TW521434B - Thin-film semiconductor device fabrication method - Google Patents

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521434 A7 ____B7_ 五、發明説明（1 ) 發明背景 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於以600°C程度以下之比較低的溫度形成結 晶性極爲優異的多結晶性半導體膜之技術。特別是關於使 用此技術顯著提升以多結晶矽薄膜電晶體爲代表的薄膜半 導體裝置的性能之製造方法。 背景技術 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以多結晶矽薄膜電晶體（p-Si TFT)爲代表的薄膜半導 體裝置，使用泛用玻璃而在600t程度以下之低溫製造的場 合，從前採用如下所述之製造方法。首先在基板上以低壓 化學氣相沈積法（LPCVD法）堆積成爲半導體膜的非晶質 矽膜至50nm程度的厚度。其次，對此非晶質膜照射XeC1 準分子雷射光（波長308nm)成爲多結晶砍膜（p-Si膜）。 XeCl準分子雷射光在非晶質砂與多結晶砍中的吸收係數分 別爲Ο.ΠΜπΓ1與O.Mhnr1都比較大，所以入射至半導體膜 的雷射光的九成都在表面起1 5nm以內的範圍內被吸收。又 ，在非晶質矽處之吸收係數與多結晶矽處之吸收係數小了 7 %左右。其後，以化學氣相沈積法（CVD法）或物理氣相 沈積法（PVD法）形成成爲閘極絕緣膜之氧化矽膜。其次 ，以鉅等作成閘極電極，構成由金屬（閘極電極）-氧化膜 (閘極絕緣膜）-半導體（多結晶矽膜）所構成的場效應電 晶體（MOS-FET )。最後’將層間絕緣膜堆積於這些膜上 ，開出接觸孔後以金屬薄膜施以配線，完成薄膜半導體裝 置。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4- 521434 A7 B7 五、發明説明（2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 然而，這種從前之薄膜半導體裝置之製造方法，準分 子雷射光的能量密度控制很困難，僅有稍微的能量密度變 動就會使半導體膜質於同一基板內顯示出很大的差異。又 ，隨著膜厚或含氫量不同若使照射能量密度較指定的閾値 稍大在半導體膜就會產生嚴重的損傷，招致半導體特性或 者製品生產率的顯著降低。由這些情形來看，爲了在基板 內得到均質的多結晶半導體膜，有必要使雷射光的能量密 度設定爲較最佳値低上甚多，而且爲獲得良好的多結晶薄 膜又不能夠有能量密度的不足。此外，即使以最佳的能量 密度施以雷射照射，要使構成多結晶膜的結晶粒增大是很 困難的，實際上在膜中仍殘留有很多缺陷。根據這些事實 ，以從前的製造方法要安定地製造p-Si TFT等薄膜半導體 裝置，有不得不犧牲掉所完成的薄膜半導體裝置的電氣特 性的課題存在。 發明要旨 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明有鑑於上述情形，目的在於提供以600t程度以 下之低溫工程，安定地製造極爲優異的薄膜半導體裝置的 方法。 說明本發明的槪要之後，詳細說明本發明以及其基礎 原理與作用。 本發明係以被形成於基板上的矽（Si)爲主體之結晶性半 導體膜作爲主動層使用的薄膜半導體裝置之製造方法，其 特徵爲包含：在基板上應需要而形成成爲下底保護膜的氧 丨氏張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5 - 521434 A7 _B7_ 五、發明説明（3 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 化矽膜，於此下底保護膜上或者基板上堆積以矽（Si)爲主體 之非晶質半導體膜之半導體膜形成工程’及將此非晶質半 導體膜在固相狀態使其結晶化而得固相成長半導體膜之固 相結晶化工程，及對如此而得的固相成長半導體膜照射脈 衝雷射光而得結晶性半導體膜之照光工程；此時所使用的 脈衝雷射光的波長爲370nm程度以上710nm程度以下。這 樣的光之非晶質矽吸收係數較多晶矽吸收係數還大。進而 本發明之特徵爲脈衝雷射光的波長爲450nm程度以上 65Onm程度以下。對應於此，脈衝雷射光在多結晶矽中的吸 收係數由ΙΟ^ηπΓ1降低至Η^ηπΓ1程度。半導體膜的膜 厚d(nm)與脈衝雷射光在多結晶矽中的吸收係數# PsKnrrT1) 滿足 0.105 · β psi*1 < d < 0.693 · β psi'1 之關係式。更理想的是滿足 0.405 · β Psi*1 < d < 0.693 · β psi'1 之關係式。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 要將本發明適用於液晶顯示裝置等，基板以對可見光 爲透明者較佳。又，無論應用爲何，基板以對脈衝雷射光 爲約略透明者較佳。所謂約略透明，係指基板對雷射光之 吸收係數，係在多結晶矽之吸收係數的十分之一程度以下 ’具體而言基板之吸收係數// SUB在ΗΤ4!!!!!·1程度以下。通 常，前述之非晶質半導體膜的形成包含根據化學氣相沈積 法（CVD法）之堆積工程。在化學氣相沈積法中以低壓化 學氣相沈積法（LPCVD法）或者是電漿化學氣相沈積法最 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） a 521434 A7 B7 五、發明説明（4 MR非晶質半導體薄膜的堆積，進而以高真空型低壓化學 i相沈積裝置或者高真空型電漿化學氣相堆積裝置堆積非 晶質半導體膜者更爲理想。所謂高真空型低壓化學氣相沈 積裝置’ 一般係指半導體膜堆積前的背景真空度在5Xl〇-7 Torr以下’非晶質半導體膜以h5 nm/miI1程度以下的緩慢 堆積速度形成，而非晶質半導體膜中的氧原子濃度在程度2 XI 〇16 cm_3以下之成膜裝置。同樣地，所謂高真空型電漿化 學氣相沈積裝置，一般係指半導體膜堆積前的背景真空度 在IX HT6 Ton*以下，非晶質半導體膜以1 nm/sec程度以下 的緩慢堆積速度形成，而非晶質半導體膜中的氧原子濃度 在程度2X1016 cm·3以下之成膜裝置。把YAG2o雷射光照 射於以矽爲主體的半導體膜的場合，半導體膜的厚度以 25nm程度以上165nm程度以下較佳。更理想的是」5nm程 度以上95nm程度以下。 固相結晶化工程係將被形成非晶質半導體膜的基板插 入熱處理爐，以約略熱平衡狀態進行，或者以急速熱處理 裝置來進行。以熱處理爐進行的場合，熱處理溫度以400°C 程度以上700°C程度以下之處理溫度進行固相結晶化。 在本發明之照光工程中理想的脈衝雷射光波長約532nm 。脈衝雷射光係Q開關震盪的固體雷射（Q開關固體雷射 )的高調波較佳。作爲Q開關固體雷射的雷射媒體，以被 摻雜Nd離子的結晶或被摻雜Yb離子的結晶、被摻雜Nd離 子的玻璃、被摻雜Yb離子的玻璃較佳。亦即具體而言，把 Q開關震盪的Nd:YAG雷射光的第2高調波（波長532nm) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公董） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、τ

