CN1753155A - 平坦多晶硅薄膜晶体管的制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种平坦多晶硅薄膜晶体管制作方法，先在基板上依序形成缓冲层、保护层以及多晶硅层，并图案化多晶硅层，以定义出硅岛主动区域。然后，植入离子于部分多晶硅层，使形成源/汲极区于多晶硅层中。接着，以稀释缓冲氧化硅蚀刻液微蚀刻处理多晶硅层，以改变多晶硅层表面型态，最后，再利用激光退火制程，以同时使多晶硅部分融化，产生表面晶格重构而形成平坦表面，并活化多晶硅层的源/汲极区。
Description
技术领域
本发明涉及一种多晶硅薄膜晶体管的制作方法，特别涉及一种具有平坦多晶硅表面的多晶硅薄膜晶体管制作方法。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor；TFT)已广泛应用于主动式液晶显示器的驱动上，其中，多晶硅薄膜晶体管(poly-silicon TFT)因具有明显较高的电子迁移率，而在近几年的液晶显示器应用上，甚受重视。多晶硅薄膜晶体管拥有的优势，是可制作出反应速度快以及分辨率高的显示器，且甚至有利于达到整合驱动电路于面板上的要求。
然而，目前多晶硅薄膜晶体管制作的重点，除了对晶粒尺寸的控制之外，另一个存在的技术问题，是多晶硅的表面通常过于粗糙，且通常随着晶粒尺寸增大，多晶硅表面粗糙程度更为严重。如此，对于组件的电性极为不利，例如临界电压(threshold voltage；Vth)、崩溃电场、漏电流以及电子迁移率等电性表现，都会受到多晶硅薄膜表面粗糙度的影响。
由于多晶硅的粗糙表面，会使后续形成于多晶硅表面上的薄膜，例如闸极氧化层，产生厚度不均匀的现象，且在多晶硅层中的隆起(ridge)部分，容易形成局部较大的电场，而导致闸极氧化层崩溃，增加漏电流，致使组件的可靠度(reliability)降低。尤其针对薄闸极氧化层有特殊需求的组件来说，上述问题将更显严重。另外，甚至在组件制作流程的微影制程中，多晶硅表面的粗糙度也会使曝光产生杂乱散射，而导致尺寸定义出现误差，故多晶硅的粗糙表面，除了直接对组件电性造成不良影响之外，也会危害薄膜晶体管组件的产品制作良率。
虽然已有文献与专利指出，多晶硅表面粗糙度的改善方法，可以化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing；CMP)制程，来达到降低表面粗糙度的效果，但此种方式目前仍无法应用于大面积显示器制作上，且对于多晶硅表面粗糙度的改善有限，约只能使平均粗糙度达到30~40埃()。因此，以化学机械研磨来降低多晶硅表面粗糙度的方法，已难以适应近几年显示器向大面积化，以及组件尺寸日益精细的发展趋势。
后来，于美国公开专利(US2004/0055999)之中，提出一种利用蚀刻方式改变多晶硅表面型态，并结合再次激光退火处理以使多晶硅表面平坦化的方法。但若将此种方法直接使用于薄膜晶体管组件的制造上，则会比一般制造流程多出一道激光制程，尤其是针对尚需要活化制程的N型-金属氧化物半导体(N-MOS)的薄膜晶体管而言，制程步骤数目更为繁杂，而导致制作成本的提高。
发明内容
本发明之一个目的在于提供一种平坦多晶硅薄膜晶体管的形成方法，可应用在驱动显示器的薄膜晶体管的制造上。将多晶硅的平坦化处理，结合于多晶硅薄膜晶体管制造流程中，使其能于同一道激光退火制程中，达到多晶硅平坦化以及源/汲极区活化的目的。
