TW305063B - - Google Patents

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TW305063B
TW305063B TW085101195A TW85101195A TW305063B TW 305063 B TW305063 B TW 305063B TW 085101195 A TW085101195 A TW 085101195A TW 85101195 A TW85101195 A TW 85101195A TW 305063 B TW305063 B TW 305063B
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Description

A7 B7 五、發明説明（1 ) 1 .發明背景： 本發明係關於一種退火的技術，例如在一大面稹上均 匀且有效地退火半導體材料。本發明亦關於當逐漸地改變 照明能量密度時，可避免照明一特別區域的處理效率之降 2 .相關技藝之敘述 在近年來，已廣泛地硏究半導體裝置製造方法之溫度 降低。這主要是由於在一絕緣基髏上形成半導體裝置之需 要，此絕緣基體例如一玻璃基體，其是較便宜且可工作性 較優良。其它的需要例如需要形成較細的裝置及多層裝置 ，亦已提昇處理溫度降低的硏究。 經濟部中央橾準局貝工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 特別是，欲製造構成主動矩瘅液晶顯示裝置之面板所 需在一玻璃基體上形成半導體裝置之技術。這是一種造形 ，其中薄膜電晶體形成於一玻璃基體上，以假設一矩陣超 過數百乘以數百。當一玻璃暴露於超過6 0 0 °C之氣氛中 ，例如收縮及應變之變形會變得明顯。所以，一薄膜電晶 體中之加熱溫度必須儘可能地低。 欲得到具有較優的電特性之薄膜電晶體，需要使用結 晶薄膜半導體。 在製造結晶矽膜的方法之中有一種結晶技術，藉由加 熱處理~非晶矽膜，其是藉由約5 0 0 °C的低Μ熱CVD 或電漿CVD所沈積。此加熱處理是例如將一樣品留在 6 0 0 °C以上的氣氛中超過數小時。在此加熱處理中，當 本紙張尺度遑用中國國家樣率（CNS ) A4规格（210 X297公釐> -4 - ;〇5063 A7 經濟部中央標準局負工消費合作杜印製 B7 _ 五、發明説明（2 ) 溫度是例如6 0 0 °C時，需要超過1 0小時之長的處理時 間。通常，如果一玻璃基體在6 0 0 °C被加熱超過1 〇小 時，則基體之變形（應變及收縮）會變得明顯。由於構成 薄膜電晶體之薄膜半導體之厚度爲數百埃，尺寸爲數埃至 數十埃，所以基體變形將會導致操作失敗、電特性的改變 等等。特別是，在大形基體（對角尺寸：2 0吋以上）的 情形中，基體變形是一項嚴重的問題。 如果加熱處理溫度高於1 0 0 0 °c，則在數小時之處 理時間中可得到結晶。然而，一般玻璃基體無法承受約 1 0 0 o°c的高溫，即使加熱處理只持績一段短的時間。 石英基體可以承受超過1 0 0 o°c之加熱處理，且允 許製造具有較優的結晶度之矽膜。然而，大面稹的石英基 體特別地昂贵。所以，從經濟的觀點來看，它們無法容易 地應用於液晶顯示裝置，其在將來將需要增加尺寸。 在以上的環境中，用於製造薄膜電晶體之處理的溫度 需要被降低。可得到此目的之技術中有一種技術，其使用 雷射光照明，此種技術現在受到極度注意是否可以提供超 低溫的處理。由於雷射光可以施加如同熱退火之高能量至 所需的部份，不需要將整個基體暴露於高溫氣氛中。所以 ，雷射光照明之退火技術使得可以使用玻璃基體。 然而，利用雷射光照明之退火技術具有不穩定的雷射 光照明能置之問題。雖然可以藉由使用能發射比所需較高 能置的雷射光之雷射裝置並衰減输出雷射光來解決此問題 ，但由於雷射裝置之增加尺寸仍會有價格增加之另一項問 本紙浪尺度逋用中國困家標率（CNS ) A4规格（210X 297公釐）_ 5 - *一" ' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾隼局貝工消費合作衽印製 A7 ____B7_五、發明説明（3 ) 題。 即使有此問題，利用霤射光照明之退火技術仍然是非 常有效的，其儍點在於可使用玻璃基體。 通常，有兩種敘述如下的霤射光照明方法。 在第一種方法中，使用例如氬離子雷射之CW雷射， 且將點狀光束施加至半導體材料。結晶一種半導體材料， 使得其被熔化且由於光束之傾斜能量輪廓及移動而逐漸固 體化。 在第二種方法中，係使用如激光雷射之脈衝振盪雷射 。結晶一種半導體材料，使得藉由施加一高能量雷射脈衝 而立即熔化然後固體化。 使甩CW雷射之第一種方法具有長的處理時間之問題 ，因爲CW雷射之最高能量不足，所以光束點尺寸最高爲 數微米乘數微米。相反地，在使用脈衝振盪雷射的第二種 方法可以提供高的產量，因爲雷射之最高能置非常高，所 以光束點尺寸可以做成數平方公分或更大。 然而，在第二種方法中，欲以一般方形或矩形光束來 製造單一大面積基髏，則光束需要被移動於四個正交方向 ，從大置製造的觀點來看其仍有許多不便仍待解決。 藉由將雷射光束做成一線性形狀，並以此光束來掃描 基髄，可以大幅地改善此觀點，此線性形狀比基體之宽度 更長。 仍然有一問題爲雷射光照明效果之均勻度不夠。採取 以下措施來改善均勻度。第一種措施是藉由使雷射光束通 本紙張尺度遑用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐）-6 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 、νβ 經濟部中央標準局負工消费合作杜印製 五、發明説明（4) 過一隙縫而讓光束輪廓儘可能地接近矩形，藉以降低一雷 射光束中之强度變化。