CN1604273A - 半导体器件及制作一低温多晶硅层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体器件及制作一低温多晶硅层的方法，其包含于一基片上形成多个半导体散热结构，接着于基片以及这些半导体散热结构上形成一缓冲层以及一非晶硅层，然后再进行一激光结晶处理，以使非晶硅层转化成一多晶硅层。
Description
技术领域
本发明概括地说关于一种半导体器件及制作一低温多晶硅层(lowtemperature poly-silicon，LTPS)的方法，特别指一种利用侧向长晶(lateral growth)的半导体器件及制作一低温多晶硅层的方法。
背景技术
在薄膜晶体管液晶显示器的制造过程中，由于玻璃基片的耐热度往往只能到600℃，而多晶硅层的沉积温度约介于650-575℃，若在高温下直接制作多晶硅层将会造成玻璃基片的扭曲变形，因此目前多晶硅薄膜晶体管液晶显示器已逐渐采用非晶硅层再结晶的方法来制作低温多晶硅层。
常规低温多晶硅层制作于一绝缘基片上，绝缘基片必需由透光的材料所构成，通常为玻璃基片、石英基片或是塑料基片。常规方法先于绝缘基片上形成一非晶硅层，接着进行一准分子激光退火(excimer laser annealing，ELA)处理，使非晶硅层结晶成为多晶硅层。在准分子激光退火的过程中，非晶硅层经由对激光深紫外光的吸收而达到快速的熔融与结晶，形成多晶硅层，而且这种采用短时间脉冲激光所造成的快速吸收只会对非晶硅层表面造成影响，并不会影响绝缘基片，故绝缘基片能一直保持在低温的状态。
由于非晶硅层的质量好坏对后续所形成的多晶硅薄膜晶体管特性影响很大，因此非晶硅层沉积处理中的各参数需要被严格控制，以期能形成低氢含量、高膜厚均匀性以及低表面粗糙度的非晶硅层。此外，由于非晶硅层结晶形成的多晶硅层用来作为薄膜晶体管的半导体层，以定义出源极、漏极以及沟道等区域，因此多晶硅层的质量良好与否对于元件的电性表现更有着直接影响，例如多晶硅层的晶粒大小(grain size)即为影响多晶硅层质量的一项重要因素。
利用一般准分子激光退火制作的多晶硅晶粒大小约为3000埃，且无法有效地控制晶粒成长方向。目前已有相关文献提出在非晶硅层表面形成一温度梯度，以产生较大且有方向性的结晶。举例来说，美国专利US 5,851,862提出一种于非晶硅层下方形成一高热传导材料层的方法，其高热传导材料层由氮化铝(aluminum nitride)、氮化硼(boron nitride)或金刚石类碳(diamondlike carbon)材料形成。此外，美国专利US 6,555,875中提出一种于半导体层下方形成高热传导材料层的半导体元件结构，其高热传导材料层由氧化铝(Al2O3)、氮化铝、氮氧化合物(例如AlNxO1-x、AlSiON、LaSiON)、氮化硼或金刚石类碳等绝缘材料形成。由于上述高热传导材料层可以在激光照射的过程中吸收热能，因此邻近高热传导材料层的非晶硅层(半导体层)与其他区域的非晶硅层之间会形成一温度梯度。邻近高热传导材料层的部分非晶硅层具有较高的结晶速率，至于其他部分的非晶硅层则具有较低的结晶速率，因此晶粒会由邻近高热传导材料层的区域向其他区域水平地成长。
上述具有高热传导速率的绝缘材料可以避免常规利用金属材料当作反射层以产生温度梯度时，因高温导致金属原子扩散到元件沟道的问题。然而，为了提高热传导速率，绝缘材料例如氮化铝、氮化硼或金刚石类碳等材料必须在高温下成膜，且在定义其图案时又有不易蚀刻的问题，因此在实际应用上仍有困难。
发明内容
