專利名稱：利用準分子激光再結(jié)晶工藝來制作多晶硅薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的制作方法，尤指一種利用準分子再結(jié)晶(excimer laser crystallization，ELC)工藝制作多晶硅薄膜的方法。
背景技術(shù)：
隨著科技的日新月異，輕薄、省電、可攜帶式的智慧型資訊產(chǎn)品已經(jīng)充斥了我們的生活空間，而顯示器在其間扮演了相當重要的角色，不論是手機、個人數(shù)字助理或是筆記型電腦，均需要顯示器作為人機溝通的介面。然而現(xiàn)今已大量生產(chǎn)的非晶硅薄膜晶體管液晶顯示器(a-TFT LCD)，由于載流子遷移率的限制，要進一步達到輕薄、省電、高畫質(zhì)的需求已經(jīng)有所困難，取而帶之的將會是低溫多晶硅(low temperature polysilicon，LTPS)薄膜晶體管液晶顯示器。
在液晶顯示器中，由于一般玻璃襯底的耐熱度往往只能到600℃，因此若在高溫下直接制作多晶硅薄膜將會造成玻璃襯底的扭曲變形，因此傳統(tǒng)的多晶硅薄膜晶體管液晶顯示器往往必須要使用價格昂貴的石英作為基材，應(yīng)用范圍往往也只能局限于小尺寸的液晶面板。因此，目前另一種利用非晶硅薄膜再結(jié)晶的低溫多晶硅薄膜制作方法已逐漸成為主流，其中又以準分子激光再結(jié)晶(excimer laser crystallization，ELC)工藝格外受到重視。
此外，在液晶顯示器的顯示面板上，往往包含了多個矩陣式排列的低溫多晶硅薄膜晶體管，用以驅(qū)動該顯示面板內(nèi)的像素電極生成影像，因此，所形成的多晶硅薄膜通常都包含有多個多晶硅島(polysilicon island)結(jié)構(gòu)分別用來作為各該低溫多晶硅薄膜晶體管的有源區(qū)域(active area)，以形成各該低溫多晶硅薄膜晶體管的源極、漏極以及其間的溝道區(qū)域。
現(xiàn)為說明方便起見，以下圖示中僅以一多晶硅島結(jié)構(gòu)為例，來說明現(xiàn)有中以準分子激光再結(jié)晶工藝制作一多晶硅薄膜的方法。請參考圖1至圖4，圖1至圖4為現(xiàn)有技術(shù)中以準分子激光再結(jié)晶工藝制作一多晶硅薄膜的方法示意圖。如圖1所示，首先提供一顯示面板10，且顯示面板10包含有一襯底12，接著進行一濺鍍工藝以于襯底12表面形成一金屬層(未顯示)，再利用一第一光刻暨蝕刻工藝將該金屬層圖案化，以于襯底12表面形成一對準標記(alignment mark)14。其中，襯底12是一玻璃襯底，而對準標記14則是包含有至少一個突起結(jié)構(gòu)，設(shè)于不會進行電路布局的外圍區(qū)域，因此即使經(jīng)過數(shù)道沉積工藝，對準標記14仍可供設(shè)備清楚辨識。
一般而言，在該多晶硅薄膜以及后續(xù)的顯示面板制作過程中，往往會使用到多道光刻工藝，一旦這些光刻工藝發(fā)生對位偏差的狀況，就很容易會造成元件可靠度的降低，甚至發(fā)生嚴重缺陷導致功能喪失的情形，因此為改善各設(shè)備的對準能力，在進行各項操作前(尤其是光刻工藝)，各設(shè)備先皆會根據(jù)對準標記14來進行定位，以降低因?qū)ξ徊粶识傻娜毕荨?br> 如圖2所示，接著于襯底12表面依序形成一緩沖層16以及一非晶硅薄膜18，且非晶硅薄膜18表面定義有一第一區(qū)域20以及一第二區(qū)域30，隨后再如圖3所示，于非晶硅薄膜18表面形成一圖案化的遮蔽層(masklayer)22覆蓋于第二區(qū)域30上。其中，遮蔽層22可為一包含有一金屬層、一氮硅層的單層材料或是由上述材料組合而成的多層結(jié)構(gòu)，其功用在于藉由金屬層增加第二區(qū)域30的反射率來降低下方非晶硅薄膜18的熱量吸收或是利用氮硅層的高熱傳導速率來使覆蓋有遮蔽層22的非晶硅薄膜18先形成晶核。概括而言，形成遮蔽層22的目的在于使第二區(qū)域30(覆蓋有遮蔽層22的區(qū)域)的非晶硅薄膜18成為部分熔融狀態(tài)，而第一區(qū)域20(未覆蓋有遮蔽層22的區(qū)域)的非晶硅薄膜18達到完全熔融狀態(tài)，因此當準分子激光照射結(jié)束后，副熔的非晶硅層18開始固化時，會因為部分熔融與完全熔融區(qū)域間具有一異質(zhì)介面，而以部分熔融區(qū)域為成核基點，由部分熔融的第二區(qū)域30開始往完全熔融的第一區(qū)域20作橫向的晶粒成長，以于第一區(qū)域20內(nèi)形成一多晶硅薄膜24。
