專利名稱：半導體薄膜結(jié)晶及半導體元件制造的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般和半導體制造有關(guān)，更明確地說，是關(guān)于利用保熱層來結(jié)晶非晶硅膜以制造半導體元件的方法。
背景技術(shù)：
由于對具有更高分辨率顯示器的小型電子產(chǎn)品的需求，激起液晶顯示器(LCD)領(lǐng)域不斷地進行研發(fā)。LCD中有一重要元件為薄膜晶體管(TFT)。TFT通常是制造于透明基板(如玻璃或塑料基板)上，且運用薄膜硅半導體。
薄膜硅半導體通常包含非晶硅(a-Si)半導體及多晶硅(p-Si)半導體。非晶硅半導體最常使用，因為它們可通過量產(chǎn)以非常低廉的成本來制造。p-Si半導體具有優(yōu)于a-Si半導體的物理特性，如導電性。然而，制造p-Si半導體卻比a-Si半導體還要困難。由于p-Si半導體具有優(yōu)越的特性，許多研究均集中在改善制造p-Si半導體的工藝上。
制造p-Si TFT LCD的方法包含結(jié)晶工藝。該項工藝包含在玻璃基板上形成a-Si薄膜，且將該薄膜形成于p-Si膜之中。結(jié)晶方法的公知范例包含固相結(jié)晶法(SPC)及準分子激光退火法(ELA)。上述這些方法均使用很低的熱預算，也就是，ELA方法為高溫及短退火時間，而SPC方法則為非常低溫及較長的退火時間。該低熱預算工藝非常重要，因為LCD中通常會使用的玻璃基板并無法耐受高退火溫度及/或長退火時間而不變形或破裂。舉例來說，玻璃通常會在約600℃(在不變形該玻璃基板下通常允許的最高溫度)溫度處破裂或變形。
SPC法包含在約400℃至800℃的溫度處對該玻璃基板上所形成的a-Si膜進行退火，以便獲得p-Si膜。因為SPC法可能涉及使用高溫工藝，所以，便必須在該玻璃基板中使用昂貴的石英玻璃，其成本通常非常昂貴而無法適用于LCD元件中。
ELA法包含利用短脈沖準分子激光來照射該a-Si膜，以便獲得該p-Si膜，該脈沖寬度約20至200ns。ELA法是目前多晶硅TFT制造中最常用的方法。p-Si薄膜的晶粒尺寸可達300至600nm，而p-SiTFT的載子移動率則可達200cm2/V-s。不過，此數(shù)值并不符合未來高效能平面顯示器的需求。再者，ELA不穩(wěn)定的激光能量輸出通常會將工藝范圍縮小至數(shù)十個mJ/cm2的程度。所以，必須進行頻繁的激光照射以重新熔化該不規(guī)律激光能量波動所造成的有瑕疵精細晶粒，使得該ELA法的成本提高，進而較不具競爭力。
在p-Si TFT LCD中，不論是由SPC法或ELA法所制成，均強烈需要進一步放大p-Si膜的晶粒尺寸。在公知的方法中，晶粒尺寸約為300至600nm。為增強p-Si TFT LCD的功能，必須將晶粒尺寸放大至數(shù)微米以上。下文說明要放大晶粒尺寸的理由。移動率數(shù)值是影響半導體元件功能的因素。移動率代表的是電子漂移速度。當晶粒尺寸很小時，漂移速度便會下降，且在該電子路徑中會有許多晶粒場。當漂移速度下降時，便無法預期該半導體元件的功能可以強化。
與通過公知的準分子激光結(jié)晶所形成的晶粒尺寸相比，有一種稱為超橫向成長(SLG)的已知技術(shù)用來形成較大的晶粒。雖然可獲得非常大的晶粒，不過，可達SLG效果的激光束能量強度區(qū)卻遠高于常用的準分子激光結(jié)晶中所用的能量。另外，該能量強度區(qū)的范圍還非常狹窄。從晶粒的位置控制觀點來看，可能無法控制獲得大型晶粒的位置。結(jié)果，晶粒的大小便不均勻且晶體表面的粗糙度也非常大。
所以已經(jīng)有人開發(fā)出序列式橫向固化(SLS)法以人為的方式來控制要發(fā)生于預期位置處的SLG。根據(jù)SLS法，會通過狹縫狀掩膜將脈沖振蕩準分子激光束照射在材料上。當該材料與該激光束間的相對位置在每次照射中位移略等于通過該SLG所形成的晶體的長度時便完成該結(jié)晶作用。不過，該SLS法可能會因該材料表面上光束點與該材料基板間的激光束的饋孔距(也就是，相對的偏移距離)非常小的關(guān)系而導致處理量不足。
所以，需要有一種半導體薄膜結(jié)晶的方法，能夠以成本較低的方式達成較高處理量以及更大且均勻的晶粒尺寸、且不會損失預期的電特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種解決因先前技術(shù)的限制與缺點所造成的種種問題的方法。
根據(jù)本發(fā)明一具體實施例，提供一種制造半導體元件的方法，其包括提供基板；在該基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該已圖案化的保熱層。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造半導體元件的方法，其包括提供基板；在該基板上形成緩沖層；在該緩沖層上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及利用激光來照射該非晶硅層與該已圖案化的保熱層。
