TW504845B - Thin film processing method and thin film processing apparatus - Google Patents

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TW504845B
TW504845B TW090112025A TW90112025A TW504845B TW 504845 B TW504845 B TW 504845B TW 090112025 A TW090112025 A TW 090112025A TW 90112025 A TW90112025 A TW 90112025A TW 504845 B TW504845 B TW 504845B
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film
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thin film
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Hiroshi Tanabe
Akihiko Taneda
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Nippon Electric Co
Sumitomo Heavy Industries
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Description

504845
【技術領域】 本I明係有關形成使用於結晶性矽薄膜電晶體之矽薄 緩以mi為了應用於電場效應型電晶體以形成良質半導體 儉μ伞、|、丄面、，的一種裝置。同時，本發明係關於使用脈衝 二為了 5 1導體薄膜的一種製造裝置。再者，*發明係關 所構成的顯示器、感測器等之驅動元件或是驅體 【背景技術】 關於在玻璃基板上形成薄膜電晶體（TFT)之代表性 技術丄可列舉者為氫化非晶_TFT技術以及多晶矽TFT技 術二前者係於製作程序之最高溫度3 〇〇 t左右，實現了遷 移率1 cm2 / Vsec左右之載子遷移率。該技術可用於做為 主，矩陣型（龍）液晶顯示器（LCD)上之各像素的交換 電晶體’藉由晝面周圍所排列的驅動積體電路（丨C、於單 晶矽基板上所形成的LSI )而被驅動。為了分別於每一像 素上附加交換元件TFT，相較於由周圍驅動電路傳遞液晶 驅動用電信號之被動矩陣型LCD，具有降低相互干擾等而 f得到高畫像品質之特徵。另一方面，後者則使用例如石 英基板’利用類似於與1〇〇〇 t左右LSI之高溫製程，能夠 知到載子遷移率3 〇〜1 〇 〇 c m2 / V s e c之性能。如此般高的 載子遷移率之實現，例如應用於液晶顯示器之情形，於驅 動各像素之像素TFT之同時，即使直到周圍驅動電路區亦
第7頁 504845 五、發明說明（2) 能同時於同一玻璃基板上形成，具有關於降低製造製程成 本、小型化之優點。藉由小型化、高解像度化，將錢―LCD 基板與周圍驅動式積體電路之接合間距狹窄化，是以卷帶 自動接合（TAB)或打線接合法所無法處理的。但是，於 多晶石夕T F T技術，利用如上述之高溫製程時，無法使用前 者製程所用之廉價的低軟化點玻璃。於此，必須降低多晶 矽TFT製程之溫度，研究與開發應用雷射結晶化技術之多 晶矽膜低溫形成技術。
一般而言，該等之雷射結晶化係利用如圖1 5所示構造 之脈衝雷射照射裝置而實現。由脈衝雷射光源1丨0丨所供應 之雷射光，應進行反射鏡11 0 2、11 〇 3、11 0 5及空間上強度 的一致化，而藉由所裝設的光束均質器丨丨〇4等光學元件 群，透過所指定之光程1 1 0 6，而到達被照射體之玻璃基板 11 0 8上的矽薄膜11 〇 7。一般而言，因為一次照射的範圍小 於玻璃基板1 108，藉由移動xy平台丨1〇9上的玻璃基板丨1〇8 而對基板上之任意位置進行雷射照射。取代xy平台丨丨〇 9， 亦可以移動上述光學元件群，或是搭配光學' 元件群與平台 的方法。於真空製程室内，且於真空中或高純度氣體環境 下亦可進行雷射照射。同時，必要的話，具有裝載已長有 石夕薄膜玻璃基板之晶舟1 11 〇與基板搬運結構丨丨丨丨，亦可以 於晶舟與平台之間進行基板機械式之抽取與收納。 同時，照射短波長脈衝雷射光使得非晶質基板上之非 晶矽薄膜結晶化，應用於薄獏電晶體之技術已公開於特公 平7-1 1 8443號公報。根據該方法，並不使得整個基板成為
五、發明說明（3) =:’為了能將非晶質矽結晶化，而具有能於液晶顯示器 ==積且玻料便宜之基板Λ製作半、體元#、半導體 ::電路之優點。但是’如上述之公報所示，#由短波長 ^，，對於非晶質矽薄膜之結晶化需要5〇〜5〇〇 mJ/cm2左 之照射強度。另一方面’現在—般可取得之脈衝雷射裝 Μ之發光輸出，最大為！ J / pulse左右。利用簡單的換 异，一次能照射的面積只不過是2〜2〇 cy左右。因此， =如為/了將基板尺寸47 x 37 cm之整面基板進行雷射結晶 ，必須對至少87〜870個位置點進行雷射照射。將基板 尺寸放大為1平方公尺的話，照射位置點之數目將同樣地 增加…般而言，該等之雷射結晶化係、藉由如上述圖15所 不構造之脈衝雷射照射裝置而被實現。 關於欲藉由上述方法而在大面積之基板上均一地形成 ，膜半導體元件群’吾人所周知有效之方式，係如特開J 5'-21im號（特願平3_3 1 58 63號）公報中之所揭示的，將 1群分割成比雷射之光束尺寸還要來得小，冑由步進且 重複的曝光方S ’重複進行「數個脈衝的照'射+昭射區 域的移動+數個脈衝的照射+照射區域的移動 ，方法。此為如圖16 (2)所示，雷射之振蘆盥 平台（即基板或光束）之間進行交替移動之方法。但是， 依照該方法，利用現在可取得之振盈強度 i"“連續振㈣左右之脈衝雷射裝置，例如重覆 行1脈衝/位置點〜20脈衝/位置點左右之，昭進 振盪強度偏差超過± 5〜1〇%，其結果將遭逢所得到之
