粒尺寸，提高元件的电性能。
本发明提供一种利用准分子激光再结晶工艺来制作多晶硅薄膜的方法。该方法首先提供一衬底，该衬底表面已定义有一第一区域以及一第二区域，接着在该衬底上形成一非晶硅薄膜，再在该非晶硅薄膜上方形成一掩模层，随即藉由一黄光和蚀刻工艺，移除该第一区域内的该掩模层，再形成一热合覆盖层(heat-retaining capping layer)并覆盖在该掩模层和该非晶硅薄膜上，最后再进行该准分子激光再结晶工艺，使该第一区域内的该非晶硅薄膜再结晶成一多晶硅薄膜。
本发明的制作方法除了形成一掩模层来控制横向晶粒生长的位置外，并藉由一热含覆盖层来维持非晶硅薄膜的温度，以增加所形成的晶粒尺寸，故能有效增加低温多晶硅薄膜晶体管的电性能，从而提高显示器的显示品质。
附图说明
图1是现有技术中利用准分子激光再结晶工艺制作多晶硅薄膜的方法示意图；
图2与图3是现有技术中另一种利用准分子激光再结晶工艺制作多晶硅薄膜的方法示意图；
图4～7是本发明第一实施例中利用准分子激光再结晶工艺制作多晶硅薄膜的方法示意图；
图8是本发明第二实施例中利用准分子激光再结晶工艺制作多晶硅薄膜的方法示意图。
附图标记说明
10 衬底 12 缓冲层
14 非晶硅薄膜 16 多晶硅薄膜
20 衬底 22 缓冲层
24 非晶硅薄膜 26 第一区域
28 第二区域 30 掩模层
32 多晶硅薄膜 110 衬底
112 缓冲层 114 非晶硅薄膜
116 掩模层 118 热含覆盖层
120 第一区域 122 多晶硅薄膜
130 第二区域 210 衬底
212 缓冲层 214 非晶硅薄膜
216 热含覆盖层 218 掩模层
具体实施方式
请参考图4～7，图4～7是本发明第一实施例中利用准分子激光再结晶工艺制作多晶硅薄膜的方法示意图。如图4所示，首先提供一衬底110，衬底110表面定义有一第一区域120以及一第二区域130，接着在衬底110表面形成一缓冲层112，以避免衬底110内的杂质在后续工艺中向上扩散而影响所生成的多晶硅薄膜品质，随后在缓冲层112上方形成一非晶硅薄膜114，并在非晶硅薄膜114上方再形成一掩模层116。其中，以本发明的优选实施例而言，衬底110是一玻璃衬底，缓冲层112是一硅氧层或由硅氧层和氮硅层共同组成的多层结构，掩模层116包含有硅氧层(SiOx)、氮硅层(SiN)、金属层、氮氧化硅(SiON)层或是由上述材料组合而成的多层堆叠结构，而形成上述各层的方法均有很多种，诸如低压化学气相沉积(LPCVD)，等离子增强化学气相沉积(PECVD)及溅镀(sputtering)等，在此不多加赘述。
如图5所示，接着进行一第一黄光和蚀刻工艺，移除第一区域120内的掩模层116，以暴露出第一区域120的非晶硅薄膜114。随后再利用一化学气相沉积工艺，以形成一热含覆盖层118并覆盖在掩模层116上。在本发明的优选实施例中，构成热含覆盖层118的材料包含有氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或上述材料的组合。
然后如图6所示，用一准分子激光进行照射，不论掩模层116使用一金属层来增加反射率或是利用高热导材料来增加散热速率，都会使得当第一区域120内的非晶硅薄膜114达到完全熔融状态时，第二区域130内的非晶硅薄膜114仍会处于未熔融或部分熔融状态。随后停止准分子激光的照射，使熔融的非晶硅薄膜114再结晶成一多晶硅薄膜122。在再结晶过程中，由于热含覆盖层118的存在，热量将会以较慢的速率散失，即本发明可使非晶硅薄膜114维持在一较高的温度环境，可在一较长的时间下进行该再结晶过程，这将能有效增加再结晶晶粒的晶粒尺寸。
