專利名稱：低溫多晶硅薄膜晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種薄膜晶體管，且特別涉及一種低溫多晶硅薄膜(low temperature poly-silicon，簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)TPS)晶體管。
背景技術(shù)：
在一般元件中，都需配置開關(guān)以驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)作。以主動(dòng)式驅(qū)動(dòng)的顯示元件為例，其通常是以薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)作為驅(qū)動(dòng)開關(guān)。而薄膜晶體管又可依通道區(qū)的材質(zhì)分為非晶硅(amorphoussilicon，簡(jiǎn)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相較于非晶硅薄膜晶體管其消耗功率小且電子遷移率大，因此逐漸受到市場(chǎng)的重視。
早期的多晶硅薄膜晶體管的制程溫度高達(dá)攝氏1000度，因此基板材質(zhì)的選擇受到大幅的限制。不過，近來由于激光技術(shù)的發(fā)展，制程溫度可降至攝氏600度以下，而利用此種制程所形成的多晶硅薄膜晶體管又被稱為低溫多晶硅薄膜晶體管。
在低溫多晶硅薄膜晶體管中，多晶硅薄膜的形成方法是先在基板上形成非晶硅薄膜，之后使非晶硅薄膜熔融(Melting)后再結(jié)晶(Re-crystallization)成為多晶硅薄膜。圖1A及圖1B是現(xiàn)有低溫多晶硅薄膜的制造流程的剖面示意圖。一般常用的激光退火制程為準(zhǔn)分子激光退火(Excimer Laser Annealing，簡(jiǎn)稱為ELA)制程。請(qǐng)參照?qǐng)D1A，在基板100上形成非晶硅薄膜102之后，再通過準(zhǔn)分子激光光束106進(jìn)行激光退火(Laser Annealing)制程，以將非晶硅薄膜102熔融，從而使硅分子再結(jié)晶成為多晶硅薄膜102a，如圖1B所示。
然而，由于ELA制程所形成的多晶硅薄膜102a的晶粒尺寸過小，且尺寸均勻性(uniformity)不佳，因此多晶硅薄膜102a中存在有許多晶粒邊界(grain boundary)，以致于電子在多晶硅薄膜102a的通道區(qū)中的遷移率僅約100～200cm2/V·sec，因而對(duì)薄膜晶體管的效能造成相當(dāng)大的影響。
為解決上述問題，已知提出另一種稱為連續(xù)側(cè)向固化(SequentialLateral Solidification，簡(jiǎn)稱為SLS)的激光退火制程。圖2A至圖2B所示為現(xiàn)有另一種低溫多晶硅薄膜的制造流程剖面示意圖。
請(qǐng)參照?qǐng)D2A，SLS制程利用光罩104來限定非晶硅薄膜102被激光光束106照射到的范圍，以熔融部分區(qū)域內(nèi)的非晶硅薄膜102，即區(qū)域110內(nèi)的非晶硅薄膜102。在某些SLS制程中，光罩104由機(jī)臺(tái)控制而做平移動(dòng)作，以使激光光束透過光罩104上的孔洞108而照射到區(qū)域110內(nèi)所有的非晶硅薄膜102。
請(qǐng)參照?qǐng)D2B，在經(jīng)過一段時(shí)間之后，被熔融的非晶硅薄膜102(也就是區(qū)域110內(nèi)的非晶硅薄膜102)將以未熔融的非晶硅薄膜102為晶核而側(cè)向成長(zhǎng)，進(jìn)而在區(qū)域110內(nèi)形成多晶硅薄膜202a。
由圖2B可知，SLS制程可形成晶粒尺寸較大的多晶硅薄膜202a。換言之，以SLS制程所形成的多晶硅薄膜202a中的晶粒界面較少，因此SLS制程與傳統(tǒng)的ELA制程相比，SLS制程不但可提高電子在多晶硅薄膜中的遷移率，進(jìn)而提高薄膜晶體管的效能，更可使得多晶硅薄膜的晶向(grain orientation)較為一致。
