TWI234235B - Method for fabrication of monocrystalline silicon thin film transistor on glass substrate - Google Patents

Description

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發明所屬之技術領域】 曰曰 本發明是有關於-種在玻璃基板上製作單晶 體之方法，尤指一種可解決無法在非晶的破璃美板上: 單晶矽的問題，製作單晶矽薄膜電晶體於透明玻$美乂 上’進而取代目前顯示面板所用之低溫多晶矽 $ (LTPS-TFT )技術及售價昂貴的石夕絕緣層上金屬氧=二= 導體場效電晶體（SOI—MOSFETs)。 【先前技術】

按，目前在所有公開的技術中，不論是利用準分子雷 射（Excimer Laser)或連續波長雷射（cw Laser)在玻田

璃基板上所製造的低溫多晶矽薄膜電晶體（LTps —TFTs ) 都播法避免石夕晶粒邊界（Grain — B〇undary)於通道内的問 題’再加上通道内的矽晶粒具有多個不同的晶格方向，如 此’便容易導致低溫多晶矽薄膜電晶體（LTPS —TFTs )中 元件與元件之間的差異，以及場效載子移動率 (Mobi 1 i ty )無法提升等等問題，而雖然在通道寬度 (Channel-Width)與通道長度（Channel-Length)很小 時有機會將一顆低溫多晶矽薄膜電晶體（LTPS-TFT )的通 道座落在單一顆矽晶粒上，使其電特性與矽絕緣層上的金 屬氧化物半導體場效電晶體（SOI-M0SFET )相同，但其沒 有重複性與低量率導致無法真正用於製造上；而造成上述 所產生問題之原因為··非晶石夕薄膜（A m 〇 r p h 〇 u s - S i 1 i c ο η T h i n F i 1 m s )在雷射將其完全炼融之後，由於沒有單一晶

第5頁 1234235 五、發明說明（2) 格方向的石夕作么θ 有矽晶粗、嘉^ d )使其側向再結晶，所以便會 曰 ^ " (Grain —Boundary )與矽晶粒具有多個不同 曰曰格方向的問題產生。 τ ”兩 【發明内容】 (Grati^ if之主要目的’在於可以解決矽晶粒邊界 而大巾5接:uiendary )存在於LTPS—TFTS通道内的問題，進 導致=i ϊ每效載子移動率且改善元件與元件間的差異所 on-Pan/j二cf問題，以實現面板上的整合系統（SyStem_ 或System-on-Glass )的目標。 圖案ί: = f:一目的，係在於可利用單-晶格方向且具 薄膜的曰二板作為玻，基板上非晶矽薄膜側向成長單晶矽 複使用日，日/·’且製程簡單且作為晶種的單晶石夕基板可以重 利用俨执-i產上可大幅降低成本，纟元件特性上可取代 J用饧格叩貝的SOI晶片所製作的S0I_M0SFETs。 石夕薄之r，本創係一種在玻璃基板上製作單晶 14膜電晶體之方法，包含下列步驟： V驟一 ··取一玻璃基板； 步驟_ :在該玻璃基板鍍上一 擴散之二氧化嫩，以化雜質往外 :成長-層非晶石夕薄膜;孔象沈積技術在玻璃基板正 ‘：!板：取一矽基板’並利用蝕刻技術定義單晶矽圖案 步驟四：將非晶石夕薄膜與具單晶秒圖…基板面對面接 第6頁 1234235 五、發明說明（3) 觸緊貼後，利用雷射光從破璃美祐普而奶^ 人芮丞板月面照射，在谪告 命 射參數下可使正面的非晶矽薄膜全邱护％ 々、田的田 崎朕王口Μ谷融，或可利用离、、西 環境對接觸後的非晶矽薄膜進行再姓a a (SPC )的方式； 巧口相、、、口曰曰 步驟五：當非晶矽薄膜全部熔融，固化後即產生再結晶 (Recrystallization)現象，由於熔融的非晶矽薄膜合 以接觸到的單晶矽圖案為晶種觸發熔融的非晶矽薄膜側曰 成長出單晶矽薄膜； ' 步驟六：將單晶矽基板與玻璃基板分離後，藉此即可製作 單晶石夕薄膜電晶體於玻璃基板上，如此，可解決無法在非 曰曰的玻㈤基板上長單晶；5夕的問題，製作單晶石夕薄膜電晶體 於的透明玻璃基板上，進而取代矽絕緣層上的金屬氧化物 半導體場效電晶體（SOI-MOSFETs)。 【實施方式】

