TWI312577B - - Google Patents

Description

1312577 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種薄膜半導體裝置之製造方法及薄骐半 導體裝置，特別是關於一種適合於平面面板顯示器中顯示 用驅動面板之製造之薄膜半導體裝置之製造方法及薄膜半 導體裝置。 【先前技術】

於液晶顯示器或有機EL顯示器等平面面板顯示器中，設 置有薄膜電晶體（TFT: thin film transistor)作為像素電極|區 動用元件。其中，由於使用多晶石夕（p〇ly_§i)作為半導體薄 膜之poly-Si.TFT，可形成驅動電路，並由於將高功能電路 内建於面板而可實現所謂SOG化（system-on-glass)等而倍 受矚目。然而，為實現於低成本之玻璃基板上、而並非於 石英基板上形成poly-Si.TFT，而開發有所謂低溫{)〇1^以製 程，將製造製程之溫度抑制於60(rc以下。 於低溫poly-Si製程之p〇iy_Si.TFT製造中，於玻璃等絕緣 基板上，藉由電聚CVD法將非晶質石夕（a_si)成膜作為半導 體薄膜，並藉由對該膜照射準份子雷射等強光以進行退火 (雷射退火）處理而實現多結晶化。然#，眾所周知，以此 方式獲得之poly-Si，於結晶粒界成蛀Β 位準，該缺陷位準之導因之2、，内3有較多缺陷 此由陷獲於缺陷位準之雷荇“丄 “璲）因 ? .、 電何，而對於結晶内部移動之雷 子，電洞等载體會开彡$ Β # κ + 形成日日粒界電位障。於該電位障較高之 情形時，載體移動度變低丨草較同之 度變低，其結果無法形成高性 102370.doc 1312577 而為防止此種TFT性能劣化之使氫等鍵結於該懸鍵而終 止化，並使缺陷位準減少之所謂氫化退火先前已眾所周 知。作為氫化退火，習知具有以下方法：藉由使氧化石夕膜 與氮化梦膜等堆積於多晶㈣上並實行熱退火，而使氧化 石夕及氮化石夕膜中之氫擴散於多晶石夕中之方法；或藉由曝露 基板於氫電漿中而使之氫化之方法。然而以如此方法導入 膜中之氫之㈣’有助於懸鍵終止化之氫原子僅為極少一 部分’多數懸鍵並未終止化而殘留下來。X，亦藉由Μ 鍵之鍵結能約為3.0 eV左右之至5⑽。c之熱退火而失去 氫鍵結。 因此提出有藉由於水分環境下進行熱處理（退火）而使 氧鍵結於騎，並使缺陷位準降低之步驟。因_鍵之鍵 結能約為4.7 eV，與Si_H鍵相比能量較高，故而對於更高 溫度之高溫製程或熱載體亦較穩定。χ，特別是，水蒸氣 退火可批次處理，故而與氧電漿法相比，具有適合於 產’且與氧退火法相比，具有氧化率較高之優點。 如下實行應用如此之水蒸氣退火的TFT之製造。首先， 以覆蓋多結晶化之半導體薄膜之狀態形成氧化矽膜。其 次’藉由實行水蒸氣退火，使氧鍵結於構成tft之半導體 薄膜之懸鍵而使該懸鍵終止。其後’將氧㈣膜以及半導 體薄膜圖案化而實行元件分離’並以覆蓋該等圖案之狀態 形成閘極絕緣膜，此外形成閉極電極。以如此之製造工序 所形成之TFT中’亦將曝露於水蒸氣退火中之氧化矽膜作 為閘㈣緣膜之1分而使用。（以T，參照下述專利文 102370.doc 1312577 之各樣品，與薄 ’使用傅立葉紅 成膜於Si晶si上之氧切進行水蒸氣退火 膜電晶體之製造步驟同時於同一之腔室中 外分光法進行。 自圖1明顯可知’ Si_〇H鍵濃度與η通道TFT之vth大體為 直線關係、°即，可確認仏⑼鍵濃度越高，Vth越向負方向 移位。此亦可自圖2顯而易見。