根据上述目的，本发明提出一种平坦多晶硅薄膜晶体管的制作方法。依照本发明的较佳实施例是在基板上依序形成缓冲层、保护层以及多晶硅层。其中，缓冲层的材质例如为氧化硅，而保护层则选用对氧化硅蚀刻环境具有抵抗能力的绝缘材质，即拥有相对于氧化硅材质的高蚀刻选择比的绝缘材质，例如氮化硅或氮氧化硅(SiOxNy)，以保护缓冲层，于后续进行多晶硅表面平坦化处理时，不受到氧化硅蚀刻环境的破坏。另外，多晶性层的形成，则例如可为直接以化学气相沉积多晶硅，或是先沉积一非晶硅层，再利用激光结晶方式，使非晶硅层转变为多晶硅层。
接着，图案化多晶硅层，以定义出硅岛主动区域，而于硅岛主动区域两侧暴露出保护层。然后对硅岛主动区域的部分，进行离子植入步骤，使形成源极区与汲极区于多晶硅层之中，而形成的源极区与汲极区系例如为N型区域。
当硅岛主动区域定义以及离子植入步骤都完成之后，就开始进行对多晶硅层表面平坦化处理，先对多晶硅层表面进行微蚀刻，以改变多晶硅层的表面型态，接着，进行激光退火制程，使多晶硅层部分融化，以产生表面晶格重构，并且同时活化多晶硅层中的源极区与汲极区。其中使用的微蚀刻步骤，是例如采用缓冲氧化硅蚀刻液的湿式蚀刻方式，以移除多晶硅表面的自生氧化层以及多晶硅晶格键结较弱的部分，而达到初步降低多晶硅表面粗糙度的效果。而激光退火制程中所使用激光束的能量，低于使多晶硅层发生全融的激光结晶能量，例如为250~350mJ/cm2，以能同时达到多晶硅层的表面平坦化，以及多晶硅的源极区与汲极区的活化效果。
在上述步骤之后，可再形成一介电层于多晶硅层之上，然后图案化多晶硅层以形成接触窗口于介电层中，使暴露出多晶硅层中的源极区与汲极区。最后，制作闸极金属以及源/汲极金属，其中，闸极金属位于介电层之上，而源/汲极金属则位于接触窗口中。于是，便完成具有平坦多晶硅表面之多晶硅薄膜晶体管。
根据本发明的上述实施例，是在进行完多晶硅层主动区域定义以及离子植入步骤后，再开始对多晶硅层进行平坦化处理。且利用激光退火条件的控制，于同一道激光制程中，完成多晶硅平坦化处理以及多晶硅源/汲极区的活化。如此，即可在不改变现有制造流程的条件下，制作出具有平坦多晶硅表面的薄膜晶体管组件。
由于本发明可结合多晶硅平坦化与源汲/极区活化效果于同一激光制程中达成，因而可有效简化制造流程数目，尤其是对于需具有活化制程的N型薄膜晶体管组件，可以降低制造流程的繁杂度。
另外，依照本发明的方法，可将多晶硅层表面的平均粗糙度值有效降低至30埃以下，故应用本发明的制作方法，不仅能使薄膜晶体管组件的电性以及组件可靠度大幅提升，同时，更有利于后续薄膜层制作的品质呈现，以增进组件产品的制作良率。
除此之外，本发明中通过在多晶硅层以及缓冲层之间设置保护层，能阻挡当利用微蚀刻方式改变多晶硅表面型态时，蚀刻条件对缓冲层可能造成的蚀刻伤害，以保有缓冲层的隔离作用，进而维持组件制作的品质。
附图说明
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，配合附图加以说明如下：
图1是表示依照本发明较佳实施例的一种制造平坦多晶硅薄膜晶体管的步骤流程图；以及
图2A~2F是表示依照本发明较佳实施例的一种平坦多晶硅薄膜晶体管的制造流程剖面示意图。
附图中符号
111~118：步骤 200：基板
202：缓冲层 204：保护层
206：非晶硅层 207：多晶硅层
207c、207s、207d：区域 208：介电层
209：闸极金属 210：源/汲极金属
211：接触窗口 230、250：激光束
实施方式
本发明将多晶硅表面平坦化处理，结合于一般薄膜晶体管制造的活化制程中，利用激光退火技术，能同时达到降低多晶硅表面粗糙度，以及使多晶硅源/汲极区活化的效果。其中，还通过保护层的设置，避免平坦化处理时，所用之湿式蚀刻溶液对缓冲层造成蚀刻伤害；以下将以实施例对本发明的方法加以详细说明。
