專(zhuān)利名稱(chēng)：形成多晶硅層的方法以及制造多晶硅薄膜晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種形成多晶硅層的方法，特別涉及形成具有較大晶粒尺寸的多晶硅層的方法。
背景技術(shù)：
由于多晶硅薄膜晶體管(polysilicon thin film transistor；poly-Si TFT)比起非晶硅(amorphous silicon)TFT有較高的電子遷移率、較快的反應(yīng)時(shí)間、較高的分辨率，因此，目前多晶硅TFT已普遍應(yīng)用在LCD中以驅(qū)動(dòng)LCD。多晶硅TFT的制作方法一般采用低溫多晶硅方法(LTPS；low temperaturepolysilicon)。
圖1a至圖1c顯示傳統(tǒng)TFT陣列工藝中，以LTPS法形成多晶硅層的工藝剖面圖。參照第la圖，在一襯底100上依序形成一阻擋層120和一非晶硅層200。
接著，使非晶硅層200進(jìn)行結(jié)晶，例如使用準(zhǔn)分子激光退火(ELA；excimer laser annealing)方式進(jìn)行結(jié)晶。參照?qǐng)D1b，非晶硅層200被激光照射后，會(huì)熔化而成為非晶硅液體220。當(dāng)非晶硅液體220冷卻時(shí)，在非晶硅液體220/阻擋層120的界面上，會(huì)產(chǎn)生形核中心(nucleation center)(如圖1b中的點(diǎn)所示)。如此，非晶硅液體220會(huì)依據(jù)形核中心而漸漸結(jié)晶而長(zhǎng)成多晶硅層300，如圖1c所示。
如上所述，若沒(méi)有對(duì)非晶硅做結(jié)晶預(yù)處理，最后所形成多晶硅層300的晶粒尺寸(grain size)很小，并且工藝冗余度(process window)很窄。在進(jìn)行后續(xù)工藝，而完成TFT后，小粒徑的多晶硅層會(huì)造成所得的TFT有較高的Vt(threshold voltage；閾值電壓)和較小的電子遷移速率(electron mobility)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的為解決上述問(wèn)題而提供一種形成大晶粒尺寸的多晶硅層的方法。使用此方法所制造出的TFT具有較低的Vt和較高的電子遷移速率。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明形成多晶硅層的方法包括以下步驟。首先，形成一非晶硅層。接著，對(duì)于非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理，使非晶硅層的表面氧化成氧化硅層或氮化成氮化硅層。接著，使非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層。


圖1a至1c顯示傳統(tǒng)TFT陣列工藝中，形成多晶硅層的工藝剖面圖；圖2a至2d顯示依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例形成多晶硅層的工藝剖面圖；圖3a至3f顯示依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造頂柵型(top-gate)多晶硅NTFT的工藝剖面圖；圖4顯示本發(fā)明經(jīng)過(guò)了結(jié)晶預(yù)處理和傳統(tǒng)上未經(jīng)過(guò)結(jié)晶預(yù)處理的非晶硅層，以不同激光能量密度照射后，所得多晶硅層的晶粒大小與激光能量密度的關(guān)系圖；以及圖5顯示本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法所得的NTFT的Id-Vg圖。
附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下100～襯底120～阻擋層200～非晶硅層220～非晶硅液體300～多晶硅層10～襯底12～阻擋層 20、22～非晶硅層24～氧化硅層或氮化硅層 32～非晶硅液體34～氮化硅液體 40、42～多晶硅層PR1，PR2～光致抗蝕劑圖案 46～n型源/漏極區(qū)48～輕度摻雜漏極區(qū)(LDD) 50～柵極介電層52～層間介電層 53～第一開(kāi)口56～鈍化層 57～第二開(kāi)口60～柵極層 62～源/漏極電極70～像素電極具體實(shí)施方式
圖2a至2d顯示依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例形成多晶硅層的工藝剖面圖。參照?qǐng)D2a，在一襯底10上依序形成一阻擋層12和一非晶硅層20。
接著，參照?qǐng)D2b，對(duì)非晶硅層20進(jìn)行預(yù)處理，使非晶硅層20的表面氧化成氧化硅層24或氮化成氮化硅層24。氧化硅層或氮化硅層24的厚度可為1埃至50埃，優(yōu)選的可為5埃至25埃。原來(lái)的非晶硅層20因表面氧化或氮化而厚度變小，以附圖標(biāo)記22表示。