如圖4所示，接著進行一光刻暨蝕刻工藝，移除第二區(qū)域30上的遮蔽層22與多晶硅層18，以于第一區(qū)域20內(nèi)形成一多晶硅島結(jié)構(gòu)24。最后再進行后續(xù)的液晶顯示面板工藝，利用多晶硅島24作為液晶顯示器內(nèi)的有源區(qū)域，以構(gòu)成液晶顯示器面板中的驅(qū)動電路。
在上述準分子激光再結(jié)晶工藝中，當在定義對準標記位置、將遮蔽層圖案化以及最后在形成該多晶硅島的時后，均各需使用到一次光刻工藝，也就是說在整個多晶硅島的制作過程中共需使用三道光刻工藝，方可形成一具有該多晶硅島結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，因此上述方法雖可控制晶界形成的位置，但是制作過程卻相當?shù)胤睆?fù)，不僅需要耗費較多的工藝時間，亦會導致制造成本的上升，因此，要如何簡化準分子激光再結(jié)晶工藝，實為當前的重要研究課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用準分子激光再結(jié)晶工藝來制作一多晶硅薄膜的方法，改善現(xiàn)有技術(shù)中工藝繁復(fù)的缺點，以減少制造成本并縮短工藝時間。
在本發(fā)明的提供一種利用一準分子激光再結(jié)晶工藝來制作一多晶硅薄膜的方法。首先提供一襯底，且該襯底表面定義有一第一區(qū)域、一第二區(qū)域圍繞于該第一區(qū)域，以及一第三區(qū)域，接著于該襯底上方形成一非晶硅薄膜，再藉由一第一光刻暨蝕刻工藝，移除該第三區(qū)域內(nèi)的部分該非晶硅薄膜，并于該第三區(qū)域內(nèi)形成一對準標記，隨后于該非晶硅薄膜上形成一遮蔽層，并進行一第二光刻暨蝕刻工藝，移除該非晶硅薄膜上方該第一區(qū)域內(nèi)的該遮蔽層以及進行該準分子激光再結(jié)晶工藝，使該第一區(qū)域內(nèi)的該非晶硅薄膜再結(jié)晶成一多晶硅薄膜，最后再進行一蝕刻工藝，以移除該遮蔽層。
本發(fā)明的多晶硅薄膜制作方法只需要使用兩道光刻工藝即可形成可控制晶界位置的多晶硅島結(jié)構(gòu)，故可大幅簡化工藝，改善現(xiàn)有技術(shù)中工藝繁復(fù)的缺點，以減少制造成本并縮短工藝時間。


圖1至4為現(xiàn)有技術(shù)中以準分子激光再結(jié)晶工藝制作一多晶硅薄膜的方法示意圖；圖5至圖9為本發(fā)明第一實施例中以準分子激光退火工藝制作一多晶硅薄膜的方法示意圖；圖10為本發(fā)明第二實施例中以準分子激光退火工藝制作多晶硅薄膜的方法示意圖；以及圖11為本發(fā)明第三實施例中以準分子激光退火工藝制作多晶硅薄膜的方法示意圖。
附圖中的附圖標記說明如下10顯示面板12襯底14對準標記16緩沖層18非晶硅薄膜 20第一區(qū)域22遮蔽層 24非晶硅薄膜30第二區(qū)域110顯示面板112襯底 114緩沖層116非晶硅薄膜 118對準標記120第一區(qū)域 122遮蔽層124多晶硅薄膜 130第二區(qū)域140第三區(qū)域 210顯示面板212襯底 214緩沖層216非晶硅薄膜 218對準標記220第一區(qū)域 222遮蔽層223熱含覆蓋層 224多晶硅薄膜230第二區(qū)域 240第三區(qū)域322遮蔽層 323熱含覆蓋層324多晶硅薄膜具體實施方式
請參考圖5至圖9，圖5至圖9為本發(fā)明第一實施例中以準分子激光退火工藝制作多晶硅薄膜的方法示意圖。如圖5所示，首先提供一顯示面板110，且顯示面板110包含有一襯底112，而襯底112表面定義有一第一區(qū)域120、一第二區(qū)域130圍繞于第一區(qū)域120以及一第三區(qū)域。接著于襯底112表面形成一緩沖層114以避免襯底112內(nèi)的雜質(zhì)在后續(xù)工藝中向上擴散而影響所生成的多晶硅薄膜品質(zhì)，接著于緩沖層114上方形成一非晶硅薄膜116。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，襯底110是一玻璃襯底，緩沖層112是一硅氧層或由硅氧層與氮硅層共同組成的多晶結(jié)構(gòu)，而形成上述各層的方法有相當多種，諸如低壓化學氣相沉積(LPCVD)工藝、等離子體輔助化學氣相沉積(PECVD)工藝以及濺鍍(sputtering)工藝等，此皆為現(xiàn)有標準工藝，故在此不多加贅述。