進一步改善均勻度之第二種措施是 以脈衝雷射光來執行初步照明，此脈衝雷射光比隨後所執 行的主要照明弱。此種措施是非常有效的，可以大幅地改 善所得到之半導體裝置之特性。 上述二步驟照明之有效的原因在於包括許多非晶部份 之半導體材料膜具有雷射能置吸收比與多晶膜不同。例如 ，普通非晶矽膜（a — S i膜）包含2 0至3 0原子百分 比的氫。如果具有高能置之雷射光突然被施加至非晶矽膜 ，則氫會發射出來，所以膜之表面會變得粗糙，亦即形成 有數十埃至數百埃的孔。由於薄膜電晶體之薄膜半導體的 厚度爲數百埃，具有數十埃至數百埃之孔的表面將會是電 特性之變化的主要原因。 在執行二步驟照明之情形，進行一處理使得某一部份 的氫藉由弱的初步照明而被移離，並以主要照明來作用結 晶。由於初步照明之照明能置不高，所以不會發生由於突 然的氫發射而造成膜之嚴重的表面粗糙。 如是步化膜 如 ，於初變薄 例 而，與些的 ί 然倍明某寸 術 。加照之尺 技 度會要果之 理 匀間主效埃 處 均時視火十 同 之理，退數 不 果處射射乘 多 效射雷雷埃 許 明雷衝生十 的 照則脈發數 明 光，用會有 照 射明使，具 光 雷照於定響 射 善驟由而影 雪 改步，度地 用 地二外確幅。利 效的此精大性在 有述。齊會特， 以上量對化之常 可用產之變體通 使低明此晶 果降照，電 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) Α4规格（2丨ΟΧ 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 A7 B7 五、發明説明（5 ) 以不同的材料及施加雷射能置之處理會引起品質改變）之 中有一種技術，其中以變化的能置之霤射光束來照明某一 TE域數次。用於矽膜之上述退火技術是此種技術的一個例 子。 習知在此種技術中，施加雷射光束數次，然而由於照 明次數的數目其會加長處理時間，並引起操作效率的大幅 降低。此外，以雷射光束來照明特殊區域數次很可能會造 成照明區域偏移之問題，因爲解決此問題在技術上有困難 或可能會需要昂貴的技術，所以其並不實用。 發明節要： 本發明之目的在於解決以雷射光照明的退火所產生之 不均匀的問題。 本發明藉由設計線性雷射光束之新的能量輪廓來解決 上述問題，此輪廓係連續或以步階方式地改變。特別是， 採用正常分布型式輪廓或梯形輪廓。 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 欲解決上述問題，本發明之一個觀點的特徵在於，當 在一方向以雷射光束掃描時，照明物體是以形狀做成雷射 光束之脈衝雷射光束來照明。 例如，如圚3所示，當以在其寬度方向（亦即掃描方 向）具有正常分布型式能置輪廓之雷射光束而掃描時，照 明半導體材料。以此照明方法，正常分布型式輪廓之底至 中間部份對應具有低雷射光束能置之初步照明，而輪廓之 中間至頂部份對應具有高能量之主要照明。所以，單一雷 本紙張尺度遑用中國國家橾率（CNS)A4规格（ 210X297公釐）_ 8 _ A7 B7 五、發明説明（6 ) 射光束照明操作可以提供類似於以二步驟或多步驟的雷射 光束照明之效果。另一種方式，如圖5所示，在其宽度方 向（掃描方向）以具有梯形能置輪廓之雷射光束來照明半 導體材料。在此情形中，梯形輪廓之傾斜部份具有施加對 應初步照明之能量的作用，而輪廊之頂基部份具有施加對 應主要照明之能量的作用。 本發明之另一個觀點的特徵在於，當雷射光束在一方 向上移動時，以形狀做成線性光束之脈衝雷射光束來照明 一照明物體，其中以重*方式來施加雷射光束，使得在照 明物體上之獨特的選定點被照明數次。 在此方法中，藉由以重叠方式來施加線性雷射光束， 而以雷射光束來照明一特別區域數次。 特別是，在當慢慢地移動時，以重叠方式來施加在掃 描方向具有正常分布型式能量輪廓（參照圖3)或梯形能 置輪廓之雷射光束的情形，在一特別的線性區域中，所施 加的能S密度首先連績地或步階方式地增加，然後連績地 參 經濟部中央樣準局負工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 或步階方式地減小。所以，此方法可以提供類似由二步驟 或多步驟雷射光照明所得到的效果。 欲提供等於由多步驟照明所得到的效果，雷射光束脈 衝之重叠的數目可以設定爲3至1 0 0 ，特別是1 0至 3 0 。 然而，欲得到所需要的退火效果，最好執行雷射光束 照明以滿足某些條件，這些條件爲： (1 )照明物髏爲厚度在1 5 0至1 0 0 〇埃之矽膜 本&張尺度適用中國國家標準（CNS > A4规格（210 X297公釐）-9 - SCGC63 A7 ___B7__ 五、發明説明（7 ) 0 · (2 )雷射光束爲具有毎秒N個的脈衝速率之脈衝光 束，假設具有宽度L之線性形狀，且具有一光束輪廓其中 能置密度在宽度方向係連績地或步階方式地改變。 (3 )當在寬度方向上以速度V移動時，雷射光束被 施加至照明表面。 (4 )平均單一脈衝能置密度被設定在1 0 0至 5 0 OmJ/cm2。 (5 )施加雷射光束以滿足1 0SLN/VS3 0之 關係。 