第9頁 504845 五、發明說明（4) 多晶矽薄膜和多晶矽薄膦電晶體特性無法具有完耷一致性 之問題。尤其是，歸因於雷射振盪初期放電之不安定，發 生強光或弱光不一致性之問題，、即所、謂的尖突現象 (spi k i ng)。所以應該對此現象進打補償’根據累計強度 之黠果，可控制下次振虞時之外加電壓的方法，是可以抑 制尖突現象之發生，卻將造成振盪弱光之問題產生。亦 即，如圖17所示，照射時間與非照射時間交替式連續時， 於各照射時間點上所振盪之第1脈衝強度’最為不安定且 容易造成偏差，或是由於因照射位置點之不同而有不同的 照射強度歷程，因而於基板面上無法得到完全一致性之電 晶體元件及薄膜積體電絡之類的問題因而產生。為了迴避 如此般之尖突現象，所採行之方法如圖1 6 (1)所示，為 習知之迴避的方法，藉由於尚未開始對元件形成區域進行 照射之前，便開始振盪雷射，但是無法應用於如圖1 6 (2) 所示之間斷式地重覆進行雷射之振盪與平台之移動，問題 因而產生。 為了進一步地避免此類問題，於特開平5 _ 9 〇 1 9 1號公 報上曹提出，隨著連續式振盪脈衝雷射光源，於平台之移 動期間’利用光遮蔽裝置以阻擋對基板照射的方法=亦 即，如圖16 (3)所示，以某頻率之雷射連續式振盪，藉 由對所要照射位置同時進行平台之移動與光程之遮蔽，便 =強2安定之雷射★，對所需之照射位置進行照射。 ::ΐ該方法’雖然可以將安定後之雷射光束對基板 照射’但對於多晶碎薄膜形成則無所貢獻，所浪費之雷射
第10頁 504845
五、發明說明（5) 振盪將會增加為對於昂責之雷射光源與激發氣體之壽 命將降低多晶矽薄膜之生產性，亦對於雷射振盪所需之電 力等造成多晶矽薄膜之量產效率下降，將遭遇導致生產成 本上揚之類的問題。同時，被雷射所照射之基板，亦將因 照射強度之不一致而受到較所需值過量的強光照射，使得 基板產生受損。LCD等之影像元件上，貫穿基板的光將於 基板上之受損區域上引起光散亂等，因而產生畫像品質下 降之問題。
進行如上所述雷射照射之時，具有某延遲時間之複數 個脈衝的照射方法已公開於如下之習知資料中：R y 〇 i c h i Ishihara et al· Effects of light pulse duration on excimer laser crystallization characteristics of silicon thin films”， Japanese journal of applied physics， vol· 34， No· 4A， （1995) ppl759 。
根據上述之習知資料，於雷射再結晶化製程，熔融矽之結 晶化固化速度為1 m / sec以上，為了得到良好的結晶長 成，必須降低固化速度。固化結束之後，立即以第2雷射 脈衝進行照射，經由第2照射可以得到固化速度更小的再 結晶化過程。而根據如圖丨8所示之矽溫度變化（經時變化 曲線），^遺著雷射能量（例如圖19中所示之強度脈衝）之 .、、、射使得石夕之益度上歼，起始材料為a _ s i之情形，經過 3-31熔點之後，進一步將溫度提高，能量之供應將使得溫 度^昇而使所需要之能量值下降，便開始冷卻。於結晶矽 之凝固點，經過凝固時間而結束固化之後，冷卻至周遭氣
第11頁 504845 五、發明說明（6) 體Γίίίΐ。於此’石夕之固化’視石夕-基板界面為起點 而方向推進’上述固化速度之平均值則可以用下列 的式子表示。 固化速度之平均值=矽之膜厚/凝固時間 亦即，若矽之膜厚固定的話，而為了減少固化速度， 則將1時間增長是有效的。因A ’若維持熱平衡學上之 理想狀悲製程的話，以理相之m入能旦 、 -，則可以二：二 里即增加雷射照射能 :二：= 化間。但是’正如於上述習知之文獻 中所扣出的，增加照射能量將導致遭遇膜之非晶質化、微 結晶化之問題。於實際上的熔融、再結晶化步驟，如圖18 之理想溫度變化並未顯示，歷經加熱時溫度的過度上 冷卻時的過冷卻過程而達到安定狀態。尤其是，若冷卻時 的冷卻速度過大，歷經過唐之禍卢細沾 ^ ^ ^ b二1°度之過冷部的話，則於凝固點附 近亚不會發生結晶化，而利用急速冷卻 晶型（非晶質）si體。正如上述習知之μ / Λ &成# 依照條件則並非非晶型，而是ϋ =中所敘述的， 體。由於微結晶體遠較多晶石夕薄膜< 3=；；^ 得小之故，微粒邊界電位之= 涛膜之粒徑來 屯位 < 大的結晶微粒邊界多數存在， 而應用在例如薄膜電晶體上睥，脾合、生 ^ 是。ff漏電電流增大之問題時…成。η電流下降’或 本發明之目的係克服如上述之問題 入位準密度低之矽薄膜，隨著搵供古吝处：田尤…射於陷 技術，於大面積基板上再現#f± # ^ ^形成大面積之 之技術/裝置。#現性佳’提供了用以應用該技術
