專利名稱：薄膜晶體管的制造方法與修補多晶硅膜層之缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管(thin film transistor，TFT)的制造方法，尤其是涉及一種多晶硅薄膜晶體管(poly-silicon TFT)的制造方法與修補多晶硅膜層之缺陷的方法。
背景技術(shù)：
薄膜晶體管可依通道區(qū)的材質(zhì)分為非晶硅(amorphous silicon，簡稱a-Si)薄膜晶體管以及多晶硅(poly-silicon)薄膜晶體管，由于多晶硅薄膜晶體管與非晶硅薄膜晶體管相比較，其消耗功率小且電子遷移率大，因此逐漸受到市場的重視。
圖1A至圖1D是公知多晶硅薄膜晶體管之制造流程剖面示意圖。請參照圖1A，在基板100上形成非晶硅層102之后，接著進行激光回火(laser annealing)或高溫回火工藝，以將非晶硅層102熔融(melting)，而使硅分子再結(jié)晶(re-crystallization)成為圖1B之多晶硅層102a。請參照圖1B，然后在多晶硅層102a上依序形成柵絕緣層104與柵極106。之后再如圖1C所示，利用柵極106為掩膜對多晶硅層102a進行摻雜，以便于在柵極106兩側(cè)的多晶硅層102a中分別形成源極區(qū)108與漏極區(qū)110，因而完成圖1D之低溫薄膜晶體管120。其中，柵極106下方之多晶硅層則為通道區(qū)107。
在圖1D的薄膜晶體管120中，由于多晶硅層102a中存有許多不同晶向(grain orientation)之晶粒(grain)與晶界(grain boundary)，因此多晶硅層102a中會有許多晶界斷鍵之類的缺陷(defect)，這些缺陷會在源極與漏極電流流動時攫取電荷載流子(carrier)，進而降低通道區(qū)107內(nèi)的載流子移動速率。
為解決上述問題，公知的方法是在多晶硅層102a中加入氫，氫原子會與硅形成共價鍵因而消除缺陷，達到提升載流子移動速率的目的。但是，硅-氫鍵的鍵能量低，因此在薄膜晶體管運作一段時間后，硅-氫鍵的數(shù)量將會減少，屆時被攫取的載流子數(shù)也會再次增加。
此外，在目前的薄膜晶體管技術(shù)中，大多是以氧化硅作為柵絕緣層104，然而在形成柵絕緣層104的過程中，氧氣與雜質(zhì)容易擴散至多晶硅層102a中，而使得通道區(qū)107的厚度變薄，導致漏極電流變小。若再有污染雜質(zhì)存在于多晶硅層102a與柵絕緣層104之間，還將降低擊穿電壓，進而影響薄膜晶體管的元件穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是提供一種薄膜晶體管的制造方法，其可避免氧氣或雜質(zhì)在工藝中滲進通道區(qū)內(nèi)，進而提高薄膜晶體管的元件效能與穩(wěn)定性。
本發(fā)明的另一目的是提供一種修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其可修補多晶硅膜層中的晶界斷鍵，使其變成Si-N鍵，以降低多晶硅膜層的阻值。
本發(fā)明提出一種薄膜晶體管的制造方法，其先在基板上形成多晶硅層，且此多晶硅層具有第一待摻雜區(qū)、第二待摻雜區(qū)以及通道區(qū)。其中，通道區(qū)是位于第一待摻雜區(qū)與第二待摻雜區(qū)之間。然后，進行摻氮工藝，以將氮摻入該多晶硅層。繼之，在多晶硅層上依次形成柵絕緣層與柵極，其中柵極是位于通道區(qū)上方。接著，進行摻雜工藝，以使第一待摻雜區(qū)與第二待摻雜區(qū)分別成為源極區(qū)與漏極區(qū)。
在本發(fā)明的較佳實施例中，形成上述之多晶硅層的方法例如是先在基板上形成非晶硅層，然后再進行回火工藝，以使此非晶硅層熔融后再結(jié)晶而成為多晶硅層。其中，此回火工藝例如是激光回火工藝或高溫回火工藝，且在一實施例中，此回火工藝例如是準分子激光回火工藝。
在本發(fā)明的較佳實施例中，形成上述之非晶硅層前，其可以先在基板上形成緩沖層。
在本發(fā)明的較佳實施例中，形成非晶硅層之后以及進行回火工藝之前，還可以先對非晶硅層進行去氫處理。
在本發(fā)明的較佳實施例中，在多晶硅層中摻入氮之前，還可以先在多晶硅層上形成犧牲層，并且在摻氮工藝之后以及形成柵絕緣層之前移除此犧牲層。在一實施例中，此犧牲層的材質(zhì)例如是氧化硅。
在本發(fā)明的較佳實施例中，在多晶硅層中摻入氮之后，以及移除犧牲層之前，還包括對多晶硅層進行活化(activation)工藝。