敘述滿足上述條件之本發明的雷射光束照明方法，包 含以下步驟： 在毎秒N次的速率來發射脈衝雷射光束； 將脈衝雷射光束做成具有寬度L之雷射光束，其能量 輪廓爲在其寬度方向上連績地或步階方式改變，且具有 1 0 0至5 0 OmJ/cm2之平均單一脈衝能量密度； 及 經濟部中央標準局負工消費合作社印装 (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 當以速度V利用雷射光束在宽度方向上掃描時，施加 雷射光束至具有厚度爲1 5 0至1 0 0 0埃之矽膜，以滿 足1 0SLN/VS3 0之關係。 在上述條件之中，爲了以下的理由而設定條件爲：照 明物體是厚度爲1 5 0至1 0 0 0埃之矽膜。實驗指出在 退火矽膜時，如果矽膜之厚度小於1 5 0埃，則膜成形之 均匀度、退火效果之均匀度及再製造能力會不足。另一方 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210 X 297公釐）—1 〇 _ 經濟部中央橾率局員工消費合作社印製 A7 _B7_ 五、發明説明（8 ) 面，具有厚度大於1 0 0 0埃之矽膜並不實用，因爲其需 要較大輸出的雷射。此外，對於薄膜電晶體而言並不使用 具有此種厚度之結晶矽膜。 具有光束輪廓在宽度方向連績地或步階方式地改變之 雷射光束的例子，爲一種雷射光束在掃描方向具有正常分 布型式能量輪廓（參照圖3)，及一種雷射光束在掃描方 向具有梯形能置輪廓（參照圖5)。 使用1 0 0至5 0 OmJ/cm2之能1:密度的理由 在於，實驗顯示藉由使用上述能置密度的雷射光束，可以 有效地執行具有不超過1 0 0 0埃之厚度的矽膜之雷射退 火。上述所使用的能置密度被界定爲輪廓之頂部份的値， 此輪廓係連績地或步階方式地改變。例如，在正常分布型 式輪廓的情形中，此能置密度被界定爲最大値。在梯形輪 廓的情形中，此能置密度被界定爲頂基部份的値。 在上述方法中，參數LN/V表示當以線性脈衝雷射 光束來掃描一次時，被施加至特別的線性區域之雷射光束 脈衝的數目。欲得到如同以多步驟照明之效果，最好雷射 光束脈衝之數目被設定爲1 0至3 0。 依據本發明之另一個觀點，提供有一種霤射光束照明 方法，包含以下步驟： 以毎秒N次的速率來發射脈衝雷射光束： 成形脈衝雷射光束使得脈衝雷射光束具有一能置輪廓 ，其中能置密度在預定方向的長度L上方係連績地或步階 方式地改變；及 1紙張尺度逍用中國國家揉準（〇奶）久4规格（210父297公釐）_11- I- I ( 裝 訂 ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央橾準局負工消费合作社印製 A7 ___B7 _五、發明説明（9 ) 當以速度V在預定方向使用雷射光束掃描時，施加雷 射光束至預定區域，其中在一次掃描中施加至預定區域之 雷射光束脈衝的數目η滿足n = LN/V之關係。 藉由利用上述方法，能以具能量密度逐漸改變之雷射 光束來照明一特殊區域η次。 在本發明中，雷射光束照明能置輪廓並不限於正常分 布型式及梯形輪廓。例如，可以利用一種光束形狀，其中 能置密度係步階方式地改變，或可以使用三角形的能置輪 廓。 例如當施加具有如圊3所示之正常分布型式能置輪廓 的線性雷射光束時，在其寬度方向上掃描時被移動，使得 滿足某些條件，首先能置輪廓之弱的底部被施，照明能置 逐漸增加。在施加具有某一能量値之部份後，照明能置逐 漸減小並完成照明。 例如當使用在宽度方向上具有正常分布型式照明能量 輪廓的線性脈衝雷射光束，且滿足LN/V= 1 5之條件 ，其中L是光束宽度，N是每秒的發射數目，V是掃描速 度，在一次雷射光束掃描以1 5個霤射光束脈衝來照明線 性逦域。 此依序地施加之15個雷射光束脈衝分別具有15個 部份的正常分布型式輪廓之能量密度値。例如，以具有如 圖4所示之E1至E15的雷射光束脈衝來依序地照明一 特殊線性區域（此區域之宽度很窄）。當依序地施加E1 至E 8的雷射光束脈衝時，照明能置密度逐漸增加。另一 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公釐）· - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（10) 方面，當依序地施加E 8至E 1 5的雷射光束脈衝時，照 明能置密度逐漸減小。 此種型式的處理可以得到所要的退火效果而能抑制矽 膜之表面粗糙度，其中首先照明能量被逐漸增加然後逐漸 減小。此外，由於藉由一次掃描的雷射光束照明而非數次 的雷射光束照明操作，可以得到所要的效果，所以可得到 高操作效率。 特別是，藉由使用能量密度連績地改變之雷射光束， 可以得到類似多步驟照明之效果。此作用類似地施加退火 效果以外的效果於矽膜上。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣率局員工消費合作社印裝 較佳實 實施例 在 光束來 趨勢爲 制此均 可以減 於二步 首 例中的 放置在 波長： 使用其 施例之詳細敘述： 1 此實施例中，使 照明一非晶或結 均勻度 差，與 束照明 膜表面之 勻度的變 小雷射光 驟照明之 先，將敘 雷射退火 工作台1 2 4 8 η 它的激光 效果。 用矽膜作爲半導體材料。在以雷射 晶砂以提高結晶度的處理中，有一 會變差 背景技藝 之處理時 以下所述之實施例可以抑 所述之二步驟照明比較， 間，而且可得到等於或優 述一霤射退火裝Β。圚1爲使用於此實施 裝置之圖形。霤射退火裝置之主要部份係 上。從一振盪器2發射Kr F激光雷射（ m :脈衝寬度：2 5 n s )。很明顯亦可 雷射或其它型式的雷射。 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS)A4规格（ 210X297公釐）-13 - A7 B7 五、發明説明（η) 從振盪器2發射出來的雷射光束被全反射鏡5與6反 射，被放大器3放大，被全反射鏡7與8反射，且被導入 透鏡4。 