專利名稱：薄膜晶體管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜晶體管及其制造方法，更具體地，涉及一種具有良好特性的薄膜晶體管及其制造方法，其中雙帽層由金屬催化劑很難擴(kuò)散的氧化物層與金屬催化劑很容易擴(kuò)散的氮化物層形成，在雙帽層上形成金屬催化劑層，然后進(jìn)行結(jié)晶工藝以形成具有大尺寸晶粒的多晶硅層，因?yàn)榻饘俅呋瘎┎蝗菀淄ㄟ^氧化物層，因此少量的金屬催化劑有助于結(jié)晶，且半導(dǎo)體層由多晶硅層形成。
背景技術(shù)：
在用于顯示器的薄膜晶體管(“TFT”)中，形成半導(dǎo)體層以便在由玻璃或石英制成的透明襯底上沉積非晶硅層，并對非晶硅層進(jìn)行去氫處理，然后結(jié)晶。
當(dāng)時(shí)，通過使用化學(xué)氣相沉積(“CVD”)技術(shù)在由材料例如玻璃制成的透明襯底上沉積非晶硅層，來形成構(gòu)成源極、漏極和溝道區(qū)的半導(dǎo)體層。使用CVD技術(shù)在襯底上直接沉積的硅層是包含12％氫的非晶硅層，由此具有低的電子遷移率，當(dāng)具有這種低電子遷移率的非晶硅層經(jīng)過熱處理并結(jié)晶成具有高電子遷移率的類晶體結(jié)構(gòu)的硅層時(shí)，因?yàn)槠渲邪臍淇赡芷屏阉詴?huì)損傷硅層。為了避免在結(jié)晶期間可能發(fā)生的氫破裂，進(jìn)行了去氫工藝。進(jìn)行去氫工藝，使得在大于約400℃的溫度下的爐子中進(jìn)行數(shù)十分鐘到數(shù)十小時(shí)的熱處理。然后，對去氫的非晶硅層進(jìn)行結(jié)晶處理。
結(jié)晶非晶硅層以形成多晶硅層的結(jié)晶技術(shù)包括固相結(jié)晶技術(shù)、受激準(zhǔn)分子激光結(jié)晶技術(shù)、金屬誘導(dǎo)結(jié)晶(MIC)技術(shù)以及金屬誘導(dǎo)橫向結(jié)晶(MILC)技術(shù)。固相結(jié)晶技術(shù)是在小于大約700℃的溫度下熱處理和結(jié)晶非晶硅層達(dá)幾小時(shí)到數(shù)十小時(shí)的技術(shù)，在該溫度下可能使形成在其上形成有TFT的顯示器襯底的玻璃變形。受激準(zhǔn)分子激光結(jié)晶工藝是對非晶硅層掃描受激準(zhǔn)分子激光以在高溫下非常短的時(shí)間里加熱和結(jié)晶的工藝。
然而，固相結(jié)晶技術(shù)具有以下缺陷需要相對長的處理時(shí)間，且襯底被暴露在高溫中很長時(shí)間于是可能容易變形。因?yàn)樾枰邇r(jià)格的激光器件以及在結(jié)晶表面可能出現(xiàn)擠壓以致半導(dǎo)體層和柵絕緣層之間的界面特性低劣，所以受激準(zhǔn)分子激光結(jié)晶技術(shù)也有缺陷。因?yàn)樵诙嗑Ч鑼由狭粝麓罅拷饘俅呋瘎亩黾恿薚FT的半導(dǎo)體層的泄漏電流，所以MIC或MILC技術(shù)具有缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有良好特性的薄膜晶體管及其制造方法，其中在非晶硅層上依次形成過濾氧化物層(filtering oxide layer)和帽層并接著在帽層上形成金屬催化劑層之后，在通過擴(kuò)散金屬催化劑穿過帽層和過濾氧化物層來結(jié)晶非晶硅層的超晶粒硅(SGS)結(jié)晶方法中，在通過帽層并接著擴(kuò)散到帽層和過濾氧化物層之間界面的金屬催化劑中，利用金屬催化劑不容易在過濾氧化物層中擴(kuò)散的特征，較少數(shù)量的金屬催化劑被允許通過過濾氧化物層并有助于結(jié)晶，從而晶粒尺寸較大以及殘留的金屬催化劑少。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，本發(fā)明提供了一種薄膜晶體管，包括絕緣襯底；和在襯底上形成的半導(dǎo)體層、柵絕緣層、柵電極、層間絕緣體和源/漏電極，其中柵絕緣層由具有厚度是1到20埃的過濾氧化物層形成。
本發(fā)明還提供了一種薄膜晶體管，包括絕緣襯底；和半導(dǎo)體層、柵絕緣層、柵電極、層間絕緣體和源/漏電極，其中柵絕緣層由過濾自然氧化物層(filtering natural oxide layer)形成。
柵絕緣層具有氧化硅層或/和氮化硅層的單或雙層。
