CN101123183A

CN101123183A - 半导体薄膜制造方法及装置、光束成形掩模及薄膜晶体管

Info

Publication number: CN101123183A
Application number: CN 200710142475
Authority: CN
Inventors: 中田充
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: Hannstar Display Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: CN101123183B; CN101419913B; CN101419913A; CN101123184A

Abstract

提供一种半导体薄膜的制造方法，其能够减少半导体薄膜中的晶粒边界的数量并还能够控制晶粒边界的方向。如图6(1)中所示，当第一光束辐射到非晶硅上时，放射状地形成具有位于中心的凹形的顶端的温度梯度。从而，如图6(2)中所示，在凹形顶端中形成不仅是在光束宽度方向上而且是在光束长度方向上生长的晶粒。在第二光束等之后，利用在凹形顶端中所形成的晶粒作为籽晶重复生长。结果，与常规窄线光束的情况相比，用位于起点的凹形的顶端形成有更宽宽度的条状晶粒。此外，通过设定凹形图案的周期在垂直于光束扫描方向的方向上等于或小于晶粒直径，能够形成连续成直线排列的条状晶粒。

Description

半导体薄膜制造方法及装置、光束成形掩模及薄膜晶体管

本发明是申请日为2005年3月31日、申请号为200510056200.X(代理人案卷号SPI051307-45)的同一发明名称的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于制造特别具有可控晶粒边界的半导体薄膜的一种方法及一种装置，以及涉及一种薄膜晶体管。

背景技术

作为用于构成液晶显示器中的像素的开关器件，使用形成在玻璃衬底上的薄膜晶体管(下文中简称为“TFT”)。近年来，除取得高度精细的液晶显示器以外，还存在用于提高TFT的运行速度的逐渐增长的需要，以便取得玻璃上系统，并且已关注用于形成高品质激光退火的多晶硅TFT的技术。

按图1所示的方式制造上述TFT。例如，如图1(1)中所示，非晶硅1201形成在于玻璃衬底1203的表面上所形成的绝缘膜1202上。然后，如图1(2)中所示，通过辐射激光1204到非晶硅1201的表面上形成多晶硅1201′。接着，如图1(3)中所示，在所得到的多晶硅1201′上形成源区1207、漏区1209、以及夹在源区1207和漏区1209之间的沟道(有源层)1208。在其上形成栅极绝缘膜1212和栅电极1206。在形成覆盖栅电极1206和栅极绝缘膜1212的层间绝缘膜1211之后，形成贯穿层间绝缘膜1211和栅极绝缘膜1212的接触孔。然后，在层间绝缘膜1211上，分别形成连接源区1207的接触孔的源电极1205和连接漏区1209的接触孔的漏电极1206。由此，完成TFT。

最近，存在用于进一步提高多晶TFT的运行速度的更加逐渐增长的需要。当沟道内的载流子(电子或空穴)的迁移率变得更大时，运行变得更快。然而，当在沟道内具有大量的晶粒边界时，降低了载流子的迁移率。因此，如下所述提出了关于提高载流子迁移率的技术，其中通过控制激光退火时晶体生长，减少了沟道内晶粒边界的数量。

第一现有技术

在“在SiO₂上薄硅膜的连续横向固化(Sequential lateralsolidification of thin silicon film on SiO₂)”(Robert S.Sposili和James S.Im，应用物理学(Appl.phys.)Lett69(19)1996第2864-2866页)中公开了一种用于通过扫描窄线光束在扫描方向上形成大晶粒的技术。下面将介绍该技术。

首先，如图2(1)中所示，用指定的掩模使脉冲激光成形为窄线光束1302，并且沿衬底扫描成形的窄线光束1302以辐射到衬底的非晶硅1301上。从而，依序加热(退火)非晶硅1301。

如图2(2)中所示，通过窄线光束1302的第一次辐射，如下进行已溶解的非晶硅膜的结晶。首先，每个晶体向具有窄线扫描方向(光束宽度方向)的终止位置的已溶解区域的中心生长，其是位于起点的与相邻的未溶解区之间的固相和液相的界面。结果，固化的部分成为结晶的多晶硅1301′。而且，每个晶体在中心区域和附近碰撞，并中断了生长，由此在这些区域中形成晶粒边界。在垂直于扫描方向的方向(光束长度方向)上，沿扫描方向产生了大量晶粒边界。

随后，如图2(3)中所示，进行窄线光束1302′的第二次辐射。第二次窄线光束1302′的扫描量等于或小于沿第一次窄线光束1302的扫描方向结晶的晶粒的颗粒大小。

然后，如图2(4)中所示，根据第二次窄线光束1302′的辐射，使用由第一次辐射生长的晶粒作为籽晶进行晶体生长。

通过依序扫描激光辐射区重复非晶硅1301的溶解和结晶，可以形成沿扫描方向延伸的晶粒1303，如图2(5)中所示。

第二现有技术

日本专利待审公开No.11-64883公开了一种用于通过使光束成形为锯齿形光束形状来扫描和辐射的技术，通过利用包括图3(1)中所示的锯齿形图案中的屏蔽部分1402和透射部分1401的屏蔽掩模让光束穿过透射部分1401。在该技术中，用位于起点的光束图案的顶点，进行不仅在扫描方向上的生长，而且在垂直于扫描方向的方向上的晶体生长。结果，如图3(2)中所示，已公开了，能够形成其中按照锯齿形图案的周期控制定位的晶粒1502。在图3(2)中，参考数字1501是高密度晶粒边界区，1503是晶粒边界。

在第一现有技术所述的激光退火的情况下，能够在激光的扫描方向上(在光束宽度方向上)延伸晶粒。然而，在与激光的扫描方向正交的方向(光束长度方向)上没有温度梯度，使得在光束长度方向上任意地产生晶粒边界。因此，可以产生这种缺点使得中断晶粒的生长，并使得光束长度方向上的晶粒+变成1μm那样短。结果，当通过提供沟道以便载流子平行于扫描方向移动来制造TFT时，由于不可控制晶粒边界的位置，所以具有在沟道中所产生的晶粒边界。从而，恶化了载流子的迁移率，并增加了迁移率和阈值电压的波动。此外，当通过提供沟道以便载流子沿垂直于扫描方向的方向移动来制造TFT时，由于不可控制晶粒边界的位置，所以具有由于截断载流子的跃迁在沟道中所产生的晶粒边界。从而，恶化了载流子的迁移率，并增加了迁移率和阈值电压的波动。

另外，在每次扫描步骤中，沿晶粒边界产生隆起部(protrusion)。由于任意地形成在光束宽度方向上的晶粒边界，所以在光束宽度方向上的隆起部的定位变得任意。在含有沟道内的隆起部的TFT中，在隆起部中集中了运行时的电场，由此引起阈值电压波动。也就是，在第一现有技术中所制造的TFT中阈值电压中的漂移变得很大，第一现有技术中沟道内的隆起部的定位和数量变得任意。

在用第二现有技术中介绍的屏蔽掩模的激光退火中，在屏蔽掩模上的光束形状通常为矩形形状(激光辐射区1403)，如图3(1)中所示。从而，当让激光穿过锯齿形图案的掩模时，与形成窄线光束的第一现有技术相比降低了激光的透射率。结果，辐射到衬底上的光束长度变得更短，并且在单次扫描辐射中得到的多晶区变得更窄。因此，延长了用于处理衬底所需的时间。

此外，在所得到的晶体中，在辐射的起始位置和终止位置中的宽范围内产生图3(2)中所示的高密度晶粒边界区1501。同样，在制造掩模的步骤中，与形成直线图案的情况相比，形成复杂的锯齿形图案增加了成本。此外，为了形成锯齿形图案光束，对激光退火装置来说，具有高分辨率的光学系统成为必要。