在進入光學裝置4之前，假設雷射光束爲約3 X 2平 方公分之矩形形狀。此雷射光束被透銳4成形爲具有10 至30公分的長度及0.1至1公分的寬度。此霤射光束 具有在寬度方向約爲正常分布型式之光束輪廓如圖3所示 。從光學裝置4所输出之雷射光束具有1 0 0 OmJ/點 之最大能置。 將一般雷射光束做成長且窄的光束之理由是要改善處 理能力，如以下所敘述。從光學裝置4輸出的線性雷射光 束經由全反射鏡9被施加至一樣品11。由於雷射光束比 樣品1 1之宽度長，所以藉由在一方向上移動樣品1 1可 以將霤射光束施加至整個樣品1 1。所以，用於樣品1 1 之臺階/驅動裝置10之造形可以做得簡單且容易維修。 此外，可以便利固定樣品1 1之對齊操作。 經濟部中央樣隼局貞工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 欲被雷射光束照明之臺階1 0是由一電腦來控制，且 被設計成可垂直於線性雷射光束而移動。此外，如果提供 有一在工作台的平面中旋轉之機構，樣品1 1係安裝在工 作台上，則可以方便地改變雷射光束掃描方向。由於在臺 階1 0之下方提供有一加熱器，所以於雷射光束照明期間 ，樣品11可以保持在預定的溫度。 圖2指出在光學裝置4內的光學路徑之例子。輸入至 光學裝置4之雷射光束通過一圓柱形凹透銳A、園柱形凸 本姑^尺度‘適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210 X 297公釐）.^ 4 經濟部中央標隼局員工消費合作社印製 A7 __B7五、發明説明（12 ) 透鏡B友水平與垂直複眼透鏡C與D，進一步通過圈柱形 凸透鏡E與F，被鏡子G (其對應圖1中之鏡子9 )反射 ，被圓柱形透鏡G聚焦，最後被施加至樣品11。藉由相 對於照明表面垂直地移動透鏡Η，可將照明表面上的雷射 光束輪廓，從接近矩形的輪廊改變成正常分布型式輪廓。 由於圖2中之全反射鏡G對應圇1中之全反射鏡9 ，實際 上透鏡Η係放置於全反射鏡9與樣品1 1之間。 以下將敘述一例子，其中藉由依據本發明之雷射照明 ，而使一結晶矽膜形成於一玻璃基體上。首先，製備1 0 公分X 1 0公分之玻璃基體（例如康寧7 0 5 9或1 7 3 7)。藉由使用TEOS作爲一材料，而以電漿CVD將 2 0 0 0埃厚之氧化矽膜形成於玻璃基髏上。此氧化矽膜 作爲底層膜，用於避免雜質從玻璃基體擴散進入半導體膜 0 隨後，藉由電漿CVD或低壓熱CVD來沈積5 0 0 埃厚的非晶矽膜。在經由以雷射光束照明的退火來形成結 晶矽膜的情形中，最好作爲啓始膜之非晶矽膜具有不超過 1 0 0 0埃的厚度。這是因爲如果非晶矽膜比1 0 〇 〇埃 厚，則無法得到想要的退火效果。 以上述方式而使非晶矽膜形成於玻璃基體上。然後， 藉由使用圖1所示的裝置，KrF激光雷射光束（波長： 2 4 8 nm ;脈衝寬度：2 5 n s )被施加至非晶矽膜， 使得其被轉換成結晶矽膜。 雷射光束藉由光束形狀轉換透鏡而被做成一線性形狀 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 装. 訂
IX 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS)A4規格（210X297公釐）· ；^5 - 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 A7 _ _B7_ 五、發明説明（13) ，以在照明物雔上提供1 2 5mmx lmm之光束面積。 由於線性雷射光束具有正常分布型式輪廊，光束邊緣是不 定的。在此說明書中，光束被界定成一部份的光束輪廓， 其中能量不小於最大能量的5 %。 安裝在臺階10上之樣品11藉由以2mm/s而移 動使得可以整體被照明。至於雷射光束照明條件，雷射光 束能量密度被設定在3 0 OmJ/cm2 ，且脈衝速率（ 每秒之脈衝發射的數目）被設定在3 0脈衝/秒。須注意 在這裡所使用的”能置密度”意指光束輪廓之頂部份的能 量密度値，此光束輪廓接近一正常分布。 使用上述的條件，V=2x 1 0—3m/s ，N=3 0 /s-1，L=1 x 1 0—3m。所以，'LN/V=1 5，其 滿足此說明書中所揭示的條件。 在上述條件下來執行雷射光束照明的情形，在樣品 1 1上之任意的選定點是以1 5個雷射光束來照明。此 1 5個雷射光束脈衝具有對應圖4中所示之正常分布型式 輪廓的E1至E15的能置密度値。如果在上述條件下使 用線性雷射光束，則具有E 1至E 1 5的能置密度値之雷 射光束脈衝依序被施加以覆盖1 2 5mmx 1mm的線性 區域。 圖3指出當爲了掃描而被移動時線性雷射光束如何被 施加。當注意例如線性區域A時，可以看到首先其是以具 有對應正常分布之底部的低能置密度之雷射光束脈衝來照 明，然後所施加的雷射光束脈衝之能量密度逐漸增加。當 n· nn ^^^1 1^1 m n_a— ^ nn tn^i In 一 i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度遢用中困國家揉準（CNS)A4規格（ 210X297公釐）-Μ - SC5063 A7 __B7____ 五、發明説明（w) 注意線性面域B時，可以看到在其以具有對應正常分布之 頂部的最大能量密度之雷射光束脈衝來照明之後，所施加 的雷射光束脈衝之能置密度逐漸減小。