然而，由于SLS制程所使用的儀器設(shè)備較為昂貴，且其比傳統(tǒng)ELA制程多使用一道特殊光罩，因此整體晶體管在制造上的成本相當(dāng)高。此外，SLS制程仍無法減少形成多晶硅薄膜所需的工時(shí)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本實(shí)用新型的目的是提供一種低溫多晶硅薄膜晶體管，其通道層中的晶粒具有較佳的尺寸均勻性，且晶粒界面也較少，使得此晶體管具有較佳的元件特性。
本實(shí)用新型提出一種低溫多晶硅薄膜晶體管，其適于配置在基板上。此低溫多晶硅薄膜晶體管主要由頂蓋層、多晶硅薄膜以及閘極所構(gòu)成。其中頂蓋層配置在基板上方，且其與基板間具有一間隙區(qū)。多晶硅薄膜配置在頂蓋層上，并可區(qū)分為通道區(qū)以及位于通道區(qū)兩側(cè)的源極/漏極區(qū)。其中通道區(qū)位于間隙區(qū)的上方，且通道區(qū)內(nèi)的多晶硅薄膜即為晶體管的通道層。而閘極則配置在通道區(qū)的上方。
依照本實(shí)用新型的實(shí)施例所述，此低溫多晶硅薄膜晶體管還包括配置在基板上的緩沖層，其位于頂蓋層與基板之間，用以阻擋基板中的雜質(zhì)在制程中發(fā)生非預(yù)期的擴(kuò)散，進(jìn)而影響元件的效能。而在本實(shí)施例中，間隙區(qū)例如位于頂蓋層與緩沖層之間，且間隙區(qū)所具有的熱傳導(dǎo)系數(shù)低于緩沖層及基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
依照本實(shí)用新型的實(shí)施例所述，此低溫多晶硅薄膜晶體管還包括有閘介電層，其配置在多晶硅薄膜上。
依照本實(shí)用新型的實(shí)施例所述，通道區(qū)內(nèi)的多晶硅薄膜的晶粒例如大于源極/漏極區(qū)內(nèi)的多晶硅薄膜的晶粒，因而使晶體管具有較高的驅(qū)動(dòng)電流以及較低的漏電流。此外，由于通道區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸較大，因此其中之晶粒界面的數(shù)量也少于源極/漏極區(qū)內(nèi)的晶粒界面的數(shù)量，所以電子可在通道區(qū)內(nèi)受電場(chǎng)移動(dòng)卻不易被晶粒界面散射，故具有較佳的電子遷移率。而閘極的寬度較佳的是小于通道區(qū)內(nèi)的晶粒的尺寸。此外，在另一實(shí)施例中，此閘極例如是雙閘極結(jié)構(gòu)，更可減少電子直接受到通道中央的唯一晶粒界面的影響，從而明顯提升晶體管的效能。
依照本實(shí)用新型的實(shí)施例所述，此低溫多晶硅薄膜晶體管還包括介電層、源極/漏極接觸孔以及源極/漏極導(dǎo)體層。其中，介電層配置于多晶硅薄膜上并覆蓋住閘極。源極/漏極接觸孔皆配置在介電層以及閘介電層中，并與源極/漏極區(qū)電性接觸。而源極/漏極導(dǎo)體層則配置在介電層上，并填入源極/漏極接觸孔而與源極/漏極區(qū)電連接。
本實(shí)用新型所形成的多晶硅薄膜中的晶粒的晶向皆平行于往后晶體管在工作狀態(tài)下的電子傳輸?shù)姆较?，可因而改善電子在通道區(qū)中的遷移率，進(jìn)而提高晶體管的工作效能。
為讓本實(shí)用新型的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉一較佳實(shí)施例，并配合附圖詳細(xì)說明如下。


圖1A及圖1B是現(xiàn)有低溫多晶硅薄膜的制造流程剖面示意圖。
圖2A至圖2B所示為現(xiàn)有另一種低溫多晶硅薄膜的制造流程剖面示意圖。
圖3所示為本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例的低溫多晶硅薄膜晶體管的剖面示意圖。