第12頁 M)4845 發明說明（7) 本發明之另外一個目的传使用該蓉暂杜 J 1示1文用发寻貝佳之矽膜，亦即 棱供I造具有優異特性之電場效應型電晶體的裝置。 【發明概述】 法， 薄膜處理
Cj )根據本發明，可以得到一種薄膜處理方 藉由將光束照射於薄膜上而處理上述薄膜之 方法； ' ”上述光束的一個照射單位係由第丨光脈衝對上述薄膜
=射，與彳文该第1光脈衝對上述薄膜之照射開始，使具 有時間上的延遲而開始之第2光脈衝對上述薄膜之照射;斤 構成，藉由反覆地進行上述一個照射單位之照射以 述之薄膜；及 其特徵為： I办上述第1與上述第2光脈衝滿足（上述第1光脈衝之脈 •見度）〉（上述第2光脈衝之脈衝寬度）之條件。 —(2 )根據本發明，如上述（1)中所述，可以得到一 種薄膜處理方法，其特徵為： 上述第1與上述第2光脈衝亦滿足（上述第1光脈衝之 照射強度）g (上述第2光脈衝之照射強度）之條件。 (3 )根據本發明，如上述（1)中所述，可以得到一 種薄膜處理方法，其特徵為： ''第1與上述第2光脈衝亦滿足（上述第1光脈衝之 照射強度）S (上述第2光脈衝之照射強度）之條件。 (4 )根據本發明，如上述（3 )中所述，可以得到一
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五、發明說明（8) 種薄膜處理方法，其中·· 上述薄膜為a - S i : jj膜； 其特徵為： ' 照射係用以使氫自上述a〜$ i 上述第1光脈衝之 先脫離；及 上述第2光脈衝之照射係用以進行 έ士 旦 _ 融再結晶化 (j)根據本發明，可以得到一種薄膜處理裝 錯由將光束照射於薄膜上、 裝置，包含·· 於4膜上而處理上遠溥膜之薄膜處理 產生第1光脈衝之第1脈衝光源； 產生第2光脈衝之第2脈衝光源； 薄膜ii:束係由上述第1光脈衝對上述 使呈有瞎I ΐ 光脈衝對上述薄膜之照射開始， 射；構成：開始之第2光脈衝對上述薄膜之照 理上述薄膜進行上述-個照射單位之照射以處 其特徵為： 衝宽第1與大述第2光脈衝滿足（上述第1光脈衝之脈 、广(上述第2光脈衝之脈衝寬度）之條件。 6)根據本發明，如上述 ，可 種缚膜處理裝[其特徵為： 于到 射％ 述第1與上述第2光脈衝滿足（上述第1光脈衝之照 、度）-(上述第2光脈衝之照射強度）之條件。
第14頁 504845 發明說明（9) —(Ό根據本發明，如上述（5)中所述，可以得到一 種薄膜處理裝置，其特徵為： 上述第1與上述第2光脈衝亦滿足（上述第丨光脈衝之 …、射強度）S (上述苐2光脈衝之照射強度）之條件。 —(8 )根據本發明，如上述（7)中所述，可以得到一 種薄膜處理裝置，其中： 上述薄膜為a - S i ·· Η膜； 上述第1光脈衝之照射係用以使氫自上述a_Si ·· Η膜預 先脫離；及
上述第2光脈衝之照射係用以進行上述&一8丨：η膜之溶 融再結晶化。 、 為了能保持每一單位面積上所需之照射強度且能擴大 處理面積’增大每-脈衝之發光能量是有效的。如激發式 雷射之氣體雷藉由增大發光空間等，便能增大光源之 脈衝寬度。進一步地，藉由延遲第丨脈衝而進行至少一個 脈衝（第2脈衝）之照射，雖然可以控制冷卻速度，於此 所用之第2脈衝強度小於熔融再結晶化所需之強度（第丨脈 衝強度）’因而可以利用小於第i脈衝光源之輸出脈衝光 源。此時，對於第丨脈衝光源採用輸出功率大的光源而擴 大處理面積，對於第2脈衝以後之光束則輸出功率（脈衝 照射強度）減小，藉由利用脈衝寬度更小之雷 卻速度。如此-來，便能提供成本性能更高：控 另一方面，利用熔融再結晶用以促進結晶成長，能有 效控制足夠的溫度上昇（熔融）與冷卻速度之抑制（結晶 504845 五、發明說明（ίο) 成長）。但是，為了於短時間内投入熔融所需之第丨脈衝能 量，使用a_Si : η做為被熔融再結晶化材料時，隨著加埶 而急遽地將氫脫離、釋出，因而造成薄膜表面之粗糙。 a-Si ·· Η膜可以用電漿CVD法形成，適合於產能改善之被熔 融再結晶化材料。而為了防止氫之急遽脫離，必須在熔融 溫度以下預先加熱以將氫去除。此時，藉由照射低於熔融 再結晶化所用之雷射脈衝（第2脈衝）波峰強度（或脈衝 照射強度），且脈衝寬度長的光（第1脈衝），讓氫慢慢地 脫去之後’進行熔融再結晶化所必須的第2脈衝。第2脈衝 之照射係於第1脈衝之發光結束之後，或是第1脈衝之發光 中的任意一次適時地照射。第2脈衡之發光後，繼續以第1 脈衝之發光條件，亦可以得到再結晶化時冷卻速度降低之 效果。
於圖11中’顯示以波長3 〇 8 n m之激發式雷射照射於膜 厚7 5 n m之矽薄膜上時，由數值計算所求得之最大冷卻速 度（K / sec)，與由雷射照射後之膜的SEM觀察所得到結 晶化-微結晶化之照射強度的臨界值。圖丨9係實驗時所用 雷射之發光脈衝波形。具有三個主波峰而發光時間約達到 1 2 0 n s e c。如此般之脈衝波形，相較於上述習知資料中所 s己載之脈衝寬度2ΐ·4 nsec之矩形脈衝，由於具有5倍以上 的發光時間，即使為單一脈衝照射，可以期待如上述習知 資料中所敘述降低固化速度之效果。如圖1 2所示，由利用 如此般脈衝波形之雷射再結晶化時之數值計算所求得矽之 溫度-時間曲線。圖丨2係顯示，於矽膜厚75 nm之基板上，
II
第16頁 504845 五、發明說明（11)
