非晶矽形成多晶矽結晶法簡介 非晶矽形成多晶矽結晶法簡介 非晶矽形成多晶矽結晶法簡介 非晶矽形成多晶矽結晶法簡介

2.1.1 固相結晶法

固相結晶法固相結晶法(Solid Phase Crystallization；固相結晶法 ；；；SPC)

SPC[13][14]是一種間接生成多晶矽的方法，其非晶矽固體發生 再結晶化的溫度低於其熔融後結晶的溫度。這種方式先以矽甲烷氣體 作為原材料，用低壓化學氣相沉積或是電漿輔助化學氣相沉積方法沈 積非晶矽薄膜，然後再用 600 ℃以上高溫熱處理的方法使其轉化為 多晶矽薄膜。薄膜在 600 ℃以上的高溫下熔化，然後在溫度稍低的 時候成核發生，隨著溫度的降低，熔融的矽在晶核上繼續晶化晶粒成 長，而使晶粒增大轉化為多晶矽薄膜，在 SPC 中，結晶化所需的活 化能約在 3.0eV 左右。使用這種方法，退火溫度是影響多晶矽薄膜晶 粒大小的重要因素；此外，多晶矽晶粒尺寸還與初始薄膜的無序化程 度密切相關，初始薄膜材料越無序化，SPC 過程中的成核速率越低，

晶粒尺寸越大。

SPC 技術的優點是能製備大面積的薄膜，晶粒尺寸大於直接沈積 的多晶矽、成本低、製程簡單，所製造的薄膜電晶體相對於其他擁有 更好的均勻性表現。由於 SPC 是在非晶矽熔融溫度下結晶，屬於高 溫晶化過程，比較不符合經濟效益，且不適用於玻璃基板，需使用耐 高溫之石英或單晶矽基板。另一種低溫的固相結晶化，其熱處理的溫 度低於 600 ℃，一般介於 500 ℃~600 ℃之間，但是所得到晶粒尺寸 是介於非晶矽與多晶矽之間的微晶矽(µc-Si)其晶粒尺寸較小在 0.1µm 以下，缺點為晶界多、缺陷多，所製作的薄膜電晶體電特性比多晶矽 來的差，另外退火時間需長達數十個小時以上並不符經濟效益，所以 產業界幾乎不採用此方式。

2.1.2 金屬誘發側向結晶法

金屬誘發側向結晶法金屬誘發側向結晶法(Metal-induced lateral crystallization；金屬誘發側向結晶法 ；；；

MILC)

MILC[14][15]屬於 SPC 方法之一，與傳統的 SPC 技術比較，此方

法能在較低溫度下（約 500 ℃~ 600 ℃）製造出多晶矽，其原理是利 用金屬在低溫下與矽反應形成金屬矽化物進而誘發非晶矽結晶。其製 程步驟，首先以低溫化學氣相沉積在玻璃基板上沉積非晶矽薄膜，再 利用物理氣相沉積(PVD)在非晶矽上濺鍍一層如鋁(Al)，銅(Cu)，金 (Au)，銀(Ag)，鎳(Ni)等金屬薄膜或將離子注入到非晶矽薄膜的內部 接著在 600 ℃下進行熱處理，即可誘發出多晶矽薄膜。主要原因是

薄層金屬在結晶形成前即先被包覆，而金屬在整個機制中扮演觸媒及 降低轉化成多晶矽所需活化能的角色，其所需活化能約在 0.7 eV。

MIC/MILC 製備多晶矽薄膜具有晶粒尺寸大、均勻性高、電學特性 佳、成本低、相連金屬掩蔽區以外的多晶矽也可以被晶化、生長溫度 低可使用玻璃基板，缺點是晶化持續時間在 10 小時左右，不符經濟 效益以及金屬污染所產生漏電流等問題待持續解決改進。

2.1.3 元件製作介紹

元件製作介紹元件製作介紹 元件製作介紹

1.成長濕式氧化層

成長濕式氧化層成長濕式氧化層成長濕式氧化層(Wet Oxide Growth) (1)在矽基板上成長濕式氧化層，成長厚度 500 nm。

(2)[圖圖圖圖.2-1、、、、圖圖圖圖.2-2] 成長濕式氧化層示意圖

2.底部閘極定義

底部閘極定義底部閘極定義底部閘極定義(The Bottom Gate)[圖圖圖圖.2-3]

(1)以水平爐管使用低壓化學氣相沉積(Low Pressure；

LPCVD)[16][17]方式沉積多晶矽閘極(Poly-Si Gate)，

沉積厚度為150 nm_。

(2)以 0 角度方式離子佈植(Implant)[18]多晶矽閘極 P 型閘極(P⁺ Gate)

<1>佈植離子:二氟化硼離子(BF2⁺⁴⁹)

<2>劑量:5x10¹⁵cm^-2

<3>能量:70KeV

<4>[圖圖圖.2-3] 圖

(3)進行多晶矽閘極蝕刻[圖圖圖.2-4、圖 、、、2-5]