f此’可知如i述本發明之製造方&，將層間絕緣膜以 覆羞薄膜電晶體（TFT)之狀態形成，該層間絕緣膜於至少 最下層之膜中未含有.基，其後即使進行水蒸氣退火， 用以穩定可靠地以氧（一部分氫）使懸鍵終止之時，亦可獲 V於η通道中vth並未向負方向移位之薄膜電晶體。 再者於P通道之薄膜電晶體中未觀察到如依存於使用 圖1及圖2加以說明之8丨_〇11鍵濃度的vth移位。因此，如此 之η通道TFT之Vth移位，無法於如對水蒸氣退火之膜中固 疋電荷產生影響之樣本中說明此現象。 之所以觀察到僅於n通道中TFT元件之vth向負方向產生 車乂大移位，原因如下。關於氫原子之運動，例如於年 《物理評論B》41卷R12354等所刊，於矽中結晶場下，p_ Η何生物以p_H4P++h-...(1)*式離解而產生穩定的Η·離 子，由於存在電場使該Η·離子於矽中移動。另一方面，因 Si-OH單獨鍵結時氫原子無鍵結對象，故而使氫原子自〇Η 鍵完全離解，必須以⑺⑽它以上之高溫退火，而H作為鍵 結對象，於η通道之薄膜電晶體中，因p原子存在於源極/ 沒極中，故而可容易地製作p_H衍生物。一旦p_H可鍵結， 102370.doc -10- 1312577 供氣線7與排氣線8。 處理至3係以石英構成内壁之石英管，並具有防止金屬 混入之結構。於該處理室3内，酉己置有平臺3a，其可複數 塊搭載玻璃基板或石夕基板等被處理基板（省略圖示），成為 可批次處理被處理基板之結構。 加熱器4以包圍處理室3之外周之方式設置，可將處理室 3内溫度維持於300至7〇(rc。 升壓線5連接於空氣（Air)供應源，具有減壓閥Rv、流量 計FM及閥門V’㈣閥門¥之開閉將线（a)導入壓力容 器2另方面，降壓線6具備減壓閥V，可將壓力容器2内 排氣降壓。 -於將處理室3側作為下流時，供氣線7於上流部分支有氮 氣（NO等非活性氣體供應線7a、供水線几及此外用以供應 省略此處圖式之處理氣（氧或一氧化二氮等）之處理氣供氣 線。又，於該供氣線7中，於處理室3内釋放處理氣體之下 抓。p，设置有將處理氣體加熱至與處理室3内相同溫度之 加熱器7c。 非活性氣體供應線7a具有氮（Nj等非活性氣體之供應 源、減壓閥RV、流量計FM及閥門v，其可依據閥門乂之開 閉，將非活性氣體供應於處理室3内，將處理室3作為特定 之處理氣體環境，並將處理室3升壓至〇1至5 Mpa為止。 供水線7b具有泵p以及閥門v，其自水源汲水，依據閱門v 之開閉將水供應於加熱器7c，並使水於該加熱器&蒸發， 供應於處理室3内。又，省略此處圖式之處理氣供氣線， 102370.doc •13· 1312577 機系矽烷氣體（S1H4、ShHe等）與氨氣體（Nh3)。又，於氧 化石夕膜33之成膜中’於成膜氣體中使用上述無機系矽烷氣 • 體與氧（〇2)或一氧化一氮（N：z〇)。再者，成膜時將基板溫度 保持於450°C左右。 於上述之後，藉由電漿C VD法、反應性熱c VD法、減壓 CVD法及常壓CVD法，將含有矽或矽鍺 '或該等之層積體 之半導體薄膜34於氧化梦膜33上成膜。此處，膜厚為1〇至 馨 100 nm，較好是將40 nm膜厚之半導體薄膜34成膜。 