发明内容

本发明的一个目的是提供能够控制在形成晶体膜时在半导体薄膜上所形成的晶粒边界的位置的一种半导体薄膜制造方法、用于半导体薄膜制造方法的光束成形掩模、使用光束成形掩模制造半导体薄膜的半导体薄膜制造装置、以及用制造装置制造的薄膜晶体管。

为了取得上述目的，一种半导体薄膜的制造方法，用于通过辐射激光束到形成在绝缘衬底上的半导体薄膜上在半导体薄膜上生长晶粒，该方法包括一使激光束成形的步骤，其中在使激光束成形的步骤中，使要辐射到半导体薄膜上的激光束的一部分辐射图案成形为控制图案。

用本发明，由于在一部分辐射图案中成形的控制图案，在半导体薄膜中产生温度梯度。由于温度梯度，晶体膜要被连续形成在半导体薄膜上。从而，能确保进行晶粒边界的位置控制，使得能够获得具有用于形成有源层的充分面积的晶体膜。

辐射图案被成形为矩形以及还在矩形的一边具有控制图案的形状。在通过控制图案进行晶粒边界的位置控制的同时，在半导体薄膜上生长条状晶粒。由此，不中断条状晶粒的生长，以及能进行晶粒边界的位置控制。

本发明不局限于用其中激光束不扫描的单脉冲(single shot)在半导体薄膜上形成晶体膜的情况。在扫描激光束的情况下，当扫描激光束时，通过把含有控制图案的辐射图案的激光束辐射到半导体薄膜上，在夹在平行的晶粒边界之间的区域中形成由条状晶粒构成的条状晶体区。在这种情况下，在激光束的扫描方向侧边上的一侧相反的一侧上形成控制图案以便成形激光束。

在扫描所述激光束的情况下，随着给半导体薄膜的温度梯度，生长条状晶粒。因此，通过进行晶粒边界的位置控制能够扩展用于形成有源层(沟道)的晶体膜的区域。此外，与锯齿形图案的情况相比，激光的透射率更大，使得能延伸光束长度并能加宽单次扫描辐射区。从而，可以缩短用于每块衬底的激光退火处理所需的时间。此外，通过缩短凹形图案中光束凹形宽度，与锯齿形图案的情况相比，能使在辐射起始位置中所产生的高密度晶粒边界区变窄。此外，由于光束的前半端是朝垂直于扫描方向的方向的直线，所以在辐射终止位置中所产生的高密度晶粒边界区变成大约单次辐射的晶体生长距离。由此，其变得比锯齿形图案的情况窄。在锯齿形图案的情况下在辐射终止位置中所产生的高密度区变成锯齿形图案的扫描方向长度和单次辐射的晶体生长距离的大约总和。此外，通过使控制图案成形为凹形形状，其变成没有锐角的图案。因此，与锯齿形图案的情况相比，可以降低制造成本并且对于激光退火装置的光学系统不需要同样多的高分辨率。而且，使用所得到的半导体薄膜制造的TFT能够提高载流子迁移率并能够抑制迁移率和阈值电压的漂移。

设定控制图案的长度方向上的光束凹形长度等于或小于控制图案的宽度方向上的光束凹形宽度，控制图案中条状晶粒的晶体生长宽度成为最大值。设定控制图案的宽度方向上的光束凹形宽度等于或大于控制图案的宽度方向上的光束凹形宽度，控制图案中条状晶粒的晶体生长宽度成为最大值。

从而，通过进行形成有位于起始位置的光束凹形部分的晶粒边界的位置控制，能够扩展用于形成有源层的晶体膜的区域。此外，能够形成具有连续成直线排列的减少数量的晶粒边界。

在矩形的一边中成形至少一个或多个控制图案。设定成形控制图案的周期等于或小于基本上与条状晶粒的晶体生长宽度相同的长度。如上所述，根据控制图案的定位，可以确保进行了晶粒边界的位置控制。

为了确保进行晶粒边界的位置控制，最好形成以下列结构的掩模。也就是，根据本发明的光束成形掩模是用于成形激光束的光束成形掩模，其中掩模的主体在用于透射激光束的一部分透射区中具有屏蔽激光束的屏蔽图案。

在这种情况下，按是矩形以及还按具有在矩形的一边中的屏蔽图案的开口的形状的形状形成透射区。屏蔽图案可以按从激光束的屏蔽区伸向透射区的凸起图案来形成。此外，设定屏蔽图案的长度方向上的凹形长度等于或小于屏蔽图案的凹形宽度，屏蔽图案中条状晶粒的晶体生长宽度变成最大值。设定屏蔽图案的宽度方向上的凹形宽度等于或大于屏蔽图案的凹形宽度，屏蔽图案中条状晶粒的晶体生长宽度变成最大值。在这种情况下，提供一个或多个屏蔽图案。可以周期性地提供屏蔽图案。最好设定屏蔽图案的周期等于或小于基本上与条状晶粒的晶体生长宽度相同的长度。

规定透射区的宽度方向上的开口宽度为A，屏蔽图案的宽度方向上的凹形宽度为B，以及在宽度方向上的条状晶粒的最大晶体生长距离为L，可以设定它们的尺寸关系为2L≤A-B。在这种情况下，当其设定为2L＞A-B时，通过从相反侧边中所产生的晶体生长来中断在控制图案侧边上的一边中的晶体生长，使得透射区的宽度方向上的单晶膜的生长宽度变窄。相反，通过设定其为2L≤A-B，通过从相反侧边中的晶体生长不会中断从控制图案侧边中的晶体生长，使得能使透射区的宽度方向上的单晶膜的生长宽度加宽。

规定屏蔽图案的长度方向上的凹形长度为C，屏蔽图案之间的间隔的凹形长度为D，以及透射区的宽度方向上的条状晶粒的最大晶体生长距离为L，它们的尺寸关系可以设定为2L≥C+D。在这种情况下，当其设定为2L＜C+D时，在形成条状单晶膜的晶粒之间产生大量的晶粒边界。相反，通过设定关系为2L≥C+D，放射状地形成温度梯度具有位于中心的控制图案，使得可以成直线形成条状晶粒。

规定透射区的宽度方向上的开口宽度为A，屏蔽图案的宽度方向上的凹形宽度为B，屏蔽图案的长度方向上的凹形长度为C，以及屏蔽图案之间间隔的凹形长度为D，可以设定它们的尺寸关系为A-B≥C+D。用这种设定，可以得到通过设定2L≤A-B和2L≥C+D所取得的两种效果。因此，可以在激光束的长度方向和宽度方向上加宽晶体膜的面积。

根据本发明的半导体薄膜制造装置是用于通过辐射激光束到由形成在绝缘衬底上的半导体薄膜构成的前体膜上以在前体膜上生长单晶晶粒的半导体薄膜制造装置，该装置包括用于成形激光束的光束成形掩模，其中掩模的主体在用于透射激光束的一部分透射区中具有屏蔽激光束的屏蔽图案。

用本发明，通过控制晶粒边界的形成位置，可以在由平行的晶粒边界夹着的区域中形成沿晶粒区的长度方向上延伸的条状晶体区。

根据本发明使用半导体薄膜的薄膜晶体管是具有使载流子流动的有源层的薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括在夹在平行的晶粒边界之间的区域中形成的条状晶体区，其中在条状晶体区中形成至少任一第一有源层或第二有源层，在第一有源层中设定载流子的移动方向沿晶粒边界的长度方向，在第二有源层中设定载流子的移动方向沿与晶粒边界相交的方向。