對(duì)于使非晶硅層20的表面氧化而言，本發(fā)明的結(jié)晶預(yù)處理可使用含氧等離子體處理非晶硅層20，而形成氧化硅層，含氧等離子體可為N2O等離子體。或者，可將非晶硅層20浸泡在含氧溶液中，而形成氧化硅層，含氧溶液可為雙氧水(H2O2)或臭氧水(O3water)。使用UV燈照射亦可形成氧化層。例如，可用UV燈在空氣為介質(zhì)的條件下照射非晶硅表面，而形成氧化硅層?；蛘?，以爐管(furnace)或爐子(oven)烘烤非晶硅表面，而形成氧化硅層。
對(duì)于使非晶硅層20的表面氮化而言，本發(fā)明的結(jié)晶預(yù)處理可使用含氮等離子體處理非晶硅層20，而形成氮化硅層，含氮等離子體可為N2等離子體或NH3等離子體?；蛘撸蓪⒎蔷Ч鑼?0浸泡在含氮溶液中，而形成氮化硅層?；蛘撸誀t管(furnace)或爐子(oven)烘烤非晶硅表面，而形成氮化硅層。
為方便說(shuō)明起見(jiàn)，以下以非晶硅層的表面氮化成氮化硅層24為例說(shuō)明。接著，使非晶硅層22結(jié)晶?？墒褂迷S多傳統(tǒng)方法來(lái)進(jìn)行結(jié)晶，包括在低溫下進(jìn)行準(zhǔn)分子激光退火(ELA；excimer laser annealing)，在高溫下進(jìn)行固相結(jié)晶(SPC；solid phase crystallization)，連續(xù)晶粒成長(zhǎng)法(CGG；continuous graingrowth)，金屬誘導(dǎo)結(jié)晶法(MIC；metal induced crystallization)，金屬誘導(dǎo)橫向結(jié)晶法(MILC；metal induced lateral crystallization)，和連續(xù)橫向凝固法(SLS；sequential lateral solidification)等。參照?qǐng)D2c，非晶硅層22被激光照射后，會(huì)熔化而成為非晶硅液體32。當(dāng)冷卻時(shí)，在非晶硅液體32/阻擋層12的界面上，以及非晶硅液體32/氮化硅固體34的界面上，會(huì)產(chǎn)生形核中心(如圖2c中的點(diǎn)所示)。如此，非晶硅液體32會(huì)依據(jù)形核中心而漸漸結(jié)晶而長(zhǎng)成多晶硅層40，如圖2d所示。
如上所述，傳統(tǒng)方法中非晶硅層并沒(méi)有經(jīng)過(guò)結(jié)晶預(yù)處理，沒(méi)有多一層氮化硅層，因此，結(jié)晶的時(shí)間較短。反觀本發(fā)明的方法，由于非晶硅層在結(jié)晶前經(jīng)過(guò)預(yù)處理而多長(zhǎng)了一層氮化硅層，氮化硅層會(huì)使結(jié)晶的時(shí)間延長(zhǎng)，因而得到較大的晶粒尺寸。因此，本發(fā)明所形成的多晶硅層40的晶粒尺寸較大，并且工藝冗余度(process window)較寬。
圖3a至3f顯示依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例制造頂柵型(top-gate)多晶硅NTFT的工藝剖面圖。
首先，依據(jù)上述圖2a至2d的方法，在一襯底10上依序形成一阻擋層12和一非晶硅層(未顯示)。接著，對(duì)于非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理，使非晶硅層的表面氮化成氮化硅層，再進(jìn)行結(jié)晶，而形成一多晶硅層(未顯示)。接著，將多晶硅層構(gòu)圖而形成多晶硅層42，如圖3a所示。襯底10可為透明襯底，例如玻璃或塑料。阻擋層12可為氮化硅或氧化硅，或者，可包括兩層氮化硅層和氧化硅層的組合。非晶硅層可使用硅烷(silane；SiH4)為反應(yīng)氣體，以等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法(PECVD；plasma-enhanced chemical vapordeposition)或低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD；low pressure chemical vapordeposition)而形成。
接著，參照?qǐng)D3b，形成光致抗蝕劑圖案PRI，使用光致抗蝕劑圖案PR1為掩模，以磷對(duì)多晶硅層42進(jìn)行重度摻雜，而形成n型源/漏極區(qū)46。接著，參照?qǐng)D3c，除去光致抗蝕劑圖案PR1，形成一柵極介電層50，再形成光致抗蝕劑圖案PR2。使用光致抗蝕劑圖案PR2為掩模，以磷對(duì)多晶硅層42進(jìn)行輕度摻雜，而在n型源/漏極區(qū)46的內(nèi)側(cè)形成輕度摻雜漏極區(qū)(LDD；lightly-doped drain)48。
接著，參照?qǐng)D3d，除去光致抗蝕劑圖案PR2，在柵極介電層50上形成一金屬層(未顯示)，再對(duì)于金屬層進(jìn)行光刻和蝕刻，而在多晶硅層42的對(duì)應(yīng)位置上，形成一柵極層60。至此，完成NTFT。
接著，參照?qǐng)D3e，形成一層間介電層(interlayer dielectric)52，再于層間介電層52內(nèi)形成抵達(dá)源/漏極區(qū)46的第一開(kāi)口53。接著，將金屬填入第一開(kāi)口53內(nèi)，而形成源/漏極電極62。