如圖6所示，接著進行一第一光刻暨蝕刻工藝，用以將非晶硅薄膜116圖案化，并同時移除第三區(qū)域140內(nèi)的部分非晶硅薄膜116，以于第三區(qū)域140內(nèi)形成一對準標記118。其中對準標記118包含有至少一個突起結(jié)構(gòu)，并設(shè)于不會進行電路布局的外圍區(qū)域，因此即使經(jīng)過數(shù)道沉積工藝，對準標記118仍可供設(shè)備清楚辨識。
然后如圖7所示，于顯示面板110上形成一遮蔽層122，覆蓋于緩沖層114、非晶硅薄膜116以及對準標記118上。其中，遮蔽層122是一包含有硅氧層(SiOx)、氮硅層(SiN)、金屬層、氮氧化硅(SiON)層的單層結(jié)構(gòu)或是由上述材料組合而成的多層堆疊構(gòu)造，并可根據(jù)所使用的材料選用適當?shù)墓に嚪椒ㄐ纬?，例如現(xiàn)有的低壓化學氣相沉積(LPCVD)工藝、等離子體輔助化學氣相沉積(PECVD)工藝以及濺鍍(sputtering)工藝等。
如圖8所示，隨后進行一第二光刻暨蝕刻工藝，移除第一區(qū)域120內(nèi)的遮蔽層122，以使第一區(qū)域120的非晶硅薄膜116露出。接著以一準分子激光進行照射，不論遮蔽層122是使用一金屬層來增加反射率或利用高熱導材質(zhì)來增加散熱速率，都會使得第一區(qū)域120內(nèi)的非晶硅薄膜116達到完全熔融狀態(tài)時，并使第二區(qū)域130內(nèi)的非晶硅薄膜116仍處于未熔融或部分熔融狀態(tài)。隨后停止準分子激光的照射，讓熔融的非晶硅薄膜116再結(jié)晶為一多晶硅薄膜124。
一般而言，所使用的準分子激光由XeCl、ArF、KrF或是XeF等分子生成，不同的分子將產(chǎn)生不同的波長，而且準分子激光的輸出功率與照射時間可根據(jù)非晶硅薄膜116的厚度予以適當調(diào)整，由于此部分工藝參數(shù)的調(diào)整應(yīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，故在此不予贅述。值得注意的是，在本發(fā)明方法中所使用的準分子激光除了包含有一現(xiàn)有技術(shù)中廣泛應(yīng)用的短脈沖激光(約20至50ns)外，另包含有一長脈沖周期激光，其脈沖時間約為150至250ns，以增加所形成晶粒的尺寸，進而增加所形成的多晶硅薄膜124內(nèi)的載流子移動速率并提升低溫多晶硅薄膜晶體管的元件表現(xiàn)。
如圖9所示，接著進行一蝕刻工藝，用來移除位于顯示面板110表面的遮蔽層122，以形成一多晶硅島(polysilicon island)結(jié)構(gòu)，之后可繼續(xù)利用該多晶硅島結(jié)構(gòu)作為一低溫多晶硅薄膜晶體管的有源區(qū)域，進行后續(xù)的顯示面板制作，由于后續(xù)工藝應(yīng)為本領(lǐng)域技術(shù)人員所能輕易完成，故在此亦不予贅述。
承上所述，本發(fā)明的方法是利用非晶硅薄膜116來形成對準標記118，故可減少一道沉積工藝以及一道光刻工藝，進而縮短工藝時間以及降低制造成本。
請參考圖10，圖10為本發(fā)明第二實施例中以準分子激光退火工藝制作多晶硅薄膜的方法示意圖。本實施例的工藝方法與第一實施例相似，所不同之處僅在于進行第二光刻暨蝕刻工藝以將遮蔽層222圖案化后，會先形成一熱含覆蓋層223覆蓋于遮蔽層222與非晶硅薄膜216上，之后才以準分子激光照射，使第一區(qū)域220內(nèi)的非晶硅薄膜216再結(jié)晶為多晶硅薄膜224，隨后同樣以一蝕刻工藝移除遮蔽層222以及熱含覆蓋層223。其中，熱含覆蓋層222是包含有氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiN)、氮氧化硅(SiON)或上述材料的組合，可用來降低熱量散失，以使第一區(qū)域220內(nèi)融熔狀態(tài)的非晶硅薄膜216能在較高的環(huán)境溫度進行再結(jié)晶，進而增加所形成的晶粒尺寸。
