TW493210B - Semiconductor manufacturing method - Google Patents

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Yasumori Fukushima
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Description

493210 五、發明說明（1) 發明背景 本發明係有關一種製造半導體的方法；更特定地％，八 有關一種製造具結晶性（C r y s t a 1 1 i n i t y )之石夕半導體薄^ 的方法。依據本發明之半導體製造方法所製作的 薄膜’適用為主動一矩陣型LCDs(液晶顯示器（Uquid 肢 Crystal Display s))及各種半導體裝置中的TFTs(薄膜兩 晶體（Thin Film Transistors))的材料。 、兒 雖然非晶矽通常用為TFTs 以至不如所謂矽LSIs等所用 此，TFTs在LCDs中僅限用為 的週邊電路。另外，曾有研 以改良TFTs的特性。然而， 並不符合要求。 的if料，但其電特性甚為粗劣 的單晶半導體的電特性。因 父換元件，而不用於需高性能 究使用多晶矽來取代非晶砂， 多晶石夕在電特性上有其侷限， 曾有人提出一種用以獲得矽膜的方法，其包含步 入一金屬兀素，像是鎳，做為加速非晶矽獏表面 結晶作用的催化劑，以引起非晶矽膜表面部份鱼1 的反應；然後移除反應物，並使剩餘㈣膜退火以x 晶作用；從而獲得具優越結晶性的矽膜（其在某些 為CGS或連續晶粒矽膜（c〇nUnu〇us grain ’但，本文稱為「晶狀矽膜（crystaUine 」 日本專利特許公開公告HE I 6-244 1 0 3」）。 二=能忽視晶狀矽膜中所剩餘的催化元素對TFTs電 σ罪性的影響·，諸如閥值電壓移位以及熱載子電阻 493210
因而有人發展出一種方法’用以移除晶狀矽膜 、催化7L素（「日本專利特許公開公告丨IEI H2 2 3 5 33 _ ” J )。其例如圖2所示：將磷（P)做離子植入，做 來吸取催化it素之元素（稱為「吸取元素」），|吸取美 ^上所形成的晶狀矽膜2之分區3處的催化元素；並每，/·材 ，溫度下的熱處理，將晶狀矽膜2中所剩餘的催化二:矜 二吸收至區域3(吸取）。繼而，以敍刻之類的技術來移除 ^區域（稱為吸取區（gettering regi〇n))3，而在基材1上 留下具低催化元素濃度的晶狀矽膜2。與使用多晶石;的 QTs相比，使用此晶狀矽膜2的71?1^顯現優良的遷移 次閥值等電特性。 一般LS I s在電晶體内的通道區域中有雜質濃度水準約j X 1 012 /平方公分，但知，若混入金屬雜質而水準高於約i X 1 /平方公分，電晶體特性會受到不良影響。而為了晶 狀石夕膜之成長，金屬元素在基材表面的濃度普通係設定為 1 X 1〇12-1 X 1013 /平方公分；在此基礎上，可考慮在吸取製 程中將被吸取區（get ter ed region)(在晶狀矽膜2中除吸 取區3以外的區域）4内的催化元素濃度降低至其 1 / 1 0 0 - 1 / 1 0 0 0，以使其濃度務必低於約1 X ΙΟ1。/平方公 分0 粗略地考慮到可吸取性（g e 11 e r a b i 1 i t y )，其依賴於： (1 ) 吸取區3對被吸取£ 4的面積比，（2 ) 吸取區3的吸取 元素濃度；（3)吸取製程中的熱處理溫度及時間。在這些 因素中，對於（1):相對於被吸取區4，吸取區3愈大，則
