專利名稱：形成結晶硅薄膜的方法
技術領域：
本發明是關于一種形成結晶硅薄膜的方法，尤指一種利用氫氣等離子體與氦氣等 離子體對一第一硅結構薄膜進行改質制程，以形成一第二硅結構薄膜的方法。
背景技術：
目前非晶硅(amorphous silicon)薄膜廣泛地在液晶平面顯示器上作為像素切 換元件的半導體層的材料，然而過低的電子遷移率、低驅動電流以及元件信賴度不佳，造成 了非晶硅薄膜材料在應用上的限制。而結晶硅不同于非晶硅，在于具有硅晶粒結構，因而 擁有較佳的物理特性，例如較高的電子遷移率，因此成為取代非晶硅薄膜材料的選擇之一。 其中，結晶硅(crystallinesilicon)材料可依其晶粒的顆粒大小或晶粒排列方式，可區分 為微晶娃(mi crocry stal line silicon)、奈米晶娃(nanocrystal 1 ine silicon)、多晶娃 (polycrystalline silicon)等不同的類型。以微晶硅為例，目前業者正極力發展此材料， 主要原因是可以在低溫制作及擁有優于非晶硅薄膜晶體的電氣特性。另外，非晶硅薄膜會 有隨光的照射而產生照光衰退效應(Staebler-Wronski effect)，而微晶硅薄膜受光照影 響較輕微，因此微晶硅薄膜晶體管表現出比非晶硅薄膜晶體管更好的元件穩定性。結晶硅薄膜目前常見的制作方法，有以下三種。第一種是固相結晶技術(Solid phase crystalline, SPC)，此方法是在非晶硅熔融溫度下結晶，制程較簡單且薄膜結晶性 較均勻，但由于所需的結晶溫度在600°C以上(600-1000°C )，且制程時間長(16-20小時)， 不符合經濟效益，且不適用于玻璃基板，需使用成本較高的耐高溫石英或單晶硅基板。第二 種是準分子雷射退火技術(Excimer laser annealing, ELA)，目前最普遍的方式是利用具 有波長308nm的XeCl準分子雷射，在基板上進行掃描，在掃描的同時激光束可使非晶硅薄 膜溫度瞬間(數10ns)升至熔點，進而生長出結晶結構。由于作用時間極短，所以不會對基 板造成熱損害，可以適用于玻璃基板，但其設備成本高，維護復雜，且制程時間長，具有較高 的制作成本。第三種是化學氣相沉積法的氫稀釋法(Hydrogen dilution technique)，于制 程中使用大量的氫氣，氫等離子體所扮演的角色為蝕刻掉較弱的硅原子進而沉積一微晶硅 薄膜，但是此方法結晶率還是偏低并存有大量的非晶結構。
發明內容
本發明的目的之一在于提供一種形成結晶硅薄膜的方法，以解決公知技術所面臨 的成本與質量問題。本發明的一較佳實施例提供一種形成微晶硅薄膜的方法，包括下列步驟。提供一 基板，基板上包含一非晶硅薄膜。接著，對非晶硅薄膜進行一改質制程以形成一晶種層，其 中改質制程包含一氫氣等離子體制程與一氦氣等離子體制程，最后再于晶種層上形成一微 晶硅薄膜。本發明的另一較佳實施例提供一種形成結晶硅薄膜的方法，包括下列步驟。提供 一基板，基板上包含一第一硅結構薄膜。接著，對第一硅結構薄膜進行一改質制程以形成一晶種層，其中改質制程包含一氫氣等離子體制程與一氦氣等離子體制程，最后再于晶種層 上形成一第二硅結構薄膜。本發明形成結晶硅薄膜的方法，使用氫氣等離子體和氦氣等離子體對非晶硅薄膜 進行改質，介入控制薄膜核化情況達成提升結晶質量目的，并且后續進行的沉積制程只需 使用非晶硅薄膜的制程參數即可形成微晶硅薄膜，能兼容于非晶硅制程技術，大幅縮短制 程時間，減少生產成本，進而提高產能利用率。因此，本發明的形成結晶硅薄膜方法具有較 低成本及較高質量的優點。為了使貴審查委員能更近一步了解本發明的特征及技術內容，請參閱以下有關本 發明的詳細說明與附圖。然而所附圖式僅供參考與輔助說明用，并非用來對本發明加以限 制者。
