直接沉积多晶硅的方法.pdf

一种用以在等离子辅助化学气相沉积(CVD)系统中形成多晶硅膜的方法，该系统包括其中设置第一电极及与该第一电极隔开的第二电极的室，该方法包含在该第二电极上提供基板，该基板包括暴露至第一电极的表面；施加第一功率至第一电极，用于在该室内产生等离子；在多晶硅膜的成核阶段期间施加第二功率至该第二电极，用于离子轰击该基板的表面，且将侵蚀气体流入该室中。

1.  一种用以在等离子辅助化学气相沉积(CVD)系统中形成多晶硅膜的方法，其特征是该系统包括其中设置第一电极及与该第一电极隔开的第二电极的室，该方法包含：
在该第二电极上提供基板，该基板包括暴露于该第一电极的表面；
施加第一功率至该第一电极，用于在该室内产生等离子；
在该多该晶硅膜的成核阶段期间施加第二功率至该第二电极，用于离子轰击该基板的表面；且
使侵蚀气体流进该室。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间施加射频(RF)电压、直流(DC)电压、交流(AC)电压或脉冲电压中的一个至该第二电极。

3.  根据权利要求2所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间施加在将近100到1000瓦特范围中的RF电压至该第二电极。

4.  根据权利要求2所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间施加在将近0到600伏特范围中的DC电压至该第二电极。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含将包括SiF₄与氢气、或SF₆与氢气中的一种的侵蚀气体流入该室。

6.  根据权利要求5所述的方法，其特征是进一步包含流动包括SiF₄与氢气的侵蚀气体，其中SiF4与氢气的比例在从将近1∶10到1∶100范围中。

7.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间将该侵蚀气体流入该室。

8.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段后的该多晶硅膜的成长阶段期间，将该侵蚀气体流入该室。

9.  根据权利要求7所述的方法，其特征是进一步包含使氩(Ar)、硅烷(SiH₄)、氢气(H₂)气体流入该室。

10.  根据权利要求8所述的方法，其特征是进一步包含使硅烷(SiH₄)及氢气流入该室。

11.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含维持该基板在将近25℃至500℃范围中的温度。

12.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含玻璃基板或聚合物基板中的一种。

13.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的成长阶段期间施加DC电压、AC电压或脉冲电压中的一种至该第二电极。

14.  根据权利要求1所述的方法，其特征是进一步包含产生密度在将近10¹¹到10¹³cm^-3范围中的等离子。

15.  一种用以在等离子辅助化学气相沉积(CVD)系统中形成多晶硅膜的方法，其特征是该系统包括其中设置第一电极及与该第一电极隔开的第二电极的室，该方法包含：
在该第二电极上提供基板，该基板包括暴露至该第一电极的表面；
施加第一功率至该第一电极，用于在该室内产生等离子；及
在该多晶硅膜的成核阶段期间施加第二功率至该第二电极或该基板中的一个，用于离子轰击该基板的表面。

16.  根据权利要求15所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间将侵蚀气体流入该室。

17.  根据权利要求15所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段后的该多晶硅膜的成长阶段期间，将侵蚀气体流入该室。

18.  根据权利要求16所述的方法，其特征是进一步包含以从将近1∶10到1∶200范围中的比例将SH₄与氢气气体流入该室。

19.  根据权利要求17所述的方法，其特征是进一步包含以从将近1∶10到1∶200范围中的比例将SH₄与氢气气体流入该室。

20.  根据权利要求15所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间施加射频(RF)电压至该第二电极或基板中的一个。

21.  根据权利要求15所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间施加直流(DC)电压至该第二电极或基板中的一个。

22.  根据权利要求15所述的方法，其特征是进一步包含将包括SiF₄与氢气、或SF₆与氢气其中一种的侵蚀气体流入该室。

23.  根据权利要求15所述的方法，其特征是进一步包含流动包括SiF₄与氢气的侵蚀气体，其中SiF4与氢气的比例在从将近1∶10到1∶100的范围中。

24.  一种用以在等离子辅助化学气相沉积(CVD)系统中形成多晶硅膜得方法，其特征是该系统包括其中设置第一电极及与该第一电极隔开的第二电极的室，该方法包含：
在该第二电极上提供基板，该基板包括暴露至该第一电极的表面；
在该多晶硅膜的成核阶段及在该成核阶段后的成长阶段期间在该室内产生等离子；
在该多晶硅膜的该成核阶段期间离子轰击该基板的表面；且
化学侵蚀该基板的表面。