当提供第一有源层时，在平行的晶粒边界之间夹着的条状晶体区中形成第一有源层，并且沿晶粒边界的长度方向通过夹着有源层形成漏区和源区。当提供第二有源层时，在平行的晶粒边界之间夹着的条状晶体区中形成第二有源层，并且沿与晶粒边界的长度方向相交的方向通过夹着有源层形成漏区和源区。此外，当提供了第一有源层和第二有源层时，分别在平行的晶粒边界之间夹着的条状晶体区中形成第一有源层和第二有源层；沿与晶粒边界的长度方向相交的方向通过夹着有源层形成第一有源层的漏区和源区；以及沿与晶粒边界的长度方向相交的方向通过夹着有源层形成第二有源层的漏区和源区。

通过含有晶粒边界和条状晶体区形成第一有源层的漏区和源区。仅在条状晶体区内形成第一有源层的漏区和源区。而且，通过含有晶粒边界和条状晶体区形成第二有源层的漏区和源区。此外，仅在晶粒边界中散布隆起部。

根据本发明的薄膜晶体管具有一定的结构，包括：由粒状晶粒构成的半导体薄膜；以及沿半导体薄膜的单方向形成的条状晶粒，其由具有比粒状晶粒的直径大的晶粒直径的晶粒构成，其中分别在半导体薄膜和条状晶粒中形成有源层。

用本发明，由于晶粒边界不包含在有源层内，所以能够取得载流子的高迁移率和高离子电流。

用根据本发明的制造方法和制造装置，能够减少半导体薄膜中的晶粒边界的数量，并还能够制造可控制晶粒边界的方向的半导体薄膜。此外，与锯齿形图案的情况相比，激光的透射率更大，使得可以延伸光束长度并能加宽单次扫描辐射区。从而，可以缩短用于每块衬底的激光退火处理所需的时间。而且，通过缩短凹形图案中光束的凸起宽度，与锯齿形图案的情况下相比，能使在辐射起始位置中所产生的高密度晶粒边界区变窄。此外，由于光束的前半端是朝垂直于扫描方向的方向的直线，所以在辐射终止位置中所产生的高密度晶粒边界区变成大约由单次辐射所取得的晶体生长距离。从而，其变得比锯齿形图案的情况窄。同样，与锯齿形图案的情况相比，用于制造用于凹形图案的掩模的步骤更容易，并能减少制造成本。此外，与形成锯齿形图案光束形状的情况相比，当形成凹形图案光束形状时，在激光退火装置的光学系统方面不需要同样多的高分辨率。而且，使用所得到的半导体薄膜制造的TFT能够提高载流子迁移率并能够抑制迁移率和阈值电压的漂移。

另外，另一个目的是与锯齿形图案的情况相比要缩短激光退火处理时间，使在辐射的起始位置和终止位置中所产生的高密度晶粒边界区变窄，减少用于制造掩模的成本，以及通过提高光学系统的透射率在激光退火装置中取得低分辨率的光学系统。本发明的又一目的是提高用所得到的半导体薄膜所制造的TFT的运行速度，以便抑制运行速度中和阈值电压中的漂移。

附图说明

图1是用于示出常规TFT的制造步骤的横截面，其中步骤按从图1(1)-图1(3)的顺序进行；

图2是用于示出第一现有技术的激光退火的步骤的平面图，其中步骤按从图2(1)-图2(5)的顺序进行；

图3(1)是用于示出第二现有技术的掩模的平面图，以及图3(2)是第二现有技术的多晶硅膜表面的模拟示图；

图4是用于示出根据本发明的激光退火装置的示图；

图5(1)是用于示出根据本发明的掩模的第一例子的平面图，以及图5(2)是用于示出光束形状的平面图；

图6是用于示出根据本发明的激光退火的步骤的平面图，其中步骤按从图6(1)-图6(3)的顺序进行；

图7(1)是用于示出根据本发明的掩模的第二例子的平面图，以及图7(2)是用于示出光束形状的平面图；

图8是用于示出例1中所形成的多晶硅膜表面的SEM图象的示图；

图9是用于示出例2中所形成的多晶硅膜表面的SEM图象的示图；

图10(1)是用于示出例3中所形成多晶硅膜表面的SEM图象的示图，以及图10(2)是用于示出例4中所形成的多晶硅膜表面的SEM图象的示图；

图11(1)是用于示出例5中所形成多晶硅膜表面的SEM图象的示图，以及图11(2)是用于示出例6中所形成的多晶硅膜表面的SEM图象的示图；

图12(1)是例7中所形成的多晶硅膜表面的模拟示图，以及图12(2)是用于示出例7的TFT的模拟示图；

图13(1)是例8中所形成的多晶硅膜表面的模拟示图，以及图13(2)是用于示出例8的TFT的模拟示图；

图14(1)是例9中所形成的多晶硅膜表面的模拟示图，以及图14(2)是用于示出例9的TFT的模拟示图；以及

图15是用于示出例10的平面图，其中步骤按从图15(1)-图15(6)的顺序进行。

具体实施方式

下文中将参考附图介绍本发明的优选实施例。使用图4中所示的激光退火装置进行激光退火。在图中，在衬底110上形成随后要介绍的前体，并把衬底110放置在反应室109内部的衬底台111上。在反应室109外面，设置激光振荡器101。激光振荡器101通过按脉冲波形振荡其来输出具有308nm波长的XeCl受激准分子激光(束102)。激光(束102)通过镜子103a、103b对准均质器104，并通过均质器104形成矩形光束轮廓。成形的光束102的光径通过镜子103c朝下弯曲，使得其通过掩模台106上的掩模105，以成为用于辐射衬底110上的前体上的光束形状。而且，如必要的话用缩小透镜107缩小光束(激光)102，并通过提供给反应室109的窗口108辐射到衬底110上的前体的表面上。衬底110能按图4中箭头的方向(即，按与光束102相交的方向)连同衬底台111一起移动。通过光束102和衬底110的相对移动，光束102按衬底110的移动方向扫描衬底110的表面。在该实施例的装置中，通过用衬底台111相对移动光束102和衬底110，把由光束102的扫描实行到衬底110的表面上。然而，不局限于此。可以通过在水平方向上移动掩模台106，在固定的衬底110上进行扫描。

上述掩模105包括用于透射激光的由石英构成的透射区和通过用铬形成在石英表面上用于屏蔽激光的非透射区。还能够通过在透射激光的材料上形成由屏蔽激光的材料、例如铝、钼、铬、硅化钨或不锈钢合金构成的膜，并随后把所形成的屏蔽材料膜构图成所需要的形状，来形成非透射区。而且，其可以通过在形成用于透射激光的开口处的屏蔽膜上堆叠要作为保护膜的透明膜、例如氧化铬膜来形成，以便用透明膜来覆盖开口。可以构图单层或多层的电介质膜以用作屏蔽膜。并且，取代屏蔽掩模，可以使用相移掩模来用于定形光束102的形状。可以把上述掩模设置在从激光振荡器101至前体的光路径上的任何位置。

此外，尽管上述实施例中XeCl受激准分子激光器作为激光振荡器101，但不局限于此。激光振荡器101可以是其它受激准分子激光器，例如KrF激光器，或固态激光器，例如Nd:YAG激光器、Nd:YLF激光器、Nd:YV04激光器，或气体激光器，例如氧化碳气体激光器、氩气体激光器。