圖4A所示為本實(shí)用新型的一實(shí)施例中的低溫多晶硅薄膜晶體管的上視圖。
圖4B所示為本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中的低溫多晶硅薄膜晶體管的上視圖。
圖5A至圖5E所示為本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例的一種低溫多晶硅薄膜晶體管的通道層的制造流程剖面示意圖。
圖6A至圖6D則分別對(duì)應(yīng)圖5A至圖5E而示出其上視圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型在將非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч璞∧さ闹瞥糖?，先移除非晶硅薄膜在后續(xù)制程中欲作為多晶硅通道的區(qū)域下方的犧牲層而形成較兩側(cè)的熱傳導(dǎo)性低的間隙區(qū)，以使此處上方的硅晶粒結(jié)晶速率較兩側(cè)區(qū)域內(nèi)的硅晶粒的結(jié)晶速率慢，進(jìn)而使晶粒由兩側(cè)往中央側(cè)向成長(zhǎng)，并在通道區(qū)中長(zhǎng)成較大尺寸的晶粒。以下實(shí)施例用以說明本實(shí)用新型的原理，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更為了解本實(shí)用新型，并非用以限定本實(shí)用新型。
圖3所示為本實(shí)用新型的一較佳實(shí)施例的低溫多晶硅薄膜晶體管的剖面示意圖。請(qǐng)參照?qǐng)D3，本實(shí)用新型的低溫多晶硅薄膜晶體管330主要由基板300、頂蓋層306、多晶硅薄膜308a、閘極316以及源極/漏極導(dǎo)體層336所構(gòu)成。其中，頂蓋層306配置在基板300的上方，且在本實(shí)施例中，基板300上例如配置有位于頂蓋層306與基板300之間的緩沖層302，用以阻擋基板中的雜質(zhì)在制程中發(fā)生非預(yù)期的擴(kuò)散，進(jìn)而影響元件的效能。
特別是，并位于頂蓋層306與緩沖層302之間更具有間隙區(qū)310。而間隙區(qū)310內(nèi)例如具有熱傳導(dǎo)系數(shù)低的空氣或其他氣體。
多晶硅薄膜308a配置在頂蓋層306上，且其可區(qū)分為通道區(qū)322以及摻有雜質(zhì)(dopant)的源極/漏極區(qū)318，其中通道區(qū)322位于間隙區(qū)310的上方，且通道區(qū)322內(nèi)的多晶硅薄膜308a即是低溫多晶硅薄膜晶體管330的多晶硅通道層。閘極316配置在多晶硅薄膜308a的通道區(qū)322的上方，且多晶硅薄膜308a上例如配置有閘介電層314。
介電層324配置于閘介電層314上，并覆蓋住閘極316。而介電層324上配置有源極/漏極導(dǎo)體層336，且源極/漏極導(dǎo)體層336通過配置在介電層324以及閘介電層314中的源極/漏極接觸孔332而與源極/漏極區(qū)318電連接。
值得特別注意的是，在本實(shí)施例中，通道區(qū)322內(nèi)的多晶硅薄膜308a中的硅晶粒340例如大于源極/漏極區(qū)318內(nèi)的多晶硅薄膜308a中的硅晶粒350，且其較佳尺寸約略大于通道區(qū)322的長(zhǎng)度L的一半，因此低溫多晶硅薄膜晶體管330可具有較高的驅(qū)動(dòng)電流。而且，因?yàn)橥ǖ绤^(qū)322內(nèi)的晶粒340尺寸較大，因此通道區(qū)322內(nèi)的晶粒界面360的數(shù)量會(huì)小于源極/漏極區(qū)318內(nèi)的晶粒界面360的數(shù)量。且晶粒的晶向平行于電子在低溫多晶硅薄膜晶體管330內(nèi)的傳輸方向，因此當(dāng)?shù)蜏囟嗑Ч璞∧ぞw管330處于工作狀態(tài)下時(shí)，電子載體可輕易地穿過通道區(qū)322，而不會(huì)因通道區(qū)322內(nèi)的晶粒界面360過多而散射，使得電子遷移率降低。