在本發(fā)明的較佳實施例中，上述之摻氮工藝包括氮離子或氮氣離子注入工藝。
在本發(fā)明的較佳實施例中，在形成源極區(qū)與漏極區(qū)之后，還包括在多晶硅層上形成介電層覆蓋柵極，其中此介電層具有多個貫穿柵絕緣層的接觸孔，以暴露出源極區(qū)與漏極區(qū)。然后再在介電層上形成源極導體層與漏極導體層，且源極導體層與漏極導體層是通過介電層中之接觸孔而分別耦接至源極區(qū)與漏極區(qū)。
本發(fā)明提出一種修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其先在基板上形成非晶硅層，然后再進行回火工藝，以使非晶硅層熔融后再結(jié)晶而成為多晶硅膜層。然后進行摻氮工藝，以將氮摻入多晶硅膜層中。
在本發(fā)明的較佳實施例中，形成非晶硅層之前還可以先在基板上形成緩沖層。
在本發(fā)明的較佳實施例中，上述之回火工藝例如是激光回火工藝或高溫回火工藝，且其較佳的是準分子激光回火工藝。
在本發(fā)明的較佳實施例中，上述之修補方法在形成非晶硅層之后以及進行回火工藝之前，還可以對非晶硅層進行去氫處理。
在本發(fā)明的較佳實施例中，上述之修補方法在進行上述摻氮工藝之前，還可以先在多晶硅膜層上形成犧牲層，此犧牲層的材質(zhì)例如是氧化硅。而且，此犧牲層例如是在完成摻氮工藝后被移除。
在本發(fā)明的較佳實施例中，上述之修補方法在完成摻氮工藝之后以及移除犧牲層之前，還包括對多晶硅膜層進行活化工藝。
在本發(fā)明的較佳實施例中，上述之摻氮工藝例如是氮離子或氮氣離子注入工藝。
本發(fā)明是在多晶硅層內(nèi)摻入氮，以通過產(chǎn)生Si-N鍵來修補多晶硅層內(nèi)的晶界斷鍵。而且，當此修補方法應(yīng)用于薄膜晶體管的工藝中時，不但能夠提高載流子在通道區(qū)內(nèi)的遷移率之外，還可以在形成柵絕緣層的過程中防止氧氣與雜質(zhì)滲入多晶硅層，以便于改善薄膜晶體管之閾值電壓的飄移現(xiàn)象，進而提高元件的穩(wěn)定性。
為讓本發(fā)明之上述和其它目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并結(jié)合附圖，作詳細說明如下。
圖1A至圖1D是公知的多晶硅薄膜晶體管之制造流程剖面示意圖。
圖2是本發(fā)明之較佳實施例中薄膜晶體管的制造流程圖。
圖3A至圖3F是本發(fā)明之較佳實施例中薄膜晶體管的制造流程剖面圖。
圖4是本發(fā)明之較佳實施例中多晶硅層的制造流程圖。
圖5A至圖5B是圖3A之多晶硅層的制造流程剖面圖。
主要元件標記說明100、300基板102、308非晶硅層102a、310多晶硅層104、330柵絕緣層106、340柵極108、314a源極區(qū)110、316a漏極區(qū)107、312通道區(qū)S200在基板上形成多晶硅層S201在多晶硅層上形成犧牲層
S202對多晶硅層進行摻氮工藝S204對多晶硅層進行活化工藝S206移除犧牲層S208依序在多晶硅層上形成柵絕緣層與柵極S210進行摻雜工藝，以于多晶硅層中形成源極區(qū)與漏極區(qū)S212在多晶硅層上形成具有接觸孔的介電層，以暴露出源極區(qū)與漏極區(qū)S214在介電層上形成源極導體層與漏極導體層302緩沖層304準分子激光束308非晶硅層314第一待摻雜區(qū)315源極導體層316第二待摻雜區(qū)317漏極導體層320犧牲層350介電層352接觸孔360薄膜晶體管S400在基板上形成緩沖層S402在緩沖層上形成非晶硅層S404對非晶硅層進行去氫處理S406進行回火工藝，以使非晶硅層熔融后再結(jié)晶而成為多晶硅層具體實施方式
本發(fā)明是在多晶硅膜層中摻入氮，以修補多晶硅膜層中的晶界斷鍵，并將此種修補方法應(yīng)用于薄膜晶體管的工藝中，以便于提高薄膜晶體管的元件效能與穩(wěn)定性。以下將以薄膜晶體管的工藝一并說明修補多晶硅膜層的方法，但其并非將本發(fā)明修補多晶硅膜層的方法限定在薄膜晶體管工藝中，此修補方法可以應(yīng)用在任何具有多晶硅膜層的元件的工藝中。
圖2是本發(fā)明之薄膜晶體管的制造流程圖。圖3A至圖3則是本發(fā)明之薄膜晶體管的制造流程剖面圖。請同時參照圖2及圖3A，首先進行步驟S200，以在基板300上形成多晶硅層310。其中，多晶硅層310具有通道區(qū)312、第一待摻雜區(qū)314以及第二待摻雜區(qū)316，且通道區(qū)312是位于第一待摻雜區(qū)314與第二待摻雜區(qū)316之間。