所以，不需要改變 雷射振盪器2之輸出亦可以使照明能量最佳化。由於雷射 振盪器2可以總是維持穩定，所以可確保均匀的雷射退火 0 發明人之實驗顯示當參數LN/V是在1 0至3 0的 範圍內時，可以得到最佳的結晶矽膜。亦即，對於結晶一 矽膜而言，最佳的條件是照明其預定的線性區域1 0至 3 0次。照明霤射光束之能量密度應在1 0 0至5 0 0 mJ /cm2的範圍內，最好是3 0 0至4 0 0 m J / cm2 0 經濟部中央搮隼局負工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 於雷射光束照明期間，基體溫度被保持在2 0 0 °C， 以減小由於雷射光束照明而產生基體表面溫度之增加及減 小的速度。已知通常環境條件中的突然改變會影響物質之 均匀度。藉由保持基體溫度爲很高，可以減小由於霤射光 束照明所產生的基體表面之均匀度的變差。雖然在此實施 例中，基體溫度被設定在2 0 0 °C，實際上其被設定在雷 射退火之最適當的溫度1 0 0至6 0 0 °C之範園內。沒有 執行特別的氣氛控制：亦即，是在空氣中進行照明。 實施例2 此實施例是針對藉由霤射光束照明來改善矽膜之結晶 度及均勻度的情形，此矽膜已藉由加熱而被結晶。發明人 >紙張尺度適用中國國家橾準（〇奶）八4规格（210乂297公釐）_17_ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（15) 之硏究指出藉由加入一金屬元素以加速矽之結晶，且以約 5 5 0 °C的溫度加熱處理4個小時，可以得到一結晶矽膜 。此種技術係敘述於日本未審査專利公告號碼He i 6-232059 及 Hei 244103。 藉由使用此種技術，可以在應變等等不會造成嚴重問 題的情形中，在一溫度範園內將一結晶矽膜形成在大面稹 的玻璃基體上。藉由使用此種結晶矽膜所製造的薄膜《晶 镫具有特性逮優於藉由使用非晶矽膜所製造的薄膜電晶體 。特別是，當使用非晶矽膜之薄膜電晶髏的移動率小於1 cm2 / Vs時，藉由使用金屬元素的上述結晶技術所製 造的薄膜電晶體之移動率大於數十cm2 /Vs。 然而，藉由R am a η光譜儀及電子顯微鏡的照片之 觀察顯示許多非晶組份會留在藉由使用上述技術所製造的 結晶矽膜中。已證明藉由以雷射光束照明來結晶餘留的非 晶組份，可以進一步改善所得到的薄膜電晶體之特性。 以下將敘述依據此實施例之用於製造結晶矽膜的方法 。首先，作爲底膜之2 0 0 0埃厚的氧化矽膜被沈積在一 玻璃基體上。藉由電漿CVD而將5 0 0埃厚的非晶矽膜 沈稹於其上。然後乙酸鎳溶液以旋轉塗覆機被塗至非晶矽 膜的表面。調整乙酸鎳溶液中的鎳澳度，使得最後餘留在 矽膜中的鎳的澳度爲1 X 1 016至5 X 1 019cm—3。這 是因爲如果鎳澳度超過上述範圍，會出現如同金屬矽化物 之特性，且如果低於上述範圍，無法得到加速結晶之效果 。鎳濃度被界定爲S IMS (二次離子質譜儀）之最大値 本紙張尺度遑用中國國家揉準（CNS)A4规格（ 210X 297公釐）_ π - n· ^^^1 m n^i —^ϋ 一 $ i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央梂準局員工消費合作社印製 A7 ________B7__
五、發明説明（A 〇 以再製造能力及效果的觀點來看，鎳是最佳的金屬元 素用於加速矽的結晶。然而，亦可以使用選自Fe、Co 、Ru、Rh、Pd、Os' Ir、Pt、Cu、Au2 一個或許多元素。特別是F e、Cu、Pd及P t對於特 殊用途可以提供充分的效果。 在鎳被保持在鄰近非晶矽膜之表面的狀態中，基體被 放在4 5 0 °C的氮氣氛中1個小時，以從非晶矽膜移離氫 °藉由刻意地形成懸垂鍵而進行此加熱處理以減小後來執 行的結晶步驟之臨限能.置。 隨後，在鎳保持鄰近非晶矽膜之表面的狀態中，來執 行5 5 0 °C及4個小時的加熱處理，以將非晶矽膜轉換成 結晶矽膜。雖然可以在高於5 0 0 °C的溫度來執行此加熱 處理，重要的是溫度必須低於玻璃基體之應變點。 於是，一結晶矽膜形成於玻璃基體上。然後藉由相同 的方法及與第一個資施例相同條件使雷射光束被施加至矽 膜。結果，可以得到結晶度及均勻度進一步提昇的結晶矽 膜。由實驗顯示如果霤射光束之能置密度被增加2 0至 5 0 %，則雷射光束照明比第一個實施例有效。 如同在此實施例中的情形，藉由加入一金屬元素以加 速矽之結晶，而以雷射光束照明來改善以加熱處理來結晶 矽膜之結晶度的技術，可以提供一結晶矽膜，.其結晶品質 、均匀度及再製造能力優於只藉由加熱或霤射光束照明所 製造的結晶矽膜° 本紙張尺度適用t國國家梯準（CNSM4规格（ 210X297公釐） 19 - ' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T S 0 5 G 6 3 A7 B7 經濟部中央樣準扃貝工消费合作社印製 五、發明説明（17) 在藉由一般的方法施加雷射光至結晶矽膜的情形中， 此結晶矽膜是藉由導入例如鎳之金屬元素再加熱而製成， 會發生金屬元素之隔離或部份凝結的現象。造成捕截中心 (trap c en t e r )之金屬元素的隔離及部份凝 結，爲所得到的半導體裝置之電特性大幅變差的主要因素 。相反地，如果使用本發明之雷射光照明方法，則不會發 現此種現象。這是因爲可以藉由從一低位準逐漸增加霤射 光束能量，可以抑制金屬元素的隔離及部份凝結。 資施例3 雖然在第一及第二實施例中施加具有正常分布型式能 量輪廓之線性雷射光束，在此實施例中係施加有梯形能量 輪廓之線性雷射光束。