Sl0^、XeCl雷射（波長3〇8 nm)照射強度450 mJ/ cm2之 石夕薄膜的經時性溫度變化。大約於第2發光波峰結束之後 6 0nsec ’到達最高溫度而轉向冷卻。（還有，本數值計算 係利用非晶質石夕之值做為溶點、凝固點，凝固點附近之行 為則與實際的行為不同，尤其是得到結晶化膜的情形下， =結晶矽之凝固點上，結晶化將結束。）一旦具有大的斜 率則開始冷卻，可得知第3波峰存在1〇〇 nsec左右之斜率 =變得非常小。完全發光結束120 nsec之後，將再度歷經 急遽的冷卻過程而凝固。一般而言，從歷經極大偏離二^ 1過程之"急冷”液體而固化過程時，無法得到形成=晶 結構所需之充分的凝固時間，而形成非晶質固體。先g: 圖11係由如圖1 2所示之矽的溫度-時間曲線，對於各照J 強度所預估發光結束後之最大冷卻速度之結果。可以、 隨著照射強度之增大而增加冷卻速度。另一方面，:° 目苗式電子顯微鏡觀察雷射照射後之矽薄膜結構時，如 所不，隨著照射強度之增大，粒徑雖然一時隨之增大，p 470 mj / cm2左右之設定照射條件，可觀測到微9结/以 化。以同樣的照射脈衝數目設定為3脈衝時，亦以 / cm2左右之設定照射條件，與丨脈衝時仍將部分 : 結晶化區域不同，可以觀察到粒徑之遽然增大（圖1 ^ 還有，激發式雷射特別是最初之數個脈衝， 度較設定值高η之故，可以預估 之臨界強度為50 0 mJ / cm2左右。由上述之結果， 從圖11之50 0 mJ / cm2條件所預估之冷卻速度，可^得知
504845 五、發明說明（12) 微結晶化約以1 · 6 X 1 0iG °C / s e c以上之冷卻速度條件產 生。被射膜為a - S i之情形’約以5 〇 〇 m J / c m2以上之照 射強度微結晶化，同樣地，被照射膜為p〇丨y S i之情形， 若適用於該冷卻速度，暗示比& —Si約大30 mJ / cm2左之 照射強度。因此，藉由將冷卻速度控制在！ · 6 χ 1 〇1Q / s e c以下’可以防範微結晶化、非晶質化，而可以得到良 好之結晶成長過程。 接著，針對將第2雷射光延遲導入第1雷射光之情形進 行敘述。如上所述，發光後期之雷射光隨著減緩冷卻速度 之增大，發光結束後之冷卻速度將控制結晶化。亦即，認 為根據最後所投入的能量，在此之前的冷卻過程被初期 化。藉由進一步地投入額外的能量，於此之前的固化過 程，因急冷亦將產生非晶質化、微結晶化，為了保持能量 (nano秒數量級與短時間之故，認為對基板之熱傳導、對 周遭環境之輻射很小。當然不考慮足夠熱釋放之可能的時 間）認為一旦初期化，重覆再次之固化過程。因此，由於 再次投入能量，藉由留意二次加熱結束後之冷卻速度，可 以期待良好之結晶成長。如圖1 4所示，藉由控制延遲時 間，控制冷卻速度為所需之值。 【較佳實施例之詳細說明】 茲將參照附隨的圖示，加以更詳細地說明本發明。 圖1係本發明實施形態之代表例。於圖之橫轴表示每 次振盘開始之時間點’脈衝所顯示之面積用以表示各脈衝
第18頁 504845 五、發明說明（13) 之照射能量（亦即，脈；^日s…/ /脈衝照射強度）。圖1 (a)係表示相 二? ® 1 \ 、延遲第2脈衝雷射之振逢形式圖。同 带式"Λ廍ί於第1脈衝之雷射結束後’供應第2脈衝之 ’ \ 攸1、、盈控制用之觸發信號開始，至實際上振盪 ^ ； 由於視各雷射裝置之形式而有所不同，預 先求出各別的丨丨觸發振湯"碎&日 .f 相較於第2脈衝雷射' um'同時進行照射。 中脈衝波形之面積）’由於發\之日=//較大（相等於圖 度），於溶融過程之中，尤(相等於脈衝寬 % 控r亦即’同時更大面積之結晶化是可二衝:斤 以第1脈衝進行熔融再結晶時’ $ 了 -加、 = = 熱：，巨視地將之回火。而如二示之 雷射照射製私中，於極短之時間β，增加 —旦超過某臨界的冷卻速度，固化過程將 ρ，二 衡狀態，，吉果於所得到的薄膜上， 曰里：：= 質化。於照射脈衝之波峰部分照射之後不久、 述最大冷卻速度，於完全充分冷卻之前， 'j達上 能量而能再度回到炼融狀態。上述供應額;能：=的 最好是照射脈衝寬度更長且波峰強度更 里之方法’ 第1脈衝，由於第2脈衝不需要高的照射強=脈=，相較於 則以小型光源便足夠。脈衝寬度長則光源=，裝置成本上 了設備價格，而為了降低製造成本，最二，大，因而提高 小型光源。藉由採行如上所述之方法，=脈衝寬度小的 之跳脫，歷經再熔融而能實現回火之=軛向非平衡過程 化過程。由於第2
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脈衝之延遲時間視第1脈衝之強度與脈衝波形而定，必須 預先以實驗求得，本實施例適合於5〇〜2〇〇 nsec左右。由 於所用之第1脈衝寬度為120 nsec左右，若延遲時間超過 120 nsec之條件，如圖i (b)所示，於第i脈衝之發光結 束後’期望以照射第2脈衝加以控制。 启一方面，於圖1 ( c)中顯示，使第i脈衝強度小於
第2脈衝情形之實施形態。由於熔融之故的第2脈衝，利用 a-Sj : Hj故為被熔融再結晶化材料時，為了於短時間之内 進行能篁投入，加熱將伴隨氫的驟然脫離或釋出，使得薄 膜表面產生粗糙的現象。首先，藉由第丨脈衝，慢慢地加 熱以釋出膜中的氫原子，當氫濃度下降至某種程度之時間 點，照射為了熔融之第2脈衝。照射第2脈衝之時間點，可 以是於第1脈衝之發光結束後，或是於第丨脈衝之發光中。 第2脈衝之發光之後，亦接著以第1脈衝之發光的條件，可 以得到再結晶化時之冷卻速度降低的效果。由於a — si : h 膜可用電漿CVD法形成，其優點為較Lpcv])法等具有高的產 能，且可供應被熔融再結晶化材料。