本發(fā)明還提供了一種薄膜晶體管的制造方法，包括制備絕緣襯底；在襯底上形成非晶硅層；在非晶硅層上形成過濾氧化物層和帽層；在帽層上沉積金屬催化劑；進(jìn)行第一次熱處理以使金屬催化劑擴(kuò)散穿過帽層和過濾氧化物層移動(dòng)到過濾氧化物層和非晶硅層之間的界面；進(jìn)行第二次熱處理以通過擴(kuò)散的金屬催化劑使非晶硅層結(jié)晶來形成多晶硅層；移除帽層；構(gòu)圖過濾氧化物層和多晶硅層以形成半導(dǎo)體層；在襯底之上形成柵絕緣層；和在襯底之上形成柵電極，以及形成層間絕緣體和源/漏電極。


通過結(jié)合附圖詳細(xì)地描述其優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明的上述和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)將對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將更加顯而易見，其中圖1A-1D是示出根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶工藝的截面圖；圖2是示出根據(jù)本發(fā)明的多晶硅層的平面的照片；圖3是示出使用根據(jù)本發(fā)明制造的多晶硅層來制造薄膜晶體管的工藝的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將結(jié)合附圖在下文中更充分地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以具體化為不同的形式，且不應(yīng)當(dāng)限制在此處提出的實(shí)施例中。相反，提供了這些實(shí)施例以便完全和徹底公開，并且將本發(fā)明的范圍充分傳達(dá)給本領(lǐng)域技術(shù)人員。在附圖中，為了清楚起見夸大了層和區(qū)的厚度。在整個(gè)說明書中相同的數(shù)字指相同的元件。
圖1A-1D是示出根據(jù)本發(fā)明的結(jié)晶工藝的截面圖。
首先，圖1A是在襯底上順序形成緩沖層、非晶硅層以及過濾氧化物層的工藝的截面圖。如圖1A中所示，使用化學(xué)氣相沉積(“CVD”)技術(shù)或物理氣相沉積(“PVD”)技術(shù)，在由塑料或玻璃制成的絕緣襯底101上形成緩沖層102。緩沖層102具有氧化硅層或/和氮化硅層的單層或雙層結(jié)構(gòu)。此處，緩沖層102用于防止在襯底101上可能產(chǎn)生的水汽或雜質(zhì)的擴(kuò)散或在結(jié)晶工藝期間控制熱傳遞速度，從而有助于半導(dǎo)體層的結(jié)晶。
接著，在緩沖層102上形成非晶硅層103。典型地，利用CVD技術(shù)形成非晶硅層103。利用CVD技術(shù)形成的非晶硅層具有減小電子遷移率的諸如氫的氣體，因而進(jìn)行去氫工藝，以便在非晶硅層中不殘留氫。
然后，在非晶硅層103上形成過濾氧化物層104。過濾氧化物層104由氧化硅層形成，在氧化硅層中金屬催化劑不容易擴(kuò)散。
通過使用CVD或PVD技術(shù)沉積，或使用利用了UV氧化技術(shù)、氧等離子體技術(shù)或自然氧化技術(shù)的熱氧化物層或自然氧化物層，可以形成氧化硅層。進(jìn)行CVD或PVD技術(shù)以便在非晶硅層上沉積氧化物層。進(jìn)行UV氧化技術(shù)、氧等離子技術(shù)或自然氧化技術(shù)以便照射UV光到非晶硅層表面以形成熱氧化物層，或通過加熱襯底來形成熱氧化物層，或?qū)⒀醯入x子體加在非晶硅層表面以形成熱氧化物層，或?qū)⒎蔷Ч鑼颖┞对诳諝饣蚝醯恼婵罩袔酌氲綌?shù)十分鐘從而形成自然氧化物層。
形成過濾氧化物層的優(yōu)選方法是氧等離子體技術(shù)。在處理功率100到1000W、處理時(shí)間10到1000秒、處理氣壓70到400Pa的條件下進(jìn)行用于形成熱氧化物層的氧等離子體技術(shù)。另一優(yōu)選方法是將非晶硅層的表面暴露在空氣或含氧的真空中，以便在非晶硅層的表面上自然形成自然氧化物層。
此處，過濾氧化物層的厚度在1到20埃的范圍中。這是因?yàn)楹穸刃∮?埃意味著過濾氧化物層幾乎不殘留，厚度大于20埃意味著金屬催化劑幾乎不通過過濾氧化物層，這使得不可能使非晶硅層結(jié)晶。
圖1B是示出在過濾氧化物層上形成帽層和金屬催化劑層的工藝的截面圖。如圖1B所示，在過濾氧化物層104上形成帽層105。帽層優(yōu)選由金屬催化劑通過熱處理工藝能夠擴(kuò)散的氮化硅層形成，并可以具有氮化硅層和氧化硅層的雙層結(jié)構(gòu)。使用CVD或PVD技術(shù)形成帽層105。帽層的厚度在1到2000埃的范圍內(nèi)。