其後’根據需要，進行將半導體薄膜34中之殘留氫脫離 之脫氫退火。 其次，如圖4(b)所示，根據需要，對半導體薄膜34實行 助長結晶化之步驟。此時，實行脈衝準份子雷射、Xe(氙 氣）電弧燈、高壓氣體喷附等能量之照射。藉此，消除構 成半導體薄膜34之多結晶中之缺陷，並以熔融再結晶化等 方法加大結晶粒徑’或僅消除並未熔融之結晶缺陷，並助 φ 長構成半導體薄膜34之材料之結晶性。此時，例如準分子 雷射使用波長為308 nm之線光束雷射，並將脈衝反覆頻率 設定於200 Hz左右。又，以200至400 mJ/cm2進行雷射能量 之照射。 接著，如圖4(c)所示，將半導體薄膜34藉由圖案蝕刻分 離為島噪狀。 其後’如圖4(d)所示，藉由電漿CVD法，將含有氧化石夕 之閑極絕緣膜35以大約100 nm之膜厚成膜。其後，根據需 要’以控制形成於此處之薄膜電晶體之Vth為目的，將Bh 102370.doc •15- 1312577 離子以0·1 E12至4 E12/cm2左右之劑量離子佈值於半導體 薄膜34»此時，離子束之加速電壓設定於2〇至2〇〇 kev左 右。 其次，如圖4(e)所示’介以閘極絕緣膜35，將閘極電極 ' 36形成於圖案化之半導體薄膜34。此時，首先，將铭 (A1)、鈦（Ti)、鉬（Mo)、鎢（w)、钽（Ta)、添加有雜質之多 晶矽（Doped P〇ly-Si)或該等之合金，以2〇〇至8〇〇 nm之膜厚 成膜於閘極絕緣膜35上，藉由將其圖案化而形成閘極電極 零36。 其後，如圖5(a)所示，藉由以閘極電極36為遮罩之離子 佈值法，實行雜質導入，用以將11型M〇s電晶體之1〇〇擴 散層37形成於半導體薄膜34中。此時，使用例如p+離子實 行質量分離離子佈值’將佈值劑量設定為6 E12至5 E13/cm2左右’並將加速電壓設定為20至200 keV左右。 其次’如圖5(b)所示，形成抗蝕劑圖案38，其覆蓋n通 • 道區域a中之閘極電極36之側壁，且覆蓋ρ通道區域!^，並 藉由將其作為遮罩之離子佈值，實行雜質導入，用以形成 η通道之薄膜電晶體之源極.汲極39。此時，使用例如p+離 子實行質量分離或非質量分離型之離子植入，將佈值劑量 设定為1 Ε14至3 E15/cm2左右，並將加速電壓設定為2〇至 200 keV左右。藉此’形成^通道之薄膜電晶體（nTFT)4〇。 離子佈值後，將抗蝕劑圖案38剝離。 進而’如圖5 (c)所示’形成覆蓋η通道區域a之抗姓劑圖 案41 ’藉由將其與p通道區域b之閘極電極36作為遮罩之離 102370.doc -16· 1312577 子佈值法，實打雜質導入，用以形成p通道之薄膜電晶體 之源極·汲極42的。此時，使用例如B離子+，以！ £15至3 .E15/cm2左右之佈值劑量與1〇至1〇〇匕乂左右之加速電壓進 行佈值，形成p通道之薄膜電晶體（pTFT)43。離子佈值 後’將抗姓劑圖案41剝離。 於上述之後，如圖6(a)所示，藉由將閘極電極％作為遮 罩之㈣’除去間極絕緣膜35。藉此，將閘極絕緣膜35圖 _ 案化為層積於閘極電極36之形狀’並將除此以外重疊於半 導體薄膜34之閘極絕緣膜3S部分除去。 其次，如圖6⑻所示，以覆蓋HTFT40以及PTFT43之方 式，將至少於最下層之膜中未含有·〇Η基之層間絕緣膜44 成膜於基板31上。