CN1851926A - 具有平坦表面的多晶硅薄膜及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有平坦表面的多晶硅薄膜的制造方法，主要利用侧向长晶原理和激光方式将非晶硅区域熔融后结晶，再将结晶后所形成的多晶硅突起部分以激光熔融后再结晶，如此重复激光方式并步进整面基板以达到具有平坦表面的多晶硅薄膜。所制成的多晶硅薄膜包括多个侧向结晶生长的晶粒，和多个纳米级凹槽(nano－trenches)，平行地形成于多晶硅薄膜的表面；且该些纳米级凹槽的一长轴方向大致上和该些晶粒的侧向结晶方向互相垂直。
Description
技术领域
本发明是有关于一种多晶硅薄膜及其制造方法，且特别是有关于一种具有平坦表面的多晶硅薄膜及其制造方法。
背景技术
在基板上生长薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)的技术，一般可区分为非晶硅(Amorphous Silicon，a-Si)工艺与低温多晶硅(Low TemperaturePoly-Silicon，LTPS)工艺，LTPS TFT与a-Si TFT的最大分别，在于其电性与工艺繁简的差异。LTPS TFT拥有较高的载流子迁移率，因此所制成的TFT能提供更充份的电流，然而其工艺上却较繁复；而a-Si TFT则反之，虽然a-Si的工艺较简单，但载流子迁移率却不如LTPS。
在转换非晶硅成为多晶硅的技术方面，目前已经发展出多种结晶方法，例如准分子激光退火(Excimer Laser Annealing，ELA)技术，连续粒状结晶硅(Continuous Grain Silicon，CGS)技术，连续横向结晶(Sequential LateralSolidification，SLS)技术和金属诱发横向结晶(Metal Induced LateralCrystallization，MILC)技术等，及各种不同的激光，如准分子激光(ExcimerLaser)，连续波激光(Continuous Wave(CW)Laser)和激光束脉冲(Laser BeamPulse)等。目前大多以激光束脉冲照射，或利用可以产生温度梯度来达到横向结晶的方式最多。以连续横向结晶(SLS)技术为例，利用光学系统中具有不同透光度的光掩模，可使得到达非晶硅的激光产生温度梯度，而使横向生长晶粒持续生长，而形成多晶硅。
无论是金属氧化半导体晶体管(MOS)或TFT组件中有源层表面的粗糙度会影响到其电性稳定性及均匀性，而使用传统的激光结晶方式所制作出的多晶硅表面皆会产生突起或尖端(protrusion or tip)，使形成的多晶硅表面变得粗糙，均方根粗糙度(Rms)约在7～9nm左右。以准分子激光退火(ELA)技术制成多晶硅为例，图6为以扫描式电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)所拍摄的多晶硅薄膜的剖面。如图6中所示，所产生的突起高度约在1000～1200。图7为以原子力显微镜(atomic force microscopy，AFM)所拍摄的多晶硅薄膜。图7清楚显示ELA多晶硅薄膜的表面具有许多的突起，如此粗糙的多晶硅表面会造成组件的电性稳定性及均匀性变差。
因此，如何能制作出表面没有突起的多晶硅薄膜，使其粗糙度降低，进而提高应用组件的电性稳定性及均匀性，实为研发者一重要努力目标。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的就是提供一种具有平坦表面的多晶硅薄膜及其制造方法。主要利用侧向长晶原理和激光方式将非晶硅区域熔融后结晶，再将结晶后所形成的多晶硅突起区域以激光熔融后再结晶，如此重复激光方式并步进整面基板以制作出具有平坦表面的多晶硅薄膜。
根据本发明的目的，提出一种具平坦表面的多晶硅薄膜制造方法，包括步骤如下：
(a)提供基板，并在该基板上形成非晶硅薄膜；
(b)提供激光源并打出第一发激光(first laser shot)，照射于该基板的第一激光照射区，使该第一激光照射区内的非晶硅完全熔融后再结晶为多晶硅；
(c)移动该基板共一步进距离后，并打出第二发激光(second laser shot)，照射于该基板的第二激光照射区，且该第二激光照射区部分重迭于该第一激光照射区，使该第二激光照射区内的非晶硅和该第一激光照射区部分多晶硅完全熔融后再结晶为多晶硅；