特別是，本實(shí)用新型還可以將低溫多晶硅薄膜晶體管330的閘極316寬度縮小，以使其小于晶粒340的尺寸(如圖4A所示)，即可避免薄膜晶體管的通道區(qū)跨越晶粒界面，進(jìn)而能使薄膜晶體管能夠具有較佳的效能。熟習(xí)此技術(shù)者應(yīng)該知道，在此所謂的晶粒尺寸通常指平行于閘極寬度的方向上的晶粒長(zhǎng)度。
而除了縮小閘極的寬度之外，本實(shí)用新型還可以在低溫多晶硅薄膜晶體管上配置雙閘極結(jié)構(gòu)416，如圖4B所示，其示出了本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中的低溫多晶硅薄膜晶體管的上視圖。此種雙閘極結(jié)構(gòu)416也可減少電子直接受到通道中央的唯一晶粒界面的影響，從而明顯提升晶體管的效能。
本實(shí)用新型通過特殊的制程來完成上述通道區(qū)具有較佳特性的低溫多晶硅薄膜晶體管，以下將舉實(shí)施例對(duì)上述低溫多晶硅薄膜晶體管的通道層的制造方法加以說明。
圖5A至圖5E所示為本實(shí)用新型一較佳實(shí)施例的一種低溫多晶硅薄膜晶體管的通道層的制造流程剖面示意圖。而圖6A至圖6D則分別對(duì)應(yīng)圖5A至圖5E而示出其上視圖。
請(qǐng)參照?qǐng)D5A，首先依序在基板300上形成緩沖層(buffer layer)302以及犧牲層304，其形成方法例如為化學(xué)氣相沉積法(Chemical VaporDeposition)或是濺鍍(sputtering)法，而犧牲層304的材質(zhì)例如為金屬材料。值得注意的是，緩沖層302為選擇性的元件，其功用如前述實(shí)施例所述，此處不再贅述。而熟習(xí)此技術(shù)者可依實(shí)際制程所需來決定緩沖層302的存在與否，本實(shí)用新型不對(duì)其加以限定。而犧牲層304例如是一配置在緩沖層302上的長(zhǎng)方形圖案的膜層，如圖6A所示。
請(qǐng)參照?qǐng)D5B以及圖6B，依序在緩沖層302上形成頂蓋層306以及非晶硅薄膜308，并覆蓋住犧牲層304。其中，在后續(xù)制程中將以犧牲層304上方的區(qū)域312內(nèi)形成低溫多晶硅薄膜晶體管的通道層，并于區(qū)域312的兩側(cè)中形成源極/漏極區(qū)。因此，犧牲層304的寬度即決定此低溫多晶硅薄膜晶體管的通道層的長(zhǎng)度。換言之，通過控制犧牲層304的寬度可以有效控制低溫多晶硅薄膜晶體管中通道區(qū)的長(zhǎng)度。
請(qǐng)參照?qǐng)D5C以及圖6C，接著移除犧牲層304，以于頂蓋層306與緩沖層302之間形成間隙區(qū)310，而間隙區(qū)310內(nèi)例如具有空氣。此步驟的作法例如是以濕式蝕刻移除犧牲層304，也就是將圖5B所繪示的結(jié)構(gòu)浸泡于一蝕刻液之中(未示出)，而且此蝕刻液對(duì)犧牲層304的蝕刻速率遠(yuǎn)大于其對(duì)其他膜層的蝕刻速率，所以此步驟能夠在其他膜層均保持完整的情況下移除犧牲層304。
請(qǐng)同時(shí)參照?qǐng)D5D及圖5E，在形成間隙區(qū)310之后，接著進(jìn)行激光退火制程以使非晶硅薄膜308熔融后再結(jié)晶而形成多晶硅薄膜308a，并于間隙區(qū)310上方的頂蓋層306上形成多晶硅通道層522(也就是位于區(qū)域312之內(nèi)的多晶硅薄膜308a)。而本實(shí)施例所使用的激光退火制程例如是準(zhǔn)分子激光退火制程，如圖5D所示，其是利用準(zhǔn)分子激光光束326照射非晶硅薄膜308以使其融熔而成為液態(tài)硅(未示出)。經(jīng)過一段時(shí)間后，液態(tài)硅會(huì)慢慢降溫而再結(jié)晶為多晶硅薄膜。