第7頁 493210 五、發明說明（3) 可吸取性所獲之該良愈甚；但不幸的是，T F T s所能形成的 區域也受到比例性的限制。對於（2 ):雖然增高吸取元素 濃度就會增高可吸取性，但是已有實驗證實，在某一濃度 水準（約8 X 1 015 /平方公分）以上，可吸取性將不會再有所 改良。對於（3):雖然增高熱處理溫度得以縮短完成吸取 的時間，但是可吸取的催化元素總量是不變的。由於這些 因素，為了做充份吸取，以使電晶體之特性及可靠性不致 受到不良影響，必須確保吸取區3對被吸取區4之面積比 SR，即 SR =(吸取區3面積）/ (被吸取區4面積） 基於因素（1)而在某一高水準上。 因此’傳統方法在此情形下有一個問題·♦被吸取區4的 面積較小，換言之，留在基材1上之晶狀細膜2變小，以致 限制了 T F T s的安排佈局。 因此’本發明之一目標，是要提供一種製造半導體的方 法’其能充份減少晶狀矽膜中的催化元素，且能增大留在 基材上的晶狀矽膜的面積。 發明概述 為達成以上目標，依據本發明有一種製造半導體的方 法，其包含步驟： 在一基材上形成一非晶石夕膜； 奋對該非晶石夕膜引入一用以加速結晶作用的催化元素，並 貝行一第一熱處理，使非晶矽膜結晶成一晶狀矽膜； 在該晶狀石夕膜的表面上提供一罩幕層，該罩幕層在厚度
第8頁 493210
五、 方 膜 吸 層 份 法 取 膜 層 果 區 牲 對 可 膜 且 取 中 發明說明（4) 向上有一貫穿的開口； 形成一犧牲膜，其連續無間地覆笔罩幕層表面及晶狀 對應於該開口的部份； 對3玄犧牲膜及晶狀石夕膜對應於開口的部份，引入一用以 取催化元素的吸取元素；以及 ' 實行一第二熱處理，以使催化元素從晶狀矽膜通過罩幕· 的開口而被吸取至犧牲層。 下文所稱的開口對應部份係對應於晶狀矽膜開口之部 ，其外的區域則為被吸取區。依本發明之半導體製造方 ’被吸取區中所存在的催化元素於第二熱處理期=被吸（ 至晶狀矽膜之開口對應部份。進而，催化元素從晶狀矽 之開口對應部f分’穿過罩幕層的開口，而被吸取至犧牲 。然後，犧牲層及晶狀矽膜之開口對應部份被移除。沾 ，在基材上留下-低催化元素濃度之晶狀矽膜（被吸取 在本發明中可1，晶狀矽膜之開口對應部份連同整個犧 馭都作用為吸取區，徹底吸收催化元素。結果，吸取 被吸取區之體積比VR，即
VR =(吸取區體積）/ (被吸取區體積） 設定為較大之值。例如，當犧鈿+ 广— 田饿牲膜厚度設定等於晶狀
厚度，吸取區對被吸取區之許籍仏v D
土、， —广^積比VR必須在1以上Q ，5犧牲膜厚度設疋厚於晶狀石夕膜， ’勝7予度’吸取區對被 區之體積比VR可設定為甚至f女夕# ^ 7 ^ L山 1、， 文大之值。據此，被吸取 的催化元素可充份減少。結果，田 4 用此日日狀石夕膜所製的 493210 五、發明說明（5) TFTs得以有優越的電特性及可靠性。此外，晶狀矽膜之開 口對應部份的面積可成比例地減小，改進吸取性至優於先 前技藝的程度，而使基材上所留下的晶狀矽膜（被吸取區） 面積加大。據此，對於基材上的T F T s安排，其佈局不受限 制。 在一實施例中，罩幕層包含二氧化石夕膜、氮化石夕膜及 SiON膜三者其中之一。 以此一實施例之半導體製造方法，既然罩幕層包含二氧 化矽膜、氮化矽膜及S i 0N膜三者其中之一，則可用矽做為 犧牲層之材料^而且，在吸取製程後之犧牲層移除期間， 此一罩幕層保護底下的晶狀矽膜（被吸取區）。此外，以選 擇性蝕刻（有晶狀矽膜留下），可藉而輕易移除此一罩幕 層。 另外，在一實施例中，犧牲層之材料為非晶矽、多晶矽 及單晶矽其中任一種。 以此一實施例之半導體製造方法，犧牲層之材料為非晶 矽、多晶矽及單晶矽其中任一種，則該犧牲層主要係由矽 元素所形成，如同晶狀石夕膜一般。由於此材料均勻性，催 化元素能以高效率從晶狀矽膜被吸取至犧牲膜。 另外，在一實施例中，第二熱處理之溫度設定在5 0 0 t： 至7 0 0 t範圍内。 以此一實施例之半導體製造方法，既然第二熱處理之溫 度設定在5 0 0 °C至70 0 t範圍内，則該第二熱處理係在相當 低的溫度下實行。據此，可避免基材之形變，以及諸如此