对于衬底110，依序在玻璃衬底上形成绝缘膜和非晶硅膜。

在本发明中，使用按图5(1)中所示形状的掩模进行扫描辐射，其中周期地形成凸起屏蔽图案和凹形图案。也就是，如图5(1)中所示，在屏蔽膜206上形成具有开口长度201和开口宽度203的矩形透射部分207。此外，屏蔽膜206包括向透射部分207内部伸出的以梳子状形状的凸起屏蔽图案206a。凸起屏蔽图案206a是以按具有凹形宽度204和凹形长度202的凸起形状形成的矩形形状。按开口长度201的长度方向成一直线形成凸起屏蔽图案206a，在其两者之间具有凸起长度205的间隔，并且在凸起屏蔽图案206a之间形成凹形图案。如图5(2)中所示，通过图5(1)中所示的屏蔽膜206透射的光束306成形为具有多个凹形图案306c的矩形形状，光束306具有光束长度301和光束宽度303，多个凹形图案306c形成在侧边306b上，侧边306b在扫描方向(单方向)侧边上的侧边306a的相反侧上。凹形图案306c具有光束凸起长度305和光束宽度303，并且在其之间具有光束凹形长度302的间隔的每个凹形图案306c在侧边306b中成一直线排列。在图5(2)中，用箭头示出光束的扫描方向。

在图6(1)中，使用非晶硅用于前体膜，通过形成在绝缘衬底上的半导体薄膜来形成前体膜。如图6(1)中所示，通过第一次辐射光束312(对应于图5(2)中的光束306)，由光束312的凹形图案312a(对应于图5(2)中的凹形图案306c)的顶端放射状地形成温度梯度，光束312处于要辐射光束312的非晶硅311的区域的中心。从而，如图6(2)中所示，在对应于凹形图案312a的顶端的非晶硅311的区域中，形成晶粒313，晶粒313不仅沿光束宽度方向(图5(2)中光束宽度303的方向)生长，而且还沿光束长度方向(图5(2)中光束长度301的方向)生长。通过第二次在非晶硅311上辐射光束312，随着在对应于作为籽晶的凹形图案312a的顶端的非晶硅311上形成晶核314，重复生长晶粒313。结果，在具有作为起点的凹形图案312a的顶端的非晶硅上形成以条状的晶粒313，该条状具有比用常规窄线光束得到的晶粒的宽度宽的宽度。

此外，在光束的扫描方向上和在与扫描方向相交的方向(垂直方向)上，通过设定具有光束凹形宽度304和光束凹形长度302的凹形图案312a的尺寸以具有等于或小于晶粒直径的区域，可以在与光束扫描方向相交的方向上成直线连续形成条状晶粒313。这时，不需要设定光束凸起长度305要相等，光束凸起长度是相邻的凹形图案312a之间的长度，但可以适当地设置凹形图案312a以便在理想的位置中形成条状晶粒313。在上述实施例中，如图6(3)中所示，能够减少半导体薄膜中晶粒边界的数量，并且还能够制造其中可控制晶粒边界315的形成方向处于平行的位置关系的半导体薄膜。因此，能克服常规窄线光束的缺点。

此外，如图6(3)中所示，沿晶粒边界315以光束的扫描步幅的间隔形成点状隆起部317。因此，在本实施例中，得到了其中以方格图案形成隆起部317的半导体薄膜。在半导体薄膜上形成这种TFT的情况下，可以控制沟道内的隆起部317的位置和数量。从而，与用常规窄线光束制造的具有沟道内隆起部的任意位置和数量的TFT相比，阈值电压中的漂移(dispersion)变得更小。并且，通过避免隆起部317来形成沟道，可以进一步抑制阈值电压中的漂移。在图6(3)中，沿平行的晶粒边界315的长度方向形成由晶粒边界315划分的三个条状晶体区318。然而，条状晶体区318不局限于成三条线。用单晶形成每个条状晶体区318。

而且，由于激光的透射率比锯齿形图形的透射率大，所以可以延伸光束长度。由此，可以扩展用于每次的扫描辐射区域，使得可以缩短用于每块衬底的激光退火处理的时间。此外，通过缩短凹形图案312a的光束凹形宽度(图5中所示的光束凹形宽度304)，与锯齿形图案的情况相比，可以使高密度晶粒边界区316变窄，高密度晶粒边界区316产生在对应于光束辐射起点的非晶硅311中。另外，如图5(2)中所示，由于在光束306的前侧上的侧边306a是朝垂直于扫描方向的方向延伸的直线，所以在非晶硅311上的光束辐射末端位置中产生的高密度晶粒边界区316大约是用一次辐射所得到的晶体生长距离。在锯齿形图案的情况下光束辐射末端位置中所产生的高密度晶粒边界区与锯齿形图案的扫描方向长度和用一次辐射所得到的晶体生长距离的总和大约一样大。同样，对于凹形图案306c，用于制造掩模的步骤比锯齿形图案的容易，使得能减少制造成本。此外，形成光束306的凹形图案306c不需要在激光退火装置的光学系统方面与形成锯齿形图案的光束形状的情况同样多的高分辨率。从而，可以克服常规锯齿形图案光束的缺点。

另外，利用所得到的半导体薄膜制造的TFT能改善载流子的迁移率并抑制迁移率和阈值电压的漂移。同样，参考凹形图案306c为矩形形状的情况介绍了本实施例，但是，不局限于此。凹形图案306c可以是多边形、例如三角形，或可以是半圆形、例如半椭圆形，等等。

总之，本发明的实施例属于半导体薄膜制造方法，该方法用于通过把激光束(102，1602)辐射到在绝缘衬底(110)上所形成的半导体薄膜(311，1603)上来在半导体薄膜上生长晶体膜，其中，在激光束成形步骤中，把要辐射到半导体薄膜上的激光束的辐射图案的一部分成形为控制图案(凹形图案312a)。在这种情况下，对于生长晶体来说，半导体薄膜的晶粒直径和晶体膜的晶粒直径分别设定不同的。

当使辐射到半导体薄膜上的激光束的辐射图案成形为矩形(图5、图7)时，辐射图案被成形为是矩形并还在矩形的一边具有控制图案的形状。然后，通过用控制图案进行晶粒边界的位置控制来生长条状晶粒。

本发明的实施例可以同时应用于通过不用扫描激光束(102)的单脉冲(single shot)在半导体薄膜上形成条状晶粒的情况，以及应用于通过扫描激光束形成条状晶粒的情况。当扫描激光束时，通过辐射含有控制图案的辐射图案的激光束来生长条状晶粒。在这种情况下，通过用控制图案进行晶粒边界的位置控制来生长条状晶粒，控制图案形成在激光束扫描方向侧边上的侧边相反的侧边中。当扫描激光束时，条状晶粒形成在每次辐射激光束的位置可控的晶粒边界之间。通过这些条状晶粒，在夹在平行的晶粒边界之间的区域中形成条状晶体区(318)。

对于用于根据本发明实施例的半导体薄膜制造方法的光束成形掩模，掩模的主体具有包括屏蔽图案(206a，406a)的结构，屏蔽图案(206a，406a)用于屏蔽在透射激光的一部分透射区(透射部分207)中的激光束。在按矩形形状形成透射区的情况下，其按带具有矩形的一边中的屏蔽图案的开口的形状来形成(图5，图7)。按凸起图案形状形成屏蔽图案，凸起图案形状从激光束的屏蔽区向透射区凸出。

最好设定尺寸关系为2L≤A-B，规定在透射区(透射部分207，407)的宽度方向上的开口宽度(开口宽度203，402)为A，在屏蔽图案(206a，406a)的宽度方向上的凹形宽度(凹形宽度204，403)为B，以及在宽度方向上的条状晶粒的最大晶体生长距离为L。此外，最好设定尺寸关系为2L≥C+D，规定在屏蔽图案(206a，406a)的长度方向上的凹形长度(202，404)为C，是屏蔽图案之间的间隔的凸起长度(205)为D，以及在透射区的宽度方向(光束宽度303，502)上的条状晶粒的最大晶体生长距离为L。