請參閱『第1〜4圖』，係本發明步驟一、二成形狀 態之剖面示意圖、本發明步驟三成形狀態之剖面示意圖、 本發明步驟四、五成形狀態之剖面示意圖、本發明成形後 的單晶矽薄膜電晶體示意圖。如圖所示：本發明係一種在 玻璃基板上製作單晶矽薄膜電晶體之方法，可解決無法在 非晶的玻璃基板1上長單晶矽的問題，製作單晶矽薄膜電 晶體於透明玻璃基板1上，進而取代矽絕緣層上的金屬氧 化物半導體場效電晶體（S0I—MOSFETs)，其包含下列步 驟：

第7頁 1234235 五、發明說明（4) ^ ^ •取一破璃基板1 ，而該玻璃基1板亦可是石英玻 ㈤專透明基板； 、 破璃基板1鍍上一層防止玻璃基板内雜質往 ，、欣 < 二虱化矽層後，以化學氣象沈積技術在玻璃基板 面成長一層非晶石夕薄膜2 ，而其所用的非晶>ε夕薄膜2 了用非晶矽鍺（SiGe )薄膜代替，如此可製作單晶矽、、單 n ΐ的4膜電晶體於玻璃基板上，1該化學氣象沈積技 何”為電漿增強化學氣象沈積（PECVD )或低壓化學氣象 ，積（LPCVD )等技術，若使用該低壓化學氣象沈積 η替猛C/D )則而多一運步驟將玻璃基板1背面的非晶矽薄 膜層去除，使雷射可以從玻璃基板丨之背面正 面進行再結晶； 』運其正 v驟一·再取一矽基板3，而該矽基板3係具有單_ 結晶之矽基板（Singie crystalline Silicon "

Substrate )，利用蝕刻技術定義出單晶矽圖案3 ^於矽 J板3上，而該蝕刻技術係可為濕式蝕刻技術或乾式蝕刻

步驟四：將非晶矽薄膜2與具單晶矽圖案3丄之矽美 面對面接觸緊貼後，利用雷射光4從玻璃基板丄背二昭 射’而在適當的雷射參數下可使正面的非晶矽薄膜2 : 全部熔融，形成雷射觸發再結晶（User—induced

Crystallization)，而在本步驟中所使用的雷射光 射係包括：準分子雷射（Excimer —User)以及連 = 雷射（CW-Laser ); 反長

1234235 五、發明說明（5) 步驟五：當 時即產生再 晶石夕薄膜2 的非晶矽薄 步驟六：將 璃基板1的 Insulator ) 與汲極4 3 4圖所示； 單晶矽薄膜 另，將 後，可配合 3 1黏貼在 (a )利用 (b )利用 矽圖案3 1 (c )將該 雷射照射， 射光而瞬間 斷裂現象， 域）黏貼於 =:石夕薄膜2全部炼融，所形成之石夕薄膜固化 結晶現象（Recrystallization)，熔融的非 會以接觸到的單晶矽圖案3 1為晶種觸發熔融 膜2側向成長出單晶矽薄膜； 單sa秒基板3與玻璃基板1分離，之後再於玻 非晶石夕薄膜2上形成一閘極絕緣層4 〇 ( Gate 、閑極 4 1 (Gate )、源極 4 2 (Source ) (D^a 111 )，即形成一單晶矽薄膜電晶體如第 如是’藉由上述之步驟而可在玻璃基板上製作 電晶體之方法。 石夕，種及該非晶矽薄膜2經準分子雷射照射 智能剝離（smart cut)技術將該單晶矽圖案 該玻璃基板1 ，該智能剝離技術之步驟如下： 離子佈植將一高濃度之氫植入該矽基板3中。 電漿蝕刻技術定義出TFT的主動層區域（單晶 )，該電漿蝕刻一定要超過該氫的深度。 玻璃基板1與該矽基板3接觸後進行該準分子 此時丄該非晶矽薄膜2與該矽基板3會吸收雷

產生高溫，該高溫會讓所植入之氫的區域產生 即可將該單晶矽圖案3 1 ( TFT的主動層區 該破璃基板1上。 曰α 上非晶石夕薄膜2的 晶石夕基板3接觸， 破㈤基板1上的主 倘若本發明係先行定義玻璃基板1 主動區域再與具相對位置圖案31之單 由於玻璃基板1為透明基板，因此，該

