CN1670622A - 激光退火的制程光罩以及利用激光退火形成多晶系膜层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种激光退火的制程光罩，此制程光罩包括一完全透光区、一完全遮光区和一部分透光区，其中完全透光区被完全遮光区所包围，且部分透光区是分布于完全透光区之中，用以改变完全透光区的激光能量密度分布，而将非晶系材质转为多晶系材质。本发明并提出一种利用激光退火来形成多晶系膜层的方法，以形成具有非连续直线的晶粒边界的多晶系膜层。

Description

激光退火的制程光罩以及利用激光退火形成多晶系膜层的方法

技术领域

本发明是有关于一种激光退火的制程光罩，且特别是有关于一种利用连续式侧向固化法(sequential lateral solidification；SLS)进行低温多晶硅的制程(low temperature poly silicon process；LTPS process)所使用的制程光罩。

背景技术

薄膜晶体管为主动数组型平面显示器常用的主动组件(activeelement)，通常用来驱动主动式液晶显示器(active matrix type liquidcrystal display)、主动式有机电激发光显示器(active matrix typeorganic light-emitting display)等装置。薄膜晶体管中的半导体硅薄膜一般可区分为多晶硅(poly-silicon)薄膜以及非晶硅(amorphous silicon，a-Si：H)薄膜。

非晶硅薄膜虽然具备低制程温度、且用气相沉积法来制备而适合大量生产、因制程技术较成熟致使良率较高等优点，但由于多晶硅的导电特性佳、使用多晶硅膜的薄膜晶体管具有较高的场效迁移率使晶体管可应用在高操作速度的电路中且驱动电路的积集度较佳等特性，再加上低温多晶硅制程的开发，已渐取代非晶硅薄膜。

常见的多晶硅薄膜的制造方法大致有三种，第一种是利用沉积步骤直接沉积形成，第二种是先形成非晶硅薄膜后再利用热能使其结晶成多晶硅薄膜，第三种是先形成非晶硅薄膜后再利用激光使其结晶成多晶硅薄膜。然而上述的方法有下列的缺点，第一种方法的缺点是必须沉积足够厚才能形成大晶粒的多晶硅膜，而且，其表面均匀度差，所需的制程温度亦高达600度。第二种方法虽然可以制造出厚度薄且均匀的多晶硅薄膜，然而其结晶步骤所需的温度高达600度，热预算高，且所需的时间长，会影响产率。第三种方法的制程温度低，传统是以准分子激光退火(excimer laser annealing；ELA)的方式使非晶硅转换为多晶硅，不过其扫描速度大约为0.2mm/sec，能量大约为370mJ/cm²，不仅产率低，受限于能量的大小，结晶情况常仅发生于表面，而无法达到使整层非晶硅再结晶成多晶硅的目的。使用扫描速度快(30mm/sec)且激光能量高(600mJ/cm²)的连续式侧向固化(SLS)激光退火处理使非晶硅转成多晶硅，则可以解决上述的问题。

连续式侧向固化(SLS)是一种使硅晶粒在液相硅区和固相硅区之间的界面沿垂直方向成长的技术，以使非晶硅膜会结晶成较大的硅晶粒。并借由控制激光束的能量和辐射范围，使硅晶粒会侧向成长至一预定长度。

利用SLS使非晶硅膜层结晶成为多晶硅膜层的过程中，在侧向长晶时，多晶硅的晶粒会相互推挤，形成排列成行的突起(protrusion)，使粗糙度(roughness)增加。图1是绘示利用上述之多晶硅薄膜制备薄膜晶体管41的通道方向的示意图。如图所示，第一排的薄膜晶体管41之通道区(如图中的箭头所示)包括了一条硅晶粒边界32，但第二排的薄膜晶体管41的通道区(如图中之箭头所示)则无任何硅晶粒边界32通过，致使两种薄膜晶体管41的电性不一致。因此，此种排列成行有序的突起(即标号32)，会导致电子电洞信道区的电性不佳，如使汲极电流-栅极电压曲线(I_d-V_gcurve)产生隆起(hump)，如图2所示，其中曲线A为产生隆起的异常曲线，曲线B为正常的曲线。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光退火的方法，使非晶系膜层结晶成为多晶系膜时，多晶系的晶粒边界不会形成连续直线的突起。

因此，本发明借由提供一种用以进行激光退火制程的光罩，使非晶系膜层结晶成为多晶系膜时，多晶系的晶粒边界不会形成连续直线的突起。

本发明提供一种激光退火的制程光罩，该制程光罩包括一完全透光区、一完全遮光区和一部分透光区，其中部分透光区是分布于完全透光区之中，用以改变完全透光区的激光能量密度分布，将非晶系材质转为多晶系材质。

在一较佳实施例中，此制程光罩定义有一相对移动方向，此制程光罩更包括多个第一和第二矩形图案位于制程光罩上，且每一第一和第二矩形图案为一完全遮光区所包围，第一和第二矩形图案是沿垂直于相对移动方向分别平行配置，每一第一矩形图案是对应于两相邻的第二矩形图案间之完全遮光区，且在每一第一和第二矩形图案中具有至少一非直线的部分透光区大致沿相对移动方向延伸。