因此，本发明的目的即在提供一种半导体器件及制作一低温多晶硅层的方法，可以避免常规应用金属或绝缘材料来制作低温多晶硅层时所遭遇的问题。
在本发明的较佳实施例中，首先于一基片上形成多个半导体散热结构，接着于基片以及这些半导体散热结构上形成一缓冲层以及一非晶硅层，然后再进行一激光结晶处理，以使非晶硅层转化成一多晶硅层。
由于本发明可以利用半导体散热结构于激光结晶处理中快速地吸收部份非晶硅层的热能，因此邻近这些半导体散热结构的非晶硅层与其他区域的非晶硅层之间会形成一温度梯度，进而促使晶粒侧向地成长。尤其本发明的半导体散热结构可以直接利用一般低温多晶硅处理中的半导体材料以及设备即可制作，对于生产成本以及处理复杂度的影响不大，因此在实际应用上的可行性极高，且又可以完全避免常规应用金属或绝缘材料来制作低温多晶硅层时所遭遇的问题。
附图说明
图1至图3为本发明第一实施例的制作一低温多晶硅层的方法示意图。
图4至图7为本发明第二实施例的制作一低温多晶硅层的方法示意图。
图8为本发明一薄膜晶体管的结构示意图。
图9为本发明另一薄膜晶体管的结构示意图。
图10为本发明一半导体器件的结构示意图。
图11为本发明另一半导体器件的结构示意图。
主要元件符号说明
10、20 基片 11 粘着层
12、22、22’ 半导体散热结构 14、24 开口
16、28 缓冲层 18、30 非晶硅层
18’、30’ 多晶硅层 20、26、32 准分子激光
34 栅极绝缘层 36 栅极
38 层间介电层 40 源极/漏极
L 沟道区域
具体实施方式
请参考图1至图3，图1至图3为本发明第一实施例的制作一低温多晶硅层的方法示意图。如图1所示，本发明方法先提供一基片10，例如玻璃基片、石英基片或是塑料基片，接着于基片10上形成一具有高热传导速率的半导体层(未显示于图中)，并且利用微影及蚀刻等方法去除部分的半导体层，以于半导体层中形成至少一开口14，以及使残余的半导体层形成多个半导体散热结构12。其中开口14用来定义一沟道区域L，且半导体散热结构12环绕于沟道区域L周围。半导体散热结构12可以在激光照射的过程中吸收热能并于非晶硅层表面形成一温度梯度，以利于减少沟道区域L中的晶界(grainboundary)数目。
半导体散热结构12的制作可以利用一般低温多晶硅处理，例如可以利用等离子增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)方法于基片10上沉积半导体散热结构12，且半导体散热结构12的组成材料可以选自硅、锗、硅化锗、氮化镓、砷化镓组成的组，较佳为硅层。然而本发明并不限定仅能利用等离子增强化学气相沉积方法来制作半导体散热结构12，本发明亦可以利用处理控制来形成不同热传导速率(10-30W/m-k)的半导体散热结构12，例如利用准分子激光退火形成的多晶硅层便比利用高温烤箱形成的多晶硅层具有较高的热传导速率。此外，由于结晶固体中的热传导主要依靠晶格震动方式来传导，因此对于同一种物质来说，其热传导速率会受到晶格结构，包含晶界、层叠缺陷(stacking fault)以及各种缺陷的数量而产生影响。举例来说，单晶硅结构的热传导速率即大于多晶硅结构，而多晶硅结构的热传导速率又大于非晶硅结构。因此，本发明的半导体散热结构12可以视处理或产品需求形成单晶硅、多晶硅、非晶硅或经掺杂的硅等不同晶格结构，以达到不同的热传导速率。