另外，尺寸关系可以设定为A-B≥C+D，规定在透射区的宽度方向上的开口宽度(203，402)为A，在屏蔽图案的宽度方向上的凹形宽度(204，403)为B，在屏蔽图案的长度方向上的凹形长度(202，404)为C，屏蔽图案之间的间隔的凸起长度(205)为D。

接着，介绍更加具体表达本发明实施例的例子。

例1

使用图4所示的激光退火装置进行激光退火。因此所用的方法、掩模和激光是实施例中所介绍的那些。对于在掩模中所形成的开口和透射部分，可以成一直线形成以极窄宽度的大量的狭缝以作为开口等，或可以集体形成大量的孔来作为开口等。在这种情况下，通过改变狭缝的数量或孔的密度，可以改变激光的能量。将介绍衬底。非碱性玻璃用于玻璃衬底。在玻璃衬底上，形成用于阻止杂质从玻璃中扩散的绝缘膜。在绝缘膜上，通过低压化学汽相淀积(LP-CVD)形成60nm的非晶硅膜作为前体膜。

在该例中，通过利用按图7(1)中所示形成的掩模进行扫描辐射。表1中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。激光束扫描的步幅宽度是在矩形激光束的每次辐射之间用激光束所扫描的衬底上的距离。图7(1)中所示的掩模具有含有在开口内的凸起图案(凸起屏蔽图案406b)的结构，凸起图案具有凹形长度404和凹形宽度403，开口具有开口宽度402和开口长度401。穿过掩模的光束在衬底上变成图7(2)中所示的形状。也就是说，光束505成形为具有光束长度501和光束宽度502的光束形状，光束505具有在扫描方向(单方向)侧上的侧边505a上以及在相反侧上的侧边505b上的单个凹形图案(控制图案)505C。凹形图案505c具有光束凹形长度504和光束凹形宽度503的大小。在图7(2)中，用箭头示出光束的扫描方向。衬底上的光束大小成为掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度502为10μm，光束凹形长度504为1μm，以及光束凹形宽度503为5μm。

表1	例1
表1	例1	辐射强度(mJ/cm²)步幅宽度(μm)开口宽度(μm)凹形长度(μm)凹形宽度(μm)	6000.530315

图8示出了干蚀刻(secco-etching)之后SEM观察的结果。在夹在晶粒边界之间的区域中形成具有晶体生长宽度2μm的条状晶体区，晶粒边界与光束扫描方向(沿图8的水平方向)平行。证实了条状晶体区对应于凹形图案505c的位置。在沿与光束扫描方向相交的方向形成的条状晶粒的周围中，形成了逆着扫描方向倾斜的晶粒边界。此外，在条状晶粒的周围中，与常规窄线光束的情况下所发现的一样，沿光束长度方向任意地产生了晶粒边界。在具有对应于处于中心的凹形图案505c的顶端的位置的非晶硅上放射状地形成了温度梯度，使得沿光束长度方向(沿与光束扫描方向相交的方向)生长晶体。因此，与常规窄线光束的情况相比，可以延伸沿光束长度方向的条状晶粒的晶体生长宽度。如上所述，已证实，用根据本发明实施例的制造方法，能够在夹在晶粒边界之间的区域中形成沿光束扫描长度方向生长的条状晶体区，晶粒边界是位置可控的并且还比常规窄线光束的情况宽。沿光束长度方向的晶体生长宽度简称为晶体生长宽度。

例2

利用与例1中的相同的激光退火装置和按图7(1)中所示形状的掩模，通过从1.5μm、3μm、6μm以及至12μm改变光束波形长度，进行扫描辐射。表2中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次辐射之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度402、凹形长度404和凹形宽度403是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图7(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度502为10μm，光束凹形长度504为0.5μm、1μm、2μm或4μm，以及光束凹形宽度503为5μm。

表2	例2-1	2-2	2-3	2-4
表2	例2-1	2-2	2-3	2-4	辐射强度(mJ/cm²)步幅宽度(μm)开口宽度(μm)凹形长度(μm)凹形宽度(μm)	6000.5301.515	6000.530315	6000.530615	6000.5301215

图9示出了干蚀刻(secco-etching)之后SEM观察的结果。在凹形长度为1.5μm(光束凹形长度为0.5μm)的情况下(例2-1)，沿扫描方向形成具有处于起点的凹形图案的顶端的条状晶体区。晶体生长宽度为1.6μm。

在凹形长度为3μm(光束凹形长度为1μm)的情况下(例2-2)，与在1.5μm凹形长度的情况下一样形成了条状晶体区。在这种情况下，由平行的晶粒边界夹着的区域中的条状晶粒的晶体生长宽度为2.0μm，其与1.5μm凹形长度的情况相比被延伸了。

在凹形长度为6μm(光束凹形长度为2μm)的情况下(例2-3)，在用凹形图案所扫描的一部分区域中产生了逆着扫描方向倾斜的大量晶粒边界。对于这样的原因可以是，由于延伸的凹形长度，具有在对应于凹形图案505c的凹形顶部的半导体薄膜上产生的大量晶核，以及可以是在光束长度方向上的温度梯度在凹形图案505c的光束长度方向的中心处变得缓和。

在凹形长度为12μm(光束凹形长度为4μm)的情况下(例2-4)，进一步延伸了凹形长度。从而，在凹形光束长度方向的中心处的光束长度方向上任意地形成了晶粒边界，这是在常规窄线光束的情况下所看到的。

如从上述例子中所看到的，通过设定凹形图案505c的光束凹形长度504等于或小于光束凹形宽度503，其中条状晶粒的晶体生长宽度变成最大值，能够形成其中晶粒边界位置被很好控制的条状晶体区。

在这些例子的辐射条件中，通过设定光束凹形长度504为3μm(光束凹形宽度503；1μm)或更小，可以形成具有很好可控的晶粒边界位置的条状晶体区。由此，变得能够制造在性能上具有好迁移率和低漂移的TFT。然而，按照前体膜的膜厚度、形成膜的方法、光束的辐射强度或光学系统的分辨率中的变化改变了优选光束凹形长度。从而，可以按照这些条件适当地调整光束凹形长度。

例3

利用与例1中的相同的激光退火装置和按其中周期性地形成了凹形图案306c的图5(1)中所示形状的掩模，进行扫描辐射。表3中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次辐射之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度203、凹形长度202、凹形宽度204和凸起长度205是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为6μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为3μm，以及光束凸起长度305为1μm。

表3	例3
表3	例3	辐射强度(mJ/cm²)步幅宽度(μm)开口宽度(μm)凹形长度(μm)凹形宽度(μm)	6000.21839

凸起长度(μm)

3

图10(1)示出了干蚀刻(secco-etching)之后SEM观察的结果。在从每个凹形图案的顶部的扫描方向上平行地形成了具有晶体生长宽度2μm的条状晶体区。当比较图8(例1)和图10(1)(例3)的结果时，在条状晶体区的大小和晶体状态方面的观察没有变化。可以说，即使当周期性地排列凹形图案时，在形成的条状晶粒的晶体状态下也没有影响。此外，可以在夹在平行的晶粒边界之间的区域中成直线形成条状晶体区，使得可以用单次扫描辐射形成多个条状晶体区。该例示例了周期性的扫描图案的情况。然而，不必以相等间距来形成凹形图案，但其可以适当来设计以便在理想的位置形成条状晶体区。通过条状晶粒形成沿晶体边界的长度方向的这些条状晶体区，条状晶粒生长在与晶粒边界的长度方向(光束扫描方向)相交的方向上。