在此實施例中，同樣藉由使用圖1 及2所示的雷射照明裝置，以K r F激光雷射（波長： 248nm:脈衝宽度：25ns)的照明來退火一結晶 矽膜。 藉由光學裝置4而將雷射光束做成線性形成，以在照 明物糖上具有1 2 5mmx 1mm之光束面積。線性形狀 的寬度方向上之能量輪廓爲梯形，如圓5所示。由於線性 雷射光束之此光束輪廊的特性，光束邊緣是不定的。在此 說明睿中，光束被界定爲一部份的光束輪廓，其中能量不 小於最大能置的5 %。 安裝在臺階10上的樣品11 ，藉由以2mm/s之 速度而移動，能以線性雷射光束而整體地照明。至於霤射 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210^<297公釐）-2〇 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 B7 五、發明説明（18) 光東照明條件，雷射光束能量密度被設定在1 0 0至 5 0 0 m J / c m 2 ，且脈衝速率被設定在3 0脈衝/秒 。須注意在這裡所使用的術語”能置密度”意指一梯形光 束輪廓的頂基部份（具有最大値）之能量密度値。 如果在上述條件下來執行雷射光束照明，其中脈衝雷 射光束之宽度爲1mm，且花了0. 5秒使樣品11通過 1 mm宽的區域，在照明表面上的一點可接收1 5個雷射 光束脈衝。亦即，在一次掃描中，樣品11上的任意選定 點被1 5個雷射光束照明。在此資施例中，由於施加具有 梯形能量輪廓之線性雷射光束，在一次掃描中的前數個光 束施加中照明能量密度會增加，而在後數個光束施加中則 會減小。 經濟部中央揉準局貝工消費合作社印製 III. I - - I -1 1- __ —1 ( —I- - : . I .^1 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本瓦) 此圖形地表示於圖5中。在1 5個光束施加的前半部 (參照圇5中之部份A〉中，雷射光束能量會逐漸增加， 且在後半部（參照圖5中之部份B )中則會逐漸減小。所 以，不需要改變雷射振盪器2之輸出，亦可以使照明能量 最佳化。由於雷射振盪器2總是可以保持穩定，所以可確 保均勻的雷射退火。可以從雷射光束宽度、臺階1〇之速 度、雷射光束脈衝之數目而簡單地算出數目1 5。依據我 們的實驗，藉由3至1 0 0光束施加，最好是1 0至2 0 光束施加，可以製造出具有最佳結晶度之矽膜。 基髏溫度於雷射光束照明期間被保持在5 0 0 °C ’以 減小由於雷射光束照明所產生基體表面溫度之增加及減小 的速度。已知環境條件中突然改變會影響物質之均匀度。 本紙張尺度遑用中國國家橾率（CNS ) A4规格（2丨Ο X 297公釐）-21 - 經濟部t央標隼局貝工消費合作社印製 A7 B7_ 五、發明説明（19) 藉由保持基體溫度爲很高，可以減小由於雷射光束照明所 產生的基饅表面之均匀度變差。雖然在此實施例中，將溫 度設定在最適於雷射退火的4 0 〇°C至玻璃基體的應變點 之範圍內。並沒有執行任何特殊的氣氛控制；亦即，是在 空氣中進行照明。 實施例4 第四個實施例之特徵爲：藉由設計一光學系統，照射 雷射光束之能量輪廊具有如圖6所示之形狀。 在由於將雷射光束照射於一矽膜上的退火中，最好在 欲被照射的區域中，照射的能置密度被逐漸增加，且進一 步照射的能置密度被逐漸降低。 這是因爲可以限制統一退火之效果，且進一步統一矽 膜之表面的粗糙度，其是由退火所引起。 圚6所示之照射能量輪廓爲藉由照射一雷射光束來結 晶非晶矽膜的情形中之輪廓。 圇6中所示的照射能置輪廓表示被做成線性的雷射光 束之部份。在圖6中，當從右至左來掃描物體時，雷射光 束被照射在欲被照射的物體上。 須注意在圖6中，縱座標軸表示垂直的照射能量密度 之相對値。橫座棋軸表示被做成線性的雷射光束之宽度方 向0 在下文中，將參照以雷射光束照射在非晶矽膜上，而 改變非晶矽膜成結晶矽膜的方法作爲一個例子來敘述雷射 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS > A4规格（210X297公釐> -22 - ~ (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 装. 訂 經濟部中央樣牟局負工消费合作社印製 305063五、發明説明（20) 退火方法。 在注意欲被照射的某一特定區域之情形中，雷射光束 之部份6 0 3被照射在欲被照射的區域上。在此情形中， 雷射光束之部份6 0 3的能置密度被設定爲一種程度，使 得非晶矽膜不會被加熱。以此密度，在非晶矽膜被結晶之 前來進行預先加熱。 隨後，當雷射光束掃描欲被照射的物髗時，雷射光束 之部份6 0 2被照射在欲被照射的區域上。 設定雷射光束之部份6 0 2具有能量密度可允許非晶 矽膜被熔化且結晶。 以此設定，可以結晶非晶矽膜。在此情形中，由於藉 由雷射光束之部份6 0 2的照射所進行的加熱並不快速， 能以良好的均勻度及限制缺點的產生來進行結晶。 隨後，藉由以霤射光束來掃描物體，使雷射光束之部 份6 0 1被照射在欲被照射的區域上。 雷射光束之部份6 0 1具有與雷射光束之部份6 0 3 相同的能量密度。換句話說，雷射光束之部份6 0 1具有 照射能量密度的程度爲在不被結晶下來加熱矽膜。 利用雷射光束之部份6 0 1的照射，已被結晶的矽膜 可以進入沒有被快速冷卻的狀態。 利用雷射光束之部份6 0 1的照射，用於固化已被熔 化一次的矽膜所需的時間周期可以被加長。 雷射光束之部份6 0 1的功能爲依據光束之形狀或退 火之條件而設定能置密度。