25.  根据权利要求24所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间施加射频(RF)电压、直流(DC)电压、交流(AC)电压或脉冲电压中的一个至该第二电极。

26.  根据权利要求24所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成长阶段期间施加射频(RF)电压、直流(DC)电压、AC电压或脉冲电压中的一种至该基板。

27.  根据权利要求24所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成核阶段期间将包括SiF₄与氢气、或SF₆与氢气其中一种的侵蚀气体流入该室。

28.  根据权利要求24所述的方法，其特征是进一步包含在该多晶硅膜的该成长阶段期间将包括SiF₄与氢气或SF₆与氢气中的一种的侵蚀气体流入该室。

29.  根据权利要求24所述的方法，其特征是进一步包含将包括SiF₄与氢气的侵蚀气体流入该室，其中SiF4与氢气的比例在从将近1∶10到1∶100的范围中。

30.  根据权利要求24所述的方法，其特征是进一步包含产生密度在将近10¹¹到10¹³cm^-3范围中的等离子。

直接沉积多晶硅的方法
技术领域
本发明广义上涉及一种半导体制造方法，且更特别的涉及一种通过等离子辅助化学气相沉积(“CVD”)工艺形成多晶硅膜的方法。
背景技术
在平面面板显示(“FPD”)装置、薄膜电晶体(“TFT”)及液晶单元的制造中，金属互连件及其他特征是通过沉积及/或从玻璃基板移走导电、半导和介电材料的多层而形成。用于制造多结晶硅(以下称多晶硅)TFT的公知方法中的一种是固相结晶作用(“SPC”)。在LCD装置中，因为正常玻璃基板仅能在600℃以下的温度工作，故在高温下直接制造多晶硅膜将使玻璃基板扭曲。SPC方法通过使用昂贵的石英基板而克服高温问题。然而，其仅能制造小尺寸的LCD面板。在称为偏压增强成核(“BEN”)方法中，钻石以高密度在铂或铂合金基板上成核，可通过在沉积钻石开始时施加偏压于含碳的等离子气氛中的基板而可行。在BEN方法中，为了钻石成长，在已知CVD方法中，可使用诸如微波等离子CVD、射频等离子CVD、热丝CVD、DC等离子CVD方法、等离子喷射、燃烧、热CVD及其类似者。BEN方法之实施例可在Yugo等的“通过等离子化学气相沉积中之电场的钻石核之产生(Generation of Diamond Nuclei by Electric Field in PlasmaChemical Vapor Deposition)”，Appl.Phys.Lett.，58(1991年)，1036。该BEN方法有效是因为当含碳原子的离子由于偏压而通过电场被吸附至基板时，基板表面迅速地因含碳原子而过饱和，且因此更容易形成及成长钻石核。
已经开发出低温多晶硅(“LTPS”)制造工艺，用于制造液晶显示器(“LCD”)装置的TFT阵列。低温多晶硅具有比非晶硅(a-Si)快将近100倍的电子移动率的特征。因而，与非晶硅比较，低温多晶硅的各像素皆具有更快速的反应时间及更小的外形尺寸。
在低温制造多晶硅TFT的公知方法可包括准分子激光退火(“ELA”)及CVD工艺。与SPC方法相比，ELA方法可容许较低温的结晶温度。然而，由激光提供的瞬间温度可能会损坏聚合物基板。由于聚合物基板比玻璃基板在将来更具应用性，ELA方法仍可能有温度方面的问题。此外，在大量生产中，ELA方法的成本并不低，因为ELA设备较昂贵。
