TWI359460B - A method of fabricating a polycrystalline semicond - Google Patents

Description

1359460 九、發明說明：

V 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種多晶矽薄膜之製備方法，尤指一種 使用一快速升溫退火系統（RTA，Rapid Thermal Annealing) 5 之製備方法。 【先前技術】 # 多晶矽（P〇ly-silicon)由於具有優於非晶矽之電性，以 及低於單晶矽之成本優勢，而於近年來在薄膜電晶體製造 10 上廣受重視，尤其是在薄膜電晶體驅動液晶顯示器 (TFT-LCD)的應用上。 然而’多晶石夕晶粒之尺寸（grain size)大小係對於電子 遷移率（mobility)和元件特性有很大的影響，其中，多晶石夕 中存在的晶粒晶界（grain boundary)更構成元件中載子通過 15 閘極通道時的障礙。因此，如何增大多晶矽之晶粒粒徑， I 使晶界數減少，以促進薄膜電晶體特性的提升，即是現今 多晶矽薄膜製造技術中相當重要的發展趨勢。以顯示器技 i 術為例，製作高效能之薄膜電晶體，以開發出高性能的平 面顯示器，是目前顯示器技術發展的指標。 20 在美國專利第6,642,092號中’ Voutsas等人提出一種使 用固相結晶之退火技術，而在金屬基板上製作多晶矽元件 的方法，然而因為基板材質的限制，故此種方法並不適用 於平面顯示器製造上。國際公開號W02007064087中’ UM PYUNG-YONG等人提出一種化學氣相沉積法（chemical 5 1359460 vapor deposition，CVD)以製作多晶矽元件。但不論是上述 之固相結晶法或化學氣相沉積法所形成的多晶矽之晶粒皆 相當小，粒徑約只有l〇〇nm，因此以這些方法所形成的多晶 矽薄膜特性並不佳。 5 目前在多晶矽材料的製備上，最普遍使用的為準分子 雷射回火（excimer laser annealing，ELA)技術，雖然所能得 到之多晶石夕晶粒粒徑約可達6〇〇nm，但對於要開發更高性能 之平面顯示器仍然不足。於是，近年開始有金屬誘導橫向 結晶法（metal-induced lateral crystallinity，MILC)之技術被 1〇提出（台灣專利第1256733號），係使用鎳等金屬於高溫及長 時間下橫向誘導非晶矽長晶之方法。其製作時間冗長，且 製得之多晶矽會有金屬污染的問題。 因此，如何解決上述各種多晶矽材料製備的問題（如： 製作時間冗長 '長時間高溫處理、基板材料限制、金屬污 15染問題）’而製備出晶粒大、結晶性佳、低污染性並具有優 良電性之多晶矽薄膜，則為目前顯示器技術發展的目標。 【發明内容】 因此，本發明有鑑於上述之問題。本發明之主要目的 20係在提供一種多晶矽薄膜的製作方法，而可應用在多晶矽 薄膜電晶體或内含多晶矽薄膜之元件製造上。此方法係利 用一金屬板（或二金屬板）覆蓋於非晶矽薄膜或基板層，並以 快速升溫退火系統進行照光，藉由金屬板將光能轉為結晶 所需Bb量並傳導至非晶石夕薄膜，而使達到快速升溫結曰。 6