圖2係表示本發明之實施例。由第！激發式雷射Eu與 第2發式雷射EL2所供應之脈賴光，係透過反射鏡類 〇pt3、opt3,、透鏡類〇pt4而導入光均質器〇^2〇,。於 此，光束之強度輪廓整形成光學罩幕（光罩）〇pt21所需 之光均句度，例如面内分布為± 5 %。（由激發式雷射所供 應的原始光束，該強度輪廓與總能量，由於每一個脈衝間 有可能改變’於光罩上的強度’對於空間上的分布、脈衝
DU4845 五、發明說明（15) =的偏差，而希望能裝設使光更均一化的結構。—般而 二’可使用罐眼透鏡與柱狀透鏡做為光均質器。二 述先罩所形成的光圖案，係透過縮小投影曝光裝置猎 :3SUb〇m入窗w〇，而照射在於真空製程室c°内所設 =叻〇基板上。上述之基板係放置於基板平台別上，藉 ^板平台之動作而可以對所希望之區域，例如對圖案； £eX〇上之光圖案進行曝光。圖2中顯示縮小投影光學系 、·先，依照情況可以進行等倍或放大投影。藉由基板 之 移動（圖内X-Y)而可以於基板上之任意區域上進行/ 同時，上述之光罩係放置於光罩平台（無圖示）”、上， f為可以曝光之區域内，則移動上述光罩，可操作 上之所照射的光束。 、 接著，為了以所要之條件將所要之光圖案照射於基板 t，，例說明相關必要之結構。由於對於光軸之調整必須 是精密之調整，顯示一旦調整結束則固定光軸而調^某2 位置之方法。對於光軸，基板照射面之位置必 ;; (Z)方向位置及對於光軸之垂直度。因此於圖上，7^^示、;;£ X y彳員斜補償方向、銘z傾斜補償方向、鍊z傾斜補償方向、 X曝光區域移動方向、γ曝光區域移動方向、Z焦距胃聚焦方 向之中，藉由鉉y傾斜補償方向、誌z傾斜補償方向~、鍊2 傾斜補償方向之調整，而補償對於光軸之垂直度i同時， 藉由凋整Z焦距之聚焦方向，控制將基板照射面 合光學系統之聚焦深度之位置。 付 圖3係舉例說明有關於上述之調整與基板對準結構之
504845 五、發明說明（16)
侧面圖。對於曝光軸L〇，如圖排列放置光罩〇pt21、縮小 投影曝光裝置opt 2 3,雷射導入窗W0。於真空製程室⑶内所 放置的基板subO，放置於附有基板吸附結構之加熱器H〇、 基板XYZ誌y鍤z鍊2平台s〇，上。希望使用真空製程室，實 ，之，，射則於真空抽氣後，所置換之不活性氣體、氫貝 氣、氧氣、氮氣等之氣體環境中進行，氣體環境之壓力最 好接近於大氣壓力。藉由使用附有基板吸附結構之加熱 器，進行光照射時，能選擇室溫〜4 〇()左右之基板加熱 條件。如上所述，藉由將環境之氣壓調整為大氣壓力左 ^由於真空檢測機制而能吸附基板之故，能防止即使於 製程室内之基板平台移動等所造成的偏移，即使所投入的 基板上有些微彎曲、扭曲，亦能固定於基板平台上。再 者由於加熱而引起基板之彎曲、扭曲，亦能將聚焦深度 之偏離控制至最小限度。 雷射干涉計U、i2係透過測長用窗W-i、測長用反射 鏡〇pt-i，而進行基板之對準及基板z方向位置之測定。對 準係使用偏軸式顯微鏡㈣、顯微鏡用光源Lifl、顯微鏡用元 件opt m去量測基板上之對準記號，藉由雷射干涉系統，
利^基板位置之訊息而能量測所要之曝光位置。於圖3舉 例說明，軸法，可以應用貫穿透鏡方式與貫穿光罩方式。 ，^，藉由利用最小平方法，從複數個量測點決定出線形 主不，亦可以採行將量測時所產生的測量誤差進化 之方法。 於圖4 (Α)〜（c)顯示有關於光罩圖案與對準記號之
504845 五、發明說明（17) 關係。光罩係由光罩（非曝光區）maskl與光罩（曝光區） mask2所構成。例如將激發式雷射做為光源之情形，紫外 光穿透之石英基板，鋁、鉻、鎢等之金屬，和介電體多層 膜吸收紫外光而形成反射膜，利用微影與蝕刻技術而形成 圖案。對應於光罩上所要之圖案（於圖4 (A)以白色區域 表不），矽膜經曝光，如圖4 (B)所示，於非曝光Si (Sil)内形成曝光Si區（si2)。此時必要的話，藉由光罩 上之記號markl與基板上之記號mark2相一致之對準調整之 後進行曝光，便可於矽薄膜上之預先所設計之位置進行曝 光。同時，利用上述矽薄膜之薄膜電晶體形成步驟，曝光 製程將位置已設定之必要的第丨步驟時（亦即，對準記號 尚未預先形成時），藉由對矽薄膜之曝光步驟時，同時曝 出曝光形成記號mark3，利用a-si與結晶Si光學上之像 差，可形成對準記號。因此，以該記號為基準，藉由後續 之f驟進行微影等，於曝光改質後之所要的區域上，能製 Ϊ : ί電：體ί所要的結構、機能。於圖4 (C)顯示曝光 H 1 ;矽薄膜上形成s i氧化膜，矽層之所要的區域經 s 態。“去除區（Si3)係將所層疊的石夕膜與 (Si2) Λ； ； (Sil) 业。雜i制少j ^Sl氧化膜（Si4、Si5)之形 狀構:::^由上述氧化膜所覆蓋之石夕膜所構成的島 =二二成70件間所分離薄膜電晶體之通道/源 極·=區域與後續步驟之對準所要的記號。 ； (1 )、圖5 (2 )顯示主要動作之時序圖。控制
苐23頁 504845 五、發明說明（18) 例（1)係藉由基板平台之動作，將基板向所要之瞧 置移動。接著，進行聚焦與對準動作，精密 敕^ 丨點，進行對 :間點，美板 .置點昭。 所設定的/ 1作：基板 -料料’ 丨如0·1髀〜 I 士 口 動％之移動 ㈣開始之 ：：!"!