圖1為本發明形成結晶硅薄膜方法的流程示意圖。圖2至圖5繪示了本發明一較佳實施例形成微晶硅薄膜的方法示意圖。
具體實施例方式在說明書及前述的權利要求范圍當中使用了某些詞匯來指稱特定的元件。所屬領 域中具有通常知識者應可理解，制造商可能會用不同的名詞來稱呼同樣的元件。本說明書 及前述的權利要求范圍并不以名稱的差異來作為區別元件的方式，而是以元件在功能上的 差異來作為區別的基準。在通篇說明書及前述的權利要求當中所提及的「包含」或「包括」 為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定于」。請參考圖1。圖1為本發明形成結晶硅薄膜方法的流程示意圖。如圖1所示，步 驟1提供一基板，并于基板上形成一第一硅結構薄膜。其中，第一硅結構薄膜可以包含一非 晶硅薄膜、一微晶硅薄膜、一奈米晶硅薄膜、一多晶硅薄膜、或其它的硅結構薄膜、或上述硅 結構薄膜的任意組合。接著，進行步驟2，對第一硅結構薄膜進行一改質制程以形成一晶種 層，其中改質制程包含一氫氣等離子體制程與一氦氣等離子體制程。在一較佳實施例中，氫 氣等離子體制程的功率參數是介于61mW/cm2至366mW/cm2，而氦氣等離子體制程的功率參 數是介于61mW/cm2至M4mW/cm2，但不以此為限，可根據第一硅結構薄膜的結構來調整功率 參數。最后，步驟3再于晶種層上以與形成第一硅結構薄膜相同的制程直接形成一第二硅 結構薄膜(結晶硅)。其中，第二硅結構薄膜可以包含一微晶硅薄膜、一奈米晶硅薄膜、一多 晶硅薄膜、或其它的硅結構薄膜、或上述硅結構薄膜的任意組合。另外，值得注意的是，其中 形成第一硅結構薄膜的制程參數可以與形成第二硅結構薄膜的制程參數相同。下文將以第 一硅結構薄膜為一非晶硅薄膜，第二硅結構薄膜為一微晶硅薄膜的情況，利用一較佳實施 例來加以具體說明。請參考圖2至圖5。圖2至圖5繪示了本發明一較佳實施例形成微晶硅薄膜的方法 示意圖。如圖2所示，首先提供一基板10。在本實施例中，基板10包括一玻璃基板101，以 及一介電層102位于玻璃基板101上。其中，玻璃基板101使用的是0. 63mm厚度的Coning 1737玻璃基板，但不以此為限，可視后續制程條件或產品應用方向決定，例如耐高溫的石英 或單晶硅基板、可撓曲的軟性基板等。而介電層102可以是一氮化硅層，并可藉由物理氣相沉積或化學氣相沉積等制程加以形成，但其材質或形成方法并不以此為限，而可為其它適 合的材質所構成的單層或復合材料層，或其它適合的形成方法。如圖3所示，接著于基板10上形成一非晶硅薄膜12。在本實施例中，非晶硅薄 膜12是以等離子體輔助化學氣相沉積(plasma-enhanced CVD, PECVD)系統，通入硅甲烷 (SiH4)與氫氣(H2)作為反應氣體所形成的，但其形成方法或反應氣體并不以此為限，例如 可以使用物理氣相沉積或化學氣相沉積等制程形成，或者是增加其它反應氣體。另外，沉積 參數可視實際需求調整，例如沉積時間、沉積厚度、沉積質量等需求。例如本實施例的沉積 參數如下所述硅甲烷的流量大體上為20sCCm，氫氣的流量大體上為200sCCm，沉積壓力大 體上為0. 5Torr，沈積功率大體上為61mW/cm2，而制程溫度是介于150°C至280°C，非晶硅薄 膜12的厚度約介于IOA至200A。請參考圖4，并一并參考圖3。于非晶硅薄膜12 (如圖3所示)上進行一改質制程， 以形成一晶種層14 (如圖4所示)，其中改質制程包含一氫氣等離子體制程與一氦氣等離子 體制程。