借大 上述之目的，本發明係提供一種多晶矽薄膜之製 係為先（Α)提供一基板’接著（Β)形成一非晶矽薄膜 Μ Α板之一側，並且（C)鄰接至少一金屬板，並形成一堆 \ …後（D)照光於堆疊層，使非晶矽薄膜結晶形成多晶 /膜€後並（E)移除其金屬板而得到一多晶石夕薄膜。其 v驟之照光步驟可使用一快速升溫退火系統(rta， P Thermal Annealing)進行。使可達到短時間升溫之目 的。 如本發明之製備方法中，步驟（C)之至少-金屬板可鄰 接於非妙4膜側、基板側、或同時鄰接於非晶碎薄膜側 及基板側。其堆疊層兩側皆具有金屬板的構造可幫助加速 I里的傳導’使製程時間更縮短，且亦可降低製程之溫度， 減少能量消耗，卻仍可達到結晶之效果。 本發明之多晶石夕薄膜之製備方法中，其快速升溫退火 系統可較佳使用-紅外線光源或一紫外線光源，作為升溫 之照射光源用。 本發明之多晶石夕薄膜之製備方法中，其基板之材質可 為玻璃基板、塑膠基板、或其他基板，更進一步包含可撓 曲性（flexible)基板。 本發明之多晶♦薄膜之製備方法中，步驟⑼之照光時 間較佳為120秒以下，亦即本發明可於短時間内達到升溫結 晶的效能。 本發明之多晶矽薄膜之製備方法中，步驟（d)之一照光 最高溫度較佳介於4〇〇〜1100。(：之間。 ' 7 1359460 本發明之多晶梦薄膜之製備方法中，金屬板之 佳為選自-由鋁、鐵、銅、銀、錳、鈷鎳、金鋅 銦、鉻、鉑、鎢、及其合金所組成之群組。 、 5 10 *因&，本發明之製備方法由於係利用至少一金 蓋於非晶⑦薄膜或基板層，並以快速升溫退火系統進行照 光，藉由金屬板將光能轉為結晶所需能量並傳導至非晶妙、 薄膜，而使達到快速升溫結晶。不同於習知技術中曰要 長時間（12小時以上）高溫燒製以及必需使用耐高溫之昂責 材質（如石英）作為基板，本發明之製備方法不僅快速且由 於加熱時間短暫（少於120秒），因此可直接使用一般破璃基 板或低熔點基板。實為一兼具突破性及實用性之發 【實施方式】 本發明將由以下實施例作為更詳盡之解說。 15 首先，請參閱圖1，其係本發明實施例之製程流程總 圖。本發明之製程流程包括S1〜S5共五個步驟，“為提供一 基板10，S2為於基板10上形成一非晶矽薄膜u，S3為鄰接 金屬板12或鄰接一片金屬板以達到更好的結晶效果，S4 為快速升溫退火處理以將非晶石夕薄膜11結晶形成多晶石夕薄 2〇 膜15，最後於步驟S5中將金屬板12移除。 實施例1 請參閱圖2 ’其係本實施例之多晶石夕材料製備方法之流 程圖。首先，於一玻璃基板10上形成一非晶石夕薄膜11(S2)， 接著將一金屬板12覆蓋（鄰接）於非晶石夕薄膜1丨側，以形成一 8 1359460 堆疊層1(S3)。接著，將堆疊層1置 瓦層1置入快速升溫退火系統 (Rapid thermal annealing，RTA)中（圖未示），以紅外線光源 (圖未示）照射堆疊層1，而達到快速升溫（於9〇〇它， 秒）並接著退火處理（S4)，以使非晶㈣㈣結晶形成多晶 *5矽薄膜Μ。最後，移除堆疊層丨之金屬板12，並得到一多晶 矽薄膜15(S5)。 ΒΒ 實施例2 請參閱圖3,其係本實施例之多晶石夕材料製備方法之流 。除了於步驟S2中’非W薄膜u係形成於玻璃基板 10 1〇之下方外，其餘與實施例1相同的方法製備一多晶矽薄膜 15 〇 實施例3 請參閱圖4，其係本實施例之多晶矽材料製備方法之流 程圖。首先，於一玻璃基板1〇上形成一非晶石夕薄膜1〖（S2)。 15 接著取二片金屬板12、14分別覆蓋（鄰接）於非晶矽薄膜u 側以及玻璃基板10側，以形成一堆疊層1(S3)。接著，將堆 > 疊層1置入一快速升溫退火系統（Rapid thermal annealing , RTA)中.（圖未示）’以紅外線光源（圖未示）照射堆疊層1，而 達到快速升溫（於700 °C，46秒）並接著進行退火處理 -20 (S4)，以使非晶矽薄膜11結晶形成多晶矽薄膜15。最後，移 除堆疊層1二侧之金屬板12以及金屬板14，並得到一多晶矽 薄臈 15(S4)。 實施你丨4 9 1359460 請參閱圖5,其係本實施例之多晶矽材料製備方法之流 程圖°除了於步驟S2中，非晶矽薄膜11係形成於玻璃基板 10之下方外，其餘與實施例3相同的方法製備一多晶矽薄膜 15。 5 實施例5 請參閱圖6，其係本實施例之多晶矽材料製備方法之流 程圖。首先’於一玻璃基板1〇上形成一非晶矽薄膜11(S2)， 接著將一金屬板12覆蓋（鄰接）於玻璃基板1〇側，以形成一堆 疊層1(S3)。接著’將堆疊層1置入一快速升溫退火系統 10 (RaPld thermal annealing ’ RTA)中（圖未示）’以紅外線光源 (圖未示）照射堆疊層i，而達到快速升溫（於9〇(rc ，1〇6 秒）並接著退火處理（S4)，以使非晶矽薄膜11結晶形成多晶 矽薄膜15。最後’移除堆疊層1之金屬板12，並得到一多晶 矽薄膜15CS5)。 