TWI567794B - 形成多晶矽薄膜的方法及薄膜電晶體製造方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種形成多晶矽薄膜的方法及應用該形成多晶矽薄膜的方法的薄膜電晶體製造方法。
在製作低溫多晶矽的流程中，進行形成多晶矽薄膜的方法工藝時，會利用雷射退火（laser anneal）將非晶矽轉化成多晶矽以進行後續的工藝。雷射退火的溫度高達1400攝氏度，在這一高溫下，非晶矽受熱熔化形成多晶矽，此爲非晶矽轉化爲多晶矽的一般過程。
圖1所示爲現有的形成多晶矽薄膜的方法的工藝流程圖。如圖1所示，現有的多晶矽薄膜處理方法包括如下步驟：
步驟101，在基板上進行三次沉積，分別沉積氮化矽（SiNx）薄膜、氧化矽（SiOx）薄膜和非晶矽（aSi）薄膜。其中，沉積氮化矽薄膜的作用在於阻擋基板的污染；沉積氧化矽薄膜的作用在於進一步阻擋基板的污染、儲熱和爲下一層非晶矽提供粘合作用；沉積非晶矽薄膜的作用在於形成TFT活化層。
步驟102，進行熱脫氫（thermal dehydrogenation）處理，避免在之後雷射照射的步驟下氫氣受熱發生爆炸。
步驟103，對基板及其上所沉積的非晶矽薄膜進行清潔。
步驟104，通過雷射退火工藝對非晶矽薄膜進行多晶矽化，即通過雷射照射，將非晶矽加熱熔化成爲多晶矽薄膜。
步驟105，進行後續處理步驟，例如對所形成的多晶矽薄膜製作布線圖案形成半導體層，以及形成閘極絕緣層、形成閘電極等。
然而，在步驟104中熔化形成的多晶矽表面呈高低起伏的波浪狀，晶粒尺寸及均勻度不容易控制，且在微觀下矽晶粒尺寸大小不等且排列沒有規則。在製成産品之後，容易導致産品電性發散、螢幕上有線形圖案、閾值電壓範圍大、産品的視覺效果不好等缺點。
本發明的目的是提出一種形成多晶矽薄膜的方法及薄膜電晶體的製造方法，以解决現有技術存在的問題。
爲實現上述目的，本發明一實施例提出一種形成多晶矽薄膜的方法，包括：
步驟A：在基板上沉積第一非晶矽薄膜；步驟B：進行雷射退火工藝，使所述第一非晶矽薄膜轉化爲第一多晶矽薄膜；步驟C：用氬離子轟擊所述第一多晶矽薄膜的表面，使所述第一多晶矽薄膜轉化爲第二非晶矽薄膜；以及步驟D：進行活化步驟，形成第二多晶矽薄膜。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，所述步驟C和所述步驟D重複執行。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，所述步驟C中是通過離子注入機注入氬離子對所述第一多晶矽薄膜進行轟擊。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，所述步驟A之前還包括：步驟A1：在所述基板上沉積氮化矽薄膜；以及步驟A2：在所述氮化矽薄膜上沉積氧化矽薄膜。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，在所述步驟A和所述步驟B之間還包括：步驟B1：對所述基板上沉積的所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行脫氫處理；以及步驟B2：對所述基板、所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行清潔。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，所述步驟D之後還包括：步驟E1：對所形成的第二多晶矽薄膜製作布線圖案形成半導體層。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，步驟B中是使用雷射照射所述第一非晶矽薄膜，將所述第一非晶矽薄膜加熱熔化生成第一多晶矽薄膜。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，步驟D中是通過將所述第二非晶矽薄膜的晶格重置使所述第二非晶矽薄膜轉化爲第二多晶矽薄膜。
在本發明形成多晶矽薄膜的方法的一實施例中，步驟D中是使用雷射活化方法形成第二多晶矽薄膜。