在一較佳實施例中，多晶硅層310例如是由非晶硅層熔融后再結(jié)晶而成，圖4即是圖3A之多晶硅層310的制造流程圖。圖5A至圖5B則是圖3A之多晶硅層310的制造流程剖面圖。請參照圖4及圖5A，首先進行步驟S402，以在基板300上形成非晶硅層308，其厚度約為50納米。值得注意的是，如步驟S400所述，本實施例在形成非晶硅層308之前，是先在基板300上形成緩沖層302，以避免基板300中的雜質(zhì)在工藝中擴散至非晶硅層308中。其中，緩沖層302例如是厚度約為300納米的氧化硅或其它絕緣膜層，且其例如是以等離子體增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)法所形成。
接著請參照圖4及圖5B，如步驟S404所述，在形成非晶硅層308之后，通?？梢韵葘Ψ蔷Ч鑼?08進行去氫處理。接著，進行步驟S406，以利用激光回火或高溫回火的方式，使非晶硅層308熔融后再結(jié)晶而成為圖3A的多晶硅層310。值得一提的是，本實施例例如是以準分子激光束304來進行回火工藝，也就是所謂的準分子激光回火工藝(Excimer Laser Annealing，ELA)，而在回火工藝中所使用之激光能量范圍約介于250mJ/cm2至300mJ/cm2之間，且較佳的是260mJ/cm2。
值得注意的是，由于ELA工藝所形成之多晶硅層310會存在有許多晶界斷鍵的缺陷。以下將進行修補這些缺陷的步驟。
請參照圖2及圖3B，在以圖4之步驟形成多晶硅層310之后，接著則是如步驟S202所述，進行摻氮工藝。值得一提的是，如步驟S201所述，本實施例特在進行摻氮工藝之前，先在多晶硅層310上形成犧牲層320，以防止在后續(xù)進行摻氮工藝時，離子的高速沖擊破壞多晶硅層310的表面結(jié)構(gòu)。其中，犧牲層320的材質(zhì)例如是氧化硅，且其形成方法例如是化學氣相沉積法。
請繼續(xù)參照圖3B，本實施例之摻氮工藝例如是以離子注入(ionimplantation)的方法，將氮離子(N+)或氮氣離子(N2+)摻入多晶硅層310內(nèi)，以使多晶硅層310內(nèi)產(chǎn)生Si-N鍵。在本實施例中，離子注入工藝中所使用的注入能量例如是介于5KeV至100KeV之間，且離子注入劑量例如是介于1013ion/cm2至2×1015ion/cm2之間。隨后，可視實際需求來決定是否再進行磷、砷或硼等摻質(zhì)的離子注入工藝，以調(diào)整后續(xù)所形成之薄膜晶體管的閾值電壓(threshold voltage)。
請參照圖2，如步驟S204所述，在完成摻氮工藝之后，接著例如是先對圖3B之多晶硅層310進行活化工藝，以使多晶硅層310中的摻質(zhì)活化并擴散，然后才繼續(xù)制造其它元件。在本實施例中，此活化工藝可以采用高溫爐管的方式或快速加熱工藝(rapid thermalprocessing，RTP)。在使用高溫爐管的實施例中，其例如是以450℃至550℃的溫度烘烤多晶硅層310約2至4小時。在采用快速加熱工藝的實施例中，其例如是以550℃至650℃的溫度對多晶硅層310進行約10秒至3分鐘的熱處理。
特別的是，在步驟S201中所形成的犧牲層320除了可以保護多晶硅層310的表面結(jié)構(gòu)不會因遭受離子沖擊而損壞之外，還可以避免多晶硅層中的氮在上述之活化工藝中擴散至多晶硅層外。而在完成上述之活化工藝后，即可移除犧牲層320，如步驟S206所述。其中，犧牲層320例如是通過蝕刻工藝而移除。
值得注意的是，多晶硅層310中所摻雜的氮濃度的分布是由多晶硅層310的頂部往其底部遞減，在此，底部指的是較靠近基板300之處，而頂部指的是較遠離基板300之處。換言之，在多晶硅層310上表面處具有最高的氮摻雜濃度。
請參照圖2及圖3C，在經(jīng)由通過上述步驟完成多晶硅層310的制造與修補之后，緊接著即是進行步驟S208，也就是在多晶硅層310上依序形成柵絕緣層330與柵極340。其中，柵極340是位于通道區(qū)312上方，而形成柵絕緣層330與柵極340的方法例如是先依序在多晶硅層310上全面性地形成絕緣層與金屬層(圖中未標出)，之后進行光刻與蝕刻工藝，以圖案形化此金屬層而形成閘柵極340。
特別值得注意的是，柵絕緣層330的材質(zhì)例如是氧化硅，而在形成此氧化硅層的工藝中，多晶硅層310表面的Si-N鍵能夠防止氧氣與雜質(zhì)進入多晶硅層310，以降低多晶硅層310的阻值。