15 實施例6 請參閱圖7，其係本實施例之多晶矽材料製備方法之流 .程圖。首先，於一玻璃基板10下方形成一非晶矽薄膜 11(S2) ’接著將一金屬板12覆蓋（鄰接）於玻璃基板側，以 形成一堆疊層1 (S3)。接著，將堆疊層1置入一快速升溫退火 .20 系統（Rapid thermal annealing，RTA)中（圖未示），以紅外線 光源（圖未示）照射堆疊層1，而達到快速升溫並接著退火處 理（S4)’以使非晶矽薄臈11結晶形成多晶矽薄膜15。最後， 移除堆疊層1之金屬板12，並得到一多晶矽薄膜15(S5)。 25 [實驗例1 ] X光繞射分析 1359460 取實施例1〜5所製備得到之多晶矽薄膜，並分別進行χ 光繞射分析，以觀察其個別之結晶性，所得到結果分別如 圖8A〜8E所示。 從圖8A-8E可看到，吸收峰（in)的出現則代表本發明 5之實施例1〜5所製備得到的多晶矽薄膜皆具有良好的結晶 性。由半高寬FWHM的結果可以看到（FWHM的值越小則代 表結晶性越好），如圖8C及8D所示，實施例3及4具有更顯著 (sharp)之吸收峰（111)，其係代表實施例3及4的多晶矽薄膜 具有更佳的結晶性’亦即表示，於製作過程中，雙片金屬 10板的使用可使多晶石夕薄膜具有更佳的結晶性。實施例5的製 備過程中，雖然金屬板並未直接鄰接於非晶矽薄膜，而是 鄰接於玻璃基板側，仍可由圖犯的吸收峰（m)觀察出結晶 的形成。也就是代表著，雖然金屬板鄰接於玻璃基板側， 仍具有其效果。 15 [實驗例 2]拉曼散射光譜（Raman scattering spectroscopy， Rs)分析 ’ 取實施例1〜5所製備得到之多晶矽薄膜，並分別進行拉 曼散射光s普分析，以觀察其個別之結晶性，所得到結果分 20 別如圖9A〜9E所示。 以矽單晶吸收峰訊號位置52〇cm-i作為基準（參考值）， 本實施例1〜5測得之吸收峰皆非常接近52〇cm，i，且以雙片 金屬板製作之多晶矽缚膜（實施例3及4，圖9(：及9]〇)所測得 值更接近520cm·1 (皆為519 4 cm-q，代表其具有更佳的結晶 25性。此外，由半高寬FWHM的結果亦可以看到（FWHM的值 1359460 越小則代表結晶性越好），以雙片金屬板製作之多晶矽薄膜 其結晶性確實較佳。 [實驗例3]知描式電子顯微鏡（scanning electron 5 micr〇scope，SEM )分析 多晶矽薄膜的電性與阻值，與其晶粒大小息息相關， 欲得到具有好的電性的多晶矽薄膜，則其晶粒尺寸則越大 越好。傳統製備方法十’多晶矽薄膜的晶粒尺寸僅可做到 1 約為1000A〜2000A左右。 10 取實施例1〜5所製備得到之多晶矽薄膜分別進行掃描 式電子顯微鏡分析，以觀察其個別之結晶晶粒大小及形 狀，所得到結果分別如圖10A〜10E所示。 如圖10A、10B及10E所示’本發明之實施例卜2及5中， 使用單片金屬板所製備之多晶矽薄膜之結晶晶粒分別具有 15 4000A、39〇〇A及3700A的平均大小。且以雙片金屬板 製作之多晶矽薄膜（實施例3及4，圖1〇c及1〇D)之結晶晶粒 平均大小更可分別達到83〇〇A及85〇〇人^因此，本發 明所製備之多晶矽薄膜，可具有優秀的結晶晶粒平均大 小。更由此得知，雙片金屬板的使用可使多晶矽薄膜具有 20 更佳的結晶性》 綜上所述，本發明之多晶矽薄膜之製備方法，利用金 屬板導熱以及快速升溫退火系統的應用，而達到多晶矽薄 膜的快速製備（1G6秒以内），並且所製得之多晶梦薄膜不僅 具有良好的結晶性，亦具有大的晶粒尺寸。本發明改善了 25習知傳統方法中需要長時間高溫下的製程步驟，使得製程 12 中載板的種類可有更多選擇， 制，且以本發明之製備方 ？長二 的發明。 尺寸，實為-種非常具有突破性 上述實施例僅係為了方#邙 ^ 使5兒明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專 於上述實施例。 ㈣圍所述為準，而非僅限 【圖式簡單說明】 1〇圖1係本發明之多晶石夕材料製備方法之流程總圖。 圖2係本發明實施m之多晶砂材料製備方法之流程圖。 圖3係本發明實施例2之多㈣材料製備方法之流㈣。 圖4係本發明實施例3之多晶石夕材料製備方法之流程圖。 圖5係本發明實施例4之多晶石夕材料製備方法之流程圖。 15圖6係本發明實施例5之多晶矽材料製備方法之流程圖。 • 圖7係本發明實施例6之多晶石，材料製備方法之流程圖。 圖8Α〜8Ε係分別為本發明實施例丨〜5之多晶矽薄膜之χ光繞 - 射分析圖。 圖9Α〜9Ε係分別為本發明實施例^之多晶矽薄膜之拉曼 2〇 散射光譜分析圖。 圓10Α〜10Ε係分別為本發明實施例^之多晶矽薄膜之掃 描式電子顯微鏡分析圖。 13 1359460 【主要元件符號說明】 1堆疊層 10玻璃基板 11非晶矽薄膜 12金屬板 14金屬板 15多晶矽薄膜