第10頁 493210 五、發明說明（6) 類之變化。此外，吸取元素須為一種在第二熱處理溫度下 具小擴散係數（與催化元素相較）之元素。這樣一種吸取元 素可於第二熱處理期間不致擴散進罩幕層，而係留在犧牲 層中，因此使催化元素得以高效率被吸收。在此一實施例 之半導體製造方法中，既然第二熱處理之溫度設定在5 0 0 °C至7 0 0 °C範圍内，則此一種吸取元素是易於選取的。 另外，在一實施例中，係由下列各物：Fe、Co、N i、
Cu、Ru、Rh、Pd、0s、Ir、Pt及Au，選出一種元素或複數 種元素以用為催化元素。 以此一實施例之半導體製造方法，既然係由下列各物： Fe 、Co 、Ni 、Cu 、Ru 、Rh 、Pd 、0s 、Ir 、Pt及Au ，選出一 種元素或複數種元素以用為催化元素，則可實際獲得一高 品質的晶狀石夕膜。 另外，在一實施例中，係由下列各物：氮、磷、砷、銻 及鉍，選出一種元素或複數種元素以用為吸取元素。 以此一實施例之半導體製造方法，則由下列各物：氮、 磷、砷、銻及鉍，選出一種元素或複數種元素以用為吸取 元素。此等元素具有鍵結金屬元素之性質，使做為催化劑 之金屬元素得以高效率被吸收。結果，被吸取區中的催化 元素可充份減少。 圖式簡單說明 本發明由以下所隨附的附圖為熟知此技藝的人士所徹底 了解，且因此不限制本發明，其中：
圖 1A、1B、1C、1D、1E、1F、1G、1H、1I、1J、1K、1L
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五、發明說明（7) 及1 Μ為顯示本發明一實施例之半導體製造方法實行製程的 截視圖； 圖2為解釋依先前技藝之吸取製程的視圖Q 較佳實施例詳細說明 下文中’對本發明之一半導體製造方法，以其一實施例 (示於附圖），做詳細說明。 圖1 A、IB、1C ."1M接續地顯示應用本發明之一製造TFT 之方法的步驟。 1)如圖1 A所示，在一石英基材1 1上，以LPCVD(低壓化 學蒸氣沉積）法沉積一非晶矽（α — S i)膜12，達7〇奈米之厚 度。成長條件設定為45〇 °C之溫度及50帕之壓力，且以二 石夕院（Si2H6)氣體為材料氣體。 i i )其次如圖1 B所示，對a _ S i膜1 2整個表面，以旋塗 (s p i η n i n g)法施加一金屬元素水溶液（例如，每百萬份水 溶液t N i佔1 〇份）。丨元素係做為加速α — s丨膜丨2結晶 作用（在接下來將說明之一熱處理製程中）之催化劑。α -Si膜12表面上的Ni 13濃度設定為1 X 1012-1 X 10ΐ3 /平方公 分。亦可使用濺鍍法、CVD法、電漿處理法、蒸氣沉積法 等’做為添加Ni 13至α-Si膜12之方法。 丄11)其次，在氮氣氛圍中，實行一在600 °c溫度下達12 小時之熱處理（第一熱處理），使a -S i膜1 2從而形成晶狀 石夕膜1 4，如圖1 C所示。此晶狀矽膜1 4比起多晶矽，有較為 圓滿的結晶性。 i v)其次如圖1 D所示，在晶狀石夕膜1 4上，以c V D法或類
第12頁
49321U 五、發明說明（8) ί 幕層15 ;有一開口18形成，而在厚度方向 此罩幕層15係由二氧化碎、氮化碎或 米1，而2取罩ΐ層15的厚度舉例來說係設定為約2 0 0奈 :植丄了述…素離子植…不致 二冗其積次一如Λ1Ε所示，在整個基材11上，以cvd法或類似 姓、由夕日日矽所形成的犧牲膜16 ’達70奈米之厚 ^ ，犧牲膜16之個別部份16a、16b及16c "i V/1 "8""#J-^ ΛV,, : 連、，而無間。我們注意到，犧牲膜16可由矽材所 、，，口 ’不兩是非晶矽或是多晶矽。 (二)7=圖1F:示，將具有鍵結Nl元素之性質的麟 二。U 牲膜16的整個區域以及晶狀矽膜14之 =^應部份14c(植入區域於圖中以斜線顯示），做為吸 ，广素。植入條件設定為10_80千電子伏特之加速能量以 及lx UP/平方公分_8x 1〇1S/平方公分之劑量。在此去 中’罩幕層15作用為植入的離子之罩幕，而保護晶狀矽膜 、二"）#次如圖1G所示，在氮氣氛圍t，實行一在6〇〇。。 二度下達24小時之熱處理（第二熱處理），使^素i3從晶 狀碎膜14通過開口18而被吸取進整個犧牲膜16中（1^元素 13的路徑於圖中以箭號顯示）。更特定地說，首先，晶狀 :膜“之開口，：份Uc吸收晶狀石夕賴之其他區域(被 吸取區)14a中所存在的Nl元素13。進而，Ni元素13從晶狀
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矽膜14之開口對應部份14c，遷移至鄰接的犧牲膜“之底 部16c ;再遷移至覆蓋罩幕層15側表面之部份Ub以及覆-蓋 罩幕層15頂表面之部份iga。 就所見來說，晶狀矽膜1 4之開口對應部份丨4c連同整個 犧牲膜1 6都作用為吸取區，徹底吸收n丨元素1 3。結果，吸 取區14c及16對被吸取區14a之體積比VR，即 VR=(吸取區體積）/(被吸取區體積） 可設定為較大之值。在此例中，當犧牲膜丨6厚度設定等於 晶狀矽膜14厚度（70奈米），吸取區14C及16對被吸取區14a 之體積比VR必須在1以上。而且，犧牲膜1 6之材料如上述 為多晶矽’主要係由矽元素所形成，如同晶狀矽膜丨4 一 般。由於此材料均勻性，N i元素1 3能以高效率從晶狀石夕興 14被吸取至犧牲膜16。此外，在此6〇〇它之熱處理溫度 、 下，吸取元素磷17之擴散係數與Ni元素13之擴散係數相 較，足夠小。因而，磷1 7於此熱處理期間不致擴散進罩幕 層1 5，反係留在犧牲層1 6中，而有效地吸取N i元素1 3。因 此，被吸取區1 4a中的N i元素1 3可充份減少。 結果，用此晶狀矽膜1 4所製的TF Ts得以有優越的電特性 及可靠性。此外，晶狀矽膜14之開口對應部份14c的面積 可成比例地減小，改進吸取性至優於先前技藝的程度，而 使基材11上所留下的晶狀矽膜14(被吸取區14a)面積加 大。據此’對於基材11上的T F T s安排，其佈局不受限制。 另外，當犧牲膜1 6厚度設定厚於晶狀矽膜1 4厚度，吸取 區14c及16對被吸取區14a之體積比VR可設定為甚至更大之
第14頁 493210 五、發明說明（10) 值，而使被吸取區1 4a中的N i元素i 3可充份減少。 而且，既然此熱處理係在6 〇 〇它之相當低溫下實行，則 可避免基材11等之形變。 V 1 1 i )其次如圖1 η所示，藉蝕刻移除犧牲膜1 6，且用罩 幕層1 5做為罩幕而蝕刻移除晶狀矽膜1 4之開口對應部份 1 4c °在此製程中，罩幕層1 5係做用為蝕刻阻塞物，保護 底下的晶狀石夕膜（被吸取區）1 4。然後，藉蝕刻對著晶狀石夕 膜1 4而選擇性地移除罩幕層丨5。此罩幕層丨5如上述係由二 氧化矽膜、氮化矽膜及Si 0N膜所組成，因而可輕易被選擇 性#刻，而留下有晶狀矽膜丨4。 1 X)其次如圖1 I所示，在一氧化性氣體氛圍中以9 〇 〇。〇 - 1 0 50 °C，實行一特定時間之氧化作用。經此製程，則在 基材11上所留下的晶狀矽膜1 4表面有約3 〇奈米厚的氧化膜 1 9形成。經此氧化製程，晶狀矽膜丨4之結晶性可獲進一步 改良。同樣的，此氧化製程可省略。 X) 其次如圖1 J所示，移除氧化膜1 9，對留在基材1 1上 的晶狀矽膜1 4做圖型佈線，而使部份晶狀矽膜丨4留為活性 區域2 0，供TFTs在其中形成之用。 