在CVD方法中，低温多晶硅膜通过使非晶硅膜结晶而形成。用来产生TFT装置的处理技术可包括等离子增强化学气相沉积(“PECVD”)及其类似者等。由于沉积膜所需的相对较低处理温度及等离子工艺产生的良好膜品质，等离子处理可充分适于TFT装置的生产。CVD方法的实施例披露于Kakinuma等的“在低温通过等离子气相沉积制备的多晶硅膜的结构化特性(Structural Properties of Polycrystalline Silicon Films Prepared at LowTemperature by Plasma Vapor Deposition.)”，J.Appl.Phys.，70(1991年)，7374；以及Won等的“通过感应耦合等离子化学气相沉积所沉积的多晶硅膜的研究(Study of Polycrystalline Silicon Films Deposited by InductiveCouple Plasma Chemical Vapor Deposition)”，Journal of the Korean PhysicalSociety，Vol.39，第123至126页，(2001年)。虽然CVD方法可能看似比SPC及ELA方法更有优势，但已出版的研究文献已指出以一般CVD方法中很难达到在基板上成膜即形成多晶硅状态，需直到成长将近100到1000埃()的膜的非晶硅孕核层，其后才有多晶硅的形成，其缺点是需要较长的制造时间。CVD方法大体上可用于制造顶部栅极TFT元件。然而，并不建议以CVD方法制造底部栅极TFT元件。如此制造的底部栅极TFT元件可能由于供应的电流与电压应力造成底部非晶硅伤害而遭遇临限电压(VTH)偏移，导致提早恶化。以一般CVD方法沉积低温多晶硅于制造有机发光二极管(OLED)尚须在技术上有多改进。一般CVD方法用来沉积低温多晶硅其沉积速率大约0.1到1埃/秒的相对较低沉积率，导致不合乎需求的输出速率。
因此需要一种用于制造多晶硅膜的方法，其克服上述公知方法的缺点以获得较大的制造产出率、在大表面上更好的一致性及更薄的沉积层。
发明内容
本发明涉及一种可消除已有技术的限制与缺点所造成的一个或多个问题的方法。
本发明之一具体实施例提供一种用以在等离子辅助化学气相沉积(CVD)系统中形成多晶硅膜的方法，该系统包括其中设置第一电极及与第一电极隔开的第二电极的室，该方法包含在该第二电极上提供基板，该基板包括暴露至该第一电极的表面；施加第一功率至该第一电极，用于在该室内产生等离子；在多晶硅膜成核阶段期间施加第二功率至该第二电极，用于离子轰击该基板的表面；且使侵蚀气体流入该室。
同时，本发明提供一种用以在等离子辅助化学气相沉积(CVD)系统中形成多晶硅膜的方法，该系统包括其中设置第一电极及与该第一电极隔开的第二电极的一室，该方法包含在该第二电极上提供基板，该基板包括暴露至该第一电极的表面；施加第一功率至该第一电极，用于在该室内产生等离子；及在多晶硅膜成核阶段期间施加第二功率至第二电极或基板中的一个，用于离子轰击该基板的表面。
本发明进一步提供一种用以在等离子辅助化学气相沉积(CVD)系统中形成多晶硅膜的方法，该系统包括其中设置第一电极及与该第一电极隔开的第二电极的室，该方法包含在该第二电极上提供基板，该基板包括暴露至该第一电极的表面；在多晶硅膜的成核阶段及在该成核阶段后的成长阶段期间，在该室内产生等离子；在多晶硅膜成核阶段期间离子轰击该基板的表面；且化学侵蚀该基板的表面。
于下文的说明中将部分提出本发明的其他特点与优点，而且从该说明中将了解本发明其中一部分，或者通过实施本发明亦可得知。通过随附的权利要求中特别列出的元件与组合将可了解且实现本发明的特点与优点。
应该了解的是，上文的概要说明以及下文的详细说明都仅供作例示与解释，其并未限制本文所主张的发明。
附图说明
当并同各附图而阅览时，即可更佳地了解本发明之前披露的摘要以及上文详细说明。为达本发明的说明目的，各附图里绘制有现属较佳的各具体实施例。然应了解本发明并不限于所绘的精确排置方式及设备装置。