此時(shí)，由于區(qū)域312位于間隙區(qū)310的上方，且間隙區(qū)310內(nèi)例如具有空氣，而空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)約為0.025W/cm·K，遠(yuǎn)小于頂蓋層306以及緩沖層302的熱傳導(dǎo)系數(shù)。因此，區(qū)域312內(nèi)的液態(tài)硅的結(jié)晶速率會(huì)較兩側(cè)的液態(tài)硅的結(jié)晶速率慢。換言之，在固化過程中，硅原子將由兩側(cè)往區(qū)域312中央橫向成長(zhǎng)晶粒而形成多晶硅薄膜308a，而區(qū)域312內(nèi)的多晶硅薄膜308a即為晶體管的多晶硅通道層522，如圖5E及圖6D所示。
特別是，由于區(qū)域312內(nèi)的晶粒成長(zhǎng)較慢，因此所形成的晶粒尺寸也就比兩側(cè)區(qū)域內(nèi)所形成的晶粒大，也就是說多晶硅通道層522中的晶粒具有較大的尺寸，其例如略大于多晶硅通道層322長(zhǎng)度L的一半。
此外，由于多晶硅通道層322內(nèi)的晶粒界面的數(shù)量少于兩側(cè)區(qū)域內(nèi)晶粒界面的數(shù)量，因此電子在多晶硅通道層322內(nèi)可具有較佳的遷移率，進(jìn)而提高晶體管的工作效能。
綜上所述，本實(shí)用新型的低溫多晶硅薄膜晶體管具有下列優(yōu)點(diǎn)1.由于此晶體管的通道區(qū)內(nèi)的晶粒具有較大的尺寸以及較佳的尺寸均勻性，因此本實(shí)用新型的晶體管具有較高的驅(qū)動(dòng)電流以及高電子遷移率。
2.利用本實(shí)用新型的制程所形成的多晶硅薄膜，其中晶粒的晶向皆平行于電子在晶體管內(nèi)的傳輸方向，因此本實(shí)用新型能夠改善電子在通道區(qū)中的遷移率，進(jìn)而提高晶體管的工作效能。
3.此晶體管中的通道區(qū)的寬度與長(zhǎng)度取決于犧牲層的寬度及長(zhǎng)度。因此，通道區(qū)的寬長(zhǎng)比即可依實(shí)際制程所需來調(diào)整犧牲層的大小，制程裕度較大。
4.本實(shí)用新型的制造設(shè)備與現(xiàn)有制造設(shè)備相容，其例如可以通過現(xiàn)有準(zhǔn)分子激光退火制程的設(shè)備來達(dá)成連續(xù)側(cè)向固化(Sequential LateralSolidification，SLS)制程的水準(zhǔn)，也就是說，本實(shí)用新型在提高產(chǎn)品品質(zhì)的同時(shí)，也能夠節(jié)省制程設(shè)備成本，以達(dá)最大的生產(chǎn)利潤(rùn)。
雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例披露如上，然而其并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟習(xí)此技術(shù)者，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的變動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍以后附的權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
附圖標(biāo)記說明100、300基板102、308非晶硅薄膜102a、202a、308a多晶硅薄膜104光罩106、326準(zhǔn)分子激光光束108孔洞110、312區(qū)域302緩沖層304犧牲層306頂蓋層310間隙區(qū)314閘介電層316閘極318源極/漏極區(qū)322通道區(qū)
324介電層330低溫多晶硅薄膜晶體管332源極/漏極接觸孔336源極/漏極導(dǎo)體層340、350硅晶粒416雙閘極結(jié)構(gòu)522多晶硅通道層
