多晶硅横向结晶方法以及应用其制造的多晶硅薄膜晶体管

摘要

本发明公开了一种多晶硅横向结晶方法，以及应用该结晶方法制造的多晶硅薄膜晶体管。该结晶方法步骤包含：在衬底上形成第一非晶硅层、氧化第一非晶硅层的表面以形成氧化硅层、在氧化硅层表面上形成第二非晶硅层、去除衬底上的预定区块的第二非晶硅层与氧化硅层以在衬底上形成保留区块、以及进行第一激光结晶工序，使预定区块结晶成为第一多晶硅层，使保留区块结晶成为第二多晶硅层。第二多晶硅层由保留区块的边缘开始，平行于衬底，横向往内进行结晶。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多晶硅横向结晶方法；具体地说，本发明涉及一种多晶硅横向结晶方法，用于制造多晶硅薄膜晶体管。

背景技术

液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)广泛应用在计算机、电视、以及移动电话等各种电子产品上。液晶显示器以集成电路驱动，因此，集成电路的晶体管运行的速度成为影响液晶显示器性能的重要因素之一。

与非晶硅内电荷载流子相比，多晶硅内电荷载流子的迁移率(Mobility)较高。因此多晶硅型薄膜晶体管广泛应用于液晶显示器的集成电路。欲增加多晶硅内电荷载流子的迁移率(Mobility)，可增加结晶晶粒大小，或减少晶体管组件的沟道(Channel)中的晶粒边界(Grain Boundary)数目。

公知的低温多晶硅的结晶技术是利用激光束(Line Beam)扫描成膜在基板上的非晶硅型硅薄膜，使非晶型硅熔解成液态后再固化成多晶硅。然而，使用上述方法所制成的多晶硅，其结晶晶粒大小(Grain Size)不易超过0.3um，且形态呈棋盘状分布。亦即结晶晶粒大小不易增加，且晶粒边界数目不易减少，难以增加多晶硅内电荷载流子的迁移率。因此，上述多晶型硅制造方法仍有改进的空间。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种多晶硅横向结晶方法，用于提高晶粒(Grain)的尺寸大小。

本发明的另一主要目的在于提供一种多晶硅横向结晶方法，用于控制晶粒边界的位置。

本发明的另一主要目的在于提供一种多晶硅横向结晶方法，用于减少结晶工序所需激光的能量密度。

本发明的另一主要目的在于提供一种多晶硅薄膜晶体管，其具有平行于衬底横向往内结晶而成的多晶硅层。

本发明的多晶硅横向结晶方法步骤包含：在衬底上形成第一非晶硅层；氧化第一非晶硅层的表面，以形成氧化硅层；在氧化硅层表面上形成第二非晶硅层；去除衬底上的预定区块的第二非晶硅层与氧化硅层，以在衬底上形成具有第一非晶硅层、氧化硅层和第二非晶硅层的保留区块；以及进行第一激光结晶工序，使预定区块的第一非晶硅层结晶成为第一多晶硅层，使保留区块的第一非晶硅层、氧化硅层中的非晶硅与第二非晶硅层共同结晶成为第二多晶硅层。第二多晶硅层由保留区块的边缘开始，平行于衬底，横向往内进行结晶。

氧化步骤包含将第一非晶硅层暴露在含氧环境中。氧化硅层形成步骤包含控制氧化硅层的厚度在25至100范围内，氧化硅层中氧原子的浓度大于5×10²¹原子数/立方厘米。第二非晶硅层形成步骤包含控制第二非晶硅层的厚度在20至100的范围内。

去除步骤包含使用光蚀刻工序(photo etching process)去除预定区块的第二非晶硅层与氧化硅层。第一激光结晶工序步骤包含使保留区块的氧化硅层中的氧溶于第二多晶硅层。第一激光结晶工序所使用的激光能量密度在200mJ/cm²至400mJ/cm²的范围内。

本发明的多晶硅横向结晶方法还包含进行第二激光结晶工序，使第一多晶硅层中的晶粒增大。第二激光结晶工序所使用的激光能量密度小于第一激光结晶工序所使用的激光能量密度，且在160mJ/cm²至360mJ/cm²的范围内。