例4

利用与例1中的相同的激光退火装置和按其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示形状的掩模，通过从6μm至3μm改变凹形长度，来进行扫描辐射。表4中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次辐射之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度203、凹形长度202、凹形宽度204和凸起长度205是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为10μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为5μm，以及光束凸起长度305为1μm、2μm。

表4	例4-1	4-2
表4	例4-1	4-2	辐射强度(mJ/cm²)步幅宽度(μm)开口宽度(μm)凹形长度(μm)	6001303	6001303

凹形宽度(μm)凸起长度(μm)

156

153

图10(2)示出了干蚀刻(secco-etching)之后SEM观察的结果。在凸起长度为6μm(光束凸起长度为2μm)的情况(例4-1)下，在垂直于光束扫描方向的方向上，以3μm的间距形成了从作为起点的光束凹形顶端生长的条状晶粒，并且在条状晶体区之间形成了大量的平行晶粒边界。如例2-2中所示，依据3μm凹形长度(1μm的光束凹形长度)的条状晶粒的晶体生长宽度大约为2μm。该原因可以是，由于凹形图案的周期比条状晶粒的晶体生长宽度长，所以产生了大量的晶粒区。

在凸起长度为3μm(光束凸起长度为1μm)的情况(例4-2)下，例4-1中所形成的大量晶粒边界消失了，并在垂直于扫描方向的方向上，以2μm的间距连续形成了具有2μm的晶体生长宽度的条状晶粒。这认为是由于凹形图案的间距等于或小于条状晶粒的晶体生长宽度所引起的。

如从上述结果中所看到的，当在前体膜上以光束平面形状的凹形图案的间距等于或小于基本与条状晶粒的晶体生长宽度相同的长度，可以在垂直于扫描方向的方向上连续形成条状晶粒。从而，能够在夹在平行的晶粒边界之间的区域中有效形成条状晶体区。此外，当形成具有比条状晶粒的晶体生长宽度长的沟道长度和沟道宽度的TFT时，能够形成在性能方面具有高迁移率和低漂移的TFT，这是由于其可以在沟道内不含有大量晶粒边界的情况下来制造。

例5

利用与例1中的相同的激光退火装置和按其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示形状的掩模，通过从15μm、9μm以及至3μm改变凹形长度，来进行扫描辐射。表5中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次辐射之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度203、凹形长度202、凹形宽度204和凸起长度205是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为8μm或6μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为3μm或1μm，以及光束凸起长度为1μm。

表5	例5-1	5-2
表5	例5-1	5-2	辐射强度(mJ/cm²)步幅宽度(μm)开口宽度(μm)凹形长度(μm)凹形宽度(μm)凸起长度(μm)	600124393	600118333

图11(1)示出了干蚀刻(secco-etching)之后SEM观察的结果。在例5-2(凸起宽度为3μm(光束凸起长度为1μm))的情况下，与例5-1(凹形宽度为9μm(光束凹形宽度为3μm)相比，形成了大量的晶粒边界。这认为是，由于凹形宽度比例5-1中的短，所以恶化了形成凹形图案的条状晶粒的效果。

如从上述结果中所看到的，通过设定凹形宽度等于或大于其中晶体生长宽度成为最大值的条状晶粒的凹形宽度(即，通过在该例的辐射条件方面设定等于或大于9μm(3μm的光束凹形宽度)的凹形宽度)，可以形成具有很好可控的晶粒边界位置的条状晶体区。由此，变得能够形成在性能方面具有高迁移率和低漂移的TFT。然而，按照前体膜的膜厚度、形成膜的方法、光束的辐射强度或光学系统的分辨率中的变化改变了优选光束凹形长度。从而，可以按照这些条件适当地调整光束凹形长度。

例6

利用与例1中的相同的激光退火装置和按其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示形状的掩模，进行扫描辐射。表6中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次辐射之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度203、凹形长度202、凹形宽度204和凸起长度205是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为6μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为1μm，以及光束凸起长度305为1μm。

表6	例6
表6	例6	辐射强度(mJ/cm²)步幅宽度(μm)开口宽度(μm)凹形长度(μm)凹形宽度(μm)凸起长度(μm)	600118333

在该例的辐射条件中，即使具有3μm的凹形宽度(1μm的光束凹形宽度)，也能够形成具有很好可控的晶粒边界位置的条状晶体区(即，在由平行的晶粒边界夹着的区域中)。在该例中证实了，即使当光束凹形宽度是1μm的小凹槽时，也可以在与晶粒边界的长度方向相交的方向上形成条状晶粒。由此，不仅在理想的位置中可以形成条状晶粒，还可以取得类似于常规窄线光束的装置透射率。此外，在扫描起始位置和末端位置中可以使高密度晶粒边界区变窄。此时掩模的透射率是62％(激光透射率是9％)。此外，在60度角的锯齿形图案的掩模透射率是43％(激光透射率是6％)。从中得出，由于在本发明的图案中激光的透射率高，所以很明显可以延伸光束长度以及可以在短时间内进行处理。

例7

利用与例1中的相同的激光退火装置和按其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示形状的掩模，通过对300μm的长度进行扫描辐射形成了多晶区域，在多晶区域中沿垂直于扫描方向的方向上连续成直线排列具有2μm的晶体生长宽度的条状晶粒。表7中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次扫描之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度203、凹形长度202、凹形宽度204和凸起长度205是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为6μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为3μm，以及光束凸起长度305为1μm。

表7	例7
表7	例7	辐射强度(mJ/cm²)步幅宽度(μm)开口宽度(μm)凹形长度(μm)凹形宽度(μm)凸起长度(μm)	6001303153

如图6(3)中所示，在如实施例中描述的已得到的半导体薄膜中，仅在晶粒边界315上的方格图案中形成了隆起部317。利用由图6(3)所示的本发明的例子所得到的半导体薄膜制造了薄膜晶体管。具体地，如图12(1)中所示，在根据本发明例子的半导体薄膜中，沿激光束的扫描方向形成了平行的晶粒边界603，以及沿扫描方向在晶粒边界603之间的区域中形成了单晶区(条状晶体区)602。这表明，在本发明的例子中，控制了晶粒边界603的位置，使得在激光束的扫描方向上平行地形成了晶粒边界603。

如图12(1)中所示，在含有单晶区602、602a、602b以及晶粒边界603的区域中形成岛状区601。按矩形形状形成了岛状区601，该矩形形状具有在扫描方向上10μm的长度和在与扫描方向正交的方向上4μm的长度。此外，如图12(2)中所示，使用夹在晶粒边界603之间的单晶区602作为有源层，并且载流子要在激光束的扫描方向上的有源层(602)内移动。在扫描方向上形成了在其之间具有有源层(602)的漏区703和源区701。然后，在绝缘膜(未示出)上形成了用于连接漏电极(未示出)和漏区703的接触704。类似地，在绝缘膜(未示出)上形成了用于连接源电极(未示出)和源区701的接触705。同样，形成了栅电极702。由此，载流子的移动方向被设定在扫描方向上，并且制造了其中有源层602的沟道长度为4μm和沟道宽度为4μm的n型TFT和p型TFT。在所得到的TFT中的载流子的迁移率对于n型的为10cm²/Vs，而对于p型的为150cm²/Vs。此外，对于百分之百的n型TFT来说阈值电压的漂移为0.2V。

作为比较，使用与例1中的相同的激光退火装置通过用光束对300μm的长度进行扫描辐射制造了多晶膜，该光束是通过没有凹形图案的窄线图案掩模来成形的。此处，光束成形为掩模上270μm的开口长度、9.9μm的开口宽度以及衬底上90μm的开口长度、3.3μm的开口宽度。