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度遑用中國國家橾车（CNS > A4规格（210X297公釐} - 23 - 經濟部中央梂準局貝工消費合作杜印裝 A7 B7五、發明説明（21) 以此功能，可以統一結晶成長。而且，可以限制應力 或缺點之發生。此外，可以限制表面之粗糙度（凹/凸） 的產生。 在上述的方法中，可以藉由照射雷射光束的一種方法 來實現，依據由於雷射光束之照射的快速加熱在非晶砂膜 之預先階段的結晶之加熱、由於雷射光束之照射以結晶非 晶较膜之加熱、及允許可以限制結晶後的砂膜之快速冷卻 的加熱。 在圖6所示的光束輪廓中，雷射光束之部份6 0 1與 6 0 3之照射能量的能置密度是彼此相同的（或相同程度 )。然而，藉由光學系統之設計的改變，亦可以改變光束 之剖面形狀。 此外，如圚7所示，具有照射能量密度用於結晶之雷 射光束的部份7 0 1之宽度可以增加，使得高的照射能置 被照射在欲被照射的預定區域上一段較長的時間。 可依據欲被照射的材料、膜厚度、雷射光束之掃描速 率、及所需的退火效果，而進行設計之此種改變。 在此例子中，敘述非晶矽膜被結晶的情形作爲一例子 。然而，作爲其它的例子，可以使用此構造來退火矽膜， 此矽膜藉由植入離子而做成非晶，及用於已藉由加熱而被 結晶的矽膜之結晶。 本發明之雷射照明技術可以改善欲使用於半導體裝S 的膜之均勻度及產童。雖然本發明可以應用在使用於半導 髏裝置製造方法之任何雷射處理步驟，當應用於薄膜m晶 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐）-24 - ^^1- —^^1 —^ϋ — ί I If I HI ! I «n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央樣準局貞工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（22) 體製造方法時，可特別有效地提供較優良的特性及良好均 匀度。當以不同的照明能置密度之雷射光束來照明所要的 區域數次時，本發明可以避免雷射‘光束施加區域之間的不 對齊。此可有效地得到均匀的裝置特性。 本發明之方法可以大幅地改善一步驟之操作效率，其 中在許多光束施加中逐漸改變被施加至所要的區域之笛射 光束的能置密度。亦即，藉由一次雷射光束掃描中的照明 ，當其能置密度是以步階方式改變時，本發明可以提供類' 似於以習知的雷射光束照明方法所得到的效果，此習知方 法爲在數次掃描中施加雷射光束。所以，在不改變雷射振 盪器之輸出下，能以最佳的照明能量來執行多步驟照明。 由於雷射振盪器總是可以保持穩定，所以可確保均勻的雷 射退火。 圇形之簡要敘述： 圖1指出雷射光束照明之裝置的一般造形； 圖2指出將雷射光束做成線性形狀之透鏡： 圖3圖形地指出以具有正常分布型式能量輪廓之線性 雷射光束的掃描； 圇4爲一圖形指出正常分布型式能量輪廓的一般形狀 圖5圚形地指出以具有梯形能置輪廓之線性雷射光束 的掃描： 圖6爲依嫌本發明之照射能置輪廓：及 本^尺度適用中國國家標準（〇灿）戍4规格（2丨0、;<297公釐）-25- ^ϋ· n^i i tm i nn ^^^1 ^^^1 In n an m ^-4^i (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) SC5C63 A7 B7 五、發明説明（23)圖t爲依據本發明之照射能量輪廓。 -I-------^ '衣-- (請先閲讀背面之注意Ϋ項再填寫本I) 訂 經濟部中央樣準局員工消費合作社印製 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐）-26 -

Claims (1)

  1. ^ L 5 G 6 3 if C8 ____D8 六、申請專利範圍 1 ·—種雷射退火方法，包含以下步驟： 將脈衝雷射光束做成線形光束的形狀；及 當在一方向上分別以雷射光束來掃描時，將線性脈衝 雷射光束施加至一照明物髏。 2. 如申請專利範圍第1項之雷射退火方法，其中雷 射光束在掃描方向上具有正常分布型式能量輪廓。 3. 如申請專利範圍第1項之霤射退火方法，其中雷 射光束在掃描方向上具有梯形能置輪廓。 4 . 一種雷射退火方法，包含以下步踝： 將脈衝雷射光束做成線形光束的形狀：及 當以雷射光束來掃描時，將線性脈衝雷射光束施加至 一照明物體，其中雷射光束是以重叠的方式被施加，而在 照明物體上照明任意的選定點數次。 5 .—種雷射退火方法，包含以下步驟： 將脈衝霤射光束做成線形光束的形狀；及 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印裝 I--——————---^上-I (請先W讀背面之注$項再填寫本頁) 當以雷射光束來掃描時，將線性脈衝雷射光束施加至 一照明物體，其中雷射光束是以重叠的方式被施加，而在 照明物體上照明任意的選定點3至1 0 0次。 6 . —種雷射退火方法，包含以下步驟： 將脈衝雷射光束做成線形光束的形狀：及 當以雷射光束來掃描時，將線性脈衝雷射光束施加至 一照明物體，其中雷射光束是以重叠的方式被施加，而在 照明物體上照明任意的選定點1 0至2 0次。 7.如申請專利範園第4、5或6項之雷射退火方法 本紙張尺度適用中_家揉準（CNS ) A4洗格（210X297公釐） -27 - 經濟部中央輮準局貝工消费合作社印裝 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 ’其中雷射光束在掃描方向上具有正常分布型式能量輪廓 〇 8.