進一步，根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造半導體元件的方法，其包括在基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該非晶硅層與該保熱層。
在下文的說明中將部份提出本發(fā)明的其它特點與優(yōu)點，而且從該說明中將了解本發(fā)明其中一部份，或者通過實施本發(fā)明亦可得知。通過權(quán)利要求中特別列出的元件與組合將可了解且達成本發(fā)明的特點與優(yōu)點。
應該了解的是，上文的概要說明以及下文的詳細說明都僅供作例示與解釋，其并未限制本文所主張的發(fā)明。


當結(jié)合各隨附附圖而閱覽時，即可更佳了解本發(fā)明之前披露的摘要以及下文詳細說明。為達本發(fā)明的說明目的，各附圖里表示有現(xiàn)屬較佳的各具體實施例。然應了解本發(fā)明并不限于所表示的精確排置方式及設備裝置。
現(xiàn)將詳細參照本發(fā)明具體實施例，其實施例圖解于附圖之中。盡其可能，所有附圖中將依相同元件符號以代表相同或類似的部件。
在各附圖中圖1A至1G為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例用于制造半導體元件的方法的示意圖；圖2為根據(jù)圖1A至1G的方法所形成的主動層的概略示意圖；以及圖3A與3B分別為單柵極結(jié)構(gòu)與雙柵極結(jié)構(gòu)的概略示意圖。
主要元件標記說明10基板12緩沖層14非晶硅層14-1 主動層16保熱層16-1 保熱層A 初始成長部位B 初始成長部位18激光20晶粒邊界22晶粒邊界30單柵極結(jié)構(gòu)31柵極
32柵極指狀部36第一擴散區(qū)38第二擴散區(qū)40雙柵極結(jié)構(gòu)41柵極42第一柵極指狀部43第二柵極指狀部44第一擴散區(qū)46第三區(qū)48第二擴散區(qū)具體實施方式
圖1A至1G為根據(jù)本發(fā)明一具體實施例用于制造半導體元件的方法的示意圖。參照圖1A，舉例來說，通過沖洗與烘干來界定基板10?；?0包含半導體晶片、石英、玻璃、塑料、或金屬箔中的一種?；?0的厚度可能隨著材料不同而改變。在其中一項觀點中，對4英寸半導體晶片而言，基板10的厚度約為0.525毫米(mm)，或?qū)?英寸半導體晶片而言，基板的厚度則約為0.625mm。在其它觀點中，由玻璃、塑料、或金屬箔所制成的基板10的厚度分別約為0.5、0.2、以及0.05mm。
參照圖1B，視情況可在基板10上形成緩沖層12。緩沖層12(如二氧化硅(SiO2)層)是用來避免基板10中的金屬離子污染基板10上所形成的后續(xù)層。緩沖層12的厚度約為3000埃。
接著，參照圖1C，利用化學氣相沉積法(CVD)在緩沖層12上形成半導體前驅(qū)層14。在根據(jù)本發(fā)明的其中一具體實施例中，半導體前驅(qū)層14包含非晶硅，厚度約為500埃。
參照圖1D，利用CVD在半導體前驅(qū)層14上形成保熱層16。制造保熱層16的材料可吸收一部份照射光束且透射該光束。根據(jù)本發(fā)明其中一具體實施例，保熱層16包含硅的氮氧化合物(SiOxNy)，x與y為適宜整數(shù)，該層會吸收30％的照射光束。保熱層16的厚度約為2000至5000埃。
參照圖1E，舉例來說，利用圖案化與蝕刻工藝來界定保熱層16，該項工藝決定非晶硅層14上的初始成長部位A與B。已界定的保熱層16-1充當掩膜以控制TFT的主動區(qū)的大小。明確地說，位于該已界定的保熱層16下方介于部位A與B之間的一部份非晶硅層14在稍后會成為晶體管的主動區(qū)。再者，已界定的保熱層16-1同樣是用來控制形成在非晶硅層14中的晶粒邊界，其說明如后。
為在高溫處加熱非晶硅層14且同時防止基板10遭到破壞，要使用到激光退火工藝，其會以脈沖的方式在短周期中產(chǎn)生激光束。參照圖1F，非晶硅層14及已界定的保熱層16-1均裸露于激光18之中。在上述的激光束中，明確地說，以倍頻Nd:YAG激光束或準分子激光束為宜，例如波長約308nm的氯化氙(XeCl)激光束、波長約351nm的氟化氙(XeF)激光束、以及波長約248nm的氟化氪(KrF)激光束。實行激光退火的方式是利用光學系統(tǒng)(圖中未顯示)來處理激光18，以使在要被照射的表面處將其設計成點狀形狀或線性形狀?；?0上要被照射的表面會被激光18掃描。也就是，該激光束的照射位置會依據(jù)要被照射的表面來移動。而后，便會反復地利用該激光束進行照射且步進移動基板10，直到位于已界定的保熱層16-1下方的非晶硅層14被多晶化為止。