接著，參照?qǐng)D3f，形成一鈍化層(passivation layer)56，再于鈍化層56內(nèi)形成抵達(dá)NTFT的漏極電極62的一第二開(kāi)口57。接著，將像素電極70，例如ITO(inndium-tin oxide；氧化銦錫)填入第二開(kāi)口57內(nèi)，至此完成TFT陣列工藝，得到圖3f所示的TFT陣列。此TFT陣列可與一前透明襯底(如彩色濾光片襯底)和液晶組合在一起，而構(gòu)成TFT-LCD面板。
圖4顯示本發(fā)明經(jīng)過(guò)結(jié)晶預(yù)處理和傳統(tǒng)上未經(jīng)過(guò)結(jié)晶預(yù)處理的非晶硅層，以不同激光能量密度照射后，所得的多晶硅層的晶粒大小與激光能量密度的關(guān)系圖。在激光照射前，本發(fā)明對(duì)非晶硅層的預(yù)處理為，使用0.078W/cm2的N2O等離子體處理10秒、30秒、50秒。傳統(tǒng)方法均未對(duì)非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理，由圖4可見(jiàn)，本發(fā)明方法在很寬的激光能量密度范圍內(nèi)(350-370mj/cm2)，多晶硅的晶粒尺寸都很大且很均勻，這表示工藝冗余度(process window)很大。至于使用傳統(tǒng)方法，多晶硅的晶粒尺寸都很小，且在不同激光能量下，晶粒尺寸的變化很大，工藝冗余度較小。
表1為本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法所得NTFT的電性能數(shù)據(jù)。圖5則顯示本發(fā)明方法和傳統(tǒng)方法所得的NTFT的Id-Vg圖。本發(fā)明對(duì)于非晶硅層的預(yù)處理為，使用0.078W/cm2的N2O等離子體處理50秒，形成20埃的氮化硅層。傳統(tǒng)方法未對(duì)非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理。
表1 NTFT的電性能數(shù)據(jù)

Vt臨界電壓(threshold voltage)Ufe場(chǎng)效應(yīng)遷移率(field effect mobility)SS亞臨界振幅(subthreshold swing)由表1和圖5可見(jiàn)，使用本發(fā)明的結(jié)晶預(yù)處理方法所得的TFT具有良好的電性能，Vt較小，且電子遷移率較高。
雖然本發(fā)明已以?xún)?yōu)選實(shí)施例公開(kāi)如上，但是其并非用以限制本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)其作更改與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以所附的權(quán)利要求所確定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種形成多晶硅層的方法，其包括形成一非晶硅層；對(duì)該非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理，使該非晶硅層的表面氧化成氧化硅層或氮化成氮化硅層；以及使該非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層。
2.如權(quán)利要求1所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理使非晶硅層的表面氧化成氧化硅層。
3.如權(quán)利要求1所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理使非晶硅層的表面氮化成氮化硅層。
4.如權(quán)利要求2所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理使用含氧等離子體處理該非晶硅層，而形成氧化硅層。
5.如權(quán)利要求4所述的形成多晶硅層的方法，其中該含氧等離子體為N2O等離子體。
6.如權(quán)利要求2所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理將該非晶硅層浸泡在含氧溶液中，而形成氧化硅層。
7.如權(quán)利要求6所述的形成多晶硅層的方法，其中該含氧溶液為雙氧水(H2O2)或臭氧水(O3water)。
8.如權(quán)利要求2所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理以UV燈在空氣為介質(zhì)的條件下照射非晶硅表面，而形成氧化硅層。
9.如權(quán)利要求2所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理以爐管或爐子烘烤非晶硅表面，而形成氧化硅層。
10.如權(quán)利要求3所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理使用含氮等離子體處理該非晶硅層，而形成氮化硅層。
11.如權(quán)利要求10所述的形成多晶硅層的方法，其中該含氮等離子體為N2等離子體或NH3等離子體。