521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _B7 _ __五、發明説明（5 ) (簡稱YAG26；)或Q開關震盪的Nd:YV〇4雷射光的第2高 調波（波長532nm) 、Q開關震盪的Nd:YLF雷射光的第2 高調波（波長524nm ) 、Q開關震盪的Yb:YAG雷射光的第 2高調波（波長5 15nm)等作爲脈衝雷射光使用最佳v 在照光工程將脈衝雷射光照射於固相成長半導體膜時 ，在半導體膜上之照射區域係寬度W(#m)，長度L(mm )之直線狀或約略長方形。在照射區域，長度方向之脈衝 雷射光的照射能量密度係約略梯型分佈。另一方面，寬度 方向之照射能量密度係約略梯型或者是約略高斯函數分佈 者較佳。照射區域的長度L對前述寬度W之比（L/W)係 100以上者較佳。理想上爲1000以上。脈衝雷射光於寬度 方向之照射能量密度的最大梯度値係3 mJ· cnT2 · # ιιΓ1以 上者較佳。此脈衝雷射光之寬度方向之照射能量密度梯度 的最大値出現的位置，與脈衝雷射光之該寬度方向之照射 能量密度的最大値出現的位置係約略一致的話，在製造優 良的薄膜半導體裝置上更佳。 此時，寬度W以1 // m程度以上6 /z m程度以下較佳。 脈衝雷射光在固相成長半導體膜上使照射區域於各次照射 在寬度方向錯開，完成基板全面的照射。脈衝雷射光照射 時之照射區域的寬度方向與薄膜半導體裝置完成而動作時 之主動層內的電流方向約略平行。雷射光照射時，以使半 導體膜上之任意一點接受10次程度以上80次程度以下的 脈衝雷射光照射的方式進行照光工程。脈衝雷射光之在固 相成長半導體膜上之照射能量密度係使固相成長半導體膜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公H " (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ·« 訂 線__ 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Μ Β7五、發明説明（6 ) 之至少表面溶融的強度，較佳者爲使固相成長半導體膜之 厚度方向的三分之二程度以上溶融的強度。相反地，照射 能量密度的上限係使固相成長半導體膜的一部份消失的強 度以下，理想上，係使該固相成長半導體膜在厚度方向上 完全溶融的強度以下。具體而言脈衝雷射光使用波長約 5 3 2nm的脈衝雷射光的場合，脈衝雷射光之在固相成長半導 體膜上之照射能量密度係100 mJ · cm·2程度以上1 500 mJ · cm·2程度以下，較佳者爲100 mL· cm·2程度以上1 500 mJ· cm·2程度以下，或者爲600 mJ· cm·2程度以上850 mJ· cm·2 程度以下，理想上爲600 mJ · crrT2程度以上850 mJ · cnT2程 度以下。/ 較佳之實施型態 本發明係關於玻璃的軟化點溫度爲550°C程度至650°C 程度之所謂低耐熱性玻璃基板、或者石英基板這種高耐熱 性玻璃等各種透明基板上所形成的結晶性半導體膜作爲主 動層使用的薄膜半導體裝置的製造方法，其特徵爲包含： 在基板上應需要而形成成爲下底保護膜的氧化矽膜，於此 下底保護膜上或者基板上堆積以矽（Si)爲主體之非晶質半導 體膜之半導體膜形成工程，及將此非晶質半導體膜在固相 狀態使其結晶化而得固相成長半導體膜之固相結晶化工程 ，及對如此而得的固相成長半導體膜照射脈衝雷射光而得 結晶性半導體膜之照光工程；照光工程所使用的脈衝雷射 光的波長爲370nm程度以上710nm程度以下。這樣的光之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) W ΛΓί. ia —κϋ · «丨 訂 -9- 521434 A 7 _B7_ 五、發明説明（7 ) 非晶質矽吸收係數較多晶矽吸收係數還大。脈衝雷射光以 Q開關震盪的Nd:YAG雷射光的第2高調波爲最佳。 將本發明適用於液晶顯示裝置時’基板以對可見光爲 透明者較佳。除此以外，基板以對脈衝雷射光爲約略透明 者較佳。具體而言，基板對雷射光之吸收係數，以在多結 晶矽之吸收係數的十分之一程度以下爲期待的條件。因爲 本發明採用嚴格調整脈衝雷射光在半導體膜中的透過濾之 技術，所以如果基板對雷射光的吸收係數對半導體膜的吸 收係數比起來不是足夠小的話，基板上會產生由雷射光所 造成的損傷。爲了獲得如後述般的高品質的結晶性半導體 膜，必須要把脈衝雷射光的強度或波長、半導體膜的厚度 等予以最佳化，而且基板也必須對脈衝雷射光約略透明。 實際上，如果基板之脈衝雷射光的吸收係數爲半導體膜之 吸收係數的十分之一程度以下的話，在基板內的吸收雷射 光的層的厚度成爲半導體膜厚度的十倍程度以上。如此在 基板上吸收光的體積增大的緣故相應的熱容量也增加，因 而比較能夠抑制基板的溫度上升。換句話說，要作成不會 對基板或半導體裝置帶來損傷的優良薄膜半導體裝置，滿 足上述光學特性條件是不可或缺的。 在半導體膜形成工程，於基板或者於被形成在基板上 的下底保護膜上堆積以矽（Si)爲主體的非晶質半導體膜。作 爲半導體膜’使用以矽元素膜（Si)或者矽鍺膜（sixGet.x : 0<X<1)爲代表的半導體物質，以矽爲其主構成元素（砂原 子構成比在80%程度以上）。 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 一 n - ----- (請先閲讀背面之注意事項寫本頁 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10 - 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) 基板通常使用液晶顯示裝置所用的透明無鹼玻璃，或 者透明結晶化玻璃，進而包括石英玻璃或陶瓷等絕緣性基 板’但只要基板的耐熱性（玻璃基板的場合爲軟化點溫度 )在65 0°C程度以上的話’其種類不限。將高純度石英玻璃 以外的材料作爲基板使用的場合，於這些基板表面以堆積 lOOnm程度至i〇/zm程度的氧化矽膜作爲對半導體膜之下 底保護膜較佳。 作爲下底保護膜之氧化矽膜不只是取半導體膜與基板 之電氣絕緣性，或者防止基板所含有的不純物往半導體膜 擴散混入而已，還使下底氧化膜與結晶性半導體膜之界面 爲良質之物。在本發明，薄膜半導體裝置的半導體膜具有 l〇nm程度至200nm程度的厚度，跨半導體膜的膜厚方向全 區域能帶扭曲的場合（相當於SOI之完全空乏化模型）爲 主要對象。在這樣的狀況下，對閘極絕緣膜與半導體膜之 界面，以及下底保護膜與半導體膜之界面都造成電氣傳導 上無法忽視的影響。氧化矽膜在與半導體膜形成介面時係 使介面捕獲電位可以降得最低的物質，所以適於做下底保 護膜。半導體膜被形成於此下底保護膜上。 亦即作爲下底保護膜，本發明以在與半導體膜之界面 使用具有l〇l2cnr2程度以下的介面電位的氧化矽膜者爲較佳 。進而在本發明，與先行技術相比，半導體膜的下部也被 加熱至高溫的傾向很強，所以由基板容易產生不純物的擴 散。爲防止如此，使用高純度的半導體膜而要在本發明作 成優良的薄膜半導體裝置，把密度高的稠密的氧化矽膜作 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-11· 521434 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 ) 爲下底保護膜使用是不可或缺的。如此般，氧化矽膜對液 溫25土5°(：’濃度1.6土〇.2%的氟化氫（；^)水溶液之蝕刻 速度爲1.5nm/s以下。通常，下底保護膜係以電漿化學氣相 沈積法（PECVD法）或者低壓化學氣相沈積法（LPCVD法 )、彳賤鍍法等氣相沈積法來形成。其中要做成特別適於本 發明的下底保護膜的方法，在PECVD法中以利用電子迴旋 加速器共振PECVD法（ECR-PECVD法）或者Helicon PECVD法，遠隔PECVD法等較佳。 此外，使用工業用頻率（13.56MHz )或者其整數倍的 頻率的PECVD法要獲得適於本發明的氧化矽膜，只要使用 TE〇S ( Si-(〇-CH2CH3)4))與氧氣（〇2 )，使氧氣流量設定 爲TEOS流量的5倍以上而堆積氧化矽膜即可。或者使用單 矽烷（SiH4)與氧化亞氮（N2〇)做爲原料物質，使用氦或者氬等 稀有氣體作爲稀釋氣體，使總氣體流量中的稀有氣體比率 在90%程度以上（一級總氣體流量中的原料物質的比率不 滿10%程度）而堆積氧化矽膜即可。此時基板溫度以280 °C以上較佳。基板由高純度的石英構成時，下底保護膜也 可與石英基板兼用，但使保面狀態保持一定而要使半導體 膜品質的變動最小化，以藉上述方法形成下底膜者較佳。 在下底膜上堆積非晶質狀態的半導體膜。於半導體膜 堆積使用電漿化學氣相沈積法（PECVD )或低壓化學氣相 沈積法（LPCVD法）、常壓化學氣相沈積法（APCVD法） 、濺鍍法等各種氣相堆積法都可以使用。但從容易堆積高 純度的半導體膜的立場來看’其中特別以電漿化學氣相沈 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) _«1 訂 線·. 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：297公釐） 521434 A 7 _______B7_ 五、發明説明（1〇 ) 積法（PECVD)或低壓化學氣相沈積法（lpcVD法）最適 合。 以低壓化學氣相沈積法（LPCVD法）堆積以非晶質矽 膜爲代表的以矽爲主體的非晶質半導體膜時，以使用高次 砂院（SinH2〃2:n = 2,3,4)作爲原料氣體的一種爲佳。考慮到價 格與安全性的話，作爲高次矽烷以二矽烷（Sl2H6)爲最佳。將 二矽烷適用於低壓化學氣相沈積法時，以4 2 5。(：程度以下的 低溫可以0.5nm/min程度以上之比較快的堆積速度得到高純 度的非晶質矽膜。要獲得適於本發明的良質的非晶質半導 體膜，堆積溫度與堆積速度很重要。有必要以使堆積溫度 在430°C以下，且堆積速度在〇.6nm/min程度以上的方式決 定二矽烷流量與成膜時的壓力。低壓化學氣相沈積法以高 真空型低壓化學氣相沈積裝置來進行。這可以使半導體膜 之純度提高而使起因於不純物的結晶核產生量減至最少， 在本發明最終可得到的結晶性半導體膜爲高純度而且由大 結晶粒所構成。特別是在本發明，要使起因於不純物的結 晶核密度爲最少在固相結晶化工程不僅要獲得大粒徑的多 結晶固相成長半導體膜，在照光工程還要考慮到半導體膜 在厚度方向完全溶融的狀況，所以只要使起因於不純物的 結晶核的產生減至最少，就可以藉使用適於溶融結晶化的 雷射光，促進在完全溶融的部位處之往橫方向的結晶成長 。在從前的技術，因爲未控制的不純物量與不恰當的雷射 光的緣故，完全溶融的部位雖由微結晶粒所構成，但如此 進行在本發明即使在完全溶融部也可得由大結晶粒所構成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -13- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 B7 五、發明説明（11 ) 的多結晶半導體薄膜。 所謂高真空型低壓化學氣相沈積裝置，一般丨系丨旨_ _ 體膜堆積前的背景真空度在5X1CT7 Torr以下，非晶暂年 體膜以1.5 nm/rxmi程度以下的緩慢堆積速度形成，而非晶 質半導體膜中的氧原子濃度在程度2X10U cm·3以下之成_ 裝置。如此般的高真空型低壓化學氣相沈積裝置在 氣密性優異的同時，成膜室之排氣速度還高達12〇 sccm/mTorr (使非活性氣體以120 seem流出成膜室時所得 的平衡壓力成爲1 mTorr之排氣速度）程度以上的高排氣能 力者是更被期待的。