CN1303658C - 薄膜晶体管的制造方法及其结构 - Google Patents
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Abstract
一种薄膜晶体管的制造方法及其结构，其中形成薄膜晶体管的多晶硅层的方法至少包括步骤：提供一基板，该基板具有一绝缘表面；在该绝缘表面上形成一非晶硅层；提供一气氛使非晶硅层结晶，以形成一多晶硅层，其中，气氛至少包括氮气和氧气，且具有一氧气浓度范围50ppm与50000ppm之间。
Description
技术领域
本发明涉及一种低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFTs)的制造方法及其结构，且特别是涉及一种利用准分子激光回火技术(ELA)低温形成多晶硅薄膜晶体管的方法及其结构。
背景技术
目前的薄膜晶体管处理技术中，低温多晶硅薄膜晶体管(low temperaturepoly-silicon thin film transistors，LTPS TFTs)技术主要是利用多晶硅形成薄膜晶体管的多晶硅层，以提高晶体管的驱动能力。由于准分子激光回火(Excimerlaser annealing，ELA)法可在低温的状况下形成高品质的多晶硅，可视为低温多晶硅的关键性技术，也是以后制作超高性能低温多晶硅薄膜晶体管的主要技术。
传统的ELA工艺包括下列步骤。传统ELA工艺在特定的气氛条件下，将非晶硅(Amorphous Silicon，a-Si)转化成多晶硅(Poly-Silicon，poly-Si)。首先，在一般基板上沉积缓冲/非晶硅层，缓冲层的作用是在避免基板内的杂质因后续较高温的工序而扩散出来。接着，进行适当温度的回火，以去除非晶硅薄膜中的氢含量。在准分子激光结晶前以臭氧水以及氢离子水清洗基板，以达到稳定的组件特性分布。臭氧水具有氧化Si表层、有机污染物和金属物质的功能，氢离子水用以去除基板表面的微粒。然后，在纯氮气氛(N2，[O2]＜1ppm)或真空下，利用激光束重迭率75-98％的准分子激光在基板上进行扫瞄，将原属于非晶硅薄膜结晶成多晶硅薄膜。之后，进行栅极绝缘层、栅极电极、源极以及漏极等工艺。
然而，以具有轻掺杂漏极(Lightly Doped Drains，LDD)的N-TFT为例，在此种条件下形成的晶格大小约为3000，而电子迁移率则小于150cm2/V-s。为了将ELA工艺技术拓展应用到更高性能的液晶显示屏幕或电子组件电路上，如何提高电子迁移率，降低驱动IC成本正是目前首要突破的课题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种步骤简化、电性提高的薄膜晶体管的多晶硅层的制造方法及其结构。本发明可简化结晶前预先清洗基板的步骤，而在结晶过程中可达到同样的氧化效果，而助于ELA工艺的稳定性及合格率。藉由步骤简化的ELA工艺，可有效降低制造成本。此外，本发明制成的薄膜晶体管的多晶硅层电子迁移率高，且临界电压没有相对提高。成本低廉、提高电子迁移率以及增加晶粒大小
根据本发明的目的，提供一种形成薄膜晶体管的多晶硅层的方法，至少包括步骤：提供一基板，基板具有一绝缘表面；形成一非晶硅层(amorphousSilicon layer，a-Si layer)在绝缘表面上；提供一气氛使非晶硅层结晶，以形成一多晶硅层(Poly-Si layer)，其中，气氛至少包括氮气和氧气，且具有一氧气浓度范围50ppm与50000ppm之间。
根据本发明的另一目的，提供一种半导体组件，至少包括：一具有一绝缘表面的基板；一形成在基板的绝缘表面上的多晶硅层，多晶硅层中具有氧含量大于等于2×1019且小于1×1020atoms/cm3的薄膜晶体管组件。
根据本发明的再一目的，提供一种半导体组件，至少包括：一具有一绝缘表面的基板；一形成在基板的绝缘表面上的多晶硅层，多晶硅层中具有一表面粗糙度范围在3nm至12nm之间的薄膜晶体管组件。