接著，在帽層上形成金屬催化劑層106。金屬催化劑層由Ni、Pd、Ti、Ag、Au、Al、Sn、Sb、Cu、Co、Mo、Tr、Ru和Rh中的一種形成，且優(yōu)選由鎳(Ni)形成。
在MIC或MILC技術(shù)中，要求準(zhǔn)確地控制金屬催化劑層的厚度或密度。這是因?yàn)樵诮Y(jié)晶工藝后，在多晶硅層的表面上可能殘留金屬催化劑，導(dǎo)致了TFT泄漏電流的增加。然而，在本發(fā)明中，不需要準(zhǔn)確地控制金屬催化劑層的厚度或密度，即可以形成相對厚的厚度的金屬催化劑層。這是因?yàn)檫^濾氧化物層過濾了擴(kuò)散的金屬催化劑，以便僅僅少量金屬催化劑有助于結(jié)晶，并且它們大多數(shù)沒有穿過過濾氧化物層使得它不會(huì)對結(jié)晶作出貢獻(xiàn)。
圖1C是示出通過進(jìn)行第一次熱處理工藝將金屬催化劑擴(kuò)散穿過帽層和過濾氧化物層以及將它們移動(dòng)到過濾氧化物層和非晶硅層之間的界面的工藝的截面圖。如圖1C所示，對其上形成有緩沖層、非晶硅層、過濾氧化物層、帽層和金屬催化劑層的襯底進(jìn)行第一次熱處理工藝107，以便金屬催化劑層106的一些金屬催化劑移動(dòng)到非晶硅層103的表面。即，在由于第一次熱處理工藝擴(kuò)散穿過帽層105的金屬催化劑106a和106b中，僅僅少量金屬催化劑106b通過過濾氧化物層擴(kuò)散到非晶硅層的表面，且它們的大部分沒有到達(dá)也沒有穿過過濾氧化物層。因此，到達(dá)非晶硅層表面的金屬催化劑數(shù)量取決于過濾氧化物層的擴(kuò)散阻擋能力，而過濾氧化物層的擴(kuò)散阻擋能力與其厚度密切相關(guān)。即，如果過濾氧化物層的厚度是厚的，則擴(kuò)散的催化劑數(shù)量較少并且晶粒尺寸較大，如果過濾氧化物層的厚度是薄的，則擴(kuò)散的催化劑數(shù)量更多并且晶粒尺寸較小。
此處，在溫度200到800℃進(jìn)行擴(kuò)散金屬催化劑的第一次熱處理工藝，以及使用窯爐工藝、RTA工藝、UV工藝以及激光工藝中的至少一種。
圖1D是通過進(jìn)行第二次熱處理工藝、因擴(kuò)散的金屬催化劑來結(jié)晶非晶硅層的工藝的截面圖，從而形成多晶硅層。如圖1D所示，如果進(jìn)行第二次熱處理工藝，由于穿過帽層和過濾層而擴(kuò)散到非晶硅層的表面的金屬催化劑106b，使非晶硅層結(jié)晶以形成多晶硅層109。即，金屬催化劑和非晶硅結(jié)合以形成金屬硅化物，且金屬硅化物作為結(jié)晶核并誘導(dǎo)非晶硅層的結(jié)晶。
此處，作為本發(fā)明的結(jié)晶技術(shù)，使用了超晶粒硅(“SGS”)結(jié)晶技術(shù)，在非晶硅層上形成帽層，在帽層上形成金屬催化劑層，加熱金屬催化劑層以擴(kuò)散金屬催化劑，且通過擴(kuò)散的金屬催化劑結(jié)晶非晶硅層以形成多晶硅層。
因而，通過控制轉(zhuǎn)變成結(jié)晶核的金屬硅化物的金屬的數(shù)量，能夠控制多晶硅的晶粒尺寸，以及通過有助于結(jié)晶的金屬催化劑來決定晶粒尺寸的控制。因而，可以通過過濾氧化物層的擴(kuò)散阻擋能力來控制多晶硅的晶粒尺寸。即，可以通過控制過濾氧化物層的厚度來控制多晶硅的晶粒尺寸。
總之，當(dāng)過濾氧化物層的厚度是厚的，即過濾氧化物層的厚度接近20埃時(shí)，多晶硅層的晶粒尺寸較大，相反當(dāng)過濾氧化物層的厚度是薄的，即過濾氧化物層的厚度接近1埃時(shí)，多晶硅層的晶粒尺寸較小。
此處，如果過濾氧化物層的厚度大于20埃，則金屬催化劑幾乎不擴(kuò)散，則不會(huì)發(fā)生結(jié)晶，相反如果過濾氧化物層的厚度小于1埃，則過濾氧化物層沒有意義。因此，過濾氧化物層的厚度優(yōu)選在1到20埃的范圍中。
在不移除帽層和金屬催化劑層時(shí)進(jìn)行圖1D的第二次熱處理工藝。然而在第二次熱處理工藝之前，可以移除帽層和金屬催化劑層。而且，可在第一次熱處理工藝以后移除金屬催化劑層，并且可在第二次熱處理工藝以后移除帽層。此處，第二次熱處理工藝在400到1300℃的溫度時(shí)進(jìn)行，以及可以使用窯爐工藝、RTA工藝、UV工藝以及激光工藝中的一種或多種。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明制造的多晶硅層的平面的照片。圖2的多晶硅層是通過圖1A到1D工藝制造的多晶硅層。多晶硅層的結(jié)晶工藝簡單，因?yàn)椴恍枰_地控制金屬催化劑層的厚度，以及它與常規(guī)MIC或MILC技術(shù)相比也具有更少的外來金屬物質(zhì)留在多晶硅層上，從而能夠制作出具有泄漏電流小、晶粒尺寸大以及電子遷移率高的良好特性的多晶硅層。
