TWI301641B - - Google Patents

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1301641 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種多晶石夕平坦化之方法’特別有關 於使用餘刻及雷射退火的方式來改善多晶石夕表面粗韆度’ 以形成高>口質的多晶矽薄膜電晶體(pol^silicon thin film transistor)。此方式可應用於多晶砍薄膜電晶體製程’例 如，低溫多晶矽薄膜電晶體（L〇w TemPerature p〇1y_Silicon

Thin Film Transistor; LTPS-TFT) 〇 【先前技#ί】 多晶矽薄膜電晶體已廣泛應用於各種領域，例如主動 式陣列液晶顯示器（Active Matrix Liquid Crystal Displays; AM-LCD)、主動有機發光顯示器（Active Matrix Organic Light-Emitting Displays; AM-OLED)、靜態隨機存取記憶體 (Static Random Access Memory; SRAM)、投影機（Projector) 以及接觸式影像感測器（Contact type image sensor)等。 多晶矽薄膜面對的問題是表面太過粗糙，且隨著多晶 矽晶粒尺寸增大，情況更為嚴重，這對於元件的電性極為 不利，其影響例如崩潰電場、漏電流、次臨界擺盪 (subthreshold swing)、臨界電壓（thresh〇ld voltage)以及電子 電洞的遷移率(mobility)等。 多晶石夕的粗糙的表面，將直接影響產業量產良率。於 半導體製程中’ ¥形成閘極氧化層（gate oxide)於多晶石夕 上，如第1圖所示’由於多晶矽層1〇厚度不均勻，將使得 0412-8303TWF1 (N)；03-910024；jamngw 1301641 上層閘極氧化層12厚度亦不均勻，而且在多晶石夕層ι〇中 的隆起(ridge)會形成局部（local)較大的電場，導致閘極氧化 層12容易崩潰，增加漏電流，影響元件的可靠度。尤其對 於形成薄閘極氧化層，此問題更顯嚴重。 此外，在半導體製程中的微影製程，多晶矽表面粗糙 度會產生雜亂散射，導致尺寸定義的誤‘，使得製程中圖 形的定義變得困難。 針對多晶矽的粗糙表面，化學機械研磨（Chemical Mechanical Polishing; CMP )可能為解決的方法，例如C.Y· Chang 等人發表於 IEEE ( International Electrical and Electronic Engineering) Electron Device Letters，vol· 17， Νο·3 ’ March 1996 的”Fabrication of Thin Film Transistors by Chemical Mechanical Polished Polycrystalline Silicon Films”研究報告指出，藉由化學機械研磨（CMP)，多晶 矽的表面粗糙度方均根值(RMS)值從9〇A減為37λ，進而 改善如電子電洞遷移率、臨界電壓、次臨界擺盪等元件性 能。另外，Alain C.K.Chan 等人於 IEEE Electron Devices Meeting 1999 Proceedings，June 1999，提出之^Improved Thin Film Transistor (TFT) Characteristics on Chemical-Mechanically Polished Polycrystalline Silicon Film”研究報告中亦指出以化學機械研磨改善多晶矽表面 粗糙度具有提升TFT元件性能的效果。 