(d)重复步骤(c)，直至基板上的非晶硅薄膜全部结晶为多晶硅薄膜。
根据本发明的目的，提出一种多晶硅薄膜，利用激光退火方式形成于基板上，此多晶硅薄膜包括多个侧向结晶生长的晶粒；和多个纳米级凹槽(nano-trenches)，平行地形成于多晶硅薄膜的表面，且该些纳米级凹槽的长轴方向大致上和该些晶粒的侧向结晶方向互相垂直。
附图说明
图1A～1D图示依照本发明一优选实施例的多晶硅薄膜制造方法的示意图；
图2图示依照图1A～1D所制造的多晶硅薄膜的上视图；
图3A、3B是分别图示本发明的激光源短轴和传统的准分子激光源短轴的示意图；
图4图示激光能量与基板对应的关系图；
图5A、5B是分别图示依照本发明一优选实施例所制成的多晶硅薄膜的剖面图和立体示意图；
图6为以扫描式电子显微镜所拍摄的ELA多晶硅薄膜的剖面图；
图7为以原子力显微镜所拍摄的ELA多晶硅薄膜；
图8为以原子力显微镜所拍摄的本发明的多晶硅薄膜；
图9为以原子力显微镜所拍摄的本发明的多晶硅薄膜，其中薄膜表面最高点和最低点分别约±5nm。
主要组件符号说明
11：第一激光照射区
21：第一多晶硅区域
12：第二激光照射区
22：第二多晶硅区域
30：侧向多晶硅区
101：基板
103：非晶硅薄膜
105：第一多晶硅
106：第一多晶硅小突起
107：第二多晶硅
108：第二多晶硅小突起
203：多晶硅薄膜
204：多晶硅薄膜的表面
205：纳米级凹槽
A：侧向长晶区域
d：步进距离
D：相邻两纳米级凹槽之间的间距
EL1：准分子激光源的长轴
ELS：准分子激光源的短轴
L1：本发明激光源的长轴
LS：本发明激光源的短轴
LE：激光能量10％到90％之间的侧向距离
DLE：基板对应于激光能量10％到90％之间的侧向距离
Rms：均方根粗糙度
TL：纳米级凹槽的长轴方向
PL：多晶硅薄膜晶粒的侧向结晶方向
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。
本发明提出一种具有平坦表面的多晶硅薄膜的制造方法，所制作出的多晶硅薄膜表面仅具有规律性出现的纳米级凹槽(nano-trenches)，而薄膜表面的粗糙度亦比传统激光制作出的多晶硅薄膜要低。以下以一实施例做本发明的详细说明，然而，此实施例并不会限缩本发明欲保护的范围。另外，附图标记中省略不必要的组件，以清楚显示本发明的技术特点。
请参照图1A～1D，其图示依照本发明一优选实施例的多晶硅薄膜制造方法的示意图。请同时参照图2，其图示依照图1A～1D所制造的多晶硅薄膜的上视图。首先，提供基板101，并在基板101上形成非晶硅薄膜103。接着，提供具有足够高能量的激光源(未显示)，并打出第一发激光(first laser shot)，以照射于基板101的第一激光照射区11(图2)，使第一激光照射区11内的非晶硅103完全熔融，如图1A所示。当第一激光照射区11内的非晶硅103完全熔融后，停止第一发激光，熔融非晶硅能以两边未熔融非晶硅为晶种而由第一激光照射区11的两侧往中心进行长晶(A为侧向长晶区域(lateralgrowth area))，以在第一多晶硅区域21内形成第一多晶硅105，且第一多晶硅区域21内并具有多个第一多晶硅小突起106，如图1B所示。
接着，移动基板(如图2的箭头方向所示)一步进距离d后，或者反向移动激光源一步进距离，打出第二发激光(second laser shot)，以照射于基板101的第二激光照射区12，且第二激光照射区12部分重迭于第一激光照射区11，如图1C所示。其中，步进距离d优选小于侧向长晶距离。当第二激光照射区12内的非晶硅103和第一激光照射区11内的部分第一多晶硅105完全熔融后，停止第二发激光，熔融非晶硅由第二激光照射区12的两侧往中心进行长晶，以在第二多晶硅区域22内形成第二多晶硅107，且第二多晶硅区域22内并具有多个第二多晶硅小突起108，如图1D所示。因而在第一激光照射区11与第二激光照射区12之间未重迭部分形成侧向多晶硅区30，以及位于侧向多晶硅区30与第二多晶硅区域22之间的纳米级凹槽205。
