專利名稱：形成多晶硅層及多晶硅薄膜晶體管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明有關(guān)一種形成多晶硅層的方法，特別有關(guān)一種定義硅晶種以形成多晶硅層的方法。
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、較高的解析度，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制法(LTPS；low temperaturepolysilicon)。
圖1a至1b顯示傳統(tǒng)上TFT陣列工藝中，以LTPS法形成多晶硅層的工藝剖面圖。參照?qǐng)D1a，在一基板100上依序形成一阻障層120和一非晶硅層200。非晶硅層200的形成方法一般是采用化學(xué)氣相沉積法(CVD；chemical vapor deposition)。
接著，使非晶硅層200進(jìn)行結(jié)晶化，例如使用準(zhǔn)分子激光退火(ELA；excimer laser annealing)方式進(jìn)行結(jié)晶化，而形成多晶硅層300(如圖1b所示)。
傳統(tǒng)經(jīng)由CVD成長(zhǎng)出的非晶硅層在直接進(jìn)行激光結(jié)晶時(shí)，成核(nucleation)位置無(wú)法控制，因此晶粒尺寸不均勻，且平均晶粒尺寸(grain size)通常都小于1μm，造成溝道(channel)區(qū)域所涵蓋的晶界(grain boundary)數(shù)目不一，因此而影響TFT的電學(xué)性能及其穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是解決上述問題而提供一種定義硅晶種以形成多晶硅層的方法。
本發(fā)明的另一目的是提供一種定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，可精確且規(guī)則性地控制并提供個(gè)別晶粒在進(jìn)行異質(zhì)成核階段時(shí)所需的晶種位置及晶種尺寸，因而使得晶?？稍陬A(yù)先已經(jīng)決定好的位置上成長(zhǎng)。
本發(fā)明的另一目的是提供晶種尺寸一致及均勻的分布。
本發(fā)明的又一目的是提供直徑小于1μm的硅晶種，并進(jìn)而增加晶粒尺寸，且降低溝道區(qū)域所涵蓋的晶界數(shù)目，因而使每個(gè)TFT的溝道所涵蓋的晶界數(shù)目可控制在相同的范圍內(nèi)。
為達(dá)成本發(fā)明的目的，本發(fā)明定義硅晶種以形成多晶硅層的方法包括以下步驟。首先，在一基板上形成一犧牲層，圖案化此犧牲層，以在此犧牲層中形成一開口。接著，在犧牲層和基板上形成一第一非晶硅層，蝕刻此第一非晶硅層，而于開口內(nèi)留下硅晶種。接著，除去犧牲層，在硅晶種上形成一第二非晶硅層。最后，使第二非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層。
本發(fā)明亦提供一種制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其包括在一基板上形成一溝道區(qū)、源極區(qū)、漏極區(qū)、柵極介電層和柵極。其中溝道區(qū)的形成方式包括以下步驟，首先，形成一犧牲層，圖案化此犧牲層，以在此犧牲層中形成一開口。接著，在犧牲層和基板上形成一第一非晶硅層，蝕刻第一非晶硅層，而于開口內(nèi)留下硅晶種。接著，除去犧牲層，在硅晶種上形成一第二非晶硅層。最后，使第二非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層，圖案化此多晶硅層而形成一溝道區(qū)。


圖1a至1b顯示傳統(tǒng)上TFT陣列工藝中，以LTPS法形成多晶硅層的工藝剖面圖；圖2a至2i顯示依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例定義硅晶種以形成多晶硅層的方法的工藝剖面圖；以及圖3為相對(duì)于圖2b的上視圖，圖2b為沿著圖3的A-A’線而視的剖面圖。
附圖中的附圖標(biāo)記說(shuō)明如下現(xiàn)有技術(shù)100～基板，120～阻障層，200～非晶硅層，300～多晶硅層，本發(fā)明10～基板， 12～阻障層，20～犧牲層， 22～光致抗蝕劑圖案，
25～圖案化的犧牲層，27～開口，30～第一非晶硅層， 30a～第一非晶硅層30的裂痕，32～硅晶種，35～第二非晶硅層，40～多晶硅層， 42～溝道區(qū)，45、46～源/漏極區(qū)， 50～柵極介電層，60～柵極層，52～層間介電層，53～開口， 65、66～源/漏極電極。
具體實(shí)施例方式
礙于光刻工藝解析能力無(wú)法小于1μm的問題，故直接在非晶硅層上進(jìn)行曝光、顯影及蝕刻法，硅晶種的尺寸無(wú)法達(dá)到異質(zhì)成核所需的臨界尺寸。
因此，本發(fā)明利用光刻工藝在一犧牲層內(nèi)形成一開口，在開口內(nèi)形成一第一非晶硅層，再蝕刻此第一非晶硅層，而可在開口內(nèi)得到小于1μm的硅晶種。如此，本發(fā)明小尺寸的硅晶種可達(dá)到異質(zhì)成核所需的臨界尺寸，在進(jìn)行結(jié)晶化時(shí)，接下來(lái)所形成的第二非晶硅層則以此硅晶種并依據(jù)異質(zhì)成核的方式而漸漸結(jié)晶化，因而可形成較大尺寸的晶粒。
以下特舉一優(yōu)選實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)。圖2a至2i顯示依據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例定義硅晶種以形成多晶硅層的方法的工藝剖面圖。為方便說(shuō)明起見，本實(shí)施例以制造上柵極式(top-gate)多晶硅TFT為例。