实施例
本发明揭示了一种平坦多晶硅薄膜晶体管的制造方法，分别参照图1以及图2A~2F。图1中所表示的为本发明较佳实施例的一种制造平坦多晶硅薄膜晶体管的步骤流程图，而图2A~2F则为依照本发明较佳实施例的一种平坦多晶硅薄膜晶体管的制造流程剖面示意图。
此实施例以制作N型薄膜晶体管为例，首先，进行图1中的步骤111，并配合图2A所示，于基板200上，依序沉积缓冲层202、保护层204以及非晶硅层206。对显示器制造的应用而言，其中，基板200例如可为玻璃，而缓冲层202则例如为氧化硅层，至于保护层204则选用对氧化硅蚀刻环境具有抵抗能力的绝缘材质，即拥有相对于氧化硅材质的高蚀刻选择比绝缘材质，例如可为氮化硅(SiNx)或氮氧化硅(SiOxNy)层，以保护缓冲层202，于后续进行多晶硅表面平坦化处理时，不受到湿式氧化硅蚀刻液或是等离子体式氧化硅蚀刻环境的破坏，且保护层204的形成厚度较佳约小于1000埃()。
接着，进行图1中的步骤112，对图2A中的非晶硅层206进行激光束230照射，以加热非晶硅层206，使非晶硅层206发生结晶，转变为多晶硅层，且会因结晶行为，导致形成的多晶硅层具有凹凸起伏的表面粗糙特性(如图2B中的多晶硅层207所示)。其中，激光束230的照射，例如可采用包含氯化氙(XeCl)紫外光源的准分子激光(excimer laser)予以进行。然而，本实施例中虽然以激光结晶方式形成多晶硅层207，但事实上，多晶硅层207也可直接以化学气相沉积技术形成。
当上述非晶硅层206转变为多晶硅之后，参照图2B，对多晶硅层207进行图1中的步骤113，图案化多晶硅层207，定义出硅岛成为主动区域(activeregion)。其中，图案化步骤即为一般的微影蚀刻制程。
然后，进行图1中的步骤114，植入离子(ion implanting)于图2B内的多晶硅层207硅岛两侧之中，形成源/汲极区，如图2C中的源极区域207s以及汲极区域207d所示，而介于源极区域207s以及汲极区域207d之间的多晶硅区域则为信道区域207c。其中，此阶段中所植入的离子为N型掺杂物，例如可为磷(P)。
参照图2C，于离子植入步骤之后，进行图1中的步骤115，以湿式微蚀刻方式，对多晶硅层207表面进行微量蚀刻处理，以改变多晶硅层207的表面型态。例如可采用稀释的缓冲氧化硅蚀刻液(buffer oxide etchant；BOE)或是稀释氢氟酸(dilute HF；DHF)水溶液，以进行湿式蚀刻处理，移除多晶硅层207表面的自生氧化物层(native oxide)以及晶格键结较弱的部分，如此，可初步降低多晶硅层207的表面粗糙程度。
其中，上述缓冲氧化硅蚀刻液由氢氟酸(HF)、氟化铵(NH4F)以及水组成，而所使用的稀释条件，较佳为调配缓冲氧化硅蚀刻液与水的比例约1∶300~1∶0；若是采用稀释氢氟酸水溶液，则氢氟酸与水的比例较佳为1∶600~1∶1。除此之外，虽然本实施例采用湿式蚀刻方式进行多晶硅层207的表面处理，但适当条件等离子体式干蚀刻(dry-etching)，例如使用含有四氟化碳(CF4)的气体，也可达到相同的处理效果。
于上述步骤115进行时，不论是湿式蚀刻或是等离子体干式蚀刻，所选用的蚀刻条件，都极为容易对氧化硅材质的薄膜产生蚀刻作用。故本实施例中设置的保护层204，具有阻挡蚀刻的能力，避免缓冲层202遭受蚀刻溶液或干式蚀刻气体的蚀刻伤害，使之仍保有缓冲层202用以隔离组件与基板200的目的。