具有如此般的高排氣能力的裝置才可 以在1個小時程度的比較短的時間內，充分減低來自基板 等的脫氣流量，保持高的生產性，同時可堆積高純度半導 .體薄膜。 使用基板面積在2000cm2程度以上的大型基板的場合， 適用低壓化學氣相沈積法變得困難。在這樣的狀況下堆積 非晶質半導體膜的場合，使用高真空型電漿化學氣相沈積 裝置。這一般係指半導體膜堆積前的背景真空度在IX 1(Τ6 Torr以下，非晶質半導體膜以1 nm/sec程度以下的緩慢堆 積速度形成非晶質半導體膜，而半導體中的氧原子濃度在 程度2 X1016 cm·3以下之成膜裝置。高真空型電漿化學氣相 沈積裝置適於使用進行電漿處理的成膜室被設置於較該室 更大的其他真空室內之電漿盒（plasma box)型之PECVD裝置 。電漿盒型之PECVD裝置，係具有藉由成膜室爲雙重真空 構造而提高成膜室的真空度的效果，同時也是在成膜室壁 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X：297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-14- 521434 A7 _________B7 五、發明説明（12 ) 面全體被加熱而成膜時使壁面溫度與基板溫度約略相同的 熱壁型之電漿化學氣相沈積裝置。藉此使由成膜室壁脫出 的不純物氣體量爲最少，提高真空度的效果也被公認。 非晶質半導體膜堆積時之背景真空度如此般的提高， 來自壁面的脫氣量也減少的緣故，堆積的半導體膜的純度 提高，對薄膜半導體裝置亦具有與先前在低壓化學氣相沈 積裝置所說明的相同效果。高真空型電漿化學氣相沈積裝 置的背景真空度可以比高真空型低壓化學氣相沈積裝置的 背景真空度還差，而可以將半導體膜的堆積速度提高至0.1 nm/sec程度以上的緣故，可以顯著減低半導體膜中的不純 物濃度。半導體膜成膜之原料氣體使用單矽烷（SiH4)或二矽 烷（ShH6)，成膜時之基板溫度在100°C程度至450°C程度間 。基板溫度越高非晶質半導體膜的含氫量就越少，可以之 後的固相結晶化工程安定地進行。理想上非晶質膜堆積時 的基板溫度在250°C程度至450°C程度間.溫度較250°C程度 還高的話，可以使非晶質膜中的含氫量降低至8 atm%程度 以下，可以安定地進行固相結晶化工程。如果溫度比450°C 程度還低的話，可以使構成非晶質膜的非晶質粒增大。更 理想的是在400t程度以下時增大非晶質粒。固相結晶化工 程時爲了防止氫的脫離導致半導體膜的剝離必須要使半導 體膜中的含氫量降至5 atm%程度以下，爲此，把成膜時的 基板溫度上升至280°C程度以上，而且使成膜速度降至0.5 nm/sec程度以下。爲了使往半導體膜中的不純物混入減至 最少，成膜速度要求在0.1 nm/sec程度以上，結果，本發 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^ -15 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線!·· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 B7 五、發明説明（13 ) 明最佳的非晶質膜的堆積條件係使基板溫度在28〇t;程度以 上4〇〇(：程度以下，而且使成膜速度在0.1 nm/sec程度以上 0.5 nm/sec程度以下。 如此進行而得到非晶質半導體膜後使此一非晶質半導 體膜在固相狀態結晶化，形成固相成長多結晶半導體膜（ 固相結晶化工程）。非晶質膜的結晶化係將被形成非晶質 半導體膜的基板插入熱處理爐，以約略熱平衡狀態進行。 或者以急速熱處理裝置進行。以熱處理爐進行的場合，以 熱處理溫度在40〇。(：程度以上700°C程度以下之處理溫度進 行固相結晶化。考慮生產性的話，處理溫度爲5〇〇ac程度以 上較佳’由增大結晶粒的觀點來看以650°C程度以下較佳。 在如此溫度範圍之固相結晶化構成非晶質膜的非晶質粒的 大小與構成多結晶膜的結晶粒的大小相關性極強。換句話 說’由大的非晶質粒所構成的非晶質膜以上述溫度範圍的 熱處理於固相結晶化的話，可得由大的結晶粒所構成的固 相成長多結晶膜。進行結晶化時之熱處理溫度越低可以壓 抑結晶核的產生而可得由更大的結晶粒所構成的多結晶膜 ，但是與此枏應結束結晶化的時間也變長。.熱處理溫度以 在50(TC程度至650°C程度之間儘可能低的溫度，理想上是 設定爲55(TC程度至600°C程度間的指定溫度。這些的固相 結晶化係在含有氧氣lOppm程度至10%程度間的氧化性氣 氛下進行者較佳。藉由如此在固相成長時於半導體膜表面 可被形成薄的氧化膜。氧化膜的形成導致半導體原子團與 氧化膜原子團之晶格不整合、，在結晶逑長時對半導體膜帶 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -16 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 _B7 五、發明説明（14 ) 來強大的應力。此強大的應力促進半導體原子的移動，結 果’減少在固相成長多結晶膜固有的積層缺陷或雙晶缺陷 。換句話說最終所得的薄膜半導體裝置的閾値電壓或次閾 値電壓降低，可得具有良好的開關特性的薄膜半導體裝置 〇 如此進行得到固相成長多結晶半導體膜之後，在照光 工程對此固相成長半導體膜照射脈衝雷射光，至少使半導 體膜的表面溶融進行多結晶半導體膜之再結晶化。以固相 結晶化工程所得的固相成長多結晶膜，係隨著成膜條件的 控制其結晶粒徑由2 // m程度至5 // m程度之極大的結晶粒 所構成。因此，這些固相成長膜在結晶粒內部含有大量（IX 1018 cirf3程度）的層積缺陷或雙晶缺陷等內部缺陷（第1圖 .A)。在此本發明於照光工程維持原來的大結晶粒，而使其 減少這些內部缺陷。在照光工程對固相成長多結‘膜照射 脈衝震盪雷射光，使半導體膜的一部份（主要是半導體膜 的厚度方向之上層部）溶融（第1圖B)。此時並非使半導 體膜的膜厚方向的全體溶融，而是與下底保護膜之界面附 近的一部份作爲原來的固相成長多結晶膜而使其殘留。如 此一來在冷卻固化時此殘留固相成長膜成爲結晶源，維持 原來的固相成長多結晶膜的結晶粒徑而進行再結晶化。如 此進行再結晶化後的結晶粒徑也與最初相同都是2 μ m程度 至5/im程度形成爲較大。另一方面，本發明之固相成長膜 之內部缺陷係與基板平行的成分具支配性，而且溶融結晶 化時之殘留固相成長多結晶膜之溫度上升至接近矽的溶融 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-17- 521434 A7 B7 五、發明説明（15 ) 溫度之1414t附近，所以殘留固相成長多結晶膜中的結晶 缺陷在溶融結晶化工程中大幅減低。再加上藉由溶融結晶 化反覆進行10次程度至80次程度，殘留固相成長膜中之 缺陷隨著溶融結晶化的反覆進行而顯著減少。如此形成結 晶缺陷極少的殘留固相成長多結晶膜，將這些作爲結晶成 長源進行冷卻固化過程的緣故，經由第1圖B的部分溶融 狀態可以使結晶粒內的缺陷消失大半，結果可得大粒徑而 且內部缺陷極少的多結晶半導體膜（第1圖C)。 作爲照射雷射光也可以使用連續發光者，但以使用脈 衝震盪之雷射光較佳。連續發光的雷射光照射半導體膜跨 越數毫秒（m sec )以上的長時間都爲溶融狀態。因此不純 物容易由氣相中混入膜中，此外表面容易產生粗糙面。對 此，每一次的照射移動適當的距離之脈衝震盪其溶融時間 爲數百微秒以下，因此可得高純度具有平滑表面的多結晶 性半導體薄膜。 對半導體膜照射雷射光時使用波長λ在370nm以上 7 10nm以下的脈衝雷射光。這些光在非晶質矽中以及多結晶 矽中之吸收係數顯示於第2圖。第2圖的橫軸爲光的波長 ，縱軸爲吸收係數。虛線代表非晶質矽，實線代表多結晶 矽。由第2圖可知，在3 7 0nm至710nm的波長區域光在非 晶質矽中的吸收係數比在多結晶矽中的吸收係數還大。換 句話說，以使光在非晶質矽之吸收係數比在多結晶矽的吸 收係數還大的方式對固相成長多結晶半導體膜照射脈衝雷 射光。例如波長約5 32nm之摻雜Nd離子的YAG雷射光的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 — -18 - 521434 A7 B7 五、發明説明（16 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 第2高調波（略記爲YAG2 ω光）。之在非晶質矽的吸收係 數# aSi與在多結晶矽# Ph分別爲 β asi ( ΥΑΘ2ω ) =0.0 1723nm*1 // Psi ( ΥΑΘ2ω ) =0.00426nm*1 在非晶質矽之吸收係數比在多結晶矽之吸收係數大了 4 倍多。固相成長多結晶膜在微觀上由結晶成分與非晶質成 分所構成。結晶成分係在結晶粒界內層積缺陷等缺陷比較 少的部位，可以說是在良質結晶狀態的地點。另一方面， 非晶質成分係結晶粒界或結晶粒內的缺陷部等構造秩序顯 著紛亂的部位，所謂處於接近非晶質的狀態的地點。照射 雷射光進行結晶化之溶融結晶化，非溶融部成爲冷卻固化 過程之結晶成長之核。具有高構造秩序的結晶成分成爲結 .晶成長核的話，由該處成長的結晶還是會成爲具有很高構 造秩序的良質結晶化膜。與此相反，構造秩序紛亂的部位 成爲結晶成長核的話，層積缺陷等在冷卻固化過程中由該 處開始成長，所以最終可得的結晶化膜成爲含有缺陷等之 低品質之物。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 亦即要獲得優良的結晶化膜，不使固相成長多結晶膜 中的結晶成分溶融而以其作爲結晶成長之核，使非晶質成 分優先溶融的話較佳。在本發明，因爲照射雷射光在非晶 質矽之吸收係數比在多結晶矽之吸收係數還大，所以非晶 質成分與結晶成分相比優先被加熱。結果結晶粒界或缺陷 部等非晶質成分容易溶融，另一方面約略單結晶狀態的良 質結晶成分不溶融而殘留下來呈爲結晶成長源的緣故，結 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -19- 521434 A7 B7 五、發明説明（17 ) 晶缺陷極少的優良結晶粒在冷卻固化過程中被形成。如此 缺陷部或是錯結合對等等被大幅降低，而結晶粒界也以構 造秩序高的對應粒界具支配性。此事由半導體膜的電氣特 性來看的話，帶來使能帶圖之禁止帶中央附近之捕獲電位 密度大幅減少的效果。 又，將這樣的半導體膜使用於薄膜半導體裝置的主動 層（源極區域或汲極區域、通道形成區域）的話，關閉 (OFF)電流變小，顯示急峻的閾値降低特性（次閾値擺動値 便小），可得閾値電壓很低的電晶體。以從前的技術要製 造如此優異的薄膜半導體裝置是幾乎不可能的，原因之一 是未使用具有適於固相成長多結晶膜，無論結晶成分或非 晶質成分都一起使其溶融所造成的。此處所說明的本發明 的原理最有效的作用，係在多結晶矽之吸收係數與非晶質 矽的吸收係數之比（# PSl / # aSl)很大時。參見第2圖，可 知光的波長爲450nm程度至650nm程度時此比値變大。亦 即在本發明的照光工程所照射的脈衝雷射光最好在450nm 程度以上至650nm程度以下。波長450nm的光在多結晶矽 中的吸收係數…爲1.127 X 1〇·2 nm·1，波長650nm的光在 多結晶矽中的吸收係數// PSi爲8.9 X 1(T2 nm·1。亦即，在照 射波長450nm程度以上至650nm程度以下的脈衝雷射光的 照光工程，脈衝雷射光使用的是在多結晶矽中的吸收係數 大致爲1(T3 nm·1以上10·2 nm·1以下者。 要獲得良質的最終結晶性半導體膜時，最重要的是雷 射光的震盪安定性，所以脈衝雷射光以由Q開關震盪固體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -20- 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（18 ) 發光元件所形成者爲佳（在本發明將此簡稱爲固體雷射） 。