'、輸出 ㈣物反 ’才木仃振I + 射脈衝的 …。、结 =移 '換基板並 504845 五、發明說明（19) 對於膜厚7 5 nm之a-Si薄膜，於橫軸方向將1 mmx 5〇 騁之光束，以0 · 5髀之間距掃瞄。利用一種光源，於照射 面之雷射照射強度為470 mJ / cm2時，於掃瞄方向可以得 到連續之單結晶石夕薄膜。再者，於照射面，將第2光源之 強度設為150 mJ / cm2，以延遲10 0 nsec之照射條件，即 使以1 · 0髀之掃瞄條件，亦可以得到連續之單結晶石夕薄 膜。上述結晶化矽膜中的陷入位準密度值顯示低於丨〇 i 2 cm-2 °
« 圖6係顯示本發明實施形態之半導體薄膜形成裝置之 侧面圖。由電漿CVD室C2、雷射照射室C5、基板搬運室C7 所構成，透過閘極閥GV2、GV5，基板之搬運並未與裝置外 面之環境氣體接觸，而是在真空中、不活性氣體、氮氣、 氫氣、氧氣等之環境氣體下，並且可以是高真空、減壓、 加壓之狀態。於雷射照射室，在可以加熱至4〇〇 t左右之 S 5基板平台上’利用檢測結構以裝設基板。於電漿c v jp 室，在可以加熱至400 °C左右之基板支持座S2上，褒設基 板。該例中，於玻璃基板sub〇上，於已形成矽薄膜 之狀態而導入雷射照射室，藉由雷射照射，石夕薄膜之表面 改質成結晶性矽薄膜（S i 2)，顯示搬運至電漿c VD室之狀 態0 導入雷射照射室之雷射光，係由激發式雷射1 (EL 1)、激發式雷射2 (EL2 )所供應之光束通過第j光束線 L1、第2光束線L2，透過雷射合成光學裝置〇1)1：1、反射鏡 〇?1:11、穿透鏡〇1)1：12、雷射照射光學裝置〇1)1：2、光均質器
第25頁 504845 五、發明說明（20) 〇pt20、固定於光學光罩平台opt22之光罩〇pt21、投影光 學裝置opt23、雷射導入窗W1，而到達基板表面。於此， 雖然圖示了兩台激發式雷射，可以設置1台以上所要之台 數做為光源。同時，並不限定是激發式雷射，亦可以使用 二氧化碳氣體雷射、YAG雷射等之脈衝雷射、與氬氣雷射 等之CW光源與快速擋板以供應脈衝。
另一方面，電漿CVD室係藉由RF電極D1與嵌在電漿内 之電極D3，於與基板所設置區域分離之位置上形成電漿形 成區域D2。於電漿形成區域上，例如藉由供應氧氣，與利 用原料氣體導入裝置以供應矽曱烷氣體與氦氣，而能於基 板上形成氧化；ε夕薄膜。
圖7中顯示本發明之實施形態之半導體薄膜形成裝置 之平面圖。載貨/卸貨室C1、電漿CVD室C2、基板加熱] C3、氫電漿處理室C4、雷射照射室C5、基板搬運室C7均4 別透過閘極閥GV1〜GV6而連接。由第i光束線u、第2光^ 線L2所供應之雷射光，透過雷射合成光學裝置、雷身 照射光學裝置opt2、雷射導入窗W1而對基板表面進行照 射。同時，各別之製程室、搬運室分別連接氣體導入裝3 gasl〜gas7、排氣裝置ventl〜vent7，調整所要氣體種卖 ，仏應H矛王壓力之设定、排氣、真空。如圖中以點線戶〗 示，將處理基板sub2、sub6排列放置於平面上。 圖8係將本發明之半導體薄膜形成袭置應用於薄膜電 晶體之製造步驟時的步驟流程圖。 (a)藉由洗淨，於已去除有機物、金屬、與微粒等之 ϋ
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第26頁 504845
玻璃基板subO上’依序形成基板披覆膜n、矽薄膜 板披，膜係以LPCVD (減壓化學氣相沉積）法，使用矽土 烷與氧氣為原料，於450 t形成}髀之氧化矽薄膜。萨 使用LPCVD法以去除基板保存區域，可以披覆整個基‘之 外表面（未以圖示）。或是以四氧乙基矽（TE0S)盘氧氣-為原料之電漿CVD，以TE0S與臭氧為原料之常壓 以，用如圖8所示之電⑽D等，能有效防止基板材 可能地減低鹼金屬濃度之玻璃，將表面研磨加工之石二 J :等)含有對於半導體元件之有害不純物擴散的材料;故 為基板披覆膜。石夕薄膜利用LPCVD，以二石夕院化合· 為原料’於5 00 C形成膜厚75 nm。由於此時膜中所含之 氫原子濃度為1原子％以下，藉由以雷射照射步驟之氫 而能防止膜之粗糙等。或是利用於如圖7所示之電漿CVD室 C2，所進行之電漿CVD法或泛用之電漿CVD法，藉由調整美 與氫/石夕甲烷之流量比、氫/ 4氧化矽甲烷之流土 量比等’可以形成低氫原子濃度的矽薄膜。 古據將於上述（a)步驟已準備之基板，'歷經為了去除 、 、金屬、微粒、表面氧化膜等之洗淨步驟之後，再 導入本發明之薄膜形裝置。照射雷射光L0，而將矽薄膜改 質成結晶性矽薄膜T2，。雷射結晶化係於99 999 9 %以上、 700 t〇rr以上之高純度氮氣環境氣體中進行。 (、c)歷經上述步驟之基板，透過已將氣體抽出後之基 板搬，室，而搬運至電漿CVD室。第！閘極絕緣膜T3為以矽 甲烧氣體氮氣、氧氣為原料氣體，以350 。〇基板溫度，