上述的非直线的部分遮光区可由多个线段以重复性曲折方式排列构成。

在一较佳实施例中，其中完全透光区和部分透光区为马赛克图案排列。

在一较佳实施例中，制程光罩定义有一相对移动方向，此制程光罩更包括：多个第一和第二矩形图案位于该制程光罩上，且每一第一和第二矩形图案为完全遮光区所包围，第一和第二矩形图案是沿垂直于相对移动方向分别平行配置，每一第一矩形图案是对应于两相邻的第二矩形图案间的完全遮光区，且在每一第一和第二矩形图案中具有由完全透光区和部分透光区所形成的马赛克图案。

本发明并一种利用激光退火形成多晶系膜层的方法，首先，于基板上沉积一层非晶系膜层后，对此非晶系膜层进行一激光退火制程，使非晶系膜层转为多晶系膜层，且多晶系膜层的晶粒边界为非直线排列。

上述的利用激光退火形成多晶系膜层的方法中，非晶系膜层和多晶系膜层可分别为非晶硅膜层和多晶硅膜层。

上述的利用激光退火形成多晶系膜层的方法中，多晶系膜层之晶粒边界为曲折方式排列。

附图说明

图1是绘示利用传统连续式侧向固化法所形成的多晶硅薄膜来制备薄膜晶体管时，薄膜晶体管的通道方向的示意图。

图2是绘示正常和异常的汲极电流-栅极电压曲线图。

图3是表示本发明一较佳实施例的一种激光退火制程光罩的局部图样。

图4是图3的激光退火制程光罩的图案尺寸关系的具体例子。

图5是对应于图4的6-6切线的非晶系层的激光能量分布状态，横轴为相对位置，纵轴为激光脉冲的能量密度，延伸线E为完全融熔的临界点。

图6是激光退火制程的示意图。

图7是利用本发明第一较佳实施例的制程光罩对非晶系膜层进行激光退火后，使其转为多晶系膜层的晶格边界突起的分布情况，以及利用此多晶系膜层制成的晶体管的源极-汲极-通道区与晶格边界突起的相对图案关系。

图8是表示本发明另一较佳实施例的一种激光退火制程光罩的局部图样。

符号说明：

熔化的硅区段之宽度(激光束宽度)：W；

薄膜晶体管：41、141；

相对移动方向：x；

制程光罩：100；

矩形图案：102a、102b；

完全遮光区：104；

完全透光区：106、206；

部分透光区：108、208；

完全融熔的临界点：E；

多晶系膜层：110；

晶格边界突起：112；

激光束：300；

基板：150；

非晶系膜层：160；

支撑座：302。

具体实施方式

在将非晶系转为多晶系的激光制程中，为了避免形成连续直线型的晶粒边界突出，因此本发明设计了一种光罩图案，以借由改变激光的穿透能量分布，来控制结晶系粒边界的图案。

本发明的激光退火的制程光罩包括完全透光区和部分透光区，其中部分透光区是均匀分布于制程光罩上，用以将非晶系材质转为多晶系材质。

第一实施例

请参照图3，其表示本发明一较佳实施例的一种激光退火制程光罩的局部图样。图中斜线区为完全不透光区104，空白区为完全透光区106，曲折线为部分透光区108。在进行激光退火制程中，制程光罩和基板之间会相对移动，以逐步地将非晶系层转为多晶系层，图中的箭头是表示激光束的相对移动方向x。

如图所示，制程光罩100上对应于激光束宽度为W的范围内，有多个矩形图案102a和102b，且以垂直于相对移动方向x相互平行地配置，其中，每个矩形图案102a和102b均为完全遮光区104所包围，矩形图案102a配置于左侧，矩形图案102b配置于右侧，每一矩形图案102a是对应于两相邻的矩形图案102b之间的完全遮光区104。每个矩形图案102a和102b中，均配置有至少一非直线的部分透光区108，且此非直线的部分透光区108大致沿相对移动方向x延伸。

上述的非直线部分透光区108，例如由是由多个线段以重复性曲折方式排列构成(如图3所示)，在每一矩形图案102a和102b中的非直线部分透光区1 08的数目例如为一条，并且接近于矩形图案102a和102b的中线。其中，部分透光区108的透光率大约为80～90％左右。

举例而言，每一矩形图案102a和102b的大小为1.975mm×0.020mm，平行于相对移动方向x的两相邻矩形图案的间距均为0.010mm，左侧矩形图案102a和右侧矩形图案102b之间的水平间距为0.05mm，每一矩形图案102a和102b的外围与非直线部分透光区108的垂直对应距离为0.005mm，如图4所示。当利用此制程光罩对非晶系层进行激光退火制程时，对应于图4的6-6切线的非晶系层的激光能量分布状态如图5所示，横轴为相对位置，纵轴为激光脉冲的能量密度，延伸线E为完全融熔的临界点，而在对应于曲折直线段部分透光区108的相对位置的激光脉冲能量密度亦较邻近区域低。