在完成半导体散热结构12的制作后，接着如图2与图3所示，于基片10以及半导体散热结构12上依序形成一缓冲层16以及一非晶硅层18，并进行一激光结晶处理，例如使用准分子激光20照射非晶硅层18，以使非晶硅层18结晶为多晶硅层18’。缓冲层16以及非晶硅层18可利用等离子增强化学气相沉积方法形成，其中缓冲层16可为一氧化硅层，用来隔绝半导体散热结构12以及非晶硅层18。本发明于形成缓冲层16以及非晶硅层18后，可接着再于高于400℃的高温炉中进行一去氢处理，降低非晶硅层18中的氢气含量。在进行激光结晶处理时，具有高热传导速率的半导体散热结构12会快速地吸收热能，使得位于半导体散热结构12上方的部分非晶硅层18与沟道区域L内的部分非晶硅层18之间会形成一温度梯度。由于半导体散热结构12快速地吸收热能，使得位于半导体散热结构12上方的部分非晶硅层18具有较高的结晶速率，至于沟道区域L内的部分非晶硅层18则具有较低的结晶速率，因此晶粒会由半导体散热结构12的上方向沟道区域L侧向地成长(侧向长晶方向如图3中箭号所标示)，以形成多晶硅层18’。根据本发明方法制作的多晶硅层18’于沟道区域L中具有较大的晶粒以及较少的晶界数目，因此可以达到提升载流子迁移率(mobility)以及改善元件特性等优点。
请参考图4至图7，图4至图7为本发明第二实施例的制作一低温多晶硅层的方法示意图。如图4所示，本发明方法先提供一基片20，例如玻璃基片、石英基片或是塑料基片，接着于基片20上形成一具有高热传导速率的半导体层(未显示于图中)，并且利用微影及蚀刻等方法去除部分的半导体层，以于半导体层中形成至少一开口24，并且使残余的半导体层形成多个半导体散热结构22。其中开口24用来定义一沟道区域L，且半导体散热结构22环绕于沟道区域L周围。半导体散热结构22可以在激光照射的过程中吸收热能并于非晶硅层表面形成一温度梯度，以利于减少沟道区域L中的晶界数目。
在本实施例中，半导体散热结构22可以为利用等离子增强化学气相沉积方法沉积于基片20上的非结晶形的半导体材料，且半导体散热结构22的组成材料可以选自硅、锗、硅化锗、氮化镓、砷化镓组成的组，较佳为非晶硅层。
如图4与图5所示，随后进行一激光结晶处理，例如使用准分子激光26照射非结晶形的半导体散热结构22，以使半导体散热结构22转化为有结晶的半导体散热结构22’，例如将半导体散热结构22由非晶硅转化为多晶硅。在本发明的其他实施例中，上述激光结晶处理可以依实际处理需要替换为其他热处理或照光处理，且半导体散热结构22亦可以先利用激光结晶处理予以照射转化为半导体散热结构22’后，再进行微影以及蚀刻等处理来定义其图案。
在完成半导体散热结构22’的制作后，接着如图6与图7所示，于基片20以及半导体散热结构22’上依序形成一缓冲层28以及一非晶硅层30，并再次进行一激光结晶处理，例如使用准分子激光32照射非晶硅层30，以使非晶硅层30结晶为多晶硅层30’。缓冲层28以及非晶硅层30可利用等离子增强化学气相沉积方法形成，且其中缓冲层28可为一氧化硅层，用来隔绝半导体散热结构22’以及非晶硅层30。
在照射准分子激光32时，具有高热传导速率的半导体散热结构22’会快速地吸收热能，使得位于半导体散热结构22’上方的部分非晶硅层30与沟道区域L内的部分非晶硅层30之间会形成一温度梯度。由于半导体散热结构22’快速地吸收热能，使得位于半导体散热结构22’上方的部分非晶硅层30具有较高的结晶速率，至于沟道区域L内的部分非晶硅层30则具有较低的结晶速率，因此晶粒会由半导体散热结构22’的上方向沟道区域L侧向地成长(侧向长晶方向如图7中箭号所标示)，以形成多晶硅层30’。根据本发明方法制作的多晶硅层30’于沟道区域L中具有较大的晶粒以及较少的晶界数目，因此可以达到提升载流子迁移率以及改善元件特性等优点。
