专利名称：多晶硅层的制作方法
技术领域：
本发明是有关于一种多晶硅层的制作方法，且特别是有关于一种以沟渠(trench)中未熔融的非晶硅层作为成核位置，并进行横向结晶(lateral crystallization)的多晶硅层的制作方法。
背景技术：
低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器(Low Temperature PolySiliconLiquid Crystal Display，LTPS LCD)有别于一般传统的非晶硅薄膜晶体管液晶显示器(a-Si TFT-LCD)，其电子迁移率可以达到200cm2/V-sec以上，故可使薄膜晶体管元件所占面积更小以符合高开口率的需求，进而增进显示器亮度并减少整体的功率消耗问题。另外，由于电子迁移率的增加可以将部份驱动电路与薄膜晶体管工艺一并制造于玻璃基材上，大幅提升液晶显示面板的可靠度，且使得面板制造成本大幅降低。因此，低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器的制造成本较非晶硅薄膜晶体管液晶显示器低出许多。此外，低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器具有厚度薄、重量轻、分辨率佳等特点，十分适合应用于要求轻巧省电的行动终端产品上。
低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器(LTPS-LCD)中，薄膜晶体管的通道层通常以准分子激光退火工艺(Excimer Laser Annealing，ELA)形成，此通道层的品质通常取决于多晶硅晶体的大小(grain size)及其均匀性(uniformity)，而晶体的大小与晶体的均匀性都与准分子激光在能量上的控制有直接的关连。
图1A至图1C为公知多晶硅层的制作流程示意图。首先请参照图1A，提供一基材100，此基材100通常为玻璃基板。接着于基材100上形成一缓冲层102，此缓冲层102通常为一包含有氮化硅层以及氧化硅层的积层结构。
接着请参照图1B与图1C，在形成缓冲层102之后，接着形成一非晶硅层104于缓冲层102上。之后便是进行一准分子激光热退火工艺，控制准分子激光照射于非晶硅层104上的能量，使得非晶硅层104近乎完全熔融，仅于缓冲层102表面上保留些许的结晶核(seed ofcrystallization)。之后，这些熔融的液态硅会从上述的结晶核开始结晶成为一多晶硅层106，而此多晶硅层106中会存在有分布不甚均匀的晶体边界108。
上述的准分子激光热退火工艺中，若准分子激光的能量超过SLG(Super Lateral Growth)点时，结晶核的分布密度会瞬间降的很低，造成多晶硅层的晶粒尺寸小且均匀性不佳。因此，准分子激光的能量必须控制的十分精准，方可制作出晶体尺寸与均匀性皆合乎需求的多晶硅层，故此工艺的工艺裕度很小。
图2为公知通过缓冲层上的开口进行多晶硅层制作的示意图。请参照图2，提供一基材200，此基材200通常为玻璃基板。接着于基材200上形成一缓冲层202，此缓冲层202通常为一包含有氮化硅层以及氧化硅层的积层结构。为了改善所形成的多晶硅层中的晶体尺寸、均匀性以及工艺裕度的问题，公知于缓冲层202中制作多个以阵列方式排列的开口204，这些开口204在准分子激光热退火工艺中将扮演相当重要的角色。在准分子激光热退火的过程中，开口204以外的区域上的非晶硅层(未绘示)将会完全被熔融成液态的硅，而开口204底部的非晶硅层(未绘示)并未完全被熔融，因此液态的硅可从开口204底部开始结晶(横向成长)为一多晶硅层。由上述可知，开始结晶的位置即为开口204的位置，故可以有效的控制结晶核的数量与其分布的位置。
图3为公知多晶硅层的晶体边界示意图。请参照图3，由于开口204底部的非晶硅层并未完全熔融，故液态的硅会从开口204底部开始往外成长。由于熔融的液态硅是由开口204往外横向成长，故在相邻的开口204之间会存在有晶体边界300，而这些晶粒边界300将直接受限于开口204彼此之间的距离。由于开口204是以阵列的方式排列，其在x方向上与y方向上的晶粒成长皆受到相邻开口204的限制，因此，此方式虽可有效控制结晶核的分布情况，但对于晶粒尺寸仍有所限制。
发明内容
因此，本发明的目的在提出一种多晶硅层的制作方法，所形成的多晶硅层具有较大的晶体尺寸以及较佳的均匀性。
本发明的另一目的在提出一种多晶硅层的制作方法，可以使得激光热退火工艺的工艺裕度(process window)大为提升。