根据本发明的又一目的，提供一种薄膜晶体管，至少包括：一基板，该基板具有一绝缘表面；一栅极电极层，该栅极电极层形成在基板的绝缘表面上；一栅极绝缘层，该栅极绝缘层形成在栅极电极层上；一多晶硅层，该多晶硅层形成在栅极绝缘层上，栅极绝缘层介于栅极电极层以及多晶硅层之间，其中多晶硅层具有大于等于2×1019且小于1×1020atoms/cm3的氧原子浓度。
根据本发明的又一目的，提供一种薄膜晶体管，至少包括：一基板，该基板具有一绝缘表面；一栅极电极层，该栅极电极层形成在基板的绝缘表面上；一栅极绝缘层，该栅极绝缘层形成在栅极电极层上；一多晶硅层，该多晶硅层形成在栅极绝缘层上，栅极绝缘层介于栅极电极层以及多晶硅层之间，其中多晶硅层具有一表面粗糙度范围在3nm至12nm之间。
根据本发明的又一目的，提供一种薄膜晶体管，至少包括：一绝缘层，该绝缘层具有相对的一第一侧以及一第二侧；一多晶硅层，该多晶硅层形成于绝缘层的第一侧，其中多晶硅层中的氧含量大于等于2×1019且小于1×1020atoms/cm3；一栅极电极层，该栅极电极层形成于绝缘层的第二侧，绝缘层介于栅极电极层以及多晶硅层之间。
根据本发明的又一目的，提供一种薄膜晶体管，至少包括：一绝缘层，该绝缘层具有相对的一第一侧以及一第二侧；一多晶硅层，该多晶硅层形成于绝缘层的第一侧，其中多晶硅层的一表面粗糙度介于3nm与12nm之间；一栅极电极层，该栅极电极层形成于绝缘层的第二侧，绝缘层介于栅极电极层以及多晶硅层之间。
为使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下面特举一优选实施例，并结合附图，作详细说明如下：
附图说明
图1是表示依照本发明优选实施例的一种形成薄膜晶体管的多晶硅层的方法的流程图。
图2是表示依照本发明的优选实施例所制造的一种底栅极(bottom gate)薄膜晶体管的剖面示意图。
图3是表示依照本发明的优选实施例所制造的一种顶栅极(top gate)薄膜晶体管的剖面示意图。
图4是表示本发明的优选实施例的多晶硅层的电子移动率与结晶时氧气浓度的关系图。
图5是表示本实施例的多晶硅层的临界电压与结晶时氧气浓度的关系图。
图6是表示本实施例的多晶硅层利用二次离子质谱仪(SIMS)所量测的氧含量与薄膜深度的关系图。
图7是表示本实施例的多晶硅层利用原子力显微镜(AFM)量测的结晶时氧气含量与多晶硅薄膜的粗糙度关系图。
具体实施方式
本发明主要针对ELA工艺加以改进，在氮气气氛下加入微量的氧气进行非晶硅转换，使得转换后的多晶硅的晶粒大小(grain size)增加。位于TFT通道层的多晶硅晶格阻碍降低，电子通过不易遇到障碍，使得该薄膜晶体管的电子迁移率超越一般ELA工艺的薄膜晶体管。
参照图1，图1是表示依照本发明优选实施例的一种形成薄膜晶体管的多晶硅层的方法的流程图。本发明的形成薄膜晶体管的多晶硅层的方法至少包括下列步骤。首先，在步骤S101中，提供一基板，基板具有一绝缘表面。接着，在步骤S102中，在基板上利用等离了辅助化学气象沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)，将甲烷(SiH4)及氢(H2)分解而沉积非晶硅薄膜(a-Si:H)，形成一非晶硅层(amorphous Silicon layer，a-Si layer)在绝缘表面上。此外，在大于400℃的高温炉中，去除非晶硅层中的氢气含量。一般来说，低氢非晶硅层中氢含量必须小于2wt％，才不至于影响到后续的结晶工序。然后，在步骤S103中，提供一气氛，气氛至少包括氮气和氧气，且具有一氧气浓度范围50ppm与50000ppm之间。最后，在步骤S104中，以准分子激光退火(Excimet Laser Anneal，ELA)技术，在常温下利用激光束重迭率95％的准分子激光在基板上进行扫瞄，配合上述提供的气氛，使非晶硅层结晶，以形成一多晶硅层(Poly-Si layer)。