如申請專利範圍第4、5或6項之雷射退火方法 ，其中雷射光束在掃描方向上具有梯形能置輪廓。 9 .—種雷射退火方法，包含以下步探： 將脈衝雷射光束做成線性光束的形狀，此線性光束具 有正常分布型式能置輪廊或類似的能量輪廓：及 當在一方向上分別以雷射光束來掃描時，將線性脈衝 雷射光束施加至一照明物體。 1 0 .—種雷射退火方法，包含以下步驟： 將脈衝雪射光束做成線性光束的形狀，此線性光束具 有梯形能量輪廓：及 當在一方向上分別以雷射光束來掃描時，將線性脈衝 雷射光束施加至一照明物體。 1 1 . 一種雷射退火方法，包含以下步驟： 將脈衝雷射光束做成線性光束的形狀，此線性光束在 寬度方向方向上具有正常分布型式能置輪廓或類似的能量 輪廓：及 當在寬度方向上移動雷射光束時，將線性脈衝霤射光 束施加至一照明物體，其中雷射光束是以重叠的方式被施 加，而在照明區域上照明任意的選定點1 〇至3 0次。 12. —種雷射退火方法，包含以下步驟： 將脈衝雷射光束做成線性光束的形狀，此線性光束在 宽度方向上具有梯形能置輪廓：及 本纸》尺度逋用中國«家揉率（CNS ) A4洗格（210X297公釐） Γ乂------1------f - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -28 - 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印衷 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 " 當在宽度方向上移動雷射光束時，將線性脈衝霤射光 束施加至一照明物體，其中霤射光束是以重叠的方式被施 加，而在照明區域上照明任意的選定點1 0至3 0次。 1 3 . —種雷射退火方法，包含以下步驟： 以毎秒N次的速率來發射脈衝雷射光束： 將脈衝雷射光束做成線性光束的形狀，此線性光束在 其宽度方向上具有宽度L、正常分布型式能量輪廓或類似 的能1：輪廓、及1 0 0至5 0 OmJ/cm2的平均單一 脈衝能量密度；及 當以速度V在宽度方向上使用雷射光束掃描時，施加 雷射光束至具有1 5 0至1 0 0 0埃厚度之矽膜的預定區 域，其中在一次掃描中被施加至預定區域的雷射光束脈衝 之數目滿足10SLN/VS3 0之關係。 1 4 . 一種雷射退火方法，包含以下步驟： 以每秒N次的速率來發射脈衝雷射光束： 將脈衝雷射光束做成線性光束的形狀，此線性光束在 其宽度方向上具有宽度L、梯形能量輪廓、及1 0 0至 5 0 OmJ/cm2的平均單一脈衝能量密度；及 當以速度V在宽度方向上使用雷射光束掃描時，施加 雷射光束至具有1 5 0至1 0 0 0埃厚度之矽膜的預定區 域，其中在一次掃描中被施加至預定區域的雷射光束脈衝 之數目滿足1 OSLN/V客3 0之關係。 1 5 . —種雷射退火方法，包含以下步騄： 以毎秒N次的速率來發射脈衝雷射光束： 本紙張尺度邃用中_國家橾準（CNS ) A4规格（2丨0X297公釐） ---------^乂-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 29 - 經濟部中央標準局工消费合作社印製 A8 B8 C8 ___ D8 六、申請專利範圍 將脈衢雷射光束做成線性光束的形狀，此線性光束在 其宽度方向上具有宽度L、連績地或以步階方式地改變之 能;I：輪廓、及1 〇 0至5 0 OmJ/cm2的平均單一脈 衝能量密度：及 當以速度V在宽度方向上使用雷射光束掃描時，施加 雷射光束至具有1 5 0至1 0 0 0埃厚度之矽膜的預定區 域*其中在一次掃描中被施加至預定區域的雷射光束脈衝 之數目滿足1 0彡LN/V客3 0之關係。 1 6 .如申請專利範園第1 1、1 2或1 3項之雷射 退火方法，其中矽膜包含一金靥元素用於加速矽之結晶， 其溴度爲lx 1 016至5x 1 019原子/ cm—3。 1 7 .—種雷射退火方法，包含以下步驟： 以每秒N次的速率來發射脈衝霤射光束： 將脈衝雷射光束做成一形狀，使得其具有一能量輪廓 ，其中在預定方向的長度L上方，能量密度係連績地或以 步階方式地改變：及 當以速度V在預定方向上使用雷射光束掃描時，施加 雷射光束至一預定區域，其中在一次掃描中被施加至預定 區域的雷射光束脈衝之數目η滿足1 0客LN/VS3 0 之關係。 1 8 . —種雷射退火方法，包含以下步驟： 以具有能量密度輪廓之雷射光束來照射一物體， 其中在至少一個或許多個狀態的能置密度輪廊之照射 能量密度，雷射光束可熔化此物體，且在至少另一個或許 本纸張尺度逋用t國國家揉準（CNS > Α4規^ ( 210X297公釐） ---------^上-- (請先»讀背面之注意事項再填寫本霣) 訂 -30 - A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 多個狀態的能量密度輪廓之照射能量密度，能以低於物體 之熔點的溫度來加熱此物髏，而照射能置密度是在許多狀 變 改 地 續 1 2 或 地 式 階 步 中 之 態 (請先H讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局工消費合作社印装 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 31
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