依照多晶矽薄膜電晶體技術的發展趨勢，也就是使用 大面積的基板來製作量多、尺寸更細微的元件，例如製造 0412-8303TWF1 (N)；03-910024；jamngw 1301641 1公之薄膜電晶體，其多晶砍基板面積大甚至達到 基板上使用上的H 111此必須考慮到在大面積的 應用於大心 …、而’目前化學機械研磨方式並無 因此基於及積基ΐ的機台’必須研發新型機台因應使用， 粗链度在=考1上’此方法並不制。此外，上述表面 RMS)仍在。後的表面粗糙度方均根值(Root Mean Square; 下，勢必/〜4GA的範圍’在元件尺寸越細微的發產趨勢 須開發一：：使多晶矽表面更為平坦的改良方法，因此必 趟度的方^用於大面積且能更進—步降低多晶破表面粗 【發明内容】 平括化目的為提供能應用於大面積多晶歡多晶石夕 式改變表…5亥方法主要係對已結晶的多晶矽用蝕刻方 較弱包括去除自生氧化層、去除多晶石夕鍵結 多晶發表二二ί移=晶石夕表面不純雜質，以初步降低 做部分Μ ^ 再進行雷射退火處理對多晶石夕 面“_ ，使夕晶石夕表面重構以形成平坦的多晶石夕表 。！由調整蝕刻程度及雷射 乂 表面極為平坦的多晶石夕。、火處理的條件’可以得到 驟包:達坦化之方法，其步 曰純成有多晶矽層的基板；(b)將兮多 ;曰.：用蝕刻方式改變表面形態，以初步降低表面粗糙 及⑷進行雷射退火處理對多晶錢部分融化^ 日日矽表面重構以形成表面平坦的多晶矽層。 使夕 〇412-8303TWF1(N)；03-910〇24；]amngw 13〇1641 上述表面形成有多晶矽層之基板係指例如玻璃、石英 破璃、石夕曰曰圓、塑膠或絕緣層上有石夕（SiHc〇n 〇n insuiat〇r·， SOI)等。也就是說，本發明之多晶矽平坦化之方法適用於 任何表面形成有多晶矽層的基板，並不限於特定材質的基 板。 在上述降低多晶矽表面粗k度的方法中，蝕刻可藉由 溼蝕刻或乾蝕刻進行，濕蝕刻所選用之蝕刻液可舉例如稀 釋緩衝氧化物钱刻液(Buffer 〇xide Etchant; BOE)、稀釋氫 氟酸(Dilute Hydr0flU0ric acid; DHF)等;乾蝕刻所使用的方 式，只要能滿足上述的功能即可。上述雷射退火處理之步 驟，由於使用不同機台即有不同的控制條件，因此在製程 參數的控制上可針對個別應用以及所使㈣機台做調整， 只要能夠達到該步驟之主要目的，也就是將多晶砍部分融 化，使其晶格重構而形成平坦化表面即可。 夕根據本發明之多晶石夕平坦化之方法，係藉由餘刻改變 f晶石夕表面形態後’再以雷射退火得到表面極為平坦的多 晶石夕薄膜，其優點包括可大幅降低多晶石夕表面粗糙度及可 適用大面積多晶矽的應用領域。 為了讓本發明之上述目的、特徵和優點更明顯鎌，下文特 舉料交佳實施例，並配合所附圖示，作詳細說明如下： 【實施方式】 請參照第2圖，其顯示根據本發明之多晶石夕平坦 方法的流程圖。 首先’步驟S10提供一表面形成有多晶石夕的基板，該 〇412-83Q3TWF1(n);()3-91GG24;jamngw 1301641 ^曰曰石夕可為以任何形柄成者，並不限於以狀方式形 取例士田射結晶或直接以化學氣相沈積等。然後進行步 :刻’在本實施例係選用稀釋缓衝氧化物㈣液對 以夕曰曰矽表面進仃蝕刻而改變其表面形態 ，此時位於該多 晶石夕表面的自生惫各s α ^ ^ 層、阳格鍵結較弱的部分及表面不純 雜貝將被移除。上诚績^ ϋ 建緩衝:氧化物蝕刻液（βοε)的詳細組 y :、'HF、NH4F及η2〇，且該稀釋緩衝氧化触刻液與水的 比例範圍較佳為1·3〇π】 」ϋ0〜1:0。但其他蝕刻液例如稀釋氫氟 .、用，該稀釋氫氟酸中氫氟酸與水的比例範圍 較佳為1:600〜1:1 〇芒 士 、 右U上述蝕刻溶液進行濕蝕刻，蝕刻 二乂仏為600秒以下。此外，亦可使用乾姓刻㈣etching: 列如含cf4氣體的電漿蝕刻。 