第9頁 1234235 五、發明說明（6) 動層圖案很容易就可以跟具相對位置圖案3 1之單晶矽基 板3對齊，隨後背面照射雷射4或送入爐管進行侧向成長 單晶矽薄膜，分離單晶矽基板3與玻璃基板1後就可進行 傳統薄膜電晶體的製程； 而其中所定義的單晶矽圖案3 1其功能只是作為成長 單晶矽薄膜的晶種，以目前矽製程技術而言可將單晶矽圖 案3 1做到很小，即矽基板3與玻璃基板1真正的接觸面 積事實上是很小的，所以增加一些簡單的真空設備便可輕 易將再結晶後的矽基板3與玻璃基板1分離，分離後矽基 板3圖案3 1上的平整度可經過如化學機械研磨（CMP ) 設備進行平坦化後再重複利用，如此並不會增加太多的製 程成本。 由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的 確可達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出專利 申請。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不 能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利 範圍及創作說明書内容所作之簡單的等效變化與修飾，皆 應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。

1234235 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第1圖，係本發明步驟一、二成形狀態之剖面示意圖 第2圖，係本發明步驟三成形狀態之剖面示意圖。 第3圖，係本發明步驟四、五成形狀態之剖面示意圖 第4圖，係本發明成形後的單晶矽薄膜電晶體示意圖 【圖號說明】 玻璃基板1 非晶石夕薄膜2 矽基板3 單晶矽圖案3 1 雷射光4 閘極絕緣層4 0 閘極4 1 源極4 2 汲極4 3

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Claims (1)

1. Ϊ234235 六、申請專利範圍 【申請專利範圍】 包含 • 種在破璃基板上製作單晶石夕薄膜電晶體之方法 下列步驟： | / 步驟一：取一玻璃基板； =驟二：在該玻璃基板鍍上一層防止破璃基板内雜質往外 :散之二氧化矽層後，以化學氣象沈積技術在玻璃基板正 面成長一層非晶矽薄膜； 步驟三：再取一矽基板，並利用蝕刻技術定義單晶 於矽基板上； 步驟四：將非晶矽薄膜與具單晶矽圖案之矽基板面對面接 觸緊貼後，利用雷射光從玻璃基板背面照射，而在適當的 雷射參數下可使正面的非晶矽薄膜全部熔融； 步驟五：當非晶矽薄膜全部熔融，固化後即產生再結晶 (Recrystallization)現象，由於熔融的非晶矽薄膜會 以接觸到的單晶矽圖案作為晶種觸發熔融的非晶矽薄膜侧 向成長出單晶矽薄膜； ' 步驟六：將單晶矽基板與玻璃基板分離，藉此即可製作單 晶矽薄膜電晶體於玻璃基板上。

   2 ·依申请專利範圍第1項所述之在玻璃基板上製作單晶石夕 薄膜電晶體之方法，其中，該玻璃基板亦可以石英等透明 基板取代。 3 ·依申請專利範圍第1項所述之在玻璃基板上製作單晶石夕 薄膜電晶體之方法，其中，該所用的非晶矽薄膜可用非晶 石夕鍺（SiGe )薄膜代替。 ' 09

   第12頁 1234235 六、申請專利範圍 4. 依申請專利範圍第1項所述之在玻璃基板上製作單晶矽 薄膜電晶體之方法，其中，該化學氣象沈積技術可為電漿 增強化學氣象沈積（PECVD )或低壓化學氣象沈積 (LPCVD )等技術。 5. 依申請專利範圍第4項所述之在玻璃基板上製作單晶矽 薄膜電晶體之方法，其中，若使用該低壓化學氣象沈積 (LPCVD )則需多一道步驟將玻璃基板背面的非晶矽薄膜 層去除，使雷射可以從背面穿透到達正面進行再結晶。 6. 依申請專利範圍第1項所述之在玻璃基板上製作單晶矽 薄膜電晶體之方法，其中，該矽基板係為一具有單一方向 φ 結晶之石夕基板（Single-Crystalline Silicon - Substrate ) 〇 7. 依申請專利範圍第1項所述之在玻璃基板上製作單晶矽 薄膜電晶體之方法，其中，該蝕刻技術可為濕式或乾式。 8. 依申請專利範圍第1項所述之在玻璃基板上製作單晶矽 · 薄膜電晶體之方法，其中，該步驟四所使用的雷射光包括 准分子雷射（Excimer-Laser)、連續波長雷射（CW-Laser )， 9. 依申請專利範圍第1項所述之在玻璃基板上製作單晶矽 遽 薄膜電晶體之方法，其中，該步驟四將非晶矽薄膜與具單 β 晶矽圖案之矽基板面對面接觸緊貼後，可利用高溫環境對 接觸後的非晶句7薄膜進4亍再結晶。

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