图6是利用上述之制程光罩对非晶系膜层进行激光退火的示意图，标号150是基板，例如玻璃基板，标号160为非晶系膜层，材质例如是非晶硅，形成方法例如是化学气相沉积法。之后，将基板150放置于反应室内的支撑座302上，激光束300会经由制程光罩100照射到基板150上的非晶系膜层160，并借由移动支撑座302(其移动方向x为如图中箭头所指的方向)，使非晶系膜层160逐渐转为多晶系膜层110。多晶系膜层110的晶格边界突起112的分布情况，如图7所示，利用此多晶系膜层110制成的薄膜晶体管141的源极S、汲极D、通道区(如图中的箭头所示)与晶格边界突起112的相对图案如图所示，因此可以使每一电子电洞信道的电性特性均匀化。

第二实施例

请参照图8，其表示本发明另一较佳实施例的一种激光退火制程光罩的局部图样。图中组件与第一实施例相同的部分以相同的标号表示。如图所示，制程光罩100的矩形图案102a和102b中的完全透光区206和部分透光区208是马赛克图案。

发明的特征或优点

本发明提供一种激光退火的方法，使非晶系膜层结晶成为多晶系膜时，多晶系的晶粒边界不会形成连续直线的突起，以使所形成之薄膜晶体管的电性较为一致。

本发明提供一种激光退火的制程光罩，其中具有均匀分布的部分透光区，以避免多晶系的晶粒边界形成连续直线的突起。

利用本发明的制程光罩进行激光退火所形成的多晶系膜层，其晶粒边界为非直线排列，因此利用此多晶系膜层形成的薄膜晶体管的通道区的晶粒边界的分布情况较为均匀，致使薄膜晶体管的电性较为一致。

Claims (10)

1.一种激光退火的制程光罩，包括：一完全透光区、一完全遮光区和一部分透光区，其中该完全透光区被该完全遮光区所包围，且该部分透光区是分布于该完全透光区之中，用以改变该完全透光区的激光能量密度分布。

2.根据权利要求1所述的激光退火的制程光罩，其中该制程光罩定义有一相对移动方向，且该完全透光区包括多个第一和第二矩形图案，而该第一和第二矩形图案是沿垂直于该相对移动方向分别平行配置，且该每一第一矩形图案是与两相邻的该第二矩形图案间的该完全遮光区并排；

其中该部分透光区为一非直线的部分透光区，位于该每一第一和第二矩形图案之中。

3.根据权利要求2所述的激光退火的制程光罩，其中该非直线的部分遮光区是由多个线段以重复性曲折方式排列构成。

4.根据权利要求1所述的激光退火的制程光罩，其中该制程光罩定义有一相对移动方向，且该完全透光区包括多个第一和第二矩形图案，而该第一和第二矩形图案是沿垂直于该相对移动方向分别平行配置，且该每一第一矩形图案是与两相邻的该第二矩形图案间的该完全遮光区并排；以及

由该完全透光区和该部分透光区所形成的一马赛克图案，是位于该每一第一和第二矩形图案之中。

5.一种利用激光退火形成多晶系膜层的方法，包括：

提供一非晶系膜层于一基板上；

对该非晶系膜层进行一连续式侧向固化激光退火制程，使该非晶系膜层转为一多晶系膜层，且该多晶系膜层的晶粒边界为非直线排列。

6.根据权利要求5所述的利用激光退火形成多晶系膜层的方法，其中该多晶系膜层的晶粒边界为曲折方式排列。

7.根据权利要求5所述的利用激光退火形成多晶系膜层的方法，其中该激光退火制程是包括使用一制程光罩，该制程光罩包括：一完全透光区、一完全遮光区和一部分透光区，其中该完全透光区被该完全遮光区所包围，且该部分透光区是分布于该完全透光区之中，用以改变该完全透光区的激光能量密度分布。

8.根据权利要求7所述的利用激光退火形成多晶系膜层的方法，其中该制程光罩定义有一相对移动方向，该完全透光区包括多个第一和第二矩形图案，而该第一和第二矩形图案是沿垂直于该相对移动方向分别平行配置，且该每一第一矩形图案是与两相邻的该第二矩形图案间的该完全遮光区并排；

其中该部分透光区为一非直线的部分透光区，位于该每一第一和第二矩形图案之中。

9.根据权利要求8所述的利用激光退火形成多晶系膜层的方法，其中该非直线的部分遮光区是由多个线段以重复性曲折方式排列构成。

10.根据权利要求7所述的利用激光退火形成多晶系膜层的方法，其中该制程光罩定义有一相对移动方向，该完全透光区包括多个第一和第二矩形图案，而该第一和第二矩形图案是沿垂直于该相对移动方向分别平行配置，且该每一第一矩形图案是与两相邻的该第二矩形图案间的该完全遮光区并排；以及

由该完全透光区和该部分透光区所形成的一马赛克图案，是位于该每一第一和第二矩形图案之中。

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