此處，將含有氮化石夕之層間絕緣膜44以 200至400 nm之膜厚成膜，作為於膜中未含有_〇η基之層間 絕緣膜44之-例。因氮化碎之膜中氧之含有量較少，故而 膜中之-ΟΗ鍵濃度極小。其中，膜中未含有_〇η基意指膜 φ 中之-ΟΗ鍵濃度小於ixi〇2i cm-3。 再者，層間絕緣膜44亦可為此外將氧化石夕膜以⑽至㈣ nm之媒厚形成於氮切膜上之層積膜。若為如此之層㈣ 造，則層間絕緣膜44之最下層以於膜中未含有_ 〇h基之 氮化矽膜構成。但於此情形時’較好是以膜中未含有=基 之成膜方法形成上層氧化石夕膜。此處，所謂膜中未含有經 基之成膜方法，係指例如雷π u , j戈電子回旋共振電聚（electron cyclotron resonance : ECR)CVD法或磁控濺鍍法。 又’層間絕緣膜44亦可為含有氧氮化石夕（SiNx〇y)之層。 102370.doc •17- 1312577 FT-IR之光譜於1050至1090 cm·!左右具有吸收峰值，根據 該峰值半值寬度之大小，可判斷氧化矽膜之精細性。並 . 且，判斷出於表現為1〇5〇至1090 Cnfi左右之吸收峰值之半 值寬度大於90 cm-1之情形時，氧化矽膜為稀疏性膜，於 小於80 cm·1之情形時，為精細性之膜。 接著，如圖6(d)所示，將到達半導體薄膜34之接觸孔秭 形成於層間絕緣膜44。而介以該接觸孔46形成連接於半導 # 體薄膜34之配線電極47。該配線電極47藉由將A1_Si等配線 用電極材料濺鍍成膜’並將其圖案化而形成。 其後，以約1 μιη之膜厚塗敷形成包含例如丙烯系有機樹 脂之平坦化絕緣膜48，並將到達配線電極47之接觸孔的形 成於該平坦化絕緣膜48。且，介以該接觸孔49將連接於配 線電極47之像素電極5〇形成於平坦化絕緣膜48上。像素電 極50例如藉由減鍵成膜作為透明導電性材料之IT〇(lndium Tin Oxide，氧化銦錫），並將其圖案化而形成。又，於像 鲁 素電極50含有ITO之情形時，將像素電極50於氮氣環境中 以約220。(：之溫度退火30分鐘。藉由以上，完成成為顯示 用驅動面板之薄膜半導體裝置51。 於如上方法形成之薄膜半導體裝置51中，如使用圖6(b) 所作說明，以覆蓋TFT40、43之狀態，形成於最下層之膜 中未含有-OH基之層間絕緣膜44。因此，於使用其次之圖 6(c)所作說明之步驟中，實行高壓水蒸氣退火時，層間絕 緣臈44中之·〇Η基並未對TFT40、43產生影響，氧鍵結於 構成TFT4〇、43之半導體薄膜34之懸鍵，並以氧（一部分 102370.doc •19- 1312577 外對使用其之顯示用驅動面板（薄膜半導體裝置）之製造方 法加以說明。 首先，如圖9(a)所示’將閘極電極72形成於與第一實施 形態同樣之絕緣性之基板71上。於該情形時，首先，將组 (Ta)、鉬（Mo)、鎢（W)、鉻（Cr)、銅（Cu)或該等之合金以2〇 至250 nm之膜厚形成於基板71上，並藉由將其圖案化形成 閘極電極72。 其次’如圖9(b)所示’藉由電漿CVD法、常壓CVD法或 減壓CVD法，將氮化矽膜73以覆蓋閘極電極72之狀態，並 以30至50 nm之膜厚成膜於基板71上，再繼續將氧化石夕膜 74以50至200 nm之膜厚成膜，獲得閘極絕緣膜75。其後， 再繼續’將與第一實施形態同樣之半導體薄膜76成膜於閘 極絕緣膜75上。