之后，再重复上述步骤，包括：再移动基板101一步进距离d，打出第三发激光以使第三激光照射区内的非晶硅和第二激光照射区内的第二多晶硅小突起完全熔融后再结晶。如此重复，直至基板101上的非晶硅薄膜103全部结晶为表面平坦的多晶硅薄膜，且此多晶硅薄膜包括了多个间隔交错的侧向多晶硅区30与纳米级凹槽205(如之后的图5所示)。
值得注意的是，步进距离d，例如第二发激光在基板101上的第二激光照射区12与第一发激光在基板101上的第一激光照射区11之间的距离为约0.5μm～5μm，且优选约2μm～5μm。而激光源所提供的能量需足以使基板101上的非晶硅103完全熔融，在实际应用中激光能量约900mJ/cm2以上即可达成，且优选约1000～1400mJ/cm2。而传统使用的准分子激光，其能量较低仅约350～450mJ/cm2，不足以使非晶硅103完全熔融。
图3A、3B是分别图示本发明的激光源短轴和传统的准分子激光源短轴的示意图。使用图3B所示的传统准分子激光源，其过宽的短轴ELs约为0.4mm，并不适合用来实施本发明的方法。因此，为实施本发明，需将激光源的短轴Ls缩短(图3A)，在本发明一优选实施例中为不超过100μm，且优选不超过50μm。而准分子激光源的长轴EL1和本发明激光源的长轴L1约和基板等长。
另外，在此实施例中，优选地控制激光能量分布与步进距离d之间的关系，以有效地完成侧向长晶。图4是图示激光能量与基板对应的关系图。DLE为基板101对应于激光能量10％到90％之间的侧向距离。在此优选实施例中，优选令激光能量10％到90％之间的一侧向距离LE大于步进距离d(图1C、图2)。若步进距离d为2μm，此侧向距离LE优选大于2μm；若步进距离d为5μm，此侧向距离LE优选大于5μm。
图5A、5B分别图示依照本发明优选实施例所制成的多晶硅薄膜的剖面图和立体示意图。根据上述方法而在基板101上所制成的多晶硅薄膜203，具有多个侧向结晶生长的晶粒，且多晶硅薄膜203的表面204规律性地形成大致上相互平行的多个纳米级凹槽(nano-trenches)205。而侧向多晶硅区30则与纳米级凹槽205间隔交错。其中，多晶硅薄膜203的表面204的均方根粗糙度(Rms)不超过5nm，该些纳米级凹槽205的平均深度范围约在-10nm～+10nm之间。而相邻的两个纳米级凹槽205之间的间距D(如图5A所示)则与步进距离d有关，在此实施例中为约0.5μm～5μm。也由于间距D由步进距离d决定，因此换句话说，图4中的激光源其10％能量到90％能量之间的一侧向距离LE优选大于间距D。
至于纳米级凹槽205的长轴方向TL大致上和多晶硅薄膜203的晶粒的侧向结晶方向PL近似垂直，如图5B所示。换句话说，纳米级凹槽205的一长轴方向TL和晶粒所形成的晶界(Grain Boundary)具有约60度～90度的交角，近似垂直。
根据上述，本发明主要是将激光短轴缩短(优选地约50μm以下)，造成激光退火后能够产生侧向长晶的效果；当第一发激光照射后会造成侧向长晶而使得突起的区域往激光照射区域中央部分形成，之后移动适当激光步进距离d，并利用第二发激光照射将突起区域熔融，如此重复激光步进整面即可产生具有平坦表面的多晶硅薄膜。如图8所示，其为以原子力显微镜(atomicforce microscopy，AFM)所拍摄的本发明的多晶硅薄膜。图8清楚显示多晶硅薄膜的表面十分平坦，不具有突起，仅具有多个大致平行的纳米级凹槽。图9为AFM所拍摄的本发明的多晶硅薄膜，其中薄膜表面最高点和最低点分别仅约±5nm，相较于图7的ELA多晶硅薄膜(图6中突起高度约为1000～1200)，应用本发明的制造方法所产生的多晶硅薄膜，表面十分平坦，可提高后续制成TFT组件的电性稳定性及均匀性。
另外，亦对应用本发明的多晶硅薄膜所制成的TFT组件进行电性测试，测试结果如表一所示。测试结果显示：使用本发明的多晶硅薄膜所制成的TFT组件，其电子迁移率为使用准分子激光多晶硅薄膜所制成的TFT组件的将近3倍。
表一
| 电子迁移率(Mobility) | 临界电压(ThresholdVoltage) | IV曲线的斜率倒数(SS) | Ioff |
| 本发明的多晶硅薄膜所制成的TFT组件 | 301cm2/V-S | 3.14V | 0.19 | 5×10-13pA |
| 准分子激光多晶硅薄膜所制成的TFT组件 | 108cm2/V-S | 2.0V | 0.22 | 3.76×10-13pA |