圖3是示出使用根據(jù)本發(fā)明制造的多晶硅層制造TFT的工藝的截面圖。如圖1A到1D所示，在具有緩沖層202的襯底201上形成通過SGS結(jié)晶結(jié)晶化的多晶硅層和過濾氧化物層，如圖3所示，將多晶硅層和過濾氧化物層構(gòu)圖以形成半導(dǎo)體層203和過濾氧化物層圖案204a。同時(shí)，與通過不同的常規(guī)結(jié)晶技術(shù)形成的半導(dǎo)體層相比，由于過濾氧化物層而在半導(dǎo)體層上殘留少量的金屬催化劑，所以半導(dǎo)體層具有良好的泄漏電流。
接著，在具有過濾氧化物層圖案和半導(dǎo)體層的襯底上形成氧化硅層或/和氮化硅層的單層或雙層。此處，過濾氧化物層圖案204a以及氧化硅層或/和氮化硅層的單層或雙層作為TFT的柵絕緣層204。
接著，在柵絕緣層204的預(yù)定部分上形成柵電極205，且形成層間絕緣體206以保護(hù)更低部分的結(jié)構(gòu)。蝕刻層間絕緣體和柵絕緣層以形成接觸孔，然后形成源和漏電極以填滿接觸孔，從而完成TFT。
制成的TFT是通過過濾氧化物層控制了金屬催化劑數(shù)量的TFT，以便與MIC或MILC技術(shù)相比保留少量的金屬催化劑，且半導(dǎo)體層具有多晶硅層的大晶粒尺寸，柵絕緣層由部分過濾氧化物層形成。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明制造的TFT具有良好特性，因?yàn)橥ㄟ^金屬催化劑很難擴(kuò)散的過濾氧化物層來控制有助于結(jié)晶的金屬催化劑的量，通過受控金屬催化劑形成具有大晶粒尺寸的多晶硅層，以及使留在多晶硅層上的金屬催化劑的量最小化。
權(quán)利要求
1.一種薄膜晶體管，包括絕緣襯底；以及形成在襯底上的半導(dǎo)體層、柵絕緣層、柵電極、層間絕緣體以及源/漏極，其中該柵絕緣層由具有1到20埃厚度的過濾氧化物層形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管，其中該柵絕緣層具有氧化硅層或/和氮化硅層的單層或雙層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管，其中該半導(dǎo)體層由通過超晶粒硅(SGS)結(jié)晶技術(shù)結(jié)晶的多晶硅層形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管，其中該過濾氧化物層過濾金屬催化劑的擴(kuò)散，以便少量的金屬催化劑被擴(kuò)散。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管，其中該過濾氧化物層通過CVD或PVD技術(shù)沉積或者是通過UV氧化技術(shù)、熱氧化技術(shù)、氧等離子體氧化技術(shù)或自然氧化技術(shù)形成的氧化物層。
6.一種薄膜晶體管，包括絕緣襯底；以及半導(dǎo)體層、柵絕緣層、柵電極、層間絕緣體以及源/漏極，其中該柵絕緣層由過濾自然氧化物層形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的晶體管，其中該柵絕緣層具有氧化硅層或/和氮化硅層的單層或雙層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的晶體管，其中該半導(dǎo)體層通過由超晶粒硅(SGS)結(jié)晶技術(shù)形成結(jié)晶的多晶硅層形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的晶體管，其中該過濾自然氧化物層過濾金屬催化劑的擴(kuò)散，以便少量的金屬催化劑被擴(kuò)散。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的晶體管，其中該過濾自然氧化物層是暴露非晶硅層的表面在空氣或真空中自然形成的自然氧化物層。