第27頁 504845 五、發明說明（22) 累積氧化矽膜1 〇 埶之π u 其後必要時，進行氫電漿處理鱼Λ 熱之，均於本發日^薄膜形成裝置中進=加 软腔爲《接者，利用微影與蝕刻技術，形成矽薄獏盥氧# ::石夕薄膜之姓刻率高的則條件 ：：査 =㈣“或是梯狀)，而能提供防範間極由於？ #賴性高的薄膜電晶體。 /屬電之 (e)接著、’為了去除有機物、金屬、微粒等而進行 於此^利m披έ覆、上述島狀構造之第2問極絕緣膜τ4。 ㈣ 以矽甲烷與氧氣為原料，於450 t形 二m之虱化矽膜。或是以四氧乙基矽（te〇盥 =之電浆CVD ’以TE0S與臭氧為原料之常壓⑽，㈡ ==圖8所示之電漿CVD等。接著，將8〇〇㈣之#石夕 膜,，以形成U〇，之鎢矽化合物膜1+石夕 膜最好^電水CVD或LPCVD法以形成結晶性之碟推雜石夕 極。之後，經由微影與蝕刻步驟而形成了5圖案化之閘極電 (fl) (f2)㉟著，冑閘極視為對準記號而形成不純物 植入區域T6、T6，。於形成CMOS型電路時，同時 影，分別作成n+區域所必須之rr通道TFT | —西 %現與需要p+區城之 P-通道m。進行所植入不純物離子之質量分離p ；：離子摻雜、離子植人、錢摻雜1射摻料方法此 時，依照用途與不純物導入方法，如（ 寸刀成此 殘留於表面之氧化矽膜，或是於去降，（f2)之所 陈之後進行不純物之導
504845 五、發明說明（23) 入0 (gl) (g2)累積層間分離絕緣膜T7、T7，，挖開接觸 孔之後，累積金屬，藉由微影與蝕刻而形成金屬配線T8。 可以利用企圖使膜平坦化之TE0S系氧化膜與矽土系塗布 膜、有機塗布膜做為層間分離絕緣膜。藉由微影與蝕刻挖 開接觸孔，金屬配線則可應用阻抗低的鋁、銅、或以銘銅 為基材之合金、高溶點金屬之鶊或鉬。藉由進行如上所述 之步驟’可以形成高性能與高信賴性的薄膜電晶體。 針對圖9為預先設定之對準記號’對應於對準記號而 進行雷射照射時之實施例，或圖1 〇為以TFT製造步驟^程 為例進行說明，雷射照射同時形成對準記號時之實施例。 基本上，由於與圖8之說明類似，將針對之間的不同點 行說明。 β ,*圖9 (a) 藉由洗淨，於已去除有機物、金屬、微 $等之玻璃基板sub0上，依序形成基板披覆膜T1、鎢矽化 合物膜。為了形成對準記號，藉由微影與蝕刻，於基板上 =成圖案化之對準記號T9。接著，為了保護'對準記號而形 成記號保護膜Τ1 〇，於是形成矽薄膜。 圖9 (b) 雷射光曝光時，以對準記號為基準，於 ::f區域進行曝光。之後，藉由預先所設計之對準記號 化石夕薄膜圖案，以所形成的對準記號（未以圖示） 局暴準，可以進行下一步驟的對準。 =10 (b)利用對矽薄膜之曝光，與藉由同時曝光 非曝光之改質的差異，而於碎薄膜上形成結晶化對準記
第29頁 504845 五、發明說明（24) 號T9，。 圖10 (d) 利用結晶化對準記號丁9，，進> 1旦< 士 聚焦，經由#刻步驟而形成石夕薄膜與氧化二二=¥之 狀構造。 /胰層臺膜之島 :上敘，了以XeC1、KrF、XeF、ArF等之激發式雷射 光源之貫施形態，㊉了激發式雷射之外，亦可以利, 雷射和二氧化碳氣體雷射、脈衝發光之半導體雷射等 外，並不限定於矽所代表之半導體薄膜，亦可庳抓= 晶性薄膜之形成及該形成裝置。 ^ 【產業上之利用可能性】 根據本發明，藉由光昭射於趑Λ你唯—
兀"、、耵R ^入位準密度小的矽薄M 以提供形成之技術，並且可以得到以下之效果。 、 1) 習知係由1台大型光调，腺ήί： «fe、其 ， 、土尤你，將所振盪之光束分岔成 1及第2光束。由於第1及第2光走呈右.翁* ^ ^ 尤米具有先程差而給予了第1 及第2光束之延遲。本發明择於吝&赞彳τ ,,、 χ月係於產生第1光脈衝之第1脈衝 光源（小51光源），猎由附有產；^ H 9^ ^ ^ / lf 、 座生弟脈衝之第2脈衝光 源（小型光源），擴大了 一次所能声将+工# 1 人所靶處理之面積。習知之由1 台大型光源，將所振盪之光臾合分士、楚 兀不刀贫成弟1及第2光束，製造 第1及第2光束具有光程差，而认子镇 叩，、、口于第1及第2光束延遲之光 學系統所需之成本，相較之下，目丨拍祕 A i下則根據本發明之附隨光 源，所需之成本較低。 2) 本發明係提供氫化非晶質矽薄膜（a_si :h)之有 效的改質方法，可實施不進行藉由與習知之LpcvD (i〇w