從前的準分子氣體雷射’在雷射震备室內之臥（Xe)或氣 (C1)等氣體之不均一性或是氣體自身的劣化或者由於鹵素導 致震盪室內的腐蝕等造成震盪強度的誤差有程度’進而 震盪角的誤差也被認定有程度。震盪角的誤差使照射區 域面積也有誤差，所以結果在半導體膜表面的能量密度（ 每單位面積之能量値）總計有10%以上的變動’成爲製造 優良薄膜半導體裝置上之一大阻礙。 又，（氣體）雷射震盪的長期安定性也欠缺’造成薄 膜半導體裝置的批次間的變動。對此使用固體雷射就不存 在著這樣的問題，所以雷射震盪極爲安定’在半導體膜表 面之能量密度的變動（對平均値之標準偏差之比）不滿5% 程度。要更有效地活用本發明’要求使用這樣的在半導體 膜表面之雷射能量密度的變動不滿5%程度的固體雷射。進 而，固體雷射的使用使薄膜半導體裝置製造時之批次間變 動最小化，薄膜半導體裝置的製造可以不再進行頻繁的氣 體交換作業，因而具有在製造薄膜半導體裝置時之生產性 提高與低價格化的效果。同時滿足前述波長與吸收係數的 要求的是將銨（Nd)添加至氧化釔（Y2〇3)與氧化鋁（Al2〇3)之複 氧化物的添加銨之釔鋁石榴石（NcLYAG )雷射光的第二高 調波（YAG2 ω光，波長532nm )。亦即，在本發明之照光 工程以半導體膜表面之能量密度的變動不滿5%程度的 光照射於半導體膜表面最適合。作爲Q開關固體雷 射之雷射媒體，以被摻雜Nd離子的結晶或被摻雜Yb離子 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS ) A4規格{ 210X297公釐） ' " (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-21 - 521434 A7 _ __B7_ 五、發明説明（19 ) 的結晶、被摻雜Nd離子的玻璃、被摻雜Yb離子的玻璃較 佳。亦即具體而言，除YAG2 ω以外，以使用Q開關震盪的 Nd:YV〇4雷射光的第2高調波（波長532nm) 、Q開關震盪 的Nd:YLF雷射光的第2高調波（波長524nm) 、Q開關震 盪的Yb:YAG雷射光的第2高調波（波長515nm)等作爲脈 衝雷射光使用最佳。 進而，在半導體膜中光被吸收，入射光的強度成指數 函數衰減。現在假設入射光強度爲，以矽爲主體之多結 晶半導體膜中之表面起之距離爲x(nm)，在場所X之強度爲 I(x)的話，其間使用吸收係數# pSi來顯示以下的關係成立。 I(X)/I(〇) = exp(- β Psi · x) (第 1 式） 吸收係數#psi在l〇·3 ηπΓ1的場合與1CT2 nm·1的場合， 以及本發明之脈衝雷射光使用最優的Nd:Y AG雷射光的第二 高調波（YAG2 ω光）的場合，與從前技術之xeci準分子雷 射光的場合之第1式的關係圖顯示於第3圖。要使矽膜有 效率地加熱入射光之至少10%程度必須由半導體膜吸收， 所以在第3圖中於該條件之〇.9的位置畫有一橫虛線。又， 光之強度意味直接對矽施加的熱量，所以第3圖代表雷射 光照射時之矽膜中的溫度分佈。根據申請人等的硏究，從 前的準分子雷射照射在半導·體膜的表面引起嚴重的損傷另 一方面於其下部殘留低品質的半導體層。從前技術無法得 到優良的多結晶半導體膜的理由，係因爲存在於半導體膜 1紙張尺度適财關家縣（〇叫八4胁（2獻297公釐)" (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -22- 521434 A7 B7 五、發明説明（2〇 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 的表面與下部之間的大的溫度差。不在表面產生損傷，而 且在半導體膜的厚度方向約略全體被比較均勻地加熱而溶 融，是在半導體膜下部之光的強度達到入射光強度的一半 程度以上時。滿足此條件時表面與下部之溫度差變小。在 此弟3圖於光的強度成爲表面的一半之0.5的位置也畫有橫 虛線。亦即以矽爲主體的半導體膜被有效加熱，而且半導 體膜上不產生損傷膜厚全體良好地發展結晶化的條件，係 第3圖之0.9的橫虛線與0.5之橫虛線所夾的區域。從前技 術之XeCl準分子雷射光其入射光幾乎全部在半導體膜表面 被吸收，所以雷射照射適用於半導體膜質改善之半導體膜 厚因此侷限於Inm至4nm。對此亦可明白在本發明之條件 下可以跨寬廣膜厚範圍進行固相成長多結晶膜的溶融再結 晶化與伴隨著之膜質改善。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明在雷射光照射的半導體膜的區域內，使固相成 長多結晶膜極薄地殘留於半導體膜的下部，使其他部位溶 融而由殘留固相成長多結晶膜開始使結晶成長（第1圖B) 。另一方面半導體膜的溶融深度大致由照射雷射光的能量 密度來決定。無論使用何種雷射裝置每次照射的能量密度 都會變動。使用固體雷射的場合之本發明與從前技術相比 雷射震盪顯著安定，並非例外，使殘留極薄的固相成長多 結晶膜而施以雷射照射，隨著其能量密度的些微變動半導 體膜全體溶融成爲完全溶融狀態也是有發生的機率。無論 使用何種雷射光結晶都是沿著溫度梯度成長的。通常，在 薄膜半導體裝置利用的半導體膜的厚度係3〇nm至200nm程 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） •23- 521434 A7 B7 _ 五、發明説明（21 ) 度。如先前所述，根據從前的XeCl準分子雷射進行的結晶 化在半導體膜表面起4nm程度以內所有的光都被吸收’即 使完全溶融狀態也僅有表面附近被加熱，因此在溶融半導 體膜內上下方向上產生急峻的溫度梯度（第4圖A中之a-1)。因此結晶核主要大量發生於下側界面，結晶粒由半導 體膜的下部朝向表面成長。 如此經過完全溶融狀態的雷射照射後所得的多結晶膜 係由微細的結晶粒所構成（第4圖A中的a-2)。如此般在 從前的技術由下往上成長出大量的微細結晶，所以半導體 膜中不純物導致的結晶核的存在並非重要的問題。對此而 言，本發明是照射具有對溶融結晶化最適合之吸收係數的 雷射光的緣故，半導體膜在膜厚方向被均勻加熱。結果， .於雷射照射區域的端部，於橫方向上產生溫度梯度（第4 圖B之b-1 )，結晶在橫方向上比上下方向上更加成長。亦 即，即使雷射能量密度變動而陷於完全溶融狀態，橫向成 長也會發揮功能在完全溶融部不會產生微細結晶，取而代 之的會是大結晶的成長（第4圖B之b-2)。即使在照射區 域內的端部以外的場所也因上下方向的溫度差很小，所以 在半導體膜下部的結晶核發生機率較從前的完全溶融狀態 更顯著地降低，平均而言構成多結晶半導體膜之結晶粒較 從前增大。如此即使陷於完全溶融狀態，在本發明由於橫 向成長使得獲得比較大的結晶粒成爲可能。往橫方向的結 晶成長被促進的場合，是在半導體膜的表面與下部之光強 度並未改變太大時，根據實驗的話係於半導體膜下部之光 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐^ ~ -24 - 丨 — (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 B7 五、發明説明（22 ) 強度爲入射光強度的三分之一以上的場合。在此於第3圖 橫方向成長變得容易的條件之0.667的位置也描繪有虛線。 亦即以矽爲主體之固相成長半導體膜有效地被加熱，而且 完全溶融時也產生橫向成長形成由大的結晶粒所構成的結 晶性半導體膜的條件，係第圖之以0.9的橫虛線與0.667之 橫虛線所夾的區域。當然，要使結晶粒增大，必須抑制此 處所述之溫度梯度以外由於不純物導致均結晶核，所以在 下底保護膜或半導體膜形成工程之半導體膜堆積等也被要 求前述之顧慮。 由第3圖可見，即使吸收係數在1(Τ3 ηπΓ1以上1(Τ2 ηπΓ1 以下，也無法在整個半導體膜厚得到優良的結晶性半導體 膜。例如在YAG26；光（吸收係數// pSi= 4.26Χ10·3 ηπΓ1)矽 膜有效地被加熱是在半導體膜的厚度在2Snm程度以上時， 在表面沒有損傷而膜厚全體被約略均勻地加熱是在半導體 膜之膜厚爲165nm程度以下時。又，完全溶融時也產生橫 向成長使結晶粒保持較大是在半導體膜厚95nm程度以.下時 。亦即，將YAG26；雷射光照射於以矽爲主體的固相成長半 導體膜時較佳的半導體膜的厚度爲25nm以上165nm程度以 下，更理想的是25 nm程度以上，95 nm程度以下。如此因 應使用的雷射光之多結晶矽中的波長或吸收係數最佳半導 體膜厚也跟著改變。具體而言矽膜有效地被加熱，而且表 面無損傷地在膜厚方向上被均勻加熱的情形，相當於第1 式以X爲半導體的膜厚d，I(d)/I(Q)在0.5與0.9之間的條件 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -25- 521434 Α7 Β7 五、發明説明（23) 0.5 < I(d)/I(〇)< 0.9 (弟 2 式） 將此第2式使用第1式解出d(nm)的話’得到 0.105· μ. psi'1 < d < 0.693 · β Psi'1 (第 3 式） 的關係式。同樣的’矽膜有效地被加熱’而且完全溶 融時產生橫向成長結晶粒保持較大是I(d)/I(Q)在〇·667與0.9 之間，所以得到 0.405 · β psi*1 < d < 0.693 · β Psi*1 (第 4 式） 的關係式。半導體膜的厚度d(nm)，與照射於此膜的脈 衝雷射光在多結晶砂膜中的吸收係數# ps {(η πΓ1)，在滿足上 述第3式、第4式時必定可得優良的結晶性半導體膜，因 而可製造優異的薄膜半導體裝置。 將上述之第3式與第4式之關係，考慮第2圖所示之 光的波長與吸收係數之關係後，重新描繪波長與以矽爲主 體的半導體薄膜的厚度之關係者爲第5圖。在第5圖之三 角印以上的區域半導體薄膜被加熱，在圓印以下的區域存 在著不產生表面損傷而在半導體膜的厚度方向全體比較均 勻地被加熱的照射能量密度。又，較四角形印以下的區域 上下的溫度差變小的緣故，完全溶融時結晶往橫方向的$ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -26- 521434 A7 B7 五、發明説明（24) 長被促進。在第5圖進而使圓形印、四角形印、三角印分 別近似於直線。使用這些近似直線的話，照射雷射光的波 長又在440nm以上710nm以下的場合，波長Λ與膜厚d的 關係滿足 9.8 X 10a L2(A - 4 4 0 )< d < 53 X 1〇α Η2(λ · 4 4 0 ) (第 5 式） 其中，α L2= 4.9 X ΙΟ·3 nm·1 α H2= 5.4 x ΙΟ*3 nm'1 的關係式的話，以矽爲主體的半導體膜可被有效率的加熱 ，而且可以表面無損傷地在半導體膜的厚度方向上被約略 均勻加熱。例如雷射光使用YAG2W光的場合，爲532nm的 緣故，滿足此條件的半導體膜厚爲28nm至166nm。進而， 波長λ與膜厚d的關係滿足 9.8 X ΓΟα L2(A * 4 4 0 )< d < 32 X 10α Μ2(λ ·44°) (第 6 式） 其中，a L2= 4.9 X ΙΟ·3 nm·1 α Μ2= 5.2 X ΙΟ'3 nm*1 的關係式的話，以矽爲主體的半導體膜可被有效率的加熱 ，而且完全溶融時往結晶的橫方向的成長也被促進的緣故 所以更佳。.雷射光使用 YAG2 ω光的話，半導體膜厚爲 28nm至96nm時滿足此條件。 同樣地，照射雷射光的波長λ在370nm以上440nm以 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、τ