在本實施例中，使用氫氣等離子體與氦氣等離子體對非晶硅薄膜12進行處理，其 氫氣等離子體制程的處理功率約介于61mW/cm2至366mW/cm2，而氦氣等離子體制程的處理 功率約介于61mW/cm2至M4mW/cm2。另外，本實施例是同時通入氫氣等離子體與氦氣等離 子體，但不以此為限，例如可先通入氫氣等離子體，接著再通入氦氣等離子體，或者是兩個 順序反過來，也就是先通入氦氣等離子體，再通入氦氣等離子體，亦或是兩個等離子體處理 時間有部份重迭等方式來進行等離子體制程。值得說明的是，改質制程是藉由適當能量的 轟擊將薄膜中較脆弱的鍵結或是不堅實的晶核移除，來達成控制薄膜成核結構，進而形成 晶種層14。因此，可依后續的薄膜成長需求，對氧氣等離子體與氦氣等離子體處理功率加以 調整，來提供適合的晶種層。如圖5所示，于晶種層14上形成一微晶硅薄膜16。在本實施例中，微晶硅薄膜16 是以等離子體輔助化學氣相沉積系統，通入硅甲烷與氫氣作為反應氣體直接形成于晶種層 14上，但不以此為限。同樣的，可使用其它形成方法或其它反應氣體來形成微晶硅薄膜16。 另外，沉積參數也可視沉積時間、沉積厚度、沉積質量等需求加以調整。例如本實施例的沉 積參數如下所述硅甲烷的流量大體上為20sCCm，氫氣的流量大體上為200sCCm，沉積壓力 大體上為0. 5Torr,沈積功率大體上為61mW/cm2，而制程溫度是介于150°C至280°C。值得 注意的是，形成微晶硅薄膜16的制程參數可相同于形成非晶硅薄膜12的制程參數，如本實 施例即采用相同的制程參數。然而，藉由經過氫氣等離子體與氦氣等離子體改質的晶種層 14，卻能夠以非晶硅薄膜12的制程參數，沉積出高結晶結構的微晶硅薄膜16。由此可看出， 利用氫氣等離子體和氦氣等離子體在微薄的非晶硅膜進行表面改質，介入控制薄膜核化情 況，可達成提升結晶質量目的。藉由適當能量的轟擊將薄膜中較脆弱的鍵結或是不堅實的 晶核移除，來達成控制薄膜成核結構進而能有效提高結晶率并縮短制程時間。經過處理形 成晶種層之后，再以同樣的非晶硅參數在晶種層上可沉積出高結晶體積的微晶硅薄膜。另 外，最后沉積過程中形成微晶硅薄膜16可達到800A,且并不需要額外的破真空制程處理， 可減少不必要的制程成本。綜上所述，本發明形成結晶硅薄膜的方法，具有較低成本及較高質量的優點。在 成本方面，使用一般制程氣體在低溫環境下進行(300°C以下)，并且后續沉積只需使用非 晶硅薄膜的制程參數即可形成微晶硅薄膜，同時沉積過程中也不需要額外的破真空制程處理，因此能兼容于非晶硅制程的生產線，大幅縮短制程時間，減少生產成本，進而提高產能 利用率。在質量方面，本發明采用不同于傳統氫稀釋方式，而是利用氫氣等離子體和氦氣等 離子體進行改質。在制程中，通入氫氣與氦氣具有以下三個好處，首先是氦氣能幫助氫氣來 提高其解離效率，其次是氦氣能在低溫環境下解離并降低等離子體制程溫度，最后是氦氣 離子量多容易成核有助于結晶硅薄膜沉積。因此，本發明能大幅降低沉積溫度，并獲得高結 晶質量的硅薄膜。除此之外，本發明亦可增加其產品應用范圍，例如可以將薄膜晶體管制作于可撓 曲軟性基板上，適用于平面顯示器或是薄膜太陽電池相關開發與應用。其中以上下兩層堆 棧型的太陽能電池為例，其透過上層的寬能硅(1.7-1.8eV)非晶硅層轉換太陽光譜中的短 波長可見光部分，同時利用下層的窄能隙材料(1. 1-1. 2eV)微晶硅層吸收長波長近紅外光 譜的太陽光，來擴大其吸收波長區域，達到更高的光電轉換效率。而本發明即可應用于此堆 棧型的太陽能電池，利用相同的制程參數成長非晶硅與微晶硅兩種結構，使兩個結構能于 同一制程環境下形成，不需另外增加其它制程步驟，因而具有縮短制程時間、降低制程成本 等功效。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求范圍所做的均等變化與 修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。