本發明另一實施例提出一種薄膜電晶體的製作方法，包括：步驟A’：在基板上沉積第一非晶矽薄膜；步驟B’：進行雷射退火工藝，使所述第一非晶矽薄膜轉化爲第一多晶矽薄膜；步驟C’：用氬離子轟擊生成的所述第一多晶矽薄膜的表面，使所述第一多晶矽薄膜轉化爲第二非晶矽薄膜；步驟D’：進行活化步驟，形成第二多晶矽薄膜；步驟E’： 在步驟D’中生成的所述第二多晶矽薄膜製作布線圖案，形成半導體層；步驟F’：形成覆蓋所述半導體層的閘極絕緣層；步驟G’：在所述閘極絕緣層上形成閘電極：步驟H’：在所述閘電極的兩側形成源極區域和汲極區域；以及步驟I’：分別形成對應於所述源極區域和汲極區域的源電極和汲電極。
在本發明薄膜電晶體的製作方法的一實施例中，所述步驟C’和所述步驟D’重複執行。
在本發明薄膜電晶體的製作方法的一實施例中，所述步驟C’中是通過離子注入機注入氬離子對所述第一多晶矽薄膜進行轟擊。
在本發明薄膜電晶體的製作方法的一實施例中，所述步驟A’之前還包括：在所述基板上沉積氮化矽薄膜；以及在所述氮化矽薄膜上沉積氧化矽薄膜。
在本發明薄膜電晶體的製作方法的一實施例中，在所述步驟A’和所述步驟B’之間還包括：對所述基板上沉積的所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行脫氫處理；以及對所述基板、所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行清潔。
在本發明薄膜電晶體的製作方法的一實施例中，步驟B’中是使用雷射照射所述第一非晶矽薄膜，將所述第一非晶矽薄膜加熱熔化生成第一多晶矽薄膜。
在本發明薄膜電晶體的製作方法的一實施例中，步驟D’中是通過將所述第二非晶矽薄膜的晶格重置使所述第二非晶矽薄膜轉化爲第二多晶矽薄膜。
在本發明薄膜電晶體的製作方法的一實施例中，步驟D’中是使用雷射活化方法形成第二多晶矽薄膜。
本發明通過上述的步驟，能夠消除熔化形成的多晶矽薄膜表面高低起伏的波浪狀凸起，使得多晶矽薄膜的晶粒尺寸及均勻度容易控制，且在微觀下矽晶粒尺寸大小均勻且排列更有規則。使用本發明的形成多晶矽薄膜的方法和薄膜電晶體製作方法，在製成産品之後，産品電性收斂、螢幕上無線形圖案、閾值電壓範圍小、産品的視覺效果得到改進。
圖2所示爲本發明一實施例的形成多晶矽薄膜的方法的工藝流程圖。如圖2所示，在一實施例中，形成多晶矽薄膜的方法包括如下步驟：
步驟10：在基板上沉積非晶矽（a-Si）薄膜；
步驟20：進行雷射退火工藝，使用雷射照射非晶矽薄膜將非晶矽加熱熔化成爲多晶矽薄膜，例如可採用準分子雷射退火(ELA)；
步驟30：用氬離子（Ar+
）轟擊生成的多晶矽薄膜的表面，使多晶矽的晶格被打亂，從而使多晶矽薄膜非晶化；
步驟40：進行活化步驟（activation process），使晶格重置，形成晶粒大小較爲均勻的多晶矽。活化是用熱能使晶粒排列由不規則方向變成有部分規則方向，習知常用的活化方式包括雷射活化、熱活化等，本發明並未加以限制，凡是足以達成上述結果皆屬本發明範疇。
其中，在上述步驟30中，通過氬離子的轟擊能减緩多晶矽薄膜表面的波浪狀凸起，並且使重新生成的非晶矽具有更均勻的晶粒。在這一步驟中，可以使用離子注入機（Ion implantation）注入氬離子，離子注入機能夠準確地將離子源植入多晶矽薄膜中，並且離子注入機能夠使離子植入相當的深度，相比於物理鍍膜的方式，離子注入機不僅能夠植入準確，而且更有針對性，植入更深的深度。
通過上述步驟30和步驟40，步驟20中經過雷射退火生成的多晶矽薄膜的晶格重新被打亂生成爲非晶矽，再經過雷射活化的步驟生成多晶矽，使得步驟20中多晶矽表面呈高低起伏的波浪狀凸起能夠消除。經過步驟30和40處理之後，多晶矽晶粒尺寸及均勻度容易控制，且在微觀下晶粒尺寸大小均勻且排列更有規則。在製成産品之後，産品電性收斂、螢幕上無線形圖案、閾值電壓範圍小、産品的視覺效果得到改進。
除此之外，上述步驟30和步驟40還可以重複執行，直到獲得所需要的晶粒尺寸和均勻度。