以上之成膜步驟於同一腔室内連續地實 行0 接著，根據需要’形成半導體薄膜76後，繼續對半導體 薄膜76實行脈衝準份子雷射、Xe電弧燈等能量e之照射， 或由於喷高溫之A氣體等將溫度急速升高，有助於半導體 薄膜76之結晶性。此步驟之實行與第一實施形態中使用圖 4(b)所作之說明同樣。 其後’如圖9(c)所示，藉由電漿CVD法將含有氧化石夕之 頂蓋絕緣膜77以100至200 nm之膜厚成膜。其後，根據需 要’以控制TFT之Vth為目的，將B+離子以0.1 E12至4 E12/cm2左右之劑量佈值於半導體薄膜76。此時，離子束 之加速電壓設定為1〇至1〇〇]^乂左右。 102370.doc -24· 1312577 接著，如圖9⑷所示，藉由來自基板川則之背面曝光， 將閘極電極72作為遮罩，於頂蓋絕緣膜77上形成抗蝕劑圖 .案78。並且’藉由以抗钱劑圖案78為遮罩之餘刻，殘留於 問極電極72上除去其他部分之頂蓋絕緣膜77。 接著如圖9(e)所示，藉由以抗蝕劑圖案為遮罩之離子 佈值法，實行雜質導入，用以將n通道之薄膜電晶體 (nTFT)的LDD擴散層79形成於半導體薄膜76中。此時，使 φ 用例如P+離子，實行質量分離離子佈值，該佈值劑量設定 為4 E12至5 El3/cm2左右，加速電壓設為1〇至1〇〇 keV左 右。 其後，如圖10(a)所示，形成抗蝕劑圖案8〇，其覆蓋η通 道區域a中之閘極電極72上以及LDD擴散層79上，此外覆 蓋P通道區域b全體，並藉由以其為遮罩之離子佈值法，實 行雜質導入，用以形成n通道之薄膜電晶體（nTFT)之源極· 汲極81。此時，使用例如p+離子，實行質量分離或非質量 • 分離型之離子植入’其將佈值劑量設定為1 E14至1 E15/cm2左右，並將加速電壓設定為1〇至1〇〇 keV左右。藉 此形成nTFT82。離子佈值後將抗蝕劑圖案8〇剝離。 接著’如圖10(b)所示’形成抗蝕劑圖案83，其覆蓋於η 通道區域a之全體與ρ通道區域b之閘極電極72上，並藉由 以其為遮罩之離子佈值法，實行雜質導入，用以形成p通 道之薄膜電晶體（pTFT)85之源極.汲極84。此時，例如使 用Η:稀釋之ΒΖΗ6氣體，以1 E15至3 E15/cm2左右之佈值劑 量’並以10至1〇〇 keV左右之加速電壓植入B +離子，形成p 102370.doc -25- 1312577 圖7a-c係表示第二實施形態之製造方法之剖面步驟圖。 圖8a-c係表示第三實施形態之製造方法之剖面步驟圖。 圖9a-e係表示第四實施形態之製造方法之剖面步驟圖（之 一）。 圖l〇a-d係表示第四實施形態之製造方法之剖面步鄉圖 (之二）。 圖11 a係表示第四實施形態之製造方法之剖面步驟圖（之

圖l2(a)、（b)係表示第三實施形態之nTFT之傳導特性（閑 極電壓·汲極電流特性）之圖表（1)與比較圖表（2)。 圖l3(a)、（b)係表示第三實施形態之pTFT之傳導特性（閑 極電壓-汲極電流特性）之圖表（1)與比較圖表（2)。 圖14係說明先前之製造方法之一例的剖面圖。 圖15(a)、（b)係對先前之製造方法之課 表。 課喊加以說明之圖 【主要元件符號說明】 31，37 34, 76 35, 75 36, 72 39, 81 40, 82 43, 85 44, 44', 44", 86 51，51，，51", 88 基板 半導體薄膜 閘極絕緣膜 閘極電極 源極·沒極 nTFT(薄膜電晶體） pTFT(薄膜電晶體） 層間絕緣膜 薄膜半導體裝置 102370.doc -29-