在根據(jù)本發(fā)明的其中一具體實施例中，是以每秒20次的方式來照射光束直徑20μm的能量短脈沖。激光18會以約0.2μm或該激光直徑1％的照射位置重疊的方式依據(jù)非晶硅層14與已界定的保熱層16-1來移動。與照射位置重疊約介于50％至95％間的公知技術(shù)相比，根據(jù)本發(fā)明的1％重疊有助于大幅改善處理量。
激光18提供必要的能量以熔化位于已界定的保熱層16-1下方的非晶硅層14。結(jié)晶成長是利用超橫向成長法從初始成長部位A與B處開始。在該超橫向成長法中，會形成一部份因激光束照射的關(guān)系而被完全熔化的半導體以及一部份仍保留的固態(tài)半導體區(qū)，接著，便會在當作晶核的固態(tài)半導體區(qū)附近開始進行結(jié)晶成長。因為在被完全熔化的區(qū)域中進行結(jié)核需要一段特定的時間周期，所以在該被完全熔化的區(qū)域中進行結(jié)核的時間周期期間，便已經(jīng)在上述半導體的膜表面的水平或橫向方向中在當作晶核的上述固態(tài)半導體區(qū)附近長出晶體。所以，晶粒的長度會成長至該膜厚度的數(shù)十倍長。該現(xiàn)象稱為受控式超橫向成長法(C-SLG)。
接著，參照圖1G，未被已界定的保熱層16-1覆蓋的非晶硅層14的其它部份會被蝕除。已界定的保熱層16-1是充當該蝕刻工藝中的掩膜，所以便無需任何額外的掩膜。蝕刻后剩余的非晶硅層14會在稍后成為TFT的主動層。
圖2為根據(jù)圖1A至1G的方法所形成的主動層14-1的概略示意圖。參照圖2，在晶體成長期間會在主動層14-1中形成晶粒邊界20與22。明確地說，平行初始成長部位A或B延伸的垂直晶粒邊界22預期會形成于部位A或B間的中間區(qū)域處。晶粒的晶粒邊界所指的是晶體的轉(zhuǎn)換對稱性遭到破壞的區(qū)域。已知的是，由于載子的再結(jié)合中心或陷捕中心的影響，或因晶體缺陷或類似因素在晶粒邊界中所造成的電位屏障的影響，載子的電流傳輸特征會下降。舉例來說，垂直晶粒邊界22可能會對在電流傳輸期間移動跨越該中心區(qū)域的載子的移動率造成負面影響。
圖3A與3B分別為單柵極結(jié)構(gòu)30與雙柵極結(jié)構(gòu)40的概略示意圖。參照圖3A，單柵極結(jié)構(gòu)30包含柵極31、柵極指狀部32、以及主動層14-1。在移除用來決定主動層14-1的保熱層16-1之后，舉例來說，便可利用負離子對主動層14-1進行離子植入，然后利用多個熱循環(huán)進行退火，以便形成重度n摻雜(n+)層。離子植入會被柵極指狀部32阻隔。在主動層14-1內(nèi)，會在柵極指狀部32下方形成通道區(qū)(圖中未編號)。該通道區(qū)會隔離第一擴散區(qū)36(如源極區(qū))與第二擴散區(qū)38(如漏極區(qū))。
參照圖3B，雙柵極結(jié)構(gòu)40包含柵極41、第一柵極指狀部42、第二柵極指狀部43、以及主動層14-1。在主動層14-1內(nèi)，會在第一柵極指狀部41與第二柵極指狀部42下方形成兩個通道區(qū)(圖中未編號)。上述的兩個通道區(qū)會將主動層14-1分成三個區(qū)域，第一擴散區(qū)44(如源極區(qū))、第二擴散區(qū)48(如漏極區(qū))、以及第三區(qū)46(也就是，n+區(qū))。雙柵極結(jié)構(gòu)40可呈現(xiàn)優(yōu)于圖3A所示的單柵極結(jié)構(gòu)30的電氣特性，因為雙柵極結(jié)構(gòu)40中的載子移動率并不會受到垂直延伸晶粒邊界22的負面影響。
所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應該了解可對上述各項具體實施例進行變化，而不致悖離其廣義的發(fā)明性概念。因此，應了解本發(fā)明并不限于此披露的特定具體實施例，而是為涵蓋歸屬權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍內(nèi)的修飾。
另外，在說明本發(fā)明的代表性具體實施例時，本說明書可將本發(fā)明的方法及/或工藝表示為一特定的步驟次序；不過，由于該方法或工藝的范圍并不是本文所提出的特定的步驟次序，故該方法或工藝不應受限于所述的特定步驟次序。身為所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應當了解其它步驟次序也是可行的。所以，不應將本說明書所提出的特定步驟次序視為對權(quán)利要求的限制。