504845
第31頁 504845 圖式簡單說明 【圖示之簡單說明】 圖1 (a)至（c )係用以說明本發明實施形態之光脈衝波 形圖。 圖2係用以說明本發明裝置實施形態（整體）之圖 形。 圖3係用以說明本發明裝置實施形態（對準方法）之 圖形。 圖4 (A)至（C )係用以說明本發明裝置實施形態（光罩 投影法）之圖形。 圖5 (1)至（2 )係用以說明本發明裝置實施形態（控制 例）之時序圖。 圖6係本發明之裝置、搬運室、電漿CVD室之側面剖面 圖。 圖7係本發明之裝置、搬運室、電漿CVD室等複合裝置 之平面圖。 圖8(a)至（g2)係用以說明本發明TFT製造程序之剖面 圖。 圖9(a)至（g2)係用以說明本發明使用對準記號之TFT 製造程序的剖面圖。 · 圖1 0 (a)至（g 2 )係用以說明本發明包含對準記號形成 之TFT製造程序的剖面圖。 圖11係顯示照射強度與冷卻速度、產生非晶質化之冷 卻速度的圖形。 圖1 2係顯示以矽薄膜溫度變化之計算結果為例之圖
第32頁 504845 圖式簡單說明 形。 圖1 3係顯示對於各照射強度之矽薄膜結晶形式的顯微 鏡照片。 圖1 4係顯示投入第2脈衝之後的最大冷卻速度與凝固 點附近冷卻速度之圖形。 圖1 5係習知之激發式雷射回火裝置之概念圖。 圖1 6 (1)至（3)係用以說明習知之雷射運轉方法之時序 圖。 圖1 7係顯示以雷射脈衝強度之脈衝間分布為例之圖 形。 圖1 8係顯示以矽薄膜溫度變化為例之圖形。 圖1 9係顯示以雷射脈衝波形為例之圖形。
第33頁

Claims (1)

  1. 504845 六、申請專利範圍 '— —— *— 1 · 一種薄膜處理方法，藉由將光束照射於薄膜上虛 該薄膜; 該光束的一個照射單位係由第〗光脈衝對該薄膜之照 射，與從該第1光脈衝對該薄膜之照射開始，使具有時 上的延遲而開始之第2光脈衝對該薄膜之照射所構成，^ 由反覆地進行該一個照射單位之照射以處理該之薄膜，·曰且 該第1與該第2光脈衝滿足（該第！光脈衝之脈衝寬度） >(該第2光脈衝之脈衝寬度）之條件。
    2 ·如申請專利範圍第1項之薄膜處理方法，其中： 該第1與該第2光脈衝亦滿足（該第丨光脈衝之照射強 度）$ (該第2光脈衝之照射強度）之條件。 3 ·如申請專利範圍第1項之薄膜處理方法，其中·· 該第1與該第2光脈衝亦滿足（該第丨光脈衝之照射強 度）‘（該第2光脈衝之照射強度）之條件。 4 ·如申請專利範圍第3項之薄膜處理方法，其中·· 該薄膜為a-Si :H膜； 該第1光脈衝之照射係用以使氫自該a _ s'i : Η膜預先脫 離；及
    該第2光脈衝之照射係用以進行該a_Si : Η膜之熔融再 結晶化。 5· 一種薄膜處理裝置，藉由將光束照射於薄膜上而 處理該薄膜，包含： 第1脈衝光源，用以產生第1光脈衝；及 第2脈衝光源，用以產生第2光脈衝；
    第34頁 504845 六、申請專利範圍 該光束的一個照射單位係由該第1光脈衝對 .βρβς -t > 了 )專膜之 照射，與從该第1光脈衝對該薄膜之照射開始，使具有時 間上的延遲而開始該第2光脈衝對該薄膜之照射所構成 藉由反覆地進行該一個照射單位之照射以處理該薄膜之方 法· 9且 該第1與該第2光脈衝滿足（該第丨光脈衝之脈衝★产 >(該第2光脈衝之脈衝寬度）之條件。 、見又 6.如申請專利範圍第5項之薄膜處理裝置，盆 該第1與該第2光脈衝滿足（該第1夯腑 · 不丄尤脈衝之昭射強唐） ^ (該第2光脈衝之照射強度）之條件。 … 7 ·如申請專利範圍第5項之薄獏處理裝立 該第1與該第2光脈衝滿足（該第1 八 $(該第2光脈衝之照射強度）之條件。之照射強度） 8·如申請專利範圍第7項之薄犋 該薄膜為a-Si : Η膜； 衣夏，兵干· 離；及 該第1光脈衝之照射係用以使氫自該a-Sl Η膜預先脫 結 曰曰 該第2光脈衝之照射係用以進行談3一$ 化。 w Η膜之熔融再 Φ
    第35頁
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