XI) 其次如圖1 κ所不，在整個基材11之上，以CVD法或 類似方法沉積一二氧化矽膜2丨，達8〇奈米之厚度；繼而， 在活性區域20上形成一閘極22 ,而二氧化矽膜21介於盆 間。進而，用閘極22做為罩幕，將磷離子穿過二氧化矽膜 21而植入，劑量約3x 1〇15/平方公分，以致在閘極22兩邊 的活性區域20部份上分別形成一源區23及一汲區以。而活 493210 五、發明說明（11) 性區域20介於源區23及及區24的區域則成為m的一個通 道區域2 5。 X11)其次如圖1L所示，在整個基材U之上’以CVD法或 類似方法形成一間層絕緣體26。繼而，以9〇〇tt實行熱處 理30分鐘，以活化植入於源區23及汲區24的磷離子。其 次，在間層絕緣體26形成-源接觸孔27及一没接觸孔28， 從其表面延伸到源區23及汲區24。然後，在整個基材^ 々 >儿積電極材並對此電極材料做圖型佈線，藉而 为別接觸源區23及汲區24的源極29及汲極3〇。 膜。⑴做ίίΐ圖1M所示’在整個基材11之上沉積氮化發 膜3 1，做為保濩膜，並於其上實行一氫化穿程。 如此，則可獲得具優良電特性及可靠性的。 =在此實施例中使用7Nl元素13做為 結晶作用的催化劑’但催化劑自不 、2 物：Fe、CrNi:CU、R"h、Pd、〇S、Ir Pt：Lu = 素或，數種元素，以用為催化元素。其結田° 也能獲得一高品質的晶狀矽膜。 /、 /、、口不， :外，由下列各物H、砷、銻及扭 素或複數種元素以用為吸取元辛。 k出種元 元素之性質μ吏金屬元素素具有鍵結金屬 之吸取區中的金屬元素遭度可充份降低。被阳狀發膜 對本發明雖做如此說明，顯然，也可對其做多方之料 二此4變化不應現為脫離本發明的精神和範圍，且； 熱習此項技藝者所顯見的此等修i，我們希包m 493210
第17頁 4932士 θ
修正MM 90110838 年月曰_修正 一圖1式單td ❿
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Claims (1)

  1. ‘卜丫 Μ， 90110838 曰 修正；C 、曱請專利範圍 1. 一種半導體製造方法，其包含步驟： 在一基材上形成一非晶矽膜； 對該非晶矽膜引入一用以加速結晶作用的催化 並實行一第一熱處理，使非晶矽膜結晶成一晶狀矽 在該晶狀矽膜的表面上提供一罩幕層，該罩幕 度方向上有一貫穿的開口； 形成一犧牲膜，其連續地覆蓋罩幕層表面及晶 對應於該開口的部份； 對該犧牲膜及晶狀矽膜對應於開口的部份，引 以吸雜催化元素的吸雜元素；以及 實行一第二熱處理，以使催化元素從晶狀矽膜 幕層的開口而被吸取至犧牲層。 2. 如申請專利範圍第1項之半導體製造方法，其 該罩幕層包含二氧化矽膜、氮化矽膜及S i ON膜 少其中之一。 3. 如申請專利範圍第1項之半導體製造方法，其 該犧牲層之材料為非晶矽、多晶矽及單晶矽其 種。 4. 如申請專利範圍第1項之半導體製造方法，其 該弟二熱處理之溫度設定在500 C至700 C範圍 5. 如申請專利範圍第1項之半導體製造方法，其 係由下列各物：Fe、Co、Ni、Cu、Ru、Rh、Pd Ir、Pt及Au，所選出的一種元素或複數種元素，用 化元素。 元素， 膜； 層在厚 狀矽膜 入一用 通過罩 中 三者至 中 中任一 中 内。 中 、Os、 做為催
    O:\70\70977-910510.ptc 第19頁
    90110838 曰 修正 六、申請專利範圍 6.如申請專利範圍第1項之半導體製造方法，其中 係由下列各物：氮、碟、珅、銻及錢，所選出的一種 元素或複數種元素，用做為吸雜元素。 #
    O:\70\70977-910510.ptc 第20頁
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