圖3所示爲本發明另一實施例的形成多晶矽薄膜的方法的工藝流程圖。如圖3所示，在這一實施例中，在步驟10沉積非晶矽薄膜之前，還包括步驟1：在基板上沉積氮化矽（SiNx）薄膜；以及步驟2：在氮化矽薄膜上沉積氧化矽（SiOx）薄膜。其中，沉積氮化矽薄膜的作用在於阻擋基板的污染；沉積氧化矽薄膜的作用在於進一步阻擋基板的污染、儲熱和爲下一層非晶矽提供粘合作用。在氧化矽薄膜上沉積非晶矽薄膜的步驟10作用在於形成TFT活化層。
在步驟10之後，步驟20之前，還包括步驟11：對基板上沉積的氮化矽（SiNx）薄膜、氧化矽（SiOx）薄膜和非晶矽薄膜進行脫氫處理，避免雷射照射下氫氣爆炸；以及步驟12：對基板上所沉積的氮化矽薄膜、氧化矽薄膜、非晶矽薄膜和基板進行清潔。
在步驟40之後，還包括步驟41：進行後續處理步驟，例如對所形成的多晶矽薄膜製作布線圖案形成半導體層，以及形成閘極絕緣層、形成閘電極等。
由上述可知，本發明的步驟10至步驟40的過程可以概括爲 “非晶矽——多晶矽——非晶矽——多晶矽”，即經過兩次生成多晶矽的過程，使生成多晶矽薄膜的晶粒大小均勻，製作出的産品電性較爲收斂，閾值電壓範圍較小，解决了現有技術的問題。
本發明還提出一種薄膜電晶體的製作方法。圖4所示爲本發明一實施例的薄膜電晶體製作方法的工藝流程圖。如圖4所示，薄膜電晶體的製作方法包括如下步驟：
步驟10’：在基板上沉積非晶矽（a-Si）薄膜；
步驟20’：進行雷射退火工藝，使用雷射照射非晶矽薄膜將非晶矽加熱熔化成爲多晶矽薄膜；
步驟30’：用氬離子（Ar+
）轟擊生成的多晶矽薄膜的表面，使多晶矽的晶格被打亂，重新生成非晶矽；
步驟40’：進行雷射活化步驟（activation process），使晶格重置，形成晶粒大小較爲均勻的多晶矽薄膜;
步驟50’：對步驟40’中生成的多晶矽薄膜製作布線圖案，形成半導體層；
步驟60’：形成覆蓋上述半導體層的閘極絕緣層；
步驟70’：在閘極絕緣層上形成閘電極：
步驟80’：在閘極的兩側形成源極區域和汲極區域；以及
步驟90’：分別形成對應於源極區域和汲極區域的源電極和汲電極。
其中，在上述步驟30’中，氬離子的轟擊能减緩多晶矽薄膜表面的波浪狀凸起，並且使重新生成的非晶矽具有更均勻的晶粒。在這一步驟中，可以使用離子注入機（Ion implantation）於多晶矽薄膜層中注入氬離子。
在一優選實施例中，在上述步驟10’之前，還可以包括如下步驟：
在基板上沉積氮化矽（SiNx）薄膜；以及
在氮化矽薄膜上沉積氧化矽（SiOx）薄膜。
其中，沉積氮化矽薄膜的作用在於阻擋基板的污染；沉積氧化矽薄膜的作用在於進一步阻擋基板的污染、儲熱和爲下一層非晶矽提供粘合作用。在氧化矽薄膜上沉積非晶矽薄膜的步驟10’作用在於形成TFT活化層。
在一優選實施例中，在步驟10’之後，步驟20’之前，還包括如下步驟：
對基板上沉積的氮化矽（SiNx）薄膜、氧化矽（SiOx）薄膜和非晶矽薄膜進行脫氫處理，避免雷射照射下氫氣爆炸；以及
對基板、氮化矽薄膜、氧化矽薄膜和非晶矽薄膜進行清潔。
本發明通過上述的步驟，能夠消除熔化形成的多晶矽薄膜表面高低起伏的波浪狀凸起，使得多晶矽薄膜的晶粒尺寸及均勻度容易控制，且在微觀下矽晶粒尺寸大小均勻且排列更有規則。使用本發明的形成多晶矽薄膜的方法和薄膜電晶體製作方法，在製成産品之後，産品電性收斂、螢幕上無線形圖案、閾值電壓範圍小、産品的視覺效果得到改進。
雖然已參照幾個典型實施例描述了本發明，但應當理解，所用的術語是說明和示例性、而非限制性的術語。由於本發明能夠以多種形式具體實施而不脫離本發明的精神或實質，所以應當理解，上述實施例不限於任何前述的細節，而應在所附申請專利範圍所限定的精神和範圍內廣泛地解釋，因此落入申請專利範圍或其等效範圍內的全部變化和改型都應爲所附申請專利範圍所涵蓋。
101~105‧‧‧步驟
10~40‧‧‧步驟
1、2、10、11、20、30、40、41‧‧‧步驟
10’~90’‧‧‧步驟
10~40‧‧‧步驟
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10’~90’‧‧‧步驟
圖1所示爲現有的形成多晶矽薄膜的方法的工藝流程圖。 圖2所示爲本發明一實施例的形成多晶矽薄膜的方法的工藝流程圖。 圖3所示爲本發明另一實施例的形成多晶矽薄膜的方法的工藝流程圖。 圖4所示爲本發明一實施例的薄膜電晶體製作方法的工藝流程圖。