雙π進订步驟S30之雷射退火處理，在本實施例係 行，脈衝位移重複率車mexQclmer 1順），以掃描方式進 車X佳為98°/〇，使用氣氛較佳為一大氣 M(atm)的氮氣’脈衝雷射頻率範圍較佳為mz至400Hz， 更隹係使用2_z;波長範隨佳為157腿至351謂，更 佳為308nm，能量密度較佳是使用雷射能量範圍低於多晶 石夕發t全融的臨界能量，也就是⑽〜35G議A脈衝雷 射持績時間範圍較佳兔 為Wns至1ms，更佳為55ns ;基板 溫度範圍較佳為室溫至6〇〇。〇。 土 上述雷射退火處理步驟之主要目的為使多晶矽表面 :分融：使其晶格重構，因而將多晶矽表面平坦化而得低 、面粗I度的夕晶石夕。此步驟之控制條件，例如溫度、壓 0412-8303TWF1 (N) :03-910024；jamngw 1301641 力、雷射能量等由於使用不同機台即有不同的控制條件， 因此在製程參數的控制上可針對個別應用以及所使用的 機台做調整。 為了突顯本發明提供之多晶矽平坦化之方法的優異 效果，請參照第4A、4B、5A、5B圖。第4A圖係顯示習 ϊ 知未進行平坦化的:原始多晶矽的穿透式電子顯微’鏡 (Transmissive Electron Microscope; TEM)剖面圖。第 4B 圖 係顯示根據本發明之實施例所得之多晶矽的TEM剖面 圖。第5A圖係顯示習知未進行平坦化的原始多晶矽的原 子力顯微鏡(Atomic Force Microscope; AFM)立體圖。第 圖係顯示根據本發明之實施例所得之多晶矽的AFM立體 圖。 如第4A圖所示，原始多晶矽的表面有高低起伏，而 第4B圖則顯不根據本發明實施例所得之多晶秒表面，由 圖中可看出多晶矽表面相當平坦，且與閘極氧化層的界面 亦沒有隆起(ridge)的產生。 同樣地’由第5A、5B之AFM立體圖所不，多晶秒表 面的粗糙度方均根值(RMS)大幅減少，由120A減為18人， 僅為原始多晶矽的15%。與習知技術使用CMP方法相 比，本發明所得之粗糙度18A僅為傳統使用CMP技術的 50%，具有極佳的平坦化效果。 由上述結果以及第3圖之圖示可得知，根據本發明之 多晶砍平坦化之方法，原始多晶砍（·）、經過钱刻（▲) 以及雷射退火（)步驟後，多晶矽表面粗糙度可減少3〇 0412-8303TWF1 (N) :03-910024；jamngw 10 1301641 〜95%，且多晶矽表面粗糙度方均根值(RMS)，可減少至 20A以下，與習知技術相比，可得到表面更為平滑的多晶 矽。此外，本發明之方法可應用於處理大面積多晶矽之製 程，對於未來低溫多晶矽電晶體之發展有相當大的的幫 助。 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並一用以 限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神 和範圍内，當可作些許之更動與潤飾，因此任何符合本專 利發明精神的更動與潤飾均屬於後附所界定之申請專利 範圍内。 0412-8303TWF1(N);03-910024;jamngw 11 1301641 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示習知多晶矽以及閘氧化層之穿透式電子 顯微鏡(TEM)剖面圖。 第2圖係顯示根據本發明之多晶矽平坦化之方法的流 程圖。 ^ ’ 第3圖係顯示根據本發明之實施例所得之:多晶矽平坦 化的粗糙度方均根值(RMS)改善結果。 苐4A圖係顯不習知未進行平坦化的原始多晶梦的穿 透式電子顯微鏡(TEM)剖面圖。 第4B圖係顯示根據本發明之實施例所得之多晶矽的 穿透式電子顯微鏡(TEM)剖面圖。 第5A圖係顯示習知未進行平坦化的原子力顯微鏡 (AFM)立體圖。 第5B圖係顯示根據本發明之實施例所得之多晶矽的 原子力顯微鏡(AFM)立體圖。 【主要元件符號說明】 1 〇〜多晶石夕層； 12〜閘極氧化層； S10〜原始表面粗糖之多晶碎； S20〜濕式或乾式蝕刻； S30〜雷射退火處理。 0412-8303TWF1 (N) :03-910024；jamngw 12