在各图式中：
图1是依据本发明之一具体实施例用以形成多晶硅膜的系统示意图；
图2是显示依据本发明之一具体实施例用于形成多晶硅膜的方法示意图；
图3A及3B是分别显示由依据本发明一具体实施例的方法形成的多晶硅膜平面图及断面图的TEM(透射电子显微镜)照片图；及
图4是在图3A及3B中所示的多晶硅膜上Raman光谱分析的图形。
主要元件标记说明
10    系统/等离子辅助化学反应系统
12    室
12-1  第一电极
12-2  第二电极
14    第一功率产生器
14-1  匹配网路
16    第二功率产生器/第二电源供应器
18    气体控制器
20    热控制器
22    提升机构
24    泵
30    基板
30-1  表面
具体实施方式
图1是依据本发明具体实施例用于形成多晶硅膜系统10的示意图。参考图1，系统(等离子辅助化学反应系统)10包括室12，第一功率产生器14及第二功率产生器16。除第二功率产生器16外，系统10可包括由Applied Komatsu Technology制造的AKT-1600 PECVD系统、由AppliedMaterials公司制造的高密度等离子CVD(HDPCVD)系统、或感应耦合等离子CVD(ICP-CVD)系统。然而，本发明不限于上述系统且可配合其他市场上可用的沉积系统使用。
置于室12中的基板30(玻璃或聚合物材料)配置有一对平行板电极，包括第一电极12-1及第二电极12-2。第一电极12-1的功能为气体进入歧管或莲蓬头，由气体控制器18提供的反应气体通过其流入室12中。第二电极12-2与第一电极12-1分离若干英寸，其功能为支撑或保持基板30。在沉积期间，由第一功率产生器14通过匹配网路14-1提供的射频(RF)电压，施加于第一电极12-1，以在室12的反应气体中产生等离子。该等离子造成反应气体分解及沉积一层材料在基板30的暴露表面30-1上。第二电源供应器16提供RF电压、直流(DC)电压、交流(AC)电压或脉冲电压至第二电极12-2，以在第一电极12-1及第二电极12-2间产生电场。第二电源供应器16的沉积工艺及操作将参考图2于下文中详尽讨论。
系统10进一步包括热控制器20、提升机构22及泵24。热控制器20提供电力至加热器(图中未示出)，用以在沉积期间加热基板30以达到或保持第二电极12-2在适当温度水平。提升机构22设置以支撑第二电极12-2在适当高度水平。泵24用来排空室12至真空状态。
图2是显示依据本发明一具体实施例用于形成多晶硅膜的方法示意图。沉积工艺是在反应分子前驱体及基板30间的化学反应的结果。将会构成膜的初始原子及分子是作为前驱体传送，其是从图1所示的气体控制器18馈入。需求的反应是沉积纯膜在基板30的表面30-1上且消除包含前驱体的额外原子或分子。
参考图2，沉积工艺至少包括成核阶段及成长阶段。该成核阶段是假设在稳定材料的膜沉积在基板30表面30-1上的成核位置时。基板30在表面30-1上具有许多键结位置(其中在沉积期间会发生化学结合)，造成气体原子及分子会化学附着至表面30-1。然而，该反应不会发生在所有可能的键结位置。大体上，具有不规则布局或杂质的缺陷位置可能会捕获分子前驱体。为提供更多此等缺陷位置，同时参考图1，第二电源供应器16在成核阶段期间提供偏压至第二电极12-2，以在第一电极12-1及第二电极12-2间产生电场，导致在表面30-1上的离子轰击效应。在另一具体实施例中，第二电源供应器16在成核阶段期间提供偏压至基板30。离子轰击有助于供初始反应产品的缺陷位置的形成，即成核晶种。成核晶种固定且扩散分子前驱体具有高可能性与其碰撞且反应，导致亚稳团簇的成长。随着亚稳团簇(metastable cluster)变大，大多数碰撞发生在亚稳团簇的边界。由于亚稳团簇进一步三维地成长，大多数结合及反应过程发生在亚稳团簇的上表面上，导致临界团簇的形成。最终，在成长阶段中，临界团簇的垂直成长导致晶粒的形成，其最后聚结成为连续膜。