在比较例中所得到的半导体薄膜中，任意地形成了隆起部。辐射强度为600mJ/cm²，并且在衬底上布幅宽度为0.2μm。使用多晶体作为有源层并设置沟道使得载流子平行于扫描方向移动，以便制造具有4μm的沟道长度和4μm的沟道宽度的n型TFT和p型TFT。TFT中载流子的迁移率对于n型为320cm²/Vs，而对于p型为120cm²/Vs。此外，对于百分之百的n型TFT的阈值电压的漂移为1V。

通过比较上述两种类型的TFT的迁移率，很明显能够有满足本发明的期望条件以得到与用传统窄线制造的TFT相比具有高迁移率的TFT。这样，能够通过本发明提供高性能TFT。进一步，很明显能够有满足本发明的条件以得到裕使用具有任意隆起部的半导体薄膜制造的TFT相比具有在阈值电压方面更小漂移的TFT，具有任意隆起部的半导体薄膜是用常规窄线光束制造的。因此，能够通过本发明提供高性能TFT。

例8

利用与例1中的相同的激光退火装置和按其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示形状的掩模，通过对300μm的长度进行扫描辐射形成了多晶区域，在多晶区域中沿垂直于扫描方向的方向上连续成直线排列具有2μm的晶体生长宽度的条状晶粒。表7中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次扫描之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度、凹形长度、凹形宽度和凸起长度是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为6μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为3μm，以及光束凸起长度305为1μm。

如图6(3)中所示，在如实施例中描述的已得到的半导体薄膜中，仅在晶粒边界315上的方格图案中形成了隆起部317。利用由图6(3)所示的本发明的例子所得到的半导体薄膜制造了薄膜晶体管。具体地，如图13(1)中所示，在根据本发明例子的半导体薄膜中，沿激光束的扫描方向形成了平行的晶粒边界803，以及沿扫描方向在晶粒边界803之间的区域中形成了单晶区(条状晶体区)802。这表明，在本发明的例子中，控制了晶粒边界803的位置，使得在激光束的扫描方向上平行地形成了晶粒边界803。

如图13(1)中所示，通过限制区域在晶粒边界803之间夹着的单晶区802内形成了岛状区801。因为避开单晶区802a、802b和晶粒边界803形成了岛状区801，所以该例不同于图12中所示的例子。按矩形形状形成了岛状区801，该矩形形状具有在扫描方向上5μm的长度和在与扫描方向正交的方向上4μm的长度。此外，如图13(2)中所示，使用夹在晶粒边界803之间的单晶区802作为有源层，并且载流子要在激光束的扫描方向上的有源层(802)内移动。从而，形成了在扫描方向上其之间具有有源层(802)的漏区903和源区902。然后，在绝缘膜(未示出)上形成了用于连接漏电极(未示出)和漏区903的接触904。类似地，在绝缘膜(未示出)上形成了用于连接源电极(未示出)和源区902的接触905。并且，制造了n型TFT和p型TFT，其中有源层802的沟道长度为1.4μm，沟道宽度为1.4μm，以及载流子的移动方向变成扫描方向。

所得到的TFT中的载流子的迁移率对于n型为520cm²/Vs，而对于p型的为200cm²/Vs。为了在具有2μm晶粒宽度的条状单晶区802中形成沟道，期望设定沟道宽度为2μm或更小，并更优选为1.8μm或更小。此外，对于百分之百的n型TFT来说阈值电压的漂移为0.2V。

在比较例中所得到的半导体薄膜中，任意地形成了隆起部。辐射强度为600mJ/cm²，并且在衬底上布幅宽度为0.2μm。设置沟道使得载流子平行于扫描方向移动，以便制造具有1.4μm的沟道长度和1.4μm的沟道宽度的n型TFT和p型TFT。由于晶粒边界的位置不可控制，所以有晶粒边界出现在沟道内。TFT中载流子的迁移率对于n型为320cm²/Vs，而对于p型为120cm²/Vs。此外，对于百分之百的n型TFT的阈值电压的漂移为0.15V。

通过比较上述两种类型的TFT的迁移率，很明显能够有满足本发明期望条件的TFT，以得到比常规TFT高的迁移率。从而，能够用本发明提供高性能的TFT。此外，由于本发明中的迁移率比由例7所示例的TFT的迁移率高，所以很明显能够通过在条状晶粒内形成沟道来获得具有更高性能的TFT。此外，很显然能够有满足本发明条件的TFT，以得到与用具有任意隆起部的半导体薄膜制造的TFT相比具有在阈值电压方面更小漂移的TFT，具有任意隆起部的半导体薄膜是用常规窄线光束制造的。因此，能够通过本发明提供高性能TFT。

例9

利用与例1中的相同的激光退火装置和按其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示形状的掩模，通过对300μm的长度进行扫描辐射形成了在垂直于扫描方向的方向上连续成直线排列的条状晶粒，条状晶粒具有2μm的晶体生长宽度。表7中示出辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次扫描之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度203、凹形长度202、凹形宽度204和凸起长度205是掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为6μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为3μm，以及光束凸起长度305为1μm。

如图6(3)中所示，在如实施例中描述的已得到的半导体薄膜中，仅在晶粒边界315上的方格图案中形成了隆起部317。利用由图6(3)所示的本发明的例子所得到的半导体薄膜制造了薄膜晶体管。具体地，如图14(1)中所示，在根据本发明例子的半导体薄膜中，沿激光束的扫描方向形成了平行的晶粒边界1003，以及沿扫描方向在晶粒边界1003之间的区域中形成了单晶区(条状晶体区)1002。这表明，在本发明的例子中，控制了晶粒边界1003的位置，使得在激光束的扫描方向上平行地形成了晶粒边界1003。

如图14(1)中所示，在含有单晶区1002、1002a、1002b以及晶粒边界1003的区域中形成岛状区1001。按矩形形状形成了岛状区1001，该矩形形状具有在扫描方向上4μm的长度和在与扫描方向正交的方向上5μm的长度。此外，如图14(2)中所示，使用夹在晶粒边界1003之间的单晶区1002作为有源层，并且载流子要在与激光束的扫描方向正交的方向上的有源层(1002)内移动。从而，在与扫描方向正交的方向上形成了在其之间具有有源层(1002)的漏区1102和源区1101。然后，在绝缘膜(未示出)上形成了用于连接漏电极(未示出)和漏区1102的接触1105。类似地，在绝缘膜(未示出)上形成了用于连接源电极(未示出)和源区1101的接触1104。同样，形成了栅电极1103。由此，载流子的移动方向被设定在与扫描方向正交的方向上，并且制造了其中有源层1102的沟道长度为1.4μm和沟道宽度为4μm的n型TFT和p型TFT。

在所得到的TFT中的载流子的迁移率对于n型为520cm²/Vs，而对于p型为200cm²/Vs。为了在具有2μm晶粒宽度的条状晶粒的晶粒内形成沟道，期望设定沟道长度为2μm或更小，并更优选为1.8μm或更小。此外，对于百分之百的n型TFT来说阈值电压的漂移为0.15V。

作为比较，使用与例1中的相同的激光退火装置通过用光束对300μm的长度进行扫描辐射制造了多晶膜，该光束是通过没有凹形图案的窄线图案掩模来成形的。此处，光束成形为掩模上270μm的开口长度、9.9μm的开口宽度以及衬底上90μm的开口长度、3.3μm的开口宽度。在比较例中所得到的半导体薄膜中，任意地形成了隆起部。辐射强度为600mJ/cm²，并且在衬底上布幅宽度为0.2μm。

设置沟道使得载流子平行于扫描方向移动，以便制造具有1.4μm的沟道长度和4μm的沟道宽度的n型TFT和p型TFT。由于晶粒边界的位置不可控制，所以通过截断载流子的跃迁有晶粒边界出现在沟道内。在所得到的TFT中载流子的迁移率对于n型为150cm²/Vs，而对于p型为100cm²/Vs。此外，对于百分之百的n型TFT的阈值电压的漂移为0.15V。