首先，參照?qǐng)D2a，在一基板10上依序形成一阻障層12和一犧牲層20。接著，在犧牲層20上形成一光致抗蝕劑圖案22。基板10可為透明基板，例如玻璃或塑膠。阻障層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。犧牲層20可為金屬或金屬合金，例如，可為鉻鋁合金(Cr/Al alloy)。犧牲層20亦可為氧化硅。犧牲層20的厚度可為1.5μm至2.5μm之間，例如可為2μm。
接著，參照?qǐng)D2b，以光致抗蝕劑圖案22為掩模，圖案化犧牲層20而形成圖案化的犧牲層25，且在犧牲層25內(nèi)形成一開口27。圖3為相對(duì)于圖2b的上視圖，圖2b為沿著圖3的A-A’線而視的剖面圖。開口27的直徑可為1.5至2.0μm之間，優(yōu)選的為1.6μm。開口27的深寬比(aspect ratio)可為2至1.5之間，優(yōu)選的為1.8。再者，本發(fā)明可控制開口27的位置，藉以控制接下來(lái)在開口27內(nèi)所形成硅晶種的位置。例如，開口27的位置可控制在與將來(lái)欲形成的TFT中的溝道區(qū)(channel region)的位置大致相同，如此，可使得接下來(lái)在開口27內(nèi)所形成的硅晶種位于溝道區(qū)的范圍內(nèi)。
接著，參照?qǐng)D2c，在犧牲層25和阻障層12上形成一第一非晶硅層30。第一非晶硅層30優(yōu)選是以濺鍍法(sputtering)形成，厚度可為1000至3000之間，例如1000。由于濺鍍法的階梯覆蓋性(step coverage)不好，而且再配合開口27較大的深寬比，可使得在開口27內(nèi)所形成的第一非晶硅層30在底部產(chǎn)生裂痕(crack)30a的現(xiàn)象。
接著，蝕刻第一非晶硅層30，例如，進(jìn)行濕蝕刻。如上所述，第一非晶硅層30的底部產(chǎn)生裂痕30a，在進(jìn)行濕蝕刻時(shí)，此裂痕30a最容易受到蝕刻液的侵蝕，因此，蝕刻后可在開口27內(nèi)留下硅晶種32(如圖2d所示)。
接著，除去犧牲層25，而形成圖2e所示的結(jié)構(gòu)。
接著，參照?qǐng)D2f，在硅晶種32上形成一第二非晶硅層35。第二非晶硅層35可使用硅甲烷(silane；SiH4)為反應(yīng)氣體，以化學(xué)氣相沉積法(CVD；chemical vapor deposition)形成，例如等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法(PECVD；plasma-enhanced chemical vapor deposition)或低壓化學(xué)氣相沉積法(LPCVD；low pressure chemical vapor deposition)。
接著，仍參閱圖2f，使第二非晶硅層35進(jìn)行結(jié)晶化，而形成一多晶硅層40，如圖2g所示。第一非晶硅層30(硅晶種32)和第二非晶硅層35可為使用不同方法形成時(shí)，例如，第一非晶硅層30可以濺鍍法形成，而第二非晶硅層35可以化學(xué)氣相沉積法形成。
本發(fā)明可使用許多傳統(tǒng)方法來(lái)進(jìn)行結(jié)晶化，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；solidphase crystallization)，連續(xù)晶粒成長(zhǎng)法(CGG；continuous grain growth)，金屬誘發(fā)結(jié)晶法(MIC；metalinduced crystallization)，金屬誘發(fā)側(cè)向結(jié)晶法(MILC；metal induced lateral crystallization)，和連續(xù)式側(cè)向固化法(SLS；sequentiallateral solidification)等。
本發(fā)明可利用光刻工藝而控制開口27的直徑，因而可使得在開口27內(nèi)形成硅晶種32的尺寸小于1μm。如此， 本發(fā)明小尺寸的硅晶種32可達(dá)到異質(zhì)成核所需的臨界尺寸，在進(jìn)行結(jié)晶化時(shí)，第二非晶硅層35則以此硅晶種32并依據(jù)異質(zhì)成核的方式而漸漸結(jié)晶化，因而可形成較大尺寸(例如大于1μm)的晶粒。
接著，參照?qǐng)D2h，使用光刻和蝕刻法圖案化多晶硅層40，再對(duì)于圖案化的多晶硅層進(jìn)行摻雜，例如以磷進(jìn)行摻雜，而形成溝道區(qū)42和n型源/漏極區(qū)45和46。
接著，參照?qǐng)D2i，形成一柵極介電層50，再形成一金屬層(未顯示)，再對(duì)于金屬層進(jìn)行光刻和蝕刻，而在溝道區(qū)42的對(duì)應(yīng)位置上形成一柵極層60。至此，完成TFT。
接著，仍參照?qǐng)D2i，形成一層間介電層(interlayer dielectric)52，再于層間介電層52內(nèi)形成達(dá)到源/漏極區(qū)45和46的開口53。接著，將金屬填入開口53內(nèi)，而形成源/漏極電極65和66。
綜上所述，本發(fā)明利用光刻工藝在一犧牲層內(nèi)形成一開口，在開口內(nèi)形成一第一非晶硅層，再蝕刻此第一非晶硅層，而在開口內(nèi)得到小于1μm的硅晶種。如此，在進(jìn)行結(jié)晶化時(shí)，第二非晶硅層會(huì)以此硅晶種為成核點(diǎn)而以異質(zhì)成核的方式漸漸結(jié)晶化，因而所形成的多晶硅層可具有較大尺寸(如大于1μm)的晶粒。
再者，本發(fā)明可藉由將開口控制在將來(lái)欲形成TFT的溝道區(qū)內(nèi)，而使得硅晶種可在溝道區(qū)內(nèi)形成。如此，由于有尺寸較大且均勻的晶粒，可降低溝道區(qū)域所涵蓋的晶界數(shù)目，并且使每個(gè)TFT的溝道所涵蓋的晶界數(shù)目可控制在相同的范圍內(nèi)，而可使得TFT具有良好的電學(xué)性能及穩(wěn)定性。
雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實(shí)施例公開如上，但是其并非用以限制本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可做更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以所附權(quán)利要求所確定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其包括在一基板上形成一犧牲層；圖案化該犧牲層，以在該犧牲層中形成一開口；在該犧牲層和該基板上形成一第一非晶硅層；蝕刻該第一非晶硅層，而于開口內(nèi)留下硅晶種；除去該犧牲層；在該硅晶種上形成一第二非晶硅層；以及使該第二非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層。
2.如權(quán)利要求1所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中該犧牲層為金屬或金屬合金。
3.如權(quán)利要求2所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中該犧牲層為鉻鋁合金。
4.如權(quán)利要求1所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中該犧牲層為氧化硅。
5.如權(quán)利要求1所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中該開口的深寬比為2至1.5之間。
6.如權(quán)利要求1所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中第一非晶硅層以濺鍍法形成。
7.如權(quán)利要求1所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中該第一非晶硅層的厚度為1000至3000之間。
8.如權(quán)利要求1所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中蝕刻第一非晶硅層以濕蝕刻法進(jìn)行。
9.如權(quán)利要求1所述的定義硅晶種以形成多晶硅層的方法，其中第二非晶硅層以化學(xué)氣相沉積法形成。
10.一種制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其包括在一基板上形成一溝道區(qū)、源極區(qū)、漏極區(qū)、柵極介電層和柵極，其中該溝道區(qū)的形成方式包括以下步驟形成一犧牲層；圖案化該犧牲層，以在該犧牲層中形成一開口；在該犧牲層和該基板上形成一第一非晶硅層；蝕刻該第一非晶硅層，而于開口內(nèi)留下硅晶種；除去該犧牲層；在該硅晶種上形成一第二非晶硅層；使該第二非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層；以及圖案化該多晶硅層而形成一溝道區(qū)。
11.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該犧牲層為金屬或金屬合金。
12.如權(quán)利要求11所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該犧牲層為鉻鋁合金。
13.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該犧牲層為氧化硅。
14.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該開口的深寬比為2至1.5之間。
15.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中第一非晶硅層以濺鍍法形成。
16.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該第一非晶硅層的厚度為1000至3000之間。
17.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中蝕刻第一非晶硅層以濕蝕刻法進(jìn)行。
18.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中第二非晶硅層以化學(xué)氣相沉積法形成。
19.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中該開口的位置與該溝道區(qū)的位置大致相同。
20.如權(quán)利要求10所述的制造多晶硅薄膜晶體管的方法，其中圖案化多晶硅層之后，更包括對(duì)于圖案化的多晶硅層進(jìn)行摻雜，而形成溝道區(qū)和源/漏極區(qū)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種形成多晶硅層及多晶硅薄膜晶體管的方法。該方法定義硅晶種以形成多晶硅層，其包括以下步驟。首先，在一基板上形成一犧牲層，圖案化此犧牲層，以在此犧牲層中形成一開口。接著，在犧牲層和基板上形成一第一非晶硅層，蝕刻此第一非晶硅層，而于開口內(nèi)留下硅晶種。接著，除去犧牲層，在硅晶種上形成一第二非晶硅層。最后，使第二非晶硅層結(jié)晶而形成一多晶硅層。本發(fā)明可精確控制硅晶種在溝道區(qū)位置產(chǎn)生，可增大晶粒尺寸，并可降低溝道區(qū)所涵蓋的晶界數(shù)目。
文檔編號(hào)H01L21/336GK1591801SQ0315560
公開日2005年3月9日 申請(qǐng)日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者翁健森, 張志清 申請(qǐng)人:友達(dá)光電股份有限公司