接着，进行图1中的步骤116，并配合图2C所示，以另一激光束250，照射多晶硅层207，进行激光退火(annealing)制程。激光退火制程例如可采用包含XeCl紫外光源的准分子激光予以进行，且于此阶段所使用的激光能量低于使多晶硅发生全融的激光能量，例如低于此实施例中使非晶硅结晶的激光束230的能量，但却需具有足以使多晶硅源极区域207s以及汲极区域207d活化的能力，例如较佳条件的激光能量约为250~350mJ/cm2。
因此，在激光退火步骤116中，多晶硅层207表面经激光照射后，将部分融化而发生表面晶格重构，降低原本多晶硅表面的粗糙程度，以达到多晶硅表面平坦化的效果。并且，因为激光能量的选用，也能同时活化已植入N型离子的多晶硅层207的源极区域207s以及汲极区域207d。
对多晶硅层207表面的平坦化处理，通过上述步骤115的微蚀刻处理以及步骤116的激光退火处理共同达成，因而使多晶硅层207的表面粗糙度，大幅降低，呈现出如第2D图所示表面平坦的多晶硅层207。同时，本发明的特色在于，利用激光退火处理步骤116，共同达到多晶硅平坦化以及源/汲极区活化的目的。
最后，再依序进行图1中的步骤117以及步骤118，以完成薄膜晶体管的制作。其中，步骤117配合参照图2E所示，沉积介电层208于多晶硅层207之上，并对介电层208进行图案化，以形成接触窗口211。然后，步骤118配合参照图2F所示，于介电层208以及接触窗口211形成之后，接着制作闸极金属209于介电层208上，以及源/汲极金属210于接触窗口211中；其中，闸极金属209位于多晶硅信道区域207c的上方，而源/汲极金属210则位于多晶硅源极区207s以及多晶硅汲极区207d上方。
上述介电层208的材质例如为氧化硅，而闸极金属209以及源/汲极金属210则例如为钼(Mo)、钼钨化合物(MoW)或铝(Al)等导电性佳的金属材质。
通过本发明实施例的方法，可制得具有平坦多晶硅的薄膜晶体管，且不需要更改目前现有的一般薄膜晶体管制造流程，在进行完多晶硅层主动区域定义以及离子植入步骤后，再开始对多晶硅层进行平坦化处理。且利用激光退火条件的控制，同时完成多晶硅平坦化处理以及多晶硅源/汲极区的活化。
如此，可结合多晶硅平坦化与源汲/极区活化效果于同一激光制程中达成，因而有效减少制造流程数目，尤其对于需具有活化制程的N型薄膜晶体管组件，可在不增加制造流程繁杂度的情形下，制造出具有平坦多晶硅表面的薄膜晶体管组件。
且根据本发明实施例的方法，可将多晶硅层表面的平均粗糙度值有效降低至30埃以下，故应用本发明的制作方法，不仅能使薄膜晶体管组件的电性大幅提升，并能获得良好的组件可靠度，同时，更有利于后续薄膜层制作的品质呈现，以增进组件制作良率。
除此之外，本发明中通过在多晶硅层以及缓冲层之间设置保护层，能阻挡当利用微蚀刻方式改变多晶硅表面型态时，蚀刻条件对缓冲层可能造成的蚀刻伤害，以保有缓冲层的隔离作用，进而维持组件制作的品质。
本发明的制作方法不仅局限使用于N型金属氧化物半导体的薄膜晶体管制造上，任何多晶硅薄膜晶体管驱动组件的制造都可利用本发明方法提升产品效能。虽然本发明以实施例揭露如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种改动与修饰，因此本发明的保护范围以权利要求或其等效物所界定范围为准。
Claims (22)
1.一种平坦多晶硅薄膜晶体管的制作方法，包含：
形成缓冲层于基板上；
形成保护层于缓冲层上；
形成多晶硅层于保护层上；
图案化多晶硅层，以形成至少一个硅岛主动区域，并于该硅岛主动区域两侧暴露出保护层；
植入离子于硅岛主动区域的部分，使形成一源极区以及一汲极区于多晶硅层之中；