一般而言，所使用的准分子激光由XeCl、ArF、KrF或XeF等分子生成，不同的分子将产生不同的波长，而准分子激光的输出功率与照射时间可根据非晶硅薄膜114的厚度而适当调整，由于该部分工艺参数的调整为本领域内的技术人员所熟知，故在此不予赘述。值得注意的是，在本发明方法中所使用的准分子激光，并不仅局限于现有的短脉冲激光(20至50ns)，其也可被替换成一长脉冲周期激光(long pulse duration laser)，其脉冲时间约为150～250ns，以进一步增加所形成晶粒的尺寸。
如图7所示，接着进行一第二黄光和蚀刻工艺，以移除位于缓冲层112表面第二区域130内的热含覆盖层118、掩模层116以及非晶硅薄膜114，并利用一蚀刻工艺移除位于多晶硅薄膜122上方的热含覆盖层118，以形成一多晶硅岛(polysilicon island)结构。然后便可继续利用所形成的多晶硅岛作为一低温多晶硅薄膜晶体管的有源区域，进行后续显示面板的工艺，由于本领域内的技术人员能轻易完成后续工艺，故在此不予赘述。
请参阅图8，图8是本发明第二实施例中利用准分子激光再结晶工艺制作多晶硅薄膜的方法示意图。如图8所示，本实施例的方法是首先在一衬底210表面顺序形成一缓冲层212、一非晶硅薄膜214、一热含覆盖层216以及一图案化的掩模层218，然后再用一准分子激光照射，使非晶硅薄膜214熔融后再结晶成一多晶硅薄膜(未显示)。与前述实施例相比较，本实施例的优点在于所形成的掩模层218没有与非晶硅薄膜214或多晶硅薄膜直接接触，因此即使利用金属层作为掩模层218，也不会造成金属污染的发生。
简单地说，本发明藉由一热含覆盖层来减缓准分子激光照射后的热量散失，使得在再结晶过程中能在较高的温度环境下进行晶粒成长，故能形成较大的晶粒，而且本发明的方法如果再配合使用长脉冲周期激光，则更能有效增加晶粒尺寸至10μm左右。大幅提高所形成的低温多晶硅薄膜晶体管的品质。此外，在先形成热含覆盖层的状况下，即本发明第二实施例所描述的方法，掩模层将不会与非晶硅薄膜或多晶硅薄膜直接接触，故即使利用金属层作为掩模层，也不会造成任何污染。
与现有技术相比较，本发明除了能有效控制晶界位置外，并可藉由热含覆盖层与长周期脉冲激光的使用，显著增加所形成多晶硅薄膜的晶粒尺寸，故能有效增强低温多晶硅薄膜晶体管的电性能，从而提高显示器的显示品质。此外，由于本发明中的热含覆盖层可设于非晶硅薄膜与掩模层之间，故能有效解决现有技术中易发生的金属污染或半导体薄膜剥落等问题，从而提高产品的可靠性。
以上所述仅是本发明的优选实施例，凡是根据本发明所作的均等变化与修饰，均应属于本发明专利的涵盖范围。本发明的保护范围以权利要求所界定的为准。
Claims (22)
1.一种利用准分子激光再结晶工艺来制作多晶硅薄膜的方法，该方法包含有下列步骤：
提供一衬底，该衬底表面已定义有一第一区域以及一第二区域；
在该衬底上形成一非晶硅薄膜；
在该非晶硅薄膜上方形成一掩模层；
进行一第一黄光和蚀刻工艺，移除该第一区域内的该掩模层；
形成一热含覆盖层，并覆盖于该掩模层以及该非晶硅薄膜上；以及
进行该准分子激光再结晶工艺，使该第一区域内的该非晶硅薄膜再结晶成该多晶硅薄膜。
2.如权利要求1的方法，其中该衬底表面还包含有一缓冲层，且该非晶硅薄膜形成于该缓冲层表面。