之后，則進行步驟S210，也就是對第一待摻雜區(qū)314與第二待摻雜區(qū)316進行摻雜，如圖3D所示，以于通道區(qū)312兩側(cè)分別形成源極區(qū)314a與漏極區(qū)316a。其中，此摻雜工藝例如是利用柵極340為掩膜進行離子注入法，而將摻質(zhì)注入多晶硅層310的第一待摻雜區(qū)314與第二待摻雜區(qū)316內(nèi)。在此，所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以依據(jù)實際工藝而自行決定是否在形成源極區(qū)314a與漏極區(qū)316a之前，先進行一次輕摻雜工藝，以在通道區(qū)312兩側(cè)形成輕摻雜漏極區(qū)(lightdoped drain，LDD)(圖中未標出)。
圖3D所示的結(jié)構(gòu)大致上已可稱為薄膜晶體管，但一般來說還會再形成耦接至源極區(qū)314a與漏極區(qū)316a的金屬導線層，以使源極區(qū)314a與漏極區(qū)316a便于與其它元件耦接。請參照圖2及圖3E，如步驟S212所述，在多晶硅層310上形成介電層350以覆蓋柵極340，其中介電層350具有多個貫穿柵絕緣層330的接觸孔352，以暴露出多晶硅層310的源極區(qū)314a與漏極區(qū)316a。然后進行步驟S214，也就是在介電層350上形成源極導體層315與漏極導體層317，如圖3F所示，此即完成薄膜晶體管360的制造。其中，源極導體層315與漏極導體層317是填入接觸孔352而分別耦接至源極區(qū)314a與漏極區(qū)316a。
值得注意的是，當本發(fā)明應(yīng)用在顯示元件的制造工藝中時，由于源極導體層315將連接于顯示元件中的數(shù)據(jù)線(圖中未標出)，因此可在形成源極導體層315與漏極導體層317的同時一并進行數(shù)據(jù)線的工藝，以減少工藝步驟。
由上述可知，本發(fā)明是在多晶硅層內(nèi)摻入氮，以通過產(chǎn)生Si-N鍵來修補多晶硅層內(nèi)的晶界斷鍵。而且，當此修補方法應(yīng)用于薄膜晶體管的工藝中時，除了能夠減少多晶硅通道區(qū)內(nèi)的缺陷，因而提高載流子在通道區(qū)內(nèi)的遷移率之外，還可以在形成柵絕緣層的過程中防止氧氣與雜質(zhì)滲入多晶硅層，以便于改善薄膜晶體管之閾值電壓的飄移現(xiàn)象，進而提高元件的穩(wěn)定性。
更特別的是，由于Si-N鍵較Si-H鍵強，因此較能承受因短通道效應(yīng)(short channel effect)所造成之熱電子(hot electron)之撞擊。換言之，利用本發(fā)明方法所制成之薄膜晶體管工藝具有較佳的元件特性。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當可作些許之改動與改進，因此本發(fā)明之保護范圍應(yīng)當以權(quán)利要求書所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管的制造方法，其特征在于包括在基板上形成多晶硅層，該多晶硅層具有通道區(qū)、第一待摻雜區(qū)以及第二待摻雜區(qū)，其中該通道區(qū)是位于該第一待摻雜區(qū)與該第二待摻雜區(qū)之間；進行摻氮工藝，以將氮摻入該多晶硅層；依序在該多晶硅層上形成柵絕緣層與柵極，其中該柵極是位于該通道區(qū)上方；以及進行摻雜工藝，以使該第一待摻雜區(qū)與該第二待摻雜區(qū)分別成為源極區(qū)與漏極區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于形成該多晶硅層的方法包括在該基板上形成非晶硅層；以及進行回火工藝，以使該非晶硅層熔融后再結(jié)晶而成為該多晶硅層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于所述的回火工藝為激光回火工藝或高溫回火工藝。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于所述的回火工藝為準分子激光回火工藝。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于在形成該非晶硅層之前，包括在該基板上形成緩沖層。