Claims (1)

13 0 1U25號申請專利範圍修正本 修正日期：96 · 6 · 28 十、申請專利範圍： 1·一種多晶矽平坦化之方法，其步驟包括： a. 提供一表面形成有多晶石夕層的基板； b. 將該多晶矽層用蝕刻方式改變表面形態，以初步降 低表面粗彳造度，以及 c. 進行#射退火處理對多晶矽做部分融化'使多晶矽 表面重構以形成表面更為平坦化的多晶矽層； 其中步驟(b)之蝕刻可藉由乾蝕刻或濕蝕刻進行； 其中濕蝕刻係使用稀釋缓衝氧化物蝕刻液或稀釋氫氟 酸姓刻液； 其中該乾蝕刻係使用含CF4氣體的電漿蝕刻；以及 其中該步驟(c)之雷射退火處理，脈衝雷射持續時間範 圍為10ns至lms。 2. 如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 法，其中步驟(b)之蝕刻包括去除該多晶矽層的自生氧化 層、多晶矽鍵結較弱的部份以及位於多晶矽表面的不純雜 質。 3. 如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 法，其中該稀釋緩衝氧化物蝕刻液與水的比例範圍為 1:300〜1:0。 4. 如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 法，其中該稀釋氫氣酸餘刻液，氳氟酸與水的比例範圍 1:600〜1]。 5. 如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 0412-8303TWF1(N)；03-910024；jamngw 13 1301641 法，其中該濕蝕刻之蝕刻時間為600秒以下β ⑷之㈣退火處理，脈衝雷射波長範圍為 法，7其m專㈣圍第1 述之多晶料坦化之方 308nm。驟⑷之雷射退火處理，脈衝雷射波長為 8甘如巾請專利範圍第〗項所述之多㈣平坦化之方 :〜、中該步驟⑷之雷射退火處理，脈㈣射持續時 55ns 〇 、、9.如申請專利範圍#1項所述之多晶石夕平坦化之方 法’其中該步驟⑷之雷射退火處理，基板溫 至600°C。 _ ~主/皿 1〇·如申請專利範圍第丨項所述之多晶矽平坦化之方 法/、中°亥步驟(c)之雷射退火處理，脈衝雷射頻率範圍為 1Hz 至 40〇Hz。 11·如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 法其中该步驟（C)之雷射退火處理，脈衝雷射頻率為 200Hz。 、、、、 12·如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 法’其中該步驟（c)之雷射退火處理，使用之雷射能量範圍 為低於多晶矽發生全融的臨界能量。 13·如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 法，其中該步驟(c)之雷射退火處理，使用之雷射能量範圍 0412-8303TWF1 (N);〇3~910024；jamngw 14 1301641 為 250〜350 mJ/cm2。 14.如申請專利範圍第1項所述之多晶矽平坦化之方 法，其中該表面形成有多晶石夕層之基板為玻璃、石英玻璃、 矽晶圓、塑膠或絕緣層上有矽(SOI)。 0412-8303TWF1 (N)；03-910024；jamngw 15 1301641 七、指定代表圖： (一) 本案指定代表圖為：第（2 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： S10 原始表面粗糙之多晶石夕 S20 濕式或乾式蝕刻 S30 ，雷射退火處理 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無0 0412-8303TWF1(N);03-910024;jamngw