除此的外，多晶硅层经黄光蚀刻形成图形之后，在上层镀上二氧化硅形成栅极绝缘层(gate insulator)。接着，依序由薄膜、黄光及蚀刻工序形成栅极电极(gate)、层间介电层(inter layer dielectric，ILD)、源极/漏极电极(source/drain)、保护层(passvation layer)以及铟锡氧化物(indium tin oxide，ITO)电极，完成TFT的制造。
优选的是是，在上述形成多晶硅层的方法中，其气氛中氧气浓度介于50ppm～50000ppm之间，所形成的组件其临界电压值十分稳定；当氧气浓度范围为100ppm与5000ppm，所形成的多晶硅薄膜的电子移动率更大幅提高，其中氧气浓度优选的是为2000ppm。
根据上述方法所形成的多晶硅层，其电子迁移率(Mobility)可以在相同的激光能量以及纯氮气气氛下，所结晶的多晶硅薄膜大幅提高约1.7倍，粒径至少为5000。除此的外，形成的多晶硅层的氧气含量介于2×1019与1×l020atoms/cm3之间。多晶硅层的表面粗糙度介于3nm至12nm之间。
进一步地说，本发明的多晶硅层工艺方法中，在非晶硅转换成多晶硅时通入氧气，可以简化传统工艺中预先清洗基板的步骤。也就是说，通入的氧气亦可氧化非晶硅表层的污染物，达到提高激光结晶回火工序的稳定性及合格率的目的。
上述的方法可应用在任何具有多晶硅层的电子组件，以增加其电子特性。下面特举一薄膜晶体管为例进行说明。工艺步骤依据结构顺序而定。
参照图2，图2是表示依照本发明的优选实施例所制造的一种底栅极(bottom gate)薄膜晶体管的剖面示意图。薄膜晶体管100至少包括：基板50、绝缘表面60、栅极电极层70、栅极绝缘层80以及多晶硅层90。基板50具有一绝缘表面60。栅极电极层70形成在基板的绝缘表面60上。栅极绝缘层80形成在栅极电极层70上。多晶硅层90形成在栅极绝缘层80上，栅极绝缘层80介于栅极电极层70以及多晶硅层90之间。依照本发明所形成的多晶硅层，其氧原子浓度介于2×1019与1×1020atoms/cm3之间。以AFM量测，多晶硅层的表面粗糙度介于3nm至12nm之间。
参照图3，图3是表示依照本发明的优选实施例所制造的一种顶栅极(topgate)薄膜晶体管的剖面示意图。顶栅极薄膜晶体管200至少包括：基板250、绝缘表面260、多晶硅层290、栅极绝缘层280以与门极电极层270。基板250具有一绝缘表面260。多晶硅层290形成在基板的绝缘表面260上。栅极绝缘层280形成在多晶硅层290上。栅极电极层270形成在栅极绝缘层280上，栅极绝缘层280介栅极电极层270以及多晶硅层290之间。依照本发明所形成的多晶硅层290，其氧原子浓度介于2×1019与1×1020atoms/cm3之间。以AFM量测，多晶硅层的表面粗糙度介于3nm至12nm之间。
依照本发明的方法所处理的组件经过一连串的测试以观察其电子特性。以下提供其中几组测试结果。
测试一-电子移动率与结晶时氧气浓度的关系
参照图4，图4是表示本发明的优选实施例的多晶硅层多晶硅层的电子移动率与结晶时氧气浓度的关系图。以N-TFT为例，在ELA工艺中，在氮气气氛下通入介于100ppm与5000ppm之间低浓度的氧气，所形成的多晶硅薄膜的电子移动率与在相同的激光能量以及纯氮气气氛下，所结晶的多晶硅薄膜大幅提高约1.7倍。
测试二-临界电压与结晶时氧气浓度的关系
参照图5，图5是表示本实施例的多晶硅层的N-TFT与P-TFT的临界电压相加与结晶时氧气浓度的关系图。当结晶时氧气浓度增加时，N-TFT的临界电压Vt(threshold voltage)也增加。此外，当氧气浓度增加时，N-TFT以及P-TFT的临界电压呈现不对称的趋势。从此测试结果中发现：提供一至少包括氮气和氧气的气氛使非晶硅层结晶，以形成一多晶硅层(Poly-Si layer)，其中，氧气浓度范围于50ppm～50000ppm时，N-TFT与P-TFT的临界电压值仍十分稳定。
测试三-多晶硅层的氧气含量