本发明在完成前述的低温多晶硅层制作后，可再进行后续薄膜晶体管的处理。请参考图8与图9，图8与图9为本发明一薄膜晶体管的结构示意图，其中图9为一具有长沟道的薄膜晶体管的结构示意图，且图9中的薄膜晶体管除了包含有多个半导体散热结构22’设置于沟道区域L两侧的源极/漏极区域(S/D)中，另外亦包含了多个半导体散热结构22’设置于沟道区域L中，以用来控制沟道区域L中的晶界数目。如图8与图9所示，本发明于完成图7所示的多晶硅层30’后，可再于多晶硅层30’上形成栅极绝缘层34、栅极(第一金属层)36、层间介电层38、以及源极/漏极导线(第二金属层)40等元件，完成低温多晶硅薄膜晶体管的制作。
此外，为了增加半导体散热结构与基片间的附着力，在本发明的其他实施例中，于半导体散热结构与基片间形成一粘着层(adhesion layer)。请参考图10与图11，图10与图11为本发明一包含有粘着层的半导体器件的结构示意图。如图10与图11所示，半导体器件包含有一粘着层11设于半导体散热结构12与基片10之间，以用来改善半导体散热结构12与基片10间的附着力，避免半导体散热结构12于激光结晶处理或其他热处理中因局部热传导效率不均而自基片10剥离。在实际应用上，粘着层11可以完全覆盖于基片10上，或者粘着层11亦可以切齐于半导体散热结构12，以暴露出部分的基片10。在图10与图11中，其他元件编号与图1所示元件编号相同，且其后续处理亦可参见图2至图9，在此不再赘述。
相较于常规的制作低温多晶硅层的方法，本发明利用半导体散热结构于激光结晶处理中快速地吸收部份非晶硅层的热能，因此邻近这些半导体散热结构的非晶硅层与其他区域的非晶硅层之间会形成一温度梯度，进而促使晶粒侧向地成长。尤其本发明的半导体散热结构可以直接利用一般低温多晶硅处理中的半导体材料以及设备即可制作，对于生产成本以及处理复杂度的影响不大，因此在实际应用上的可行性极高，且又可以完全避免常规应用金属或绝缘材料来制作低温多晶硅层时所遭遇的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所进行的等效变化与修改，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (11)
1.一种制作一低温多晶硅层的方法，该方法包含下列步骤：
提供一基片；
于该基片上形成多个半导体散热结构；
于该基片以及该多个半导体散热结构上形成一缓冲层以及一非晶硅层以及
进行一激光结晶处理，以使该非晶硅层转化成一多晶硅层。
2.如权利要求1所述的方法，其中该多个半导体散热结构选自硅、锗、硅化锗、氮化镓和砷化镓组成的组。
3.如权利要求1所述的方法，其中该多个半导体散热结构包含单晶硅、多晶硅、非晶硅或经掺杂的硅。
4.如权利要求1所述的方法，其中该多个半导体散热结构设置于一沟道区域周围。
5.如权利要求1所述的方法，还包含利用一激光来照射该多个半导体散热结构，以改变该多个半导体散热结构的晶格结构。
6.如权利要求1所述的方法，还包含于该基片上形成一粘着层。
7.一种半导体器件，其包含：
一基片；
多个半导体散热结构设于该基片上；
一缓冲层设于该基片以及该多个半导体散热结构上；以及
一多晶硅层设于该缓冲层上。
8.如权利要求7所述的半导体器件，其中该多个半导体散热结构选自硅、锗、硅化锗、氮化镓和砷化镓组成的组。
9.如权利要求7所述的半导体器件，其中该多个半导体散热结构包含单晶硅、多晶硅、非晶硅或经掺杂的硅。
10.如权利要求7所述的半导体器件，其中该多个半导体散热结构设置于一沟道区域周围。
11.如权利要求7所述的半导体器件，还包含一粘着层设于该基片上。
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