權(quán)利要求1.一種低溫多晶硅薄膜晶體管，其適于配置在一基板上，其特征在于，該低溫多晶硅薄膜晶體管包括一頂蓋層，其配置于該基板上方，其中該頂蓋層與該基板之間具有一間隙區(qū)；一多晶硅薄膜，其配置于該頂蓋層上，且該多晶硅薄膜包括一通道區(qū)以及一位于該通道區(qū)兩側(cè)的源極/漏極區(qū)，其中該通道區(qū)位于該間隙區(qū)上方；以及一閘極，其配置于該多晶硅薄膜的該通道區(qū)上方。
2.如權(quán)利要求1所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，還包括一緩沖層，其配置于該基板與該頂蓋層之間，而該間隙區(qū)位于該頂蓋層與該緩沖層之間。
3.如權(quán)利要求2所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，該間隙區(qū)所具有的熱傳導(dǎo)系數(shù)低于該緩沖層的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
4.如權(quán)利要求1所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，該間隙區(qū)所具有的熱傳導(dǎo)系數(shù)低于該基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，還包括一閘介電層，其配置于該多晶硅薄膜上。
6.如權(quán)利要求1所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，該多晶硅薄膜的該通道區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸大于該多晶硅薄膜的該源極/漏極區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸。
7.如權(quán)利要求1所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，該閘極寬度小于該通道區(qū)內(nèi)的晶粒尺寸。
8.如權(quán)利要求1所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，該閘極為一雙閘極結(jié)構(gòu)。
9.如權(quán)利要求1所述的低溫多晶硅薄膜晶體管，其特征在于，還包括一介電層，其配置于該多晶硅薄膜以及該閘極上，其中該介電層具有多個(gè)接觸孔，以暴露出該多晶硅薄膜的該源極/漏極區(qū)；以及一源極/漏極導(dǎo)體層，其配置于該介電層上，且該源極/漏極導(dǎo)體層通過該介電層中的這些接觸孔與該多晶硅薄膜的該源極/漏極區(qū)電連接。
專利摘要一種低溫多晶硅薄膜晶體管，主要由頂蓋層、多晶硅薄膜以及閘極所構(gòu)成。其中頂蓋層配置在基板上方，且其與基板間存在一間隙區(qū)。多晶硅薄膜配置在頂蓋層上，并區(qū)分為通道區(qū)以及位于通道區(qū)兩側(cè)的源極/漏極區(qū)。其中通道區(qū)位于間隙區(qū)上方。而閘極則配置在通道區(qū)上方。由于通道區(qū)下方具有間隙區(qū)，因此在進(jìn)行激光退火制程時(shí)，此處的熱傳導(dǎo)率較低，故硅原子具有較長(zhǎng)的再結(jié)晶時(shí)間，以使通道區(qū)內(nèi)形成較大尺寸的晶粒，進(jìn)而減少通道區(qū)內(nèi)的晶粒界面。且多晶硅薄膜中的晶粒的晶向均平行于電子在晶體管中的傳輸方向，所以能夠提高晶體管的工作效能。
文檔編號(hào)H01L29/66GK2717022SQ20042007397
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月16日
發(fā)明者郭政彰 申請(qǐng)人:廣輝電子股份有限公司