-27- 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（25) 下的場合，波長λ與膜厚d的關係滿足 2.4X 10a L1(" '37〇)< d < 11·2Χ 10α Η·,(λ ·37°) (第 7 式） 宜中，aLlsS.TXlO3!!]!!1 a HI = 9.6 x ΙΟ·3 nm.1 的關係式的話’以矽爲主體的半導體膜可被有效率的加熱 ，而且可以表面無損傷地在半導體膜的厚度方向上被約略 均勻加熱。波長λ與膜厚d的關係滿足 2.4X 10a L1(A '37〇)< d < 6·0Χ 1(T M1(厂37°) (第 8 式） -^ 其中，a L1 = 8.7 X 10·3 nm·1 2 a Ml = 1.04 X ΙΟ'2 nm'1 的關係式的話，以矽爲主體的半導體膜可被有效率的加熱 ，而且完全溶融時往結晶的橫方向的成長也被促進的緣故 所以更佳。 爲獲得優良的結晶性半導體薄膜，脈衝雷射光在半導 體膜上之照射能量密度的控制也很重要。換句話說要製造 優良的薄膜半導體裝置必須要在適當的範圍內控制照射能 量密度。首先爲了進行溶融結晶化，脈衝雷射光必須要具 備使被照射半導體膜之至少一部份溶融的充分的強度。這 是半導體膜上之脈衝雷射.光照射能量密度的適切範圍的最 下限値。通常最表面開始溶融的照射能量密度相當於此値 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) M規格（21〇><297公釐）~一 "~一 -28- ----------^^11 Μ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 521434 A7 B7 五、發明説明（26) ，所以在本說明書中將此簡稱爲表面溶融能量密度（ESM ) 。進而根據實驗，脈衝雷射光的能量密度在使被照射半導 體膜的厚度方向之體積成分的三分之二程度以上被溶融時 可得極爲良質的結晶性半導體膜，因而將這樣的結晶性半 導體膜作爲主動層使用的薄膜半導體裝置顯示出優異的電 氣特性。這是因爲本發明的脈衝雷射光使固相成長多結晶 膜內所存在的非晶質成分等構造秩序混亂的部位開始優先 使其溶融，同時選擇性殘留高品質的結晶成分，進而在薄 膜的厚度方向上約略均勻地進行溶融的緣故，使三分之二 程度以上溶融的工程反覆數次因而即使很少的照射次數也 可容易獲得良質的結晶化膜。亦即更佳的下限値係使半導 體膜的厚度方向之體積成分的三分之二程度以上溶融的照 射能量密度。此照射能量密度在本說明書中簡稱爲2/3溶融 能量密度（E2/3)。 適切的照射能量密度也存在著上限値。在半導體膜表 面之雷射光的能量密度太高的話，半導體膜會消失，所以 能量密度當然必須小於引起消失（abrasion)的値。產生消失 的照射能量密度在本說明書中簡稱爲消失能量密度（EAb ) 。此値爲最上限値。又，即使未產生全面消失，只要半導 體膜厚方向全體完全溶融的話（在本說明書中簡稱爲完全 溶融能量密度（Ecm ))，容易產生半導體膜的部分消失。 這應該是在作成薄膜半導體裝置時引起缺陷降低生產率的 重要原因，當然要避免。進而在半導體膜的寬廣範圍產生 完全溶融的話，伴隨著完全溶融的微結晶化將無法以橫向 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -29- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 _ B7 五、發明説明（27) 成長來彌補，因此在雷射照射後所得的結晶性半導體膜由 微細結晶粒所構成的成分變多。如此構成的薄膜半導體裝 置的電氣特性也會變得不佳。亦即要以高生產率製造優良 的薄膜半導體裝置，在半導體膜表面的脈衝雷射光的能量 密度以較半導體膜之厚度方向全體完全溶融的値（Ecm)還 稍低比較好。這是對適度照射能量密度之較佳的上限値。 結果’波長λ在370nm以上7 10nm以下的脈衝震盪的 固體雷·射光照射於具有滿足第5〜8式的關係之厚度的以矽 爲主體的固相成長多結晶半導體膜作成薄膜半導體裝置的 場合，固體雷射光在半導體膜上較佳的照射能量密度成爲 表面溶融能量密度（Esm )以上消失能量密度（EAb )以下。 更佳者爲表面溶融能量密度（Esm )以上完全溶融能量密度 (ECM )以下、或者2/3溶融能量密度（E2/3 )以上消失能量 密度（EAb)以下、最理想的是2/3溶融能量密度（Em)以 上完全溶融能量密度（Ecm )以下。具體而言，固體脈衝雷 射光爲Nd:YAG雷射光的第2高調波，以被形成於透明基板 上的矽爲主體的半導體膜的厚度由28nm程度至96nm程度 的場合之’對半導體膜表面之YAG2o脈衝雷射光的照射能 量密度（X軸）與被照射半導體膜之溶融的體積成分（y軸） 之關係顯示於第6圖。由第6圖可知，在這樣的條件下 Esm= 1 00m J · cm2，Ecm = 850itiJ · cm·2，E Ab= 1 5 00m J · cm·2，所 以被照射半導體膜之厚度方向之體積成分的三分之二溶融 的照射能量密度成爲E2n = 600mJ · cm·2 。亦即，YAG2 ω光 在半導體膜上較佳的照射能量密度爲100mI· cm·2程度以上 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-30- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 B7 五、發明説明（28) 1 5 00m〗· cnT2程度以下，較佳者爲100mJ · cm·2程度以上 8 5 0m〗· cm·2程度以下，或600mJ · cm·2程度以上1 500mJ · cnT2程度以下，理想爲600nJ· cm·2程度以上850m·!· cm-2 程度以下。 本發明之照光工程，以對由含有多量結晶缺陷的大結 晶粒所構成的固相成長多結晶半導體膜照射脈衝雷射光， 維持原有的固相成長半導體膜的結晶粒徑，而且大幅.降低 結晶缺陷爲目的。爲此，雷射以使用震盪安定性優異的固 體雷射較佳，使非結晶成分之吸收係數大於結晶成分的吸 收係數的雷射光以較完全溶融能量密度稍低的能量密度進 行照射。此時吸收係數與半導體膜之關係最佳化的話，即 使萬一產生完全溶融也可以藉由橫向成長產生程度至 3 // m程度的結晶粒防止微結晶化。 陷於完全溶融狀態時，若要有效活用此橫向之結晶成 長’除了到目前爲止所敘述的條件以外脈衝雷射光在半導 體膜表面之照射區域的形狀控制也很重要。例如照射區域 如第7圖A所示的圓形，考慮由圓的中心起向外側減少雷 射光強度的場合（第7圖B)。此時結晶由溫度低的外周向 高溫的中心成長的緣故，各結晶粒隨著成長而相互擠撞， 絕對無法得到大的結晶粒。而且取半導體裝置的主動區域 的方向（FET的場合爲源極、通道、汲極的方向；雙極 (bipolar)電晶體的場合爲射極、基極、集極的方向）之任一 ，在主動區域內必定會出現很多結晶粒界，以如此的照射 區域形狀進行照射而作成薄膜半導體裝置，也絕對無法得 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) 一 -31 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