12.如權(quán)利要求3所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理將非晶硅層浸泡在含氮溶液中，而形成氮化硅層。
13.如權(quán)利要求3所述的形成多晶硅層的方法，其中該預(yù)處理以爐管或爐子烘烤非晶硅表面，而形成氮化硅層。
14.如權(quán)利要求1所述的形成多晶硅層的方法，其中該氧化硅層或氮化硅層的厚度為1埃至50埃。
15.如權(quán)利要求14所述的形成多晶硅層的方法，其中該氧化硅層或氮化硅層的厚度為5埃至25埃。
16.一種制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其包括在一襯底上形成一非晶硅層；對(duì)該非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理，使該非晶硅層的表面氧化成氧化硅層或氮化成氮化硅層；使得該非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層，以作為有源層；以及形成一柵極介電層、柵極、源極區(qū)、和漏極區(qū)。
17.如權(quán)利要求16所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理使非晶硅層的表面氧化成氧化硅層。
18.如權(quán)利要求16所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理使非晶硅層的表面氮化成氮化硅層。
19.如權(quán)利要求17所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理使用含氧等離子體處理該非晶硅層，而形成氧化硅層。
20.如權(quán)利要求19所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該含氧等離子體為N2O等離子體。
21.如權(quán)利要求17所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理將該非晶硅層浸泡在含氧溶液中，而形成氧化硅層。
22.如權(quán)利要求21所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該含氧溶液為雙氧水(H2O2)或臭氧水(O3water)。
23.如權(quán)利要求17所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理以UV燈在空氣為介質(zhì)的條件下照射非晶硅表面，而形成氧化硅層。
24.如權(quán)利要求17所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理以爐管或爐子烘烤非晶硅表面，而形成氧化硅層。
25.如權(quán)利要求18所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理使用含氮等離子體處理該非晶硅層，而形成氮化硅層。
26.如權(quán)利要求25所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該含氮等離子體為N2等離子體或NH3等離子體。
27.如權(quán)利要求18所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理將非晶硅層浸泡在含氮溶液中，而形成氮化硅層。
28.如權(quán)利要求18所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該預(yù)處理以爐管或爐子烘烤非晶硅表面，而形成氮化硅層。
29.如權(quán)利要求16所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該氧化硅層或氮化硅層的厚度為1埃至50埃。
30.如權(quán)利要求29所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該氧化硅層或氮化硅層的厚度為5埃至25埃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種形成多晶硅層以及制造多晶硅薄膜晶體管的方法，包括以下步驟。首先，形成一非晶硅層。接著，對(duì)于非晶硅層進(jìn)行預(yù)處理，使非晶硅層的表面氧化成氧化硅層或氮化成氮化硅層。接著，使非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層。使用本發(fā)明方法所制造出的薄膜晶體管具有較小的閾值電壓和較高的電子遷移速率。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1508855SQ02157809
公開(kāi)日2004年6月30日 申請(qǐng)日期2002年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月19日
發(fā)明者彭佳添, 廖龍盛, 曹義昌 申請(qǐng)人:友達(dá)光電股份有限公司