11.一種制造薄膜晶體管的方法，包括制備絕緣襯底；在該襯底上形成非晶硅層；在該非晶硅層上形成過濾氧化物層和帽層；在該帽層上沉積金屬催化劑；進(jìn)行第一次熱處理以擴(kuò)散該金屬催化劑穿過帽層和過濾氧化物層移動(dòng)到過濾氧化物層和非晶硅層之間的界面；進(jìn)行第二次熱處理以通過擴(kuò)散的金屬催化劑結(jié)晶非晶硅層，以形成多晶硅層；移除該帽層；構(gòu)圖該過濾氧化物層和該多晶硅層以形成半導(dǎo)體層；在該襯底之上形成柵絕緣層；以及在該襯底之上形成柵電極并形成層間絕緣體和源/漏電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該過濾氧化物層是熱氧化物層或自然氧化物層。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該過濾氧化物層具有1到20埃的厚度。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該帽層具有1到2000埃的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該帽層由氮化硅層形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中形成該柵絕緣層的步驟包括在其上形成有過濾氧化物層圖案的襯底上形成氧化物層或氮化物層的單層或雙層。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該第一次熱處理在200到800℃的溫度下進(jìn)行。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該第二次熱處理在400到1300℃的溫度下進(jìn)行。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該第一次熱處理或第二次熱處理使用窯爐工藝、RTA工藝、UV工藝以及激光工藝中的一種或多種。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中該金屬催化劑包括Ni、Pd、Ti、Ag、Au、Al、Sn、Sb、Cu、Co、Mo、Tr、Ru、Rh、Cd以及Pt中的一種或多種。
21.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中通過擴(kuò)散的金屬催化劑結(jié)晶非晶硅層以形成多晶硅層的步驟是擴(kuò)散的金屬催化劑轉(zhuǎn)變成金屬硅化物以及通過金屬硅化物結(jié)晶非晶硅層以形成多晶硅層的步驟。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中結(jié)晶步驟是使用金屬硅化物作為結(jié)晶核以及從金屬硅化物橫向生長多晶硅的步驟。
23.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中過濾氧化物層阻擋金屬催化劑的擴(kuò)散，以便少量金屬催化劑擴(kuò)散到過濾氧化物層和非晶硅層之間的界面。
24.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中通過使用氧等離子體在功率為100到1000W、時(shí)間在10到1000秒、壓力在70到400Pa的條件下或通過暴露非晶硅層在空氣或含氧的真空中來形成該過濾氧化物層。
25.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，進(jìn)一步包括，在第一次或第二次熱處理后移除該金屬催化劑層和帽層。
26.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，進(jìn)一步包括，在第一次熱處理以后移除該金屬催化劑層以及在第二次熱處理后移除該帽層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜晶體管及其制造方法。薄膜晶體管包括絕緣襯底；和在襯底上形成的半導(dǎo)體層、柵絕緣層、柵電極、層間絕緣體以及源/漏電極，其中柵絕緣層由具有1到20埃厚度的過濾氧化物層形成。
文檔編號H01L21/336GK1734788SQ20041010337
公開日2006年2月15日 申請日期2004年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月13日
發(fā)明者李根洙, 樸炳建 申請人:三星Sdi株式會(huì)社