請參考圖11，圖11為本發(fā)明第三實施例中以準分子激光退火工藝制作多晶硅薄膜的方法示意圖。本實施例的工藝原理與前述第二實施例相同，所不同之處在于本實施例中是先形成熱含覆蓋層323后，才形成遮蔽層322。由于前述實施例中遮蔽層122及222均是直接形成于非晶硅薄膜11 6及226上，所以一旦遮蔽層的下方是采用金屬層或氮硅層作為主要材料時，往往易發(fā)生所形成的多晶硅薄膜遭金屬污染或因應(yīng)力導致半導體薄膜剝落的現(xiàn)象，因此本發(fā)明的第三實施例可藉由先形成熱含覆蓋層323來解決此一問題，進而增加產(chǎn)品的可靠度。
相較于現(xiàn)有技術(shù)中先形成對準標記后再進行非晶硅薄膜的工藝方法，本發(fā)明將非晶硅薄膜的圖案化與制作對準標記整合，故能大幅簡化工藝，縮短工藝時間以及降低制造成本。此外，本發(fā)明的實施例中另公開了一種包含有形成一熱含覆蓋層以及使用一長脈沖周期激光的多晶硅薄膜制作方法，除了可進一步增加所形成的非晶硅薄膜內(nèi)晶粒的尺寸外，更能有效解決現(xiàn)有技術(shù)中易生成的金屬污染或半導體薄膜剝落等問題，以有效提升元件的電性表現(xiàn)及可靠度。
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所作的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種利用一準分子激光再結(jié)晶工藝來制作一多晶硅薄膜的方法，該方法包含有下列步驟提供一襯底，該襯底表面定義有一第一區(qū)域、一第二區(qū)域圍繞于該第一區(qū)域，以及一第三區(qū)域；于該襯底上方形成一非晶硅薄膜；進行一第一光刻暨蝕刻工藝，移除該第三區(qū)域內(nèi)的該非晶硅薄膜，并于該第三區(qū)域內(nèi)形成一對準標記；于該非晶硅薄膜上形成一遮蔽層；進行一第二光刻暨蝕刻工藝，移除該非晶硅薄膜上方該第一區(qū)域內(nèi)的該遮蔽層；以及進行該準分子激光再結(jié)晶工藝，使該第一區(qū)域內(nèi)的該非晶硅薄膜再結(jié)晶成一多晶硅薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該襯底表面另包含有一緩沖層，且該非晶硅薄膜形成于該緩沖層表面。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法于形成該多晶硅薄膜后，將再移除該遮蔽層。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該多晶硅層用來作為一薄膜晶體管的有源區(qū)域。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該對準標記用來增加后續(xù)工藝的對準能力。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該遮蔽層是包含有硅氧層(SiOx)、氮硅層(SiN)、金屬層、氮氧化硅(SiON)層或是上述材料的組合。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該準分子激光再結(jié)晶工藝是利用一準分子激光照射該非晶硅薄膜，以使覆蓋有該遮蔽層的該第二區(qū)域內(nèi)該非晶硅薄膜達到部分熔融狀態(tài)，而未覆蓋有該遮蔽層的該第一區(qū)域內(nèi)該非晶硅薄膜達到完全熔融狀態(tài)，再由該第一區(qū)域與該第二區(qū)域的介面處朝該第一區(qū)域橫向長晶，以于該第一區(qū)域內(nèi)形成一多晶硅薄膜。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該準分子激光中另包含有一長脈沖周期激光。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中該長脈沖周期激光的周期約為150至250ns。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法于進行該準分子激光再結(jié)晶工藝前，另形成一熱含覆蓋層覆蓋于該遮蔽層以及該非晶硅薄膜上，以增加所形成的該多晶硅薄膜的晶粒大小。