521434 A7 B7 五、發明説明（29)

到優良的半導體裝置。對此在本發明使照射區域爲寬度W (# m )、長度L ( nm )之線狀或者約略長方形（第8圖A )° 在照射區域內的長度方向之剖面（第8圖A之A-A·剖 面）之雷射光照射能量密度除了照射區域的端部（第8圖B 之土 L/2附近）以外係約略相同分佈（第8圖B )。具體而 言除了在長度方向的左右分別的端部5 %以外，中央部90 %以內之能量密度的變動（對平均値之標準偏差之比）不 滿5%程度。另一方面，照射區域的的寬度方向之剖面（第 8圖A之B-B'剖面）之雷射光照射能量密度成約略梯形（ 第9圖A)，或者約略高斯函數形（第9圖B)。寬度方向 剖面成高斯函數形指不只是寬度方向之雷射光強度實際係 以高斯函數近.似而得的分佈形狀，還包含其強度由中心（ 第9圖之0點）起以可微分函數往端部區域（第9圖B之 土 L/2附近）平滑地減少之分佈形狀。寬度方向剖面爲約略 梯形（第圖A)的場合，能量密度分佈的變動其不滿5 %程 度的中央平坦區域的比例以30%程度至90%程度較佳，因 此上下分別的端部區域（第9圖A土L/2附近）呈爲5%程 度至35%程度。例如寬度W=1 00/zm的場合，中央平坦區 域以30 /z m程度至90 // m程度，上下分別的端部區域以5 // m程度至35 /z m程度較佳。由固相成長半導體膜有效地 減低缺陷，萬一完全溶融的場合也要藉由橫向成長防止微 結晶化時，最好使寬度方向之照射能量密度梯度的最大値 出現的位置，與寬度方向之照射能量密度的最大値出現的 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -32- 521434 A7 ______ B7_ 五、發明説明（3〇) 位置約略一致。這是因爲完全溶融的是照射能量密度最大 的位置，在該處照射能量密度的梯度如果是最大的話，貝ij 橫向成長也最被促進。如此在本發明理想上寬度方向剖面 最好是梯形（第10圖A)或者富士山函數形（第10圖B) 之雷射光強度分佈。 半導體膜完全溶融時要使橫向成長被促進，除了雷射 光源的選擇或適於該光源之半導體膜厚的決定等膜厚方向 的結晶成長抑制之外，對膜之水平方向的成長控制也很重 要。具體而言線上或者長方形形狀的雷射光照射區域的長 度（簡稱爲照射長）L與寬幅（簡稱爲照射寬）W之比（ L/W )與照射區域的掃瞄方法使其最佳化，可以使結晶朝所 要的方向成長。首先使照射長L對照射寬W之比（L/W ) 在100程度以上。此比（L/W)在100程度以上的話，各照 射時溫度梯度在照射區域的長度方向上幾乎不會產生，主 要在寬幅方向（第8圖A的B-B·方向）上產生。結果，結晶 顯示往照射區域的寬度方向之一次元的橫向成長。照射寬 W以5 // m程度至500 # m程度較佳的緣故，考慮生產性的 話此比（L/W)以100程度以上，理想爲1000程度以上較 佳。其次將這樣的形狀之照射區域於每次照射在寬幅方向 錯開，進行基板全面的掃瞄。完全溶融時結晶於照射寬幅 方向成長的緣故，使照射區域於寬度方向上錯開進行可使 一些結晶粒繫於寬幅方向。藉由採用如此的照射方法，構 成最終所得到的結晶性半導體膜的結晶粒平均在照射區域 的寬幅方向（第8圖A之B-B·方向）上變大。亦即，藉由 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐1 一 -33 - (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

，1T 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 B7_ 五、發明説明（31) 取薄膜半導體裝置的主動區域的方向（FET的場合爲源極 、汲極的方向；雙極（bipolar)電晶體的場合爲射極、集極的 方向）爲照射寬幅方向，使得在主動區域內（MOSFET的場 合爲通道形成區域內；或者雙極（bipolar)電晶體的射極基極 接合區域、與基極區域、以及基極集極接合區域）不存在 結晶粒界，或者是即令有結晶粒界存在也只是極少數而已 之優良薄膜半導體裝置得以被實現。 使雷射照射區域在基板上掃瞄時各次照射使照射區域 錯開（偏移）的量（將此簡稱爲偏移量），以在一次照射 中橫向成長的結晶大小（將此簡稱爲結晶尺寸）以下較佳 。理想的偏移量爲結晶成長尺寸的一半程度以下。藉此即 使以完全溶融之雷射能量密度照射多少次，往薄膜半導體 .裝置的主動區域方向之結晶連接的機率也顯著增加。作爲 雷射光源使用YAG26；的場合，結晶成長尺寸通成爲1# m 程度至3 // m程度。亦即偏移量在3 // m以下的話產生結晶 連接的可能性，2 μ m以下的話，其機率更爲增加。結晶成 長尺寸並非總是固定在3 # m程度，係依某機率函數分佈。 結晶成長尺寸可以取大數値，也可以取小數値。如果結晶 成長尺寸爲1 # m之小數値的話，要確實連接結晶粒，換句 話§兌要對幾乎所有的結晶成長尺寸之値都要確實連接結晶 粒的話，要使偏移量在1 // m程度以下。理想上爲〇. 5 /z m 程度以下。偏移量在0· 1 // m程度以下的話，yaG2 ω光即使 以 2kHz之高頻進行脈衝震盪，掃瞄速度也會降低至 2mm/sec以下變得太慢。在處理500mm這樣大型基板時， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐)~" 一 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-34- 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（32) 考慮生產性掃瞄速度低於2mm/seC程度會處理得太慢而不 實用。亦即偏移量的下限應爲0.1 // m程度。如果生產性比 連接結晶還要優先的話’偏移量的上限値約爲25 // m。 要作成優良的薄膜半導體裝置，照射半導體膜上任意 一點的脈衝雷射光的照射次數（簡稱照射次數）也必須要 最佳化。照射次數未滿10次的話，無法有效降低固相成長 多結晶半導體膜中的缺陷。相反的超過80次以上的話，會 引起由氣相往半導體膜混入不純物或者增大半導體膜表面 的粗糙度。特別是照射次數達到200次程度以上的話表面 非常粗糙，即使利用這種膜作成薄膜半導體裝置，也會由 於閘極洩漏等原因導致半導體裝置無法發揮功能。要有效 率地降低結晶性半導體膜中的缺陷，而且使半導體膜的表 面保持平滑而製造優良的薄膜半導體裝置，要以照射次數 爲10次程度以上80次程度以下的方式使雷射照射區域在 基板上掃瞄。要確實製造優良的半導體裝置，以20次程度 以上60次程度以下的方式掃瞄脈衝雷射光。 偏移量與照射次數存在著最佳値，所以由這些値決定 最佳的照射寬幅W。照射寬幅W爲偏移量與照射次數之積 。偏移量以x( // m)，照射次數以η次表示時，照射寬幅W (m )爲 W(/zm) = x(//m) Xn (第 9 式） 不管寬幅方向之雷射能量密度爲何，照射寬幅W相當 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-35- 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（33) 於雷射能量密度的強度爲最大値的一半處之寬幅（半高値 :Full Width Half Maximun:FWHM)。偏移量的較佳範圍的下 限爲0.1 μ m程度，照射次數較佳之最小値爲1 0次程度， 所以較佳的最小照射寬幅爲1 V m。相反的以最大値25 # m 程度照射次數之最大値80次程度來算，較佳之最大照射寬 幅爲2000//m程度。更佳的照射寬幅，爲偏移量0.5#m照 射次數1 0次程度時之5 a m程度至偏移量3 // m照射次數 80次程度時之240 // m程度之間。偏移量1// m照射次數20 次'程度時，或者偏移量0.5/z m照射次數40次程度時之20 // m程度起，直到偏移量2# m照射次數60次程度時之120 V m程度之間，可說是理想的照射寬幅。完全溶融時要使 橫向成長的結晶粒在每次照射時連接，照射寬幅W以最大 .橫向成長距離（3 // m )之2倍的6 // m以下較佳。 在這樣的條件下較佳的震盪頻率是使掃瞄速度成爲 2mm/sec程度以上之値。脈衝雷射光的震盪頻率f(Hz)與掃 猫速度v(mm/sec)之關係使用偏移量x(/z m)表示如下： v(mm/sec) = x( # m) X 10·3 X f(Hz) (第 10 式） 較佳的震盪頻率f(Hz)爲 f> 2 X 103 / X (第 11 式） 偏移量的較佳範圍爲0.1 V m程度以上25// m程度以下 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS ) A4規格(210X297公釐） '" (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-36- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 _—__B7_ 五、發明説明（34) ’所以由第1 1式震盪頻率的較佳範圍爲0.08kHz程度以上 2 0kHz程度以下。較佳者爲〇.67kHz程度以上2〇kHz程度以 下。理想爲1kHz程度以上20kHz程度以下。由第9與11 式’震盪頻率f(Hz)與照射次數n (次）以及照射寬幅W ( // m )之間有以下之關係 f > 2 X 103 X η / X (第 12 式） 亦即’震盪頻率與照射次數以及照射寬幅以滿足第10 式的方式設定，使脈衝雷射光照射於半導體膜的話，可以 高生產性製造優異品質的薄膜半導體裝置。 半導體膜之完全溶融時促進往結晶粒的寬幅方向之一 次元的橫向成長之另一個重要因素爲照射區域的寬幅方向 之雷射能量密度的梯度（簡稱爲能量密度梯度）。溶融結 晶化時之結晶成長速度uU)係比例於半導體膜之溫度梯度 dT⑴/dx 〇 u(x) = k · dT(x) / dx (第 13 式） 其中此處k爲速度常數，T(x)爲半導體膜上任意點x之 半導體膜的溫度。半導體膜之溶融時間以U表示時’結晶 成長尺寸L。以結晶成長速度與溶融時間U之乘積表示。

Lc = u X tm= k · dT/dx · tm (第 14 式） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-37 - 521434 A7 B7 五、發明説明（35) 速度常數k爲一定，溶融時間也約略一定’所以結晶 成長尺寸比例於半導體膜的溫度梯度。另一方面’半導體 膜的溫度比例於照射脈衝雷射光的能量密度’結果結晶成 長尺寸L。比例於能量密度梯度dE/dx。

Lc c〇 dE/dx (第 1 5 式）

要使結晶成長尺寸增大只要增大能量密度梯度即可。 根據申請人所進行的實驗結果，使用YAG26；光作爲脈衝雷 射光使玻璃基板上的半導體膜完全溶融結晶化的場合，能 量密度梯度的最大値爲3 mJ · cm·2 · /Z 程度以上之3.0 mJ· cm·2· /zm·1 程度至 4.0 mJ· cm·2, //m·1 程度時，往照 射寬度方向之結晶成長尺寸成爲1 # m程度以上。此外，能 量密度梯度的最大値爲10mJ · cm·2 · # πΓ1程度至20 mJ · cm 2 ·# πΓ1程度時，往照射寬度方向之結晶成長尺寸增大 爲2 // m程度以上。進而，能量密度梯度的最大値爲30 mJ