Claims (1)

1. 其特徵在於實行以下 13135®?26431號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(97年6月） 十、申請專利範圍： i•-種薄臈半導體裝置之製造方法 三步驟： 第—步，驟’將物電晶體形成於基板上； ^ , y 覆蓋上述薄膜電晶體之狀態將層間絕緣 *、形成於基板上，該層間絕緣膜之構成至少最下層之膜 中未3有羥基且鍵濃度小於ixi〇2】em-3 ;以及 V驟於开^成上述層間絕緣膜後’藉由水分環境 ’》、處理，使氧或氫鍵結於構成上述薄臈電晶體之半 導體薄胰的懸鍵。 a 2. 如請求項1之薄膜半導體裝置之製造方法，其中 於上述第二步驟，係形成含有氮化矽之上述層間絕緣 膜。 3，如凊求項1之薄膜半導體裝置之製造方法，其中 ;上述弟一步驟，係形成上述層間絕緣膜，其含有氮 化石夕膜與氧化秒膜之層積構造。 4·如清求項1之薄膜半導體裝置之製造方法，其中 上述第3步驟之熱處理於加壓環境中進行。 5·如請求項1之薄膜半導體裝置之製造方法，其中 於上述第一步驟，係形成膜中未含有羥基之絕緣膜， 作為上述·薄膜電晶體之閘極絕緣膜。 6. 一種薄瞑半導體裝置之製造方法，其特徵在於實行以下 三步驟： 第—步驟，將薄膜電晶體形成於基板上； \02370-970618.doc J312577 第二步驟， 膜形成於基板 中未含有羥基 $膜電晶體之狀態將層間絕緣 上，該層間絕緣臈之構成至少最下層之膜 :以及 ^步驟’於形成上㈣間絕緣膜後，藉由水分環境 :哎理’使虱或風鍵結於構成上述薄臈體之 導體溥膜的懸鍵； 7. ^述第-步驟t，將上述薄臈電晶財之間極絕緣 」圖案化為層積於該薄膜電晶體中之閘極電極之形狀。 1膜半導體n其係具有薄膜電晶體與層間絕緣 、’其中該薄膜電晶體於以料為主要成分之半導體 薄膜之源極區域以及汲極區域中含有v族㈣，該層間 _膜以覆蓋該薄膜電晶體之狀態設置於基板上，其特 徵在於： 上述層間絕緣膜之$ ν|> Ψ- nr Li a 啄臊之至；取下層含有氮化矽膜且-OH鍵 濃度小於lXl〇21em-3。 *種薄膜半導體裝置，其係具有薄膜電晶體與層間絕緣 膜者’其中該薄膜電晶體於以碎作為主要成分之半導體 薄膜之源極區域以及汲極區域中含有V族元素，該層； 絕緣膜以覆蓋該薄膜電晶體之狀態設置於基板上，Z 嫩六认_ '、符 積於 絕緣 上述層間絕緣膜之至少最下層含有氮化矽膜；且 將構成上述薄膜電晶體之閘極絕緣膜圖案化為層 上述薄膜電晶體構成中之閘極電極之形狀。 9. 一種薄膜半導體裝置，其係具有薄膜電晶體與層間 102370-970618.doc .1312577 徵在於： 、者’其中該薄膜電晶體於以石夕作為主要成分之半導體 核之源極區域以及汲極區域中含有v族元素，該層間 絕緣膜以覆蓋該薄膜電晶體之狀態設置於基板上，盆特 上述層間絕緣膜係藉由水分環境氣體中之熱處理而緻 密化者；且

   將構成上述薄膜電晶體之閘極絕緣膜圖案化為層積於 上述薄膜電晶體構成中之閘極電極之形狀。 9 、

   102370-970618.doc