通过比较上述两种类型的TFT的迁移率，很明显能够有满足本发明期望条件的TFT，以得到比常规TFT高的迁移率。从而，通过本发明能够提供高性能的TFT。此外，由于与例7所示例的TFT相比迁移率较高，所以当在该例中晶体生长宽度比沟道长度长、而比沟道宽度短时，通过设定TFT使得载流子流动方向变成垂直于扫描方向的方向，能够在条状晶体内形成沟道。由此，能形成具有更高性能的TFT。此外，很显然能够有满足本发明条件的TFT，以得到与用具有任意隆起部的半导体薄膜制造的TFT相比具有在阈值电压方面更小漂移的TFT，具有任意隆起部的半导体薄膜是用常规窄线光束制造的。因此，通过本发明能够提供高性能TFT。

例10

在非碱性玻璃上形成绝缘膜，并用低压化学汽相淀积在绝缘膜上形成了60nm的非晶硅膜1601。然后，如图15(1)、(2)中所示，通过进行XeCl受激准分子激光器的光束1602的扫描辐射，在非晶硅膜1601上形成了具有0.1-1μm晶粒直径的粒状多晶硅，XeCl受激准分子激光器具有360mJ/cm²的能量强度和50μm的步幅宽度。上述粒状晶粒是具有比随后要介绍的条状晶粒的直径小的直径的晶粒，并且在本说明书中简称为粒状晶粒1603，以便使其区别于条状晶粒。尽管在该例中使用了XeCl受激准分子激光器，但要使用的激光器可以是其它受激准分子激光器，例如KrF激光器，或固态激光器，例如Nd:YAG激光器、Nd:YLF激光器、Nd:YV04激光器，或气体激光器，例如氧化碳气体激光器、氩气体激光器。

然后，利用按如其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示的形状的掩模，如图15(3)、(4)所示，在需要高迁移率的区域(例如，在包括有源矩阵衬底的像素显示器件中的驱动电路区域中)上用光束1604选择性地进行扫描辐射。由此，在垂直于扫描方向的方向上形成了具有连续成直线排列的2μm晶体生长宽度的条状晶粒1605，如图14(4)中所示。

在表7中示出了此时的辐射条件。辐射强度是在衬底上的值。步幅宽度是在每次扫描之间所扫描的衬底上的距离。表中的开口宽度203、凹形长度202、凹形宽度204和凸起长度205是图5(1)中所示的掩模上的值。穿过掩模的光束在衬底上成为图5(2)中所示的形状。衬底上的光束大小变成掩模上的光束大小的1/3。也就是，光束宽度303为6μm，光束凹形长度302为1μm，光束凹形宽度304为3μm，以及光束凸起长度305为1μm。

然后，在旋转衬底90°之后，如图15(5)、(6)中所示，利用按如其中周期性地形成了凹形图案的图5(1)中所示的形状的掩模，用光束1606进行扫描辐射。表7中示出辐射条件。可以通过旋转扫描方向90°而不旋转衬底90°的情况下进行辐射。

利用所得到的粒状晶粒1603和条状晶粒1605作为有源层制造了TFT。在使用条状晶粒的情况下，通过设定沟道方向和扫描方向相互平行制造了TFT。结果，获得了高迁移率到n型中520cm²/Vs和p型中200cm²/Vs的程度。对于使用条状晶粒1605作为有源层的TFT来说，当TFT的沟道方向是按扫描方向以及按垂直于扫描方向的方向时，可以取得高迁移率。从而，可以适当设计每个激光的扫描方向和TFT的沟道方向。

如上所述，通过选择性地施加具有需要缩短步幅宽度的凹形图案的光束扫描辐射到需要高迁移率的区域上，与辐射衬底的全部表面的情况相比，可以改善每块衬底的处理速度。

将概括介绍根据上述本发明实施例的薄膜晶体管。根据本发明实施例的薄膜晶体管包括形成在夹在平行的晶粒边界(603、803、1003)之间的区域中所形成的条状晶体区(602、802、1002)，以及在单晶膜上形成至少其中设定载流子移动方向按晶粒边界的长度方向的第一有源层、或其中设定载流子的移动方向按与晶粒边界相交的方向的第二有源层。

当提供第一有源层时，通过沿晶粒边界(603、803)的长度方向夹入有源层形成了第一有源层的漏区(703、903)和源区(701、902)。在这种情况下，形成了第一有源层的源区和漏区，以便包括晶粒边界和条状晶体区，或仅在条状晶体区的区域内形成了第一有源层的源区和漏区。

当提供第二有源层时，通过沿与晶粒边界(1003)的长度方向相交的方向夹入有源层形成了第二有源层的漏区(1102)和源区(1101)。在这种情况下，形成了第二有源层的源区和漏区，以便包括晶粒边界和条状晶体区。

当提供第一有源层和第二有源层时，通过沿与晶粒边界的长度方向相交的方向夹入有源层形成了第一有源层的漏区和源区，并且通过沿与晶粒边界的长度方向相交的方向夹入有源层形成了第二有源层的漏区和源区。

此外，根据本发明实施例的薄膜晶体管可以为以下结构，包括由粒状晶粒和由具有比粒状晶粒大的晶粒直径的晶粒构成的条状晶粒(1605)组成的半导体薄膜(1603)，其中分别在半导体薄膜和条状晶粒中形成有源层。

Claims

1.一种用成形激光束的光束成形掩模，激光束用于在半导体薄膜上生长晶粒，其中

掩模的主体在用于透射激光束的一部分透射区中具有屏蔽激光束的屏蔽图案。

2.根据权利要求1的光束成形掩模，其中按是矩形以及还按具有在矩形的一边中的屏蔽图案的开口的形状的形状形成透射区。

3.根据权利要求2的光束成形掩模，其中屏蔽图案按从激光束的屏蔽区伸向透射区的凸起图案来形成。

4.根据权利要求3的光束成形掩模，其中设定屏蔽图案的长度方向上的凹形长度等于或小于屏蔽图案的凹形宽度，屏蔽图案中条状晶粒的晶体生长宽度变成最大值。

5.根据权利要求3的光束成形掩模，其中设定屏蔽图案的宽度方向上的凹形宽度等于或大于屏蔽图案的凹形宽度，屏蔽图案中条状晶粒的晶体生长宽度变成最大值。

6.根据权利要求1的光束成形掩模，其中提供一个或多个屏蔽图案。

7.根据权利要求6的光束成形掩模，其中周期性地提供屏蔽图案。

8.根据权利要求1的光束成形掩模，其中设定屏蔽图案的周期等于或小于基本上与条状晶粒的晶体生长宽度相同的长度。

9.根据权利要求2的光束成形掩模，其中规定透射区的宽度方向上的开口宽度为A，屏蔽图案的宽度方向上的凹形宽度为B，以及在宽度方向上的条状晶粒的最大晶体生长距离为L，它们的尺寸关系设定为2L≤A-B。

10.根据权利要求2的光束成形掩模，其中规定屏蔽图案的长度方向上的凹形长度为C，屏蔽图案之间的间隔的凹形长度为D，以及透射区的宽度方向上的条状晶粒的最大晶体生长距离为L，它们的尺寸关系设定为2L≥C+D。

11.根据权利要求2的光束成形掩模，其中规定透射区的宽度方向上的开口宽度为A，屏蔽图案的宽度方向上的凹形宽度为B，屏蔽图案的长度方向上的凹形长度为C，以及屏蔽图案之间间隔的凹形长度为D，它们的尺寸关系设定为A-B≥C+D。