综上所述，虽然本发明已以一优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
Claims (19)
1.一种多晶硅薄膜，利用激光退火方式形成于基板上，该多晶硅薄膜包括：
多个侧向结晶生长的晶粒；和
多个纳米级凹槽(nano-trenches)，平行地形成于该多晶硅薄膜的一表面，且该些纳米级凹槽的一长轴方向大致上和该些晶粒的侧向结晶方向互相垂直。
2.如权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中相邻的两个纳米级凹槽之间具有约0.5μm～5μm的间距。
3.如权利要求2所述的多晶硅薄膜，其中该激光退火方式所使用的激光源，其10％能量到90％能量之间的一侧向距离大于该间距。
4.如权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中该多晶硅薄膜的该表面的均方根粗糙度(Rms)不超过5nm。
5.如权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中该些纳米级凹槽的平均深度范围约在-10nm～+10nm之间。
6.如权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中该些纳米级凹槽的长轴方向和该些晶粒所形成的晶界(Grain Boundary)具有约60度～90度的交角。
7.如权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中
该激光退火方式中所使用的激光具有900～1400mJ/cm2的能量范围，以形成该多晶硅薄膜。
8.一种多晶硅薄膜的制造方法，包括：
(a)提供基板，并在该基板上形成非晶硅薄膜；
(b)提供激光源，并打出第一发激光(first laser shot)，照射于该基板的第一激光照射区，使该第一激光照射区内的非晶硅完全熔融后再结晶为多晶硅；
(c)移动该基板共一步进距离后，并打出第二发激光(second laser shot)，照射于该基板的第二激光照射区，且该第二激光照射区部分重达于该第一激光照射区，使该第二激光照射区内的非晶硅和该第一激光照射区部分多晶硅完全熔融后再结晶为多晶硅，；
(d)重复步骤(c)，直至该基板上的该非晶硅薄膜全部结晶为多晶硅薄膜。
9.如权利要求8所述的制造方法，在步骤(b)中，该第一激光照射区内的非晶硅完全熔融后停止该第一发激光，熔融非晶硅由该第一激光照射区的两侧往中心进行长晶，以形成第一多晶硅区域，其中该第一多晶硅区域与该第一发激光的长轴平行处形成多个第一多晶硅小突起。
10.如权利要求9所述的制造方法，在步骤(c)中，当该第二激光照射区内的非晶硅完全熔融时，该第二激光照射区部分重迭于该第一激光照射区使该些第一多晶硅小突起完全熔融。
11.权利要求10所述的制造方法，当该第二激光照射区内的非晶硅完全熔融后停止该第二发激光，熔融非晶硅由该第二激光照射区的两侧往中心进行长晶，以形成第二多晶硅区域，其中该第二多晶硅区域与该第二发激光的长轴平行处形成多个第二多晶硅小突起。
12.如权利要求8所述的制造方法，其中该激光源的短轴不超过100μm。
13.如权利要求8所述的制造方法，其中该第二发激光在该基板上的该第二激光照射区与该第一发激光在该基板上的该第一激光照射区之间的步进距离约0.5μm～5μm。
14.如权利要求13所述的制造方法，其中该第二发激光在该基板上的该第二激光照射区与该第一发激光在该基板上的该第一激光照射区之间的该步进距离约2μm～5μm。
15.如权利要求14所述的制造方法，其中该激光源的10％能量到90％能量之间的侧向距离大于该步进距离。
16.如权利要求8所述的制造方法，其中
该激光源的激光能量约900～1400mJ/cm2。
17.如权利要求8所述的制造方法，其中形成的该多晶硅薄膜的表面具有多个平行的纳米级凹槽，且该些纳米级凹槽的平均深度范围约在-10nm～+10nm之间。
18.如权利要求17所述的制造方法，其中相邻的两个纳米级凹槽之间具有约0.5μm～5μm的间距。
19.如权利要求17所述的制造方法，其中该多晶硅薄膜的该表面的均方根粗糙度(Rms)不超过5nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20090603 |