在根据本发明之一具体实施例中，由第一电源供应器提供的RF功率在将近13.56MHz频率处为约600瓦特。所产生的等离子密度是将近1011到10¹³cm^-3，其与少一或两个数量级的较低密度相比，有助于以更短培养时间及更薄的培养层来成核。在一方面，第二电源供应器16在13.56MHz处提供从将近100到1000瓦特范围中的RF功率。另一方面中，第二电源供应器16提供从将近0到600伏特范围中的直流偏压。在另一方面中，第二电源供应器16在将近0到400Hz的频率处提供从将近0到500伏特范围中的交流偏压。在再另一方面中，第二电源供应器16提供脉冲电压，例如以在单一方向(即，正或负)发射的方波的形式。脉冲电压范围在将近0到400Hz的频率处为约0到500伏特，其具有1到10μm/秒的脉冲宽度。室12被排空到将近10^-3托(Torr)的压力。反应气体包括硅烷(SiH₄)、氢(H₂)及氩(Ar)。在一具体实施例中，氩气将近0到50sccm，硅烷将近50sccm，且硅烷与氢气的比例将近1∶10至1∶100。基板30保持在将近25℃至500℃的温度。培养层范围将近从300埃到500埃，在该厚度非晶硅是结晶成多晶硅。
在成长阶段期间，会实行化学侵蚀工艺以移走在培养层上表面上微弱键结的非晶硅或硅分子。然而，在另一具体实施例中，化学侵蚀工艺是在成核阶段中实行。因为分离的成核位置可导致基板30表面30-1上的晶粒边界及空洞的形成，在其中可能的键结位置无法与分子前驱体键结，移走微弱键结材料有助于减少培养时间及培养层厚度。包括SiF₄与氢气或SF₆与氢气的侵蚀气体用于化学侵蚀工艺中。在根据本发明的一具体实施例中，SiF₄对氢气的比例范围从约1∶10到1∶100。在一方面中，SiF₄是1sccm且氢气是10sccm。在另一具体实施例中，在成长阶段期间，第二电源供应器16提供将近50伏特的DC偏压至第二电极12-2或基板30，以形成凝结多晶硅膜。在又另一具体实施例中，第二功率供应器16在将近0到400Hz的频率处提供范围从将近0到50伏特的AC偏压。在再另一具体实施例中，第二电源供应器16在将近0到400Hz的频率处提供约0到50伏特的脉冲电压，其具有将近1到10μm/秒的脉冲宽度。再者，在成长阶段期间，反应气体氩气被中断，硅烷保持约在50sccm，且硅烷与氢气的比例是约1∶10到1∶100。
图3A及3B分别显示由依据本发明一具体实施例的方法形成的多晶硅膜的平面图及断面图的TEM(透射电子显微镜)照片图。参考图3B，该膜的LTPS状态是在该膜成长至将近500埃时达成。
图4是在图3A及3B中所示多晶硅膜上Raman光谱分析的图形。参考图4，信号发生在520cm^-1的波数处，其指示已经形成多晶硅。
所属技术领域的技术人员应即了解可对上述各项具体实施例进行变化，而不致悖离其广义的发明性概念。因此，应了解本发明并不限于本说明书披露的特定具体实施例，而应为涵盖归属如权利要求所定义的本发明精神及范围内的改进。
另外，在说明本发明的代表性具体实施例时，本说明书可将本发明的方法及/或制造工艺表示为特定的步骤次序；不过，由于该方法或制造工艺的范围并不是在本文所提出的特定步骤次序，故该方法或制造工艺不应受限于所述的特定步骤次序。身为所属技术领域的技术人员当会了解其它步骤次序也是可行的。所以，不应将本说明书所提出的特定步骤次序视为对权利要求的限制。此外，亦不应将有关本发明的方法及/或制造工艺的权利要求仅限制在以书面所载的步骤次序实施，所属技术领域的技术人员易于了解，上述这些次序亦可加以改变，并且仍涵盖于本发明的精神与范畴之内。