10~40‧‧‧步驟
Claims (15)
- 一種形成多晶矽薄膜的方法，包括：步驟A：在一基板上沉積第一非晶矽薄膜；步驟B：進行一雷射退火工藝，使所述第一非晶矽薄膜轉化為一第一多晶矽薄膜；步驟C：以氬離子轟擊所述第一多晶矽薄膜的表面，使所述第一多晶矽薄膜轉化為一第二非晶矽薄膜；以及步驟D：進行活化步驟，使所述第二非晶矽薄膜形成第二多晶矽薄膜；其中，所述步驟C和所述步驟D重複執行。
- 如申請專利範圍第1項所述的形成多晶矽薄膜的方法，其中，所述步驟C中是通過一離子注入機注入所述氬離子，對所述第一多晶矽薄膜進行轟擊。
- 如申請專利範圍第1項所述的形成多晶矽薄膜的方法，其中，所述步驟A之前還包括：步驟A1：在所述基板上沉積氮化矽薄膜；以及步驟A2：在所述氮化矽薄膜上沉積氧化矽薄膜。
- 如申請專利範圍第3項所述的形成多晶矽薄膜的方法，其中，在所述步驟A和所述步驟B之間還包括：步驟B1：對所述基板上沉積的所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行脫氫處理；以及步驟B2：對所述基板、所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行清潔。
- 如申請專利範圍第4項所述的形成多晶矽薄膜的方法，其中，所述步驟D之後還包括：步驟E1：對所形成的第二多晶矽薄膜製作布線圖案形成一半導體層。
- 如申請專利範圍第1項所述的形成多晶矽薄膜的方法，其中，步驟B中是使用雷射照射所述第一非晶矽薄膜，將所述第一非晶矽薄膜加熱熔化生成所述第一多晶矽薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述的形成多晶矽薄膜的方法，其中，步驟D中是通過將所述第二非晶矽薄膜的晶格重置使所述第二非晶矽薄膜轉化為所述第二多晶矽薄膜。
- 如申請專利範圍第1項所述的形成多晶矽薄膜的方法，其中，步驟D中是使用雷射活化方法形成所述第二多晶矽薄膜。
- 一種薄膜電晶體的製作方法，包括：步驟A’：在一基板上沉積一第一非晶矽薄膜；步驟B’：進行一雷射退火工藝，使所述第一非晶矽薄膜轉化為一第一多晶矽薄膜；步驟C’：用氬離子轟擊生成的所述第一多晶矽薄膜的表面，使所述第一多晶矽薄膜轉化為一第二非晶矽薄膜；步驟D’：進行一活化步驟，形成第二多晶矽薄膜；步驟E’：在所述第二多晶矽薄膜製作布線圖案，形成一半導體層；步驟F’：形成覆蓋所述半導體層的一閘極絕緣層；步驟G’：在所述閘極絕緣層上形成一閘電極：步驟H’：在所述閘電極的兩側分別形成一源極區域和一汲極區域；以及步驟I’：分別形成對應於所述源極區域和汲極區域的一源電極和一汲電極；其中，所述步驟C’和所述步驟D’重複執行。
- 如申請專利範圍第9項所述的薄膜電晶體的製作方法，其中，所述步驟C’中是通過一離子注入機注入氬離子對所述第一多晶矽薄膜進行轟擊。
- 如申請專利範圍第9項所述的薄膜電晶體的製作方法，其中，所述步驟A’之前還包括：在所述基板上沉積一氮化矽薄膜；以及在所述氮化矽薄膜上沉積一氧化矽薄膜。
- 如申請專利範圍第11項所述的薄膜電晶體的製作方法，其中，在所述步驟A’和所述步驟B’之間還包括：對所述基板上沉積的所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行一脫氫處理；以及對所述基板、所述氮化矽薄膜、所述氧化矽薄膜和所述第一非晶矽薄膜進行清潔。
- 如申請專利範圍第9項所述的薄膜電晶體的製作方法，其中，步驟B’中是使用雷射照射所述第一非晶矽薄膜，將所述第一非晶矽薄膜加熱熔化生成所述第一多晶矽薄膜。
- 如申請專利範圍第9項所述的薄膜電晶體的製作方法，其中，步驟D’中是通過將所述第二非晶矽薄膜的晶格重置使所述第二非晶矽薄膜轉化為所述第二多晶矽薄膜。
- 如申請專利範圍第9項所述的薄膜電晶體的製作方法，其中，步驟D’中是使用雷射活化方法形成所述第二多晶矽薄膜。
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