• ciiT2 · μ πΓ1程度時，往照射寬度方向之結晶成長尺寸成 爲3 # m程度以上。亦即要獲得良質的結晶性半導體膜製造 優良的薄膜半導體裝置以使能量密度梯度的最大値爲3 mJ • cnT2 · μ ιτΓ1程度以上較佳，更佳者爲10mJ · crrT2 · μ ιτΓ1 程度至20 mJ· cm·2· /zm·1程度之間，理想爲30 mJ· cm·2 • // m ·1程度以上。 根據本發明要獲得低缺陷且大粒徑的結晶性半導體膜 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210父29*7公釐）

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-38- 521434 Α7 Β7 五、發明説明（36) ’將堆積非晶質半導體膜的半導體膜堆積工程或使如此所 得的非晶質半導體膜在固相狀態使結晶化的固相結晶化工 程等予以最佳化，得到由2 v m程度至5 // m程度的結晶粒 所構成的固相成長半導體膜後，在照光工程以震盪安定性 優異的固體雷射而且以在結晶成分的吸收密度比在非晶質 成分之吸收係數還低的雷射光以較完全溶融能量密度稍微 低一些的低能量密度來照射。這由這種程序維持固相成長 半導體膜所具有的2 # m程度至5 // m程度的結晶粒徑，而 劇烈減低結晶內缺陷。然而，不論如何安定的雷射光，在 每次震盪時能量密度都會有變動，所以有一定機率半導體 膜會遭遇完全溶融。從前在這樣的狀況下會發生平均粒徑 數十nm的微結晶粒，但在本發明吸收係數與半導體膜厚之 關係或使成爲線狀或約略長方形的照射區域的形狀，往寬 度方向的能量密度梯度，使照射區域於每次照射都在寬度 方向適度偏移以進行掃瞄等等都予以最佳化，即使萬一產 生完全溶融也可以使1 // m程度至3 // m程度的結晶粒橫向 成長而可以防止微結晶化。如此一來，可得至少對照射寬 幅方向之結晶粒長顯著增大，而且結晶內缺陷也極少，表 面也光滑，而且純度高的優良結晶性半導體膜。以致容易 製造優良的薄膜半導體裝置。 如以上所詳細說明的，從前低品質而且差異很大的結 晶性半導體膜，藉由本發明講究非晶質半導體膜的成膜方 法或在其固相狀態之結晶化方法，以及其後進行的照光工 程，可以得到均勻而且高品質的結晶性半導體膜。藉此使 ( CNS ) Λ4^ ( 210X297.^ ) ^ ^ ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ^^1. 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 B7 五、發明説明（37) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 以薄膜電晶體爲代表的薄膜半導體裝置之電氣特性顯著提 升，同時使薄膜半導體裝置以低電壓動作，進而可以安定 製造這樣的薄膜半導體裝置之效果也被確認。 實施例 參照附圖，依照實施例說明本發明。 第1實施例 第11圖A〜D係顯示形成MOS型場效應電晶體的薄膜 半導體裝置之製造工程之剖面圖。在本第1實施例基板101 使用玻璃的軟化點溫度750°C之結晶化玻璃。不過即使是其 他的基板，只要耐得住薄膜半導體裝置製造工程中的最高 溫度，就可以不管其種類或大小。首先在基板101上堆積 成爲下底保護膜1 02之氧化矽膜。基板係陶瓷基板等對半 導體膜而言含有不希望存在的不純物的場合，在堆積氧化 矽膜之前，先堆積鉅膜或氮化矽膜等第1下底保護膜亦可 。在本實施例在基板101上以電漿化學氣相沈積法（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 PECVD)堆積200nm程度的氧化矽膜，作爲下底保護膜102 〇 氧化矽膜以ECR-PECVD法在以下的堆積條件下堆積。 單石夕院（SiH4)流量............60 seem 氧氣流量…..................100 seem 壓力...........................2.40 mTorr

微波（2.45GHz)輸出……2250W 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -40- 521434 A7 B7 五、發明説明（38 ) 施加磁場.....................875Gauss

基板溫度.....................100°C 成膜時間.....................40秒 此氧化膜在液溫25°C濃度1.67%之氟化氫水溶液之蝕 刻速度爲0.5 nm/s。 在如此形成的下底保護膜上，以高真空型LPCVD裝置 堆積50nm程度膜厚的真性非晶質矽膜是爲半導體膜形成工 程。高真空型LPCVD裝置爲熱壁型，容積有184.5L，基板 插入後的可堆積區域的總面積約44000cm2。成膜室之最大 排氣速度爲120 seem / mTorr。堆積溫度爲425°C，在半導 體膜堆積前以此溫度施以1小時1 5分鐘之基板的加熱乾燥 處理。乾燥熱處理中，在被設置基板的成膜室內導入純度 .99.9999%以上的氦氣（He)200(sccm)與純度99.9999%以上的 氫氣（HOlOO(sccm)，成膜室的壓力保持於2·5 mToir。乾燥 處理結束後，進行半導體膜堆積之前之成膜室背景真空度 ，在425°C之溫度平衡條件下爲2.5Χ1(Τ7Τοη。堆積非晶質 矽膜時對成膜室以200sccm的流量供給純度99.99%以上的 二矽烷（SnH6)，堆積壓力保持於大約l.lTorr。在此條件下 矽膜的堆積速度爲0.77nm/min (結束半導體膜形成工程） 〇 其次，對如此得到的非晶質半導體膜施以熱處理，使 非晶質膜在固相結晶化。熱處理係在大氣壓之氮氣99%與 氧氣1%之混合氣體氣氛下，以600°C進行24小時。半導 體膜藉由此熱處理由非晶質狀態改質爲多結晶狀態（結束 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -41 - 521434 A7 B7 五、發明説明（39 ) 固相結晶化工程）。 其次，作爲照光工程對以固相結晶化工程所得的固相 成長真性多結晶矽膜照射脈衝震盪的Nd:YAG雷射光的第二 高調波進行溶融結晶化。脈衝雷射光的時間半値寬約爲 60ns，震盪頻率爲200Hz。雷射光對寬度方向爲約略高斯型 ，被聚光於照射寬幅270 // m照射長度l〇mm之線狀。對寬 幅方向之能量密度梯度的最大値爲3.72 mJ · cnT2 ·// ηΓ1。 將此線狀之光於各次照射持續在寬度方向上偏移6.7 5 // m， 半導體膜上任意一點約被施以40次的雷射照射。雷射光的 照射能量密度爲700 m〗· cnT2。半導體膜表面之照射能量密 度的平均値變動爲約4%。在本實施例使用的YAG2o雷射 光具有僅使50nm的半導體膜的最表面溶融的能量密度1〇〇 mJ · cm'2程度，而使完全溶融的能量密度爲850 mJ · cm·2程 度，所以半導體膜約有80%溶融。圖案加工如此般獲得的 結晶性矽膜形成半導體膜島1 03。電晶體的源極汲極方向與 YAG20雷射光的掃瞄方向係約略平行的（照光工程結束） (第11圖A)。 其次，以包覆被圖案加工的半導體膜島103的方式以 ECR-PECVD法形成氧化矽膜1〇4。此氧化矽膜發揮半導體 裝置的閘極絕緣膜的功能。成爲閘極絕緣膜的氧化矽膜堆 積條件除了堆積時間減少爲24秒以外，與下底保護膜的氧 化矽膜的堆積條件相同。其中，在堆積氧化矽膜之前在 ECR-PECVD裝置內對基板照射氧氣電漿，在半導體表面形 成低溫電漿氧化膜。電漿氧化條件如下。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -42- 521434 A7 __-_ B7 五、發明説明（4〇 ) 氧氣流量.....................100 seem 壓力...........................1.85 mTorr