参照图6，图6是表示本实施例的多晶硅层利用二次离子质谱仪(SIMS)所量测的氧含量与薄膜深度的关系图。由上述制造方法所制成的多晶硅薄膜，其结晶后厚度约500，自表面(0)向下至深度(profi1e depth)500，其氧气含量约介于2×1019与1×1020atoms/cm3之间。也就是说，在结晶过程中，当氮气气氛中具有氧气分子存在时，氧原子确实进入多晶硅结晶中。
测试四-结晶时氧气含量与多晶硅薄膜的粗糙度
参照图4，图4是表示本实施例的多晶硅层利用原子力显微镜量测的结晶时氧气含量与多晶硅薄膜的粗糙度关系图。在ELA工艺中，在氮气气氛中通入氧气时，形成的多晶硅层粗糙度会随氧气浓度提高而增加，这显示氧原子会改变多晶硅结晶状况。当结晶时氧气浓度介于50ppm与5000ppm之间，所制成的多晶硅薄膜，其粗糙度介于3nm与12nm之间。
由测试三(图6)以及测试四(图7)的结果可知，适量的氧原子进入多晶硅结晶中，有助于硅结晶的品质。除此的外，由于氧原子有助于硅结晶，可以减少准分子激光能量消耗，降低制造成本。
本发明上述实施例所揭露的薄膜晶体管多晶硅层的制造方法及其结构，可以有效提高电子迁移率、且不影响其临界电压。除了在薄膜晶体管电性方面有很好的提高的外，在结构上可以增加晶格大小并且提高多晶硅中氧含量。进一步地说，在整体ELA工艺来看，本发明的薄膜晶体管的多晶硅层的工艺方法，可以简化繁琐耗时的清洗基板的步骤。更进一步地说，在结晶时通入便宜的空气，氧分子不仅可氧化基板及非晶硅薄膜，提高稳定性及合格率，还可以帮助多晶硅结晶，减少准分子激光能量消耗，有效降低制造成本。
综上所述，虽然本发明已以一优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，任何本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当然可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以权利要求书范围所界定的为准。
Claims (7)
1.一种形成薄膜晶体管的多晶硅层的方法，至少包括步骤：
提供一基板，该基板具有一绝缘表面；
在该绝缘表面上形成一非晶硅层；
提供一气氛使该非晶硅层结晶，以形成一多晶硅层，其中，该气氛至少包括氮气和氧气，且具有一氧气浓度范围50ppm与50000ppm之间。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：上述的使该非晶硅层结晶的步骤以激光退火技术完成。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该氧气浓度介于100ppm与5000ppm之间。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该多晶硅层的氧原子浓度为大于等于2×1019且小于1×1020atoms/cm3。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：该多晶硅层的表面粗糙度介于3nm至12nm之间。
6.一种薄膜晶体管，至少包括：
一绝缘层，该绝缘层具有相对的一第一侧以及一第二侧；
一多晶硅层，该多晶硅层形成于该绝缘层的第一侧，其中该多晶硅层中的氧原子浓度为大于等于2×1019且小于1×1020atoms/cm3；以及
一栅极电极层，该栅极电极层形成于该绝缘层的第二侧，该绝缘层介于该栅极电极层以及该多晶硅层之间。
7.如权利要求6所述的薄膜晶体管，其特征在于：该多晶硅层的表面粗糙度介于3nm与12nm之间。
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| JP2003197618A (ja) * | 2001-12-25 | 2003-07-11 | Sanyo Electric Co Ltd | 薄膜形成方法 |
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