本发明的多晶硅薄膜晶体管，包含衬底以及衬底多晶硅层。衬底多晶硅层形成于衬底表面，包含第一多晶硅层以及第二多晶硅层。第二多晶硅层与第一多晶硅层相邻，且第二多晶硅层由第二多晶硅层的边缘开始，平行于衬底，横向往内结晶而成。第二多晶硅层内任一处的氧浓度大于第一多晶硅层。

第一多晶硅层为源/漏极区。第二多晶硅层为沟道区。衬底包含一绝缘基板。第二多晶硅层内任一处的氧浓度大于5×10²⁰原子数/立方厘米。第二多晶硅层自表面往衬底深度在20至100的范围内的氧浓度大于5×10²¹原子数/立方厘米。第二多晶硅层内氧的最大浓度存在于第二多晶硅层自表面往衬底深度至少35处。

附图说明

图1为本发明的多晶硅横向结晶方法的较佳实施例流程图；

图2为本发明的第一非晶硅层形成步骤的实施例示意图；

图3为本发明的氧化硅层形成步骤的实施例示意图；

图4为本发明的第二非晶硅层形成步骤的实施例示意图；

图5为本发明的去除步骤的实施例示意图；

图6为本发明的第一激光结晶工序步骤的实施例示意图；

图7为本发明的多晶硅薄膜晶体管的实施例示意图；

图8为本发明的多晶硅横向结晶方法的另一较佳实施例流程图；

图9为本发明的顶栅极型多晶硅薄膜晶体管的实施例示意图。

其中，附图标记：

100衬底

200多晶硅薄膜晶体管

220顶栅极型多晶硅薄膜晶体管

310第一非晶硅层

330第二非晶硅层

400激光

510氧化硅层

530栅绝缘层

600栅金属层

710预定区块

730保留区块

820平行于衬底横向往内的方向

900衬底多晶硅层

910第一多晶硅层

930第二多晶硅层

具体实施方式

本发明提供一种多晶硅横向结晶方法，以及应用该结晶方法制成的多晶硅薄膜晶体管。

如图1所示为本发明的多晶硅横向结晶方法实施例流程图。步骤3001包含在衬底上形成第一非晶硅层。步骤3003包含氧化第一非晶硅层的表面，以形成氧化硅层。步骤3005包含在氧化硅层表面上形成第二非晶硅层。步骤3007包含去除衬底上的预定区块的第二非晶硅层与氧化硅层，以在衬底上形成保留区块。步骤3009包含进行第一激光结晶工序，使预定区块结晶成为第一多晶硅层，使保留区块结晶成为第二多晶硅层。以下说明各个步骤。

如图2所示的较佳实施例，首先，在衬底100上形成第一非晶硅层310。在较佳实施例中，衬底为一绝缘基板，且选自高分子、氧化金属、玻璃、及陶瓷等非导电材料。形成第一非晶硅层310包含使用化学气相沉积等方式。

如图3所示，在衬底100上形成第一非晶硅层310之后，接着氧化第一非晶硅层310的表面，以形成氧化硅层510。在较佳实施例中，将第一非晶硅层310暴露于包括干净空气与氧气等含氧环境中，以进行氧化步骤。形成氧化硅层510时，则包括控制氧化硅层510的厚度在25至100的范围内，并且氧化硅层510中氧原子的浓度大于5×10²¹原子数/立方厘米。

如图4所示，形成氧化硅层510之后，接着在氧化硅层510表面上形成第二非晶硅层330。在较佳实施例中，形成第二非晶硅层330时，包含控制第二非晶硅层330的厚度在20至100的范围内。形成第二非晶硅层330包含使用化学气相沉积等方式。

如图5所示，在氧化硅层510表面上形成第二非晶硅层330之后，接着去除衬底100上的预定区块710的第二非晶硅层330与氧化硅层510，以在衬底100上形成具有第一非晶硅层310、氧化硅层510、与第二非晶硅层330的保留区块730。在较佳实施例中，去除预定区块710的第二非晶硅层330与氧化硅层510时，包含使用光蚀刻工序。