本发明的再一目的在提出一种多晶硅层的制作方法，所形成的多晶硅层具有较少的晶体边界(grain boundary)。
为达本发明的上述目的，提出一种多晶硅层的制作方法，包括下列步骤(a)提供一基材；(b)于基材上形成一具有多个第一沟渠的缓冲层；(c)于缓冲层上形成一非晶硅层；以及(d)进行一激光退火工艺，使得非晶硅层熔融后由这些第一沟渠上方开始结晶，以形成一多晶硅层。
本发明中，具有第一沟渠的缓冲层的形成方法例如包括下列步骤(a)于基材上形成一氮化硅层；(b)于氮化硅层中形成多个第二沟渠；以及(c)于氮化硅层上形成一共形的氧化硅层，以于氧化硅层中自然形成多个与第二沟渠对应的第一沟渠。
本发明中，具有第一沟渠的缓冲层的形成方法例如包括下列步骤(a)于基材上形成一氮化硅层；(b)于氮化硅层上形成一氧化硅层；以及(c)于氧化硅层中形成多个第一沟渠。
本发明上述的第一沟渠及/或第二沟渠例如是通过微影/蚀刻的方式形成，而上述的激光退火工艺例如为一准分子激光退火工艺。
图1A至图1C为公知多晶硅层的制作流程示意图；图2为公知通过缓冲层上的开口进行多晶硅层制作的示意图；
图3为公知多晶硅层的晶体边界示意图；图4为依照本发明一较佳实施例通过缓冲层上的沟渠进行多晶硅层制作的示意图；图5为依照本发明一较佳实施例多晶硅层的晶体边界示意图；图6A至图6D为依照本发明一较佳实施例多晶硅层的制作流程示意图；以及图7A至图7D为依照本发明另一较佳实施例多晶硅层的制作流程示意图。
100、200、400、600、700基材102、202、402、602、702缓冲层104、606、706非晶硅层106、608、708多晶硅层108、300、500、610、710晶体边界204开口404、604、704b第一沟渠602a、702a氮化硅层602b、702b氧化硅层704a第二沟渠具体实施方式
图4为依照本发明一较佳实施例通过缓冲层上的沟渠进行多晶硅层制作的示意图。请参照图4，提供一基材400，此基材400通常为玻璃基板。接着于基材400上形成一缓冲层402，此缓冲层402例如为一包含有氮化硅层以及氧化硅层的积层结构(将详述于后)。为了改善所形成的多晶硅层中的晶体尺寸、均匀性以及工艺裕度的问题，本实施例于缓冲层402中制作多个彼此平行的第一沟渠404，这些第一沟渠404在后续的准分子激光热退火工艺中将扮演提供结晶核的角色。在准分子激光热退火的过程中，第一沟渠404以外的区域上的非晶硅层(未绘示)将会完全被熔融成液态的硅，而第一沟渠404底部的非晶硅层(未绘示)并未完全被熔融，因此液态的硅可从第一沟渠404底部开始结晶(横向成长)为一多晶硅层。由上述可知，开始结晶的位置即为第一沟渠404的位置，故可以有效的控制结晶核分布的位置。
图5为依照本发明一较佳实施例多晶硅层的晶体边界示意图。请参照图5，由于第一沟渠404底部的非晶硅层并未完全熔融，故液态的硅会从第一沟渠404底部开始往外成长。由于熔融的液态硅是由第一沟渠404往外横向成长，故在相邻的第一沟渠404之间会存在有晶体边界500，而这些晶粒边界500将直接受限于第一沟渠404彼此之间的距离。由于第一沟渠404系彼此平行排列，例如沿着y方向排列，其晶粒成长仅在x方向上受到相邻第一沟渠404的限制。换言之，通过第一沟渠404提供多条线性的结晶核将可同时兼顾多晶硅层的晶粒尺寸以及均匀性。
以下针对整个多晶硅层的制作进行详细的说明。图6A至图6D为依照本发明一较佳实施例多晶硅层的制作流程示意图。首先请参照图6A，提供一基材600，此基材600通常为玻璃基板。接着于基材600上形成一缓冲层602，此缓冲层602例如为一包含有氮化硅层602a以及氧化硅层602b的积层结构。上述的氮化硅层602a以及氧化硅层602b例如是以等离子体化学气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，PECVD)的方式形成。
接着请参照图6B，于上述的缓冲层602中形成多个彼此平行排列的第一沟渠604，这些第一沟渠604例如系以微影/蚀刻的方式形成，其形成的位置例如是在上层的氧化硅层602b中。
接着请同时参照图6C与图6D，在第一沟渠604形成之后，接着形成一非晶硅层606于缓冲层602上，非晶硅层606例如以低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)的方式形成。而在形成非晶硅层606之后，接着进行一激光热退火工艺，此激光热退火工艺例如是一准分子激光热退火工艺。激光热退火工艺中，控制准分子激光照射于非晶硅层606上的能量，使得第一沟渠604以外的区域上的非晶硅层606近乎完全熔融，而第一沟渠604底部的非晶硅层606并未完全被熔融，因此液态的硅可从第一沟渠604底部开始结晶为一多晶硅层608。此外，通过激光热退火工艺所形成的多晶硅层608会存在有晶粒边界610，此晶粒边界610仅会出现在相邻的第一沟渠604之间。