微蚀刻多晶硅层表面，改变多晶硅层之表面型态；以及
进行激光退火制程，使多晶硅层部分融化，以产生表面晶格重构，并且同时活化多晶硅层中的源极区以及汲极区，如此，多晶硅层将具有平坦表面。
2.如权利要求1所述的方法，还包含：
形成一介电层于多晶硅层之上；
图案化介电层，以形成复数个接触窗口于介电层之中，使暴露出多晶硅层的源极区与汲极区；以及
形成至少一个闸极金属以及复数个源/汲极金属，其中闸极金属位于介电层之上，而这些源/汲极金属位于这些接触窗口中。
3.如权利要求1所述的方法，其中基板的材质为玻璃。
4.如权利要求1所述的方法，其中缓冲层为氧化硅层。
5.如权利要求1所述的方法，其中保护层选用对于氧化硅蚀刻环境具有抵抗能力的绝缘材质，而拥有相对于氧化硅材质的高蚀刻选择比。
6.如权利要求5所述的方法，其中保护层为氮化硅层或氮氧化硅层。
7.如权利要求5所述的方法，其中保护层厚度小于1000埃()。
8.如权利要求1所述的方法，其中多晶硅层的形成方法为利用化学气相沉积方式直接沉积多晶硅，或是先形成一非晶硅层，再接着利用激光结晶技术使非晶硅层结晶为多晶硅。
9.如权利要求1所述的方法，其中源极区以及汲极区为N型区域。
10.如权利要求1所述的方法，其中微蚀刻步骤为湿式蚀刻制程或是等离子体干式蚀刻制程。
11.如权利要求10所述的方法，其中该湿式蚀刻制程采用稀释缓冲氧化硅蚀刻液或稀释氢氟酸蚀刻液予以进行。
12.如权利要求1所述的方法，其中激光退火步骤所使用的激光能量低于使多晶硅层发生全融的激光能量，但足以活化多晶硅层的源极区以及汲极区。
13.如权利要求1所述的方法，其中激光退火步骤使用的激光能量约为250~350mJ/cm2。
14.一种平坦多晶硅薄膜晶体管的制作方法，包含：
形成缓冲层于基板之上；
形成保护层于缓冲层之上；
形成非晶硅层于保护层之上；
使用第一激光束，照射非晶硅层，使非晶硅层结晶转变成为多晶硅层；
图案化多晶硅层，以形成至少一个硅岛主动区域，并于硅岛主动区域的两侧，暴露出保护层；
植入离子于硅岛主动区域的部分，使形成一源极区以及一汲极区于多晶硅层之中；
微蚀刻多晶硅层的表面，改变多晶硅层的表面型态；以及
使用第二激光束，对多晶硅层进行一个激光退火制程，使多晶硅层部分融化，以产生表面晶格重构，并且同时活化多晶硅层中的源极区以及汲极区，如此，多晶硅层将具有平坦表面；
形成介电层于多晶硅层之上；
图案化介电层，以形成复数个接触窗口于介电层之中，暴露出多晶硅层的源极区与汲极区；以及
形成至少一个闸极金属以及复数个源/汲极金属，其中闸极金属位于介电层之上，而这些源/汲极金属位于这些接触窗口中。
15.如权利要求14所述的方法，其中保护层选用对于氧化硅蚀刻环境具有抵抗能力的绝缘材质，而拥有相对于氧化硅材质的高蚀刻选择比。
16.如权利要求15所述的方法，其中保护层为氮化硅层或氮氧化硅层。
17.如权利要求15所述的方法，其中保护层厚度小于1000埃()。
18.如权利要求14所述的方法，其中源极区以及汲极区为N型区域。
19.如权利要求14所述的方法，其中微蚀刻步骤系为湿式蚀刻制程或是等离子体干式蚀刻制程。
20.如权利要求19所述的方法，其中湿式蚀刻制程采用稀释缓冲氧化硅蚀刻液或稀释氢氟酸蚀刻液予以进行。
21.如权利要求14所述的方法，其中第二激光束的能量低于第一激光束。
22.如权利要求14所述的方法，其中第二激光束的能量约为250~350mJ/cm2。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080416 Termination date: 20190924 |