11.一種利用一準分子激光再結(jié)晶工藝來制作一多晶硅薄膜的方法，該方法包含有下列步驟提供一襯底，該襯底表面并定義有一第一區(qū)域、一第二區(qū)域圍繞于該第一區(qū)域，以及一第三區(qū)域；于該襯底上方形成一非晶硅薄膜；進行一第一光刻暨蝕刻工藝，移除該第三區(qū)域內(nèi)的該非晶硅薄膜，并于該第三區(qū)域內(nèi)形成一對準標記；形成一熱含覆蓋層覆蓋于該非晶硅薄膜以及該緩沖層上；于該熱含覆蓋層上形成一遮蔽層；進行一第二光刻暨蝕刻工藝，移除該非晶硅薄膜上方該第一區(qū)域內(nèi)的該遮蔽層；以及進行該準分子激光再結(jié)晶工藝，使該第一區(qū)域內(nèi)的該非晶硅薄膜再結(jié)晶成一多晶硅薄膜。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該襯底表面另包含有一緩沖層，且該非晶硅薄膜形成于該緩沖層表面。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該方法于形成該多晶硅薄膜后，將再移除該遮蔽層以及該熱含覆蓋層。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該多晶硅層用來作為一薄膜晶體管的有源區(qū)域。
15.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該對準標記用來提供一掩模定位功能，以增加后續(xù)工藝的對準能力。
16.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該遮蔽層是包含有硅氧層(SiOx)、氮硅層(SiN)、金屬層、氮氧化硅(SiON)層或是上述材料的組合。
17.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該熱含覆蓋層是包含有硅氧層(SiOx)、氮硅層(SiN)、氮氧化硅(SiON)層或是上述材料的組合。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該準分子激光再結(jié)晶工藝是利用一準分子激光照射該非晶硅薄膜，以使覆蓋有該遮蔽層的該第二區(qū)域內(nèi)該非晶硅薄膜達到部分熔融狀態(tài)，而未覆蓋有該遮蔽層的該第一區(qū)域內(nèi)該非晶硅薄膜達到完全熔融狀態(tài)，再由該第一區(qū)域與該第二區(qū)域的介面處朝該第一區(qū)域橫向長晶，以于該第一區(qū)域內(nèi)形成一多晶硅薄膜。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其中該準分子激光中另包含有一長脈沖周期激光。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中該長脈沖周期激光的周期約為150至250ns。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用準分子激光再結(jié)晶工藝來制作多晶硅薄膜的方法。該方法先提供一表面定義有第一、第二及第三區(qū)域的襯底，接著于該襯底上形成一非晶硅薄膜，再移除部分的該非晶硅薄膜，以于該第三區(qū)域內(nèi)形成一對準標記，隨后于該非晶硅薄膜上形成一遮蔽層，并移除該第一區(qū)域內(nèi)的該遮蔽層，以進行該準分子激光再結(jié)晶工藝，使得該第一區(qū)域內(nèi)的該非晶硅薄膜再結(jié)晶成一多晶硅薄膜。
文檔編號G02F1/13GK1553475SQ0314125
公開日2004年12月8日 申請日期2003年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
發(fā)明者林昆志 申請人:友達光電股份有限公司