图7A至图7D为依照本发明另一较佳实施例多晶硅层的制作流程示意图。首先请参照图7A，提供一基材700，此基材700通常为玻璃基板。接着于基材700上形成一氮化硅层702a，此氮化硅层702a例如以等离子体化学气相沉积(PECVD)的方式形成。接着于上述的氮化硅层702a中形成多个彼此平行排列的第二沟渠704a，这些第二沟渠704a例如以微影/蚀刻的方式形成。
接着请参照图7B，在第二沟渠704a形成之后，接着形成一共形的氧化硅层702b于氮化硅层702a上，此氮化硅层702a与氧化硅层702b构成一缓冲层702。由于氧化硅层702b覆盖于氮化硅层702a上，故氧化硅层602b第二沟渠704a的位置上会自然形成多个第一沟渠704b。此外，这些第一沟渠704b的宽度因阶梯覆盖(step coverage)的缘故会比第二沟渠704a的宽度小，因此本实施例可以制作出宽度小于临界尺寸(Critical Dimension，CD)的第一沟渠704b。
接着请同时参照图7C与图7D，在第一沟渠704形成之后，接着形成一非晶硅层706于缓冲层702上，非晶硅层706例如以低压化学气相沉积(LPCVD)的方式形成。而在形成非晶硅层706之后，接着进行一激光热退火工艺，此激光热退火工艺例如是一准分子激光热退火工艺。激光热退火工艺中，控制准分子激光照射于非晶硅层706上的能量，使得第一沟渠704b以外的区域上的非晶硅层706近乎完全熔融，而第一沟渠704b底部的非晶硅层706并未完全被熔融，因此液态的硅可从第一沟渠704b底部开始结晶为一多晶硅层708。此外，通过激光热退火工艺所形成的多晶硅层708会存在有晶粒边界710，此晶粒边界710仅会出现在相邻的第一沟渠704b之间。
综上所述，本发明的多晶硅层的制作方法至少具有下列优点1.由于沟渠中未完全熔融的非晶硅层提供了良好的结晶核(seedof crystallization)，使得所成长出来的多晶硅层具有晶体尺寸大，且均匀性良好的优点。
2.沟渠可轻易地以现有的微影/工艺技术或是其它技术进行制作。
3.由于沟渠中未完全熔融的非晶硅层提供了良好的成核位置，使得激光热退火工艺的工艺裕度很大。
4.由于沟渠提供了连续的成核位置，使得所成长出来的多晶硅层具有较少的晶体边界。
权利要求
1.一种多晶硅层的制作方法，其特征是，该方法包括提供一基材；于该基材上形成一具有多个第一沟渠的缓冲层；于该缓冲层上形成一非晶硅层；以及进行一激光退火工艺，使得该非晶硅层熔融后由该些第一沟渠上方开始结晶，以形成一多晶硅层。
2.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征是，具有该些沟渠的缓冲层的形成方法包括于该基材上形成一氮化硅层；于该氮化硅层中形成多个第二沟渠；以及于该氮化硅层上形成一共形的氧化硅层，以于该氧化硅层中自然形成该些第一沟渠。
3.如权利要求2所述的多晶硅层的制作方法，其特征是，该些第二沟渠以微影/蚀刻的方式形成。
4.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征是，具有该些沟渠的缓冲层的形成方法包括于该基材上形成一氮化硅层；于该氮化硅层上形成一氧化硅层；以及于该氧化硅层中形成该些第一沟渠。
5.如权利要求4所述的多晶硅层的制作方法，其特征是，该些第一沟渠是以微影/蚀刻的方式形成。
6.如权利要求1所述的多晶硅层的制作方法，其特征是，该激光退火工艺为一准分子激光退火工艺。
全文摘要
一种多晶硅层的制作方法，包括下列步骤(a)提供一基材；(b)于基材上形成一具有多个沟渠的缓冲层；(c)于缓冲层上形成一非晶硅层；以及(d)进行一激光退火工艺，使得非晶硅层熔融后由这些沟渠上方开始结晶，以形成一多晶硅层。本发明可应用于低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器的制作，其所形成的多晶硅层具有较大的晶体尺寸以及较佳的均匀性。
文档编号H01L21/44GK1501449SQ0214939
公开日2004年6月2日 申请日期2002年11月12日 优先权日2002年11月12日
发明者曹义昌 申请人:友达光电股份有限公司