去除衬底100上的预定区块710的第二非晶硅层330与氧化硅层510之后，接着进行第一激光结晶工序。利用激光400的照射，使如图6所示预定区块710的第一非晶硅层310结晶成为如图7所示的第一多晶硅层910，使如图5所示保留区块730的第一非晶硅层310、氧化硅层510中的非晶硅、与第二非晶硅层330共同结晶成为如图7所示的第二多晶硅层930。在较佳实施例中，第一激光结晶工序步骤包含使保留区块730的氧化硅层510中的氧溶于第二多晶硅层930。第一激光结晶工序所使用的激光400的能量密度在200mJ/cm²至400mJ/cm²的范围内。

由于氧化硅层510的存在可使激光结晶所需的能量降低。因此，使完全融熔所需的激光能量比使预定区块710完全融熔所需的激光能量低。即，在如图6的较佳实施例中，照射相同能量密度的激光440以完全融熔保留区块730及预定区块710时，保留区块730的温度将高于预定区块710的温度。因此，保留区块730与预定区块710间将形成温度梯度差，使第二多晶硅层330如图5所示，由保留区块730的边缘开始，以平行于衬底100横向往内的方向820进行结晶。

因为氧化硅层510的存在可使激光结晶所需的能量降低，因此，可降低激光照射所需的能量密度。此外，利用相对于基板100的横向温度梯度差所产生的结晶，可具有较大的结晶晶粒(Grain)尺寸，并控制晶粒边界的位置。因此，可增加结晶晶粒大小，减少晶体管组件的沟道(Channel)中的晶粒边界(Grain Boundary)数目，进而提高多晶硅内电荷载流子的迁移率(Mobility)。如图7所示，在较佳实施例中，晶粒边界的位置位于第二多晶硅层930的中央。

如图8所示本发明的较佳实施例流程图，在较佳实施例中，本发明的多晶硅横向结晶方法还包含步骤3011。步骤3011包含进行第二激光结晶工序，使第一多晶硅层中的晶粒增大，以避免第一多晶硅层的微小晶粒使电阻过高。在较佳实施例中。第二激光结晶工序所使用的激光能量密度小于第一激光结晶工序所使用的激光能量密度，且在160mJ/cm²至360mJ/cm²的范围内。一激光能量密度可达到晶粒增大的效果，且不会使前述的侧向结晶回熔消失。

通过以上所述的多晶硅横向结晶方法，可制成多晶硅薄膜晶体管，具有平行于衬底横向往内结晶而成的多晶硅层。如图7所示的较佳实施例，本发明的多晶硅薄膜晶体管200包含衬底100以及衬底多晶硅层900。衬底多晶硅层900形成于衬底100表面，包含第一多晶硅层910以及第二多晶硅层930。第二多晶硅层930与第一多晶硅层910相邻，且第二多晶硅层930由第二多晶硅层930的边缘开始，平行于衬底100，横向往内结晶而成。第二多晶硅层930内任一处的氧浓度大于第一多晶硅层910。

第一多晶硅层910为源/漏极区。第二多晶硅层930为沟道区。在较佳实施例中，衬底100为一绝缘基板，且选自高分子、氧化金属、玻璃、及陶瓷等非导电材料。第二多晶硅层930内任一处的氧浓度大于5×10²⁰原子数/立方厘米。第二多晶硅层930自表面往衬底100深度在20至100的范围内的氧浓度大于5×10²¹原子数/立方厘米。第二多晶硅层930内氧的最大浓度存在于第二多晶硅层930自表面往衬底100深度至少35处。

在较佳实施例中，可进一步使用上述多晶硅薄膜晶体管200制成顶栅极型多晶硅薄膜晶体管。如图9所示的较佳实施例，顶栅极型多晶硅薄膜晶体管220包含多晶硅薄膜晶体管200、栅绝缘层530和栅金属层600。多晶硅薄膜晶体管200包含衬底100、衬底多晶硅层900。衬底多晶硅层900包含第一多晶硅层910以及第二多晶硅层930。栅绝缘层530覆盖于第一多晶硅层910以及第二多晶硅层930之上。栅金属层600位于栅绝缘层530上的第二多晶硅层930上方。

本发明已通过上述相关实施例进行描述，然而上述实施例仅为实施本发明的示例。必需指出的是，已描述的实施例并未限制本发明的范围。相反地，包含于权利要求书的精神及范围内的修改及等同物均包含于本发明的范围内。