權利要求
1.一種形成微晶硅薄膜的方法，其特征在于，包括提供一基板，該基板上包含一非晶硅薄膜；對該非晶硅薄膜進行一改質制程以形成一晶種層，其中該改質制程包含一氫氣等離子 體制程與一氦氣等離子體制程；以及于該晶種層上形成一微晶硅薄膜。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該非晶硅薄膜/該微晶硅薄膜是利用一化學 氣相沈積制程CVD加以形成。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，該化學氣相沉積制程為一等離子體輔助化 學氣相沉積制程PECVD。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，形成該非晶硅薄膜/該微晶硅薄膜包括通入 氫氣與硅甲烷進行反應，硅甲烷的流量大體上為20sCCm，且氫氣的流量大體上為200sCCm。
5.如權利要求3所述的方法，其特征在于，形成該非晶硅薄膜/該微晶硅薄膜的一制程 溫度介于1501至沘01。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該非晶硅薄膜的厚度介于10埃至200埃。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，該氫氣等離子體制程的功率參數介于61mW/ cm2至366mW/cm2，而該氦氣等離子體制程的功率參數介于61mW/cm2至M4mW/cm2。
8.一種形成結晶硅薄膜的方法，其特征在于，包括提供一基板，該基板上包含一第一硅結構薄膜；對該第一硅結構薄膜進行一改質制程以形成一晶種層，其中該改質制程包含一氫氣等 離子體制程與一氦氣等離子體制程；以及于該晶種層上形成一第二硅結構薄膜。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，該氫氣等離子體制程的功率參數介于61mW/ cm2至366mW/cm2，而該氦氣等離子體制程的功率參數介于61mW/cm2至M4mW/cm2。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，形成該第一硅結構薄膜的制程參數與形成 該第二硅結構薄膜的制程參數相同。
全文摘要
本發明提供一種形成結晶硅薄膜的方法。首先提供一基板，基板上有一第一硅結構薄膜(如非晶硅薄膜)。接著，對第一硅結構薄膜進行一改質制程以形成一晶種層，其中改質制程包含一氫氣等離子體制程與一氦氣等離子體制程。最后再于晶種層上直接形成一第二硅結構薄膜(如微晶硅薄膜)。藉由引入包含氫氣等離子體制程與氦氣等離子體制程的改質制程，使本發明具有較低成本及較高質量的優勢。
文檔編號H01L31/20GK102103989SQ20091026068
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月18日 優先權日2009年12月18日
發明者林烱暐, 江美昭, 蔡耀昌, 鄒元昕, 陳易良 申請人:中華映管股份有限公司, 華映視訊(吳江)有限公司