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于在形成該非晶硅層之后以及進行該回火工藝之前，包括對該非晶硅層進行去氫處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于在該多晶硅層中摻入氮之前，包括在該多晶硅層上形成犧牲層，且在該摻氮工藝之后以及形成該柵絕緣層之前，包括移除該犧牲層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于在該摻氮工藝之后，以及移除該犧牲層之前，包括對該多晶硅層進行活化工藝。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于所述的犧牲層的材質(zhì)包括氧化硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于所述的摻氮工藝包括氮離子或氮氣離子注入工藝。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜晶體管的制造方法，其特征在于在形成該源極區(qū)與該漏極區(qū)之后，包括在該多晶硅層上形成介電層覆蓋該柵極，其中該介電層具有貫穿該柵絕緣層之多個接觸孔，以暴露出該源極區(qū)與該漏極區(qū)；以及在該介電層上形成源極導體層與漏極導體層，且該源極導體層與該漏極導體層是通過該介電層中之該些接觸孔而分別耦接至該源極區(qū)與該漏極區(qū)。
12.一種修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于包括在基板上形成非晶硅層；進行回火工藝，以使該非晶硅層熔融后再結(jié)晶而成為該多晶硅膜層；以及進行摻氮工藝，以將氮摻入該多晶硅膜層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于在形成該非晶硅層之前，包括在該基板上形成緩沖層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于在形成該非晶硅層之后，以及進行該回火工藝之前，包括對該非晶硅層進行去氫處理。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于所述的回火工藝為激光回火工藝或高溫回火工藝。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于所述的回火工藝為準分子激光回火工藝。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于在進行該摻氮工藝之前，包括在該多晶硅膜層上形成一犧牲層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于所述的犧牲層之材質(zhì)包括氧化硅。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于在進行該摻氮工藝之后，包括移除該犧牲層。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于在進行該摻氮工藝之后，以及移除該犧牲層之前，還包括對該多晶硅膜層進行活化工藝。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的修補多晶硅膜層之缺陷的方法，其特征在于所述的摻氮工藝包括氮離子或氮氣離子注入工藝。
全文摘要
一種薄膜晶體管的制造方法與修補多晶硅膜層之缺陷的方法，此薄膜晶體管的制造方法是先在基板上形成多晶硅層，且此多晶硅層具有第一待摻雜區(qū)、第二待摻雜區(qū)以及通道區(qū)。其中，通道區(qū)是位于第一待摻雜區(qū)與第二待摻雜區(qū)之間。然后，進行摻氮工藝，以將氮摻入該多晶硅層。繼之，在多晶硅層上依序形成柵絕緣層與柵極，其中柵絕緣層與柵極均位于通道區(qū)上方。接著，進行摻雜工藝，以使第一待摻雜區(qū)與第二待摻雜區(qū)分別成為源極區(qū)與漏極區(qū)。摻有氮的多晶硅層內(nèi)會產(chǎn)生Si－N鍵，其可修補多晶硅層內(nèi)的缺陷，進而降低載流子在通道區(qū)內(nèi)被攫取的機率。
文檔編號H01L21/20GK1892996SQ200510080718
公開日2007年1月10日 申請日期2005年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月5日
發(fā)明者沈嘉男, 謝呈男, 張錫明 申請人:中華映管股份有限公司