此外，也不應將有關(guān)本發(fā)明的方法及/或工藝的權(quán)利要求僅限制在以書面所載的步驟次序的實施，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員易于了解，上述這些次序也可加以改變，并且仍涵蓋于本發(fā)明的精神與范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制造半導體元件的方法，其特征是包括提供基板；在該基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該已圖案化的保熱層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進一步包括在形成該非晶硅層以前先在該基板上形成緩沖層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進一步包括利用硅的氮氧化物來形成該保熱層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進一步包括利用準分子激光或YAG激光來照射該已圖案化的保熱層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進一步包括以約1％的照射位置重疊來照射該已圖案化的保熱層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進一步包括利用該已圖案化的保熱層作為掩膜來移除部份該非晶硅層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進一步包括在圖案化該保熱層中在非晶硅層上決定初始成長部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是進一步包括在該剩余的非晶硅層中形成第一擴散區(qū)；以及在該剩余的非晶硅層中形成第二擴散區(qū)，與該第一擴散區(qū)隔開。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是進一步包括在該剩余的非晶硅層中形成第一擴散區(qū)；在該剩余的非晶硅層中形成第二擴散區(qū)，與該第一擴散區(qū)隔開；以及在該剩余的非晶硅層中形成第三擴散區(qū)，位于上述的第一與第二擴散區(qū)之間且與上述的第一與第二擴散區(qū)隔開。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是進一步包括提供該基板，其包含晶片、石英、玻璃、塑料、或金屬箔中的一種。
11.一種制造半導體元件的方法，其特征是包括提供基板；在該基板上形成緩沖層；在該緩沖層上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及利用激光來照射該非晶硅層與該已圖案化的保熱層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進一步包括以約1％的照射位置重疊，相對于該已圖案化的保熱層來移動該激光。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進一步包括利用硅的氮氧化物來形成該保熱層。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進一步包括利用該已圖案化的保熱層作為掩膜來移除部份該非晶硅層。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征是進一步包括在圖案化該保熱層中在非晶硅層上決定初始成長部位。
16.一種制造半導體元件的方法，其特征是包括在基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該非晶硅層與該保熱層。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進一步包括利用硅的氮氧化物來形成該保熱層。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進一步包括在圖案化該保熱層中在非晶硅層上決定初始成長部位。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進一步包括利用激光來照射該非晶硅層與該保熱層；以及以約1％的照射位置重疊，相對于該非晶硅層與該已圖案化的保熱層來移動該激光。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是進一步包括利用該已圖案化的保熱層作為掩膜來移除部份該非晶硅層。
全文摘要
一種制造半導體元件的方法，其包括提供基板；在該基板上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成保熱層；圖案化該保熱層；以及照射該已圖案化的保熱層。
文檔編號H01L21/336GK1933104SQ20061006487
公開日2007年3月21日 申請日期2006年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者林家興, 陳麒麟 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院