3.如权利要求2的方法，其中该方法于形成该多晶硅薄膜后还包含有一第二黄光和蚀刻工艺，用来移除该第二区域内位于该缓冲层表面的该热含覆盖层、该掩模层以及该非晶硅薄膜。
4.如权利要求1的方法，其中该方法于形成该多晶硅薄膜后还包含有一蚀刻工艺，用来移除该热含覆盖层。
5.如权利要求1的方法，其中该掩模层包含有硅氧层(SiOx)、氮硅层(SiN)、金属层、氮氧化硅(SiON)层或上述材料的组合。
6.如权利要求1的方法，其中该掩模层是一多层结构。
7.如权利要求1的方法，其中该热合覆盖层包含有氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或上述材料的组合。
8.如权利要求1的方法，其中该准分子激光再结晶工艺利用一准分子激光照射该非晶硅薄膜，以使覆盖有该掩模层的、该第二区域内的该非晶硅薄膜达到部分熔融状态，而未覆盖有该掩模层的、该第一区域内的该非晶硅薄膜达到完全熔融状态，再由该第一区域与该第二区域的界面处朝该第一区域横向晶粒生长，从而在该第一区域内形成一多晶硅薄膜。
9.如权利要求8的方法，其中该热含覆盖层用来降低该非晶硅薄膜的散热速率，以增加该准分子激光再结晶工艺所形成的晶粒尺寸。
10.如权利要求1的方法，其中该准分子激光是一长脉冲周期激光。
11.如权利要求10的方法，其中该长脉冲周期激光的周期约为150～250ns。
12.一种利用准分子激光再结晶(excimer laser crystallization，ELC)工艺来制作多晶硅薄膜的方法，该方法包含有下列步骤：
提供一衬底，该衬底表面已定义有一第一区域以及一第二区域；
在该衬底上形成一非晶硅薄膜；
在该非晶硅薄膜上方形成一热含覆盖层；
在该热含覆盖层上方形成一掩模层；进行一第一黄光和蚀刻工艺，移除该第一区域内的该掩模层；以及
进行该准分子激光再结晶工艺，以使该第一区域内的该非晶硅薄膜再结晶成一多晶硅薄膜。
13.如权利要求12的方法，其中该衬底表面还包含有一缓冲层，且该非晶硅薄膜形成于该缓冲层表面。
14.如权利要求13的方法，其中该方法于形成该多晶硅薄膜后还包含有一第二黄光和蚀刻工艺，用来移除该第二区域内的、位于该缓冲层表面的该热含覆盖层、该掩模层以及该非晶硅薄膜。
15.如权利要求12的方法，其中该方法于形成该多晶硅薄膜后还包含有一蚀刻工艺，用来移除该热含覆盖层。
16.如权利要求12的方法，其中该掩模层包含有硅氧层(SiOx)、氮硅层(SiN)、金属层、氮氧化硅(SiON)层或是上述材料的组合。
17.如权利要求12的方法，其中该掩模层是一多层结构。
18.如权利要求12的方法，其中该热含覆盖层包含有氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或上述材料的组合。
19.如权利要求12的方法，其中该准分子激光再结晶工艺利用一准分子激光照射该非晶硅薄膜，使覆盖有该掩模层的、该第二区域内的该非晶硅薄膜达到部分熔融状态，而未覆盖有该掩模层的、该第一区域内的该非晶硅薄膜达到完全熔融状态，再由该第一区域与该第二区域的界面处朝该第一区域横向晶粒生长，从而在该第一区域内形成一多晶硅薄膜。
20.如权利要求19的方法，其中该热含覆盖层用来降低该非晶硅薄膜的散热速率，以增加该准分子激光再结晶工艺所形成的晶粒尺寸。
21.如权利要求12的方法，其中该准分子激光是一长脉冲周期激光。
22.如权利要求21的方法，其中该长脉冲周期激光的周期约为150～250ns。
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