Claims (1)

1359460 申請專利範圍： 1. 一種多晶矽薄膜: (A)提供一基板； 第96144736號* 100年12月修正頁

(B) 形成一非晶矽薄膜於該基板之一側； (C) *k供至少一與該基板分離之金屬板； (D) 鄰接該至少一金屬板於該非晶矽薄膜及該基板中 之至少一者之表面，並形成一堆疊層； (E) 照光於該堆疊層，使該非晶矽薄膜轉換成該多晶矽 薄膜；以及 10 15

(F)移除該至少一金屬板； 其中’該步驟（E)之照光步驟係使用一快速升溫退火系 統（RTA ’ Rapid Thermal Annealing)進行。 2. 如申請專利範圍第1項所述之多晶矽薄膜之製備方 法’其中’步驟(D)之該至少一金屬板係鄰接於該非晶矽薄 膜側及該基板側。 3. 如申請專利範圍第1項所述之多晶矽薄膜之製備方 法’其中’該快速升溫退火系統利用一紅外線光源或一紫 外線光源。 20 4.如申請專利範圍第1項所述之多晶矽薄膜之製備方 法’其中’該步驟（E)之一照光時間係為12〇秒以下。 5:如申請專利範圍第1項所述之多晶矽薄膜之製備方 法’其中’該步驟（E)之一照光最高溫度係介於400〜11 〇〇cc 之間。 15 6.如申請專利範圍第1項所述之多 中，该金屬板之材質係選自一由 結鳐'金、鋅、錫、銦、鉻、始 組成之群組。 5 7.如申請專利範圍第1項所述之多 法’其中’該基板之材質為玻璃、塑膠 材質。

晶矽薄膜之製備方 铭、鐵、銅、銀、 、鎢、及其合金所 晶矽薄膜之製備方 、或其他可撓曲性 16