<1>塗上光阻、鋪上光罩進行曝光。

<2>進行顯影(Development)，使光罩圖案轉移到光阻上。

<3>進行顯影後檢視（After Development Inspection, ADI）。

<4>進行Poly-Si乾式蝕刻，蝕刻厚度約160 nm。

<5>電漿(Plasma Ashing)方式去除光阻。

<6>純硫酸浸泡10分鐘，以完整去除光阻殘留。

3.沉積障壁氧化層

沉積障壁氧化層沉積障壁氧化層沉積障壁氧化層、、、、矽奈米晶體捕捉層以及穿隧氧化層矽奈米晶體捕捉層以及穿隧氧化層矽奈米晶體捕捉層以及穿隧氧化層矽奈米晶體捕捉層以及穿隧氧化層[圖圖圖.2-6、圖 、、2-7] 、 (1)爐管前清洗，STD Clean(SC1+SC2) + HF dip。

(2)將矽晶片送進水平爐管以低壓化學氣相沉積方式沉積TEOS(四 乙氧基矽烷)[19]障壁氧化層(Blocking oxide)，沉積厚度20 nm。

(3)使用臨場方式(in-situ)在相同爐管內進行氮化矽奈米晶體捕 捉層。

<step.1>在低壓爐管首先沈積3奈米厚的氮化矽薄膜，通入 二氯矽甲烷[SiH₂

Cl

2

(30sccm)]和氨氣[NH

3

(130sccm；

；； ；

780 ℃

℃℃)] ℃

<step.2>在同樣的爐管中，把之前沉積所剩下的氣體抽光，通入

氣體SiH₂Cl₂用來成長矽奈米晶體(Si-dot)，沈積時間為30 秒。

<step.3> 再次通入氣體SiH₂Cl₂ + NH₃，沉積氮化矽厚度為3奈米。

(4)繼續利用TEOS沉穿隧氧化層(Tunnel oxide)沉積厚度10 nm。

4.非晶矽誘發長成多晶矽

非晶矽誘發長成多晶矽非晶矽誘發長成多晶矽非晶矽誘發長成多晶矽[圖圖圖圖.2-8]

(1)利用水平爐管沉積方式先沉積一層非晶矽薄膜層。

(2)塗上光阻(Coating PR)，鋪上光罩，進行曝光顯影。

(3)使用電子束蒸鍍機(E-gun)濺鍍鎳(Ni)金屬薄膜於非晶矽 層(α-Si)上,薄膜厚度為5 nm。

(4)泡入丙酮(ACE)溶液+超音波震盪方式去除鎳金屬與光阻。

(5)將矽晶片送進水平爐管開始進多晶矽結晶化，使非晶矽薄 膜形成多晶矽薄膜。

(a) SPC結晶溫度為600 ℃,結晶時間24小時。

(b) MILC結晶溫度為520 ℃,結晶時間24~48小時(視均勻度)。

5.形成源

形成源形成源形成源(Source)、、、汲極、汲極汲極(Drain)區域汲極 區域區域區域[圖圖圖圖.2-9]

(1)塗上光阻(Coat PR)。

(2)鋪上光罩，進行曝光、顯影。

(3)進行源/汲極離子佈植(Implant split)，離子種類為磷離子 (P⁺³¹)， Energy 同為15keV。

(a)A元件劑量5×10¹⁵cm^-2 (b)B元件劑量1×10¹⁵cm^-2 (c)C元件劑量5×10¹⁴cm^-2 (d)D元件劑量5×10¹⁵cm^-2

(4)以電漿(Plasma Ashing)方式去除光阻。

(5)純硫酸浸泡10分鐘，以完整去除光阻殘留。

(6)進行Activation Anneal退火活化離子，同時讓原子晶格位 置重新排列[圖圖圖圖.2-10]矽晶格佈植前後示意圖矽晶格佈植前後示意圖矽晶格佈植前後示意圖矽晶格佈植前後示意圖。

6 金屬連線

金屬連線金屬連線金屬連線，，，，元件製程完成元件製程完成元件製程完成元件製程完成 (1)形成Contact hole區域。

(2)以緩衝蝕刻液(BOE) dip 5秒，吃去contact hole中的矽氧化物，以 利金屬可以確切接觸到源極、汲極、閘極區域。

(3)以濺鍍（E-gun）的方式在晶片表面沉積上金屬層，此金屬層為 金屬鋁（Al），沉積厚度為500 nm。

(4)進行Metal Pad的曝光、顯影。定義源極、汲極、閘極三個地區 最後的鋁金屬接觸形狀，作為元件完成後在量測時探針所接觸的 地方。

(5)進行金屬蝕刻(Metal Etch)。

(6)剝除光阻。

(7)將晶片送入高溫爐管(400度C/30分鐘)進行製程結束前最後一 道熱製程，稱為Sintering，其目的在使金屬與矽之間的接觸更 加緊密，有助於金屬與矽之間歐姆性接觸（Ohmic contact）

的形成，同時也能填補矽的空隙以及矽跟氧化層之間的空隙，

讓元件的效能更好，擁有更好的電流驅動力。

(8)元件製作完成[圖圖圖圖.2-11、、、、2-12]。

在文檔中 具矽奈米晶體捕捉層之底部閘極多晶矽薄膜非揮發性記憶體元件 (頁 27-33)