微波（2.45GHz)輸出……2000W 施加磁場.....................875Gauss 基板溫度.....................lOOt： 成膜時間.....................24秒 藉由電漿氧化在半導體表面形成大約3.5nm的氧化膜 。結束氧氣電漿照射後，維持真空的狀態下連續堆積氧化 膜。亦即成爲閘極絕緣膜的氧化砂膜由電漿氧化膜與氣相 堆積膜二者所構成，該膜厚爲119nm。如此進行而結束閘極 絕緣膜堆積（第1 1圖B )。 接著以濺鍍法形成金屬薄膜構成的閘極電極1 05。濺鍍 時基板溫度爲150t。在本實施例以具有750nm膜厚的α構 造之鉅作成閘極電極，此閘極電極之薄片電阻爲0.8 Ω /□ 。其次以閘極電極做爲遮罩打入成爲電子提供者或者電子 接受者之不純物離子106，對閘極電極自己整合地作成源極 /汲極區域107與通道形成區域108。在本實施例製作CMOS 半導體裝置。製作NMOS電晶體時，以鋁膜覆蓋PMOS電 晶體部之後選擇在氫氣中以5%的濃度稀釋之嶙（去山之肉 字旁嶙）（phosphin;PH3)爲不純物元素，以加速電壓80kV 使含有氫之所有離子以7X1015 criT3之濃度打入NMOS電晶 體之源極/汲極區域。相反地，在製作PMOS電晶體時，以 鋁膜覆蓋NMOS電晶體部之後選擇在氫氣中以5%的濃度稀 釋之二硼烷（b(Kane;B2H6 )爲不純物元素，以加速電壓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐) " (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -43- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A7 B7 五、發明説明（41 ) 80kV使含有氫之所有離子以5X1015 cm·3之濃度打入PMOS 電晶體之源極/汲極區域（第11圖C )。離子打入時的基板 溫度爲300°C。 其次以PECVD法以TE〇S ( Si-(〇-CH2CH3)4))與氧氣作 爲原料氣體，在基板溫度300°C堆積層間絕緣膜1〇9。層間 絕緣膜係由二氧化矽膜所構成，其膜厚大約500nm。堆積層 間絕緣膜後，兼具層間絕緣膜的燒結與被添加至源極/汲極 區域的不純物元素的活化，在氮氣氣氛下以3 0 0 °C施以4小 時的熱處理。最後，開孔出接觸孔，以濺鍍法在1 80°C基板 溫度下堆積鋁，作成配線11 0完成薄膜半導體裝置（第11 圖D ) 〇 測定如此作成的薄膜半導體裝置之傳達特性。測定的 半導體裝置的通道形成區域的長度及寬幅分別爲‘ 10 /z m， 測定在室溫下進行。一例顯示於第1 2圖。由NMOS電晶體 的Vds = 8V之飽和區域所求得的移動度（飽和移動度）爲 3 3 3 cm2 · V·1 · s·1，閾値爲 1.23V ，次閾値擺盪爲 0.206 V， 閾値電壓與平帶（flat band)電壓所求得的電子接受型捕獲電 位密度爲8.56X1015 cm·3，進而以Vds = Vgs = 4V所定義的打 開（ON)電流爲 2·96 X 10_5 A，另一方面，Vds = 4V，Vgs = 0V 之 關閉（OFF)電流爲2.19 X10·12 A，可得閘極只有4V的調變就 可以得到7位數以上的打開關閉比的優異N型薄膜半導體 裝置。同樣的PMOS電晶體之Vds = -8V之飽和移動度爲77 cm2 · V·1 · s·1，閾値爲-1.88V ，次閾値擺盪爲0.222V，閾 値電壓與平帶（flat band)電壓所求得的電子提供型捕獲電位 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-44- 521434 A7 B7 五、發明説明（42 ) 密度爲 1.56Xl016cm·3。 進而以Vds = Vgs = -4V所定義的打開（on)電流爲4.61 X ΙΟ·6 A，另一方面’ Vds = -4V，Vgs = 0V之關閉（OFF)電流爲 2· 10 X 1(Τ 12 A，可得閘極只有4V的調變就可以得到6.3位數 以上的打開關閉比的優異P型薄膜半導體裝置。這些半導 體裝置其特性在基板內幾乎沒有變動，高性能半導體裝置 被均勻地製造出。對此以從前技術堆積非晶質矽膜而以準 分子雷射使其結晶化之比較例中，NM0S電晶體的飽和移動 度爲33 cm2 · V·1 · s·1，閾値爲3.70V ，次閾値擺盪爲 0.646V，電子接受型捕獲電位密度爲2.65 X 1016 cm·3， PM〇S電晶體之飽和移動度爲16 cm2 · V·1 · s·1，閾値爲 -7.06V ，次閾値擺盪爲0.617V，電子提供型捕獲電位密度 爲6.55 XI 0i6 cm·3。如此例所示根據本發明的話可以簡便、 容易而且安定地以600°C程度以下的低溫工程作成N型與P 型之二半導體裝置均具有高移動度且低閾値電壓，且顯示 急峻的次閾値特性之極爲良好的半導體裝置。特別是由次 閾値擺盪値可知，具有禁止帶中央部附近的捕獲電位密度 ，或者說電子接受型以及電子提供型捕獲電位密度之捕獲 電位密度顯著降低的絕大效果，使用薄膜半導體裝置之電 路之低電壓驅動成爲可能。又，在從前技術如果移動度大 的話，閾値電壓或捕獲電位密度也變大，但根據本發明， 可以同時實現高移動度與低閾値電壓或低捕獲電位密度之 優異效果已被確認。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -45 - 521434 Α7 Β7 五、發明説明（43) 第2實施例 除了照光工程之脈衝震盪Nd:YAG雷射光之第二高調波 照射於半導體膜的工程以外，其他製造工程與第1實施例 完全相同而作成薄膜半導體裝置。在本實施例中改變被聚 光爲寬度270 //m長度10mm之線狀之YAG2o脈衝雷射光 於每次照射時在寬度方向上偏移的比例，與半導體膜上之 雷射光照射能量密度這兩點上與第1實施例不同。使線狀 的雷射光於每次照射時在寬度方向上偏移的比例選定10% 、5%、2.5%與1.67%等4個水準。對應於此半導體膜上之 任一點分別接受約10次、約20次、約40次、約60次之雷 射照射。半導體膜上之雷射光之照射能量密度由400 mj · cnT2變化至800 mJ · cnT2。比例於此，雷射能量密度梯度的 最大値也由 1.99 mJ · cm·2 · /z m·1 變化至 3.97 mJ · cm·2 · // ηΤ1。與第1實施例相同，對半導體膜表面之YAG2^光照 射能量密度之平均値之變動約爲4%，Esm爲lOOmJ · cm·2程 度 ’ Ecμ 爲 850mJ · cm 程度。 如此作成的薄膜半導體裝置的電氣特性顯示於第13〜 20圖。電氣特性係對通道形成區域的長度與寬度皆爲10 // m的電晶體，藉由Vds=±0.1V之線型電流來求得。亦即 顯示於本實施例之移動度係場效應移動度。又，其分別的 値代表在各條件所作成的4個電晶體的平均値。這些圖的 橫軸U軸）皆代表YAG20光的半導體膜表面之照射能量密 度，縱軸（y軸）代表對應的電氣特性。又，供參考顯示使 用不施以YAG2 ω雷射光照射的固相成長多結晶膜之電晶體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .¾¾. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -46- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 Μ Β7 五、發明説明（44) 的結果與〇 mJ · cm_2之位置。 第13、14圖顯示NMOS以及PMOS之次閾値擺盪。照 射能量密度超過600 · cm·2時，亦即半導體膜厚度方向 之體積成分的67 %程度以上溶融時，閾値下特性急速改善 ，NMOS與PMOS都顯示次閾値擺盪値在0.3V以下之優異 數値。絕緣膜厚即使厚至119nm也顯示優異數値的事實， 意味著所得到的結晶性半導體膜之能帶圖之禁止帶中央部 附近的捕獲電位密度（深捕獲電位密度）極少，證明在本 發明的照光工程有效率地降低錯合對之結晶缺陷。而且顯 示良好特性的能量密度範圍也擴增至800 m了 cm_2程度。照 射次數即使只有10次也可以確認出效果，而20次至60次 閾値下特性顯示特別優異的値。 第15、16圖顯示由閾値電壓與平帶電壓所決定的電子 接受型捕獲電位數與電子提供型捕獲電位數之YAG20雷射 能量密度依存性。第13或14圖都被確認相同的傾向，半 導體膜之厚度方向之體積成分的67%程度以上溶融的話， 兩捕獲電位數顯著降低。此情形意味著禁止帶中的接近傳 導帶的電子接受型捕獲電位密度（淺電子捕獲型捕獲電位 密度）或接近於價電子帶的電子提供型捕獲電位密度（淺 電子提供型捕獲電位密度）極少，證明在本發明的照光工 程有效率地降低層積缺陷或雙晶等結晶缺陷。同樣地在第 17及第18圖顯示由NMOS以及PMOS之線型電流所求得之 閾値電壓，在半導體膜之厚度方向之體積成分的67%程度 以上溶融的場合任一導電型的電晶體其閾値電壓皆爲2V程 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-47- 521434 A7 B7 五、發明説明（46) 圖。 第3圖係說明半導體膜厚與在膜中的光強度之關係圖 〇 第4圖A、B係說明本發明的原理之圖，其中圖A爲 根據從前技術之結晶化，圖B爲根據本發明之結晶化。 第5圖係說明本發明的範圍之波長與半導體膜厚之關 係圖。 第6圖係本發明之一例之能量密度與體積成分的關係 圖。 第7圖A、B係說明雷射光的照射狀態之圖，其中圖 A爲在半導體膜表面之照射形狀，圖b爲第7圖A之A -A ^之雷射光強度分佈。 第8圖A、B係說明本發明之雷射光的照射形狀之圖 ，其中圖A爲在半導體膜表面之照射形狀，圖b爲第8圖 A之A — A’之雷射光強度分佈。 第9圖A、B係說明本發明之雷射光的照射形狀之圖 ’其中圖A爲第8圖A之B - B’之高斯梯形雷射光強度 分佈，圖B爲第8圖A之B - B ’之高斯函數形雷射光強 度分佈。 第1 0圖係說明本發明之雷射光的照射形狀之圖，其 中圖A爲第8圖A之A — A ’之梯形雷射光強度分佈，圖 B爲第8圖A之B - 之富士山形雷射光強度分佈。 第1 1圖A〜D係說明本發明之製造工程之圖。 第1 2〜20圖係說明本發明的效果之圖。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） •裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 -49 - 521434 A7 B7 五、發明説明（47) 〔元件符號說明〕 1 0 1 :基板 102 :下底保護膜 103 :半導體膜島 104 :氧化矽膜 1 0 5 :閘極電極 106 :不純物離子 107 :源極/汲極區域 108 :通道形成區域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -50-

Claims (1)

1. 521434 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 第9 0 1 1 4 1 9 2號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國9 1年1 1月27日修正 1. 一種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於基 板上的矽（Si )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使用 的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含·· 在基板上堆·積以矽（Si )爲主體的非晶質半導體膜的 半導體膜形成工程，及 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 對該固相成長半導體膜照射脈衝雷射光而得結晶性半 導體膜之照光工程； 該脈衝雷射光的波長爲370nm程度以上710nm程度 以下。 2·如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置之製造方 法，其中 前述脈衝雷射光的波長爲4 5 0 n m程度以上6 5 0 n m程 度以下。 3.如申請專利範圍第2項之薄膜半導體裝置之製造方 法，其中 前述脈衝雷射光的波長約5 32nm。 4·如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置·之製造方 法，其中 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 、1·

   521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 前述脈衝雷射光係Q開關震盪的固體雷射的高_波 〇 5 ·如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置之製造方 法，其中 前述脈衝雷射光係以被摻雜Nd離子的結晶爲雷射媒 體之Q開關震盪的固體雷射的高調波。 6·如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置之製造方 法，其中 前述脈衝雷射光係Q開關震盪的Nd:YAG雷射光的第 2高調波。 7 ·如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置之製造方 法，其中 前述脈衝雷射光係Q開關震盪的Nd:YV〇4雷射光的 第2高調波。 8 ·如申請專利範圍第丨項之薄膜半導體裝置之製造方 法，其中 前述脈衝雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照.射 能量密度係使該固相成長半導體膜之至少表面溶融的強度 〇 9 ·如申請專利範圍第丨項之薄.膜半導體裝置之製造方 法，其中 前述脈衝雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照射 能量密度係使該固相成長半導體膜之厚度方向的三分之二 程度以上溶融的強度。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   521434 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 10·如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 前述脈衝雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照射 能量密度係使該固相成長半導體膜的一部份消失的強度以 下。 1 1 ·如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 前述脈衝.雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照射 能量密度係使該固相成長半導體膜在厚度方向上完全溶融 的強度以下。 12.—種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的矽（S i )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 在基板上堆積以矽（S i )爲主體的非晶質半導體膜的 半導體膜形成工程，及 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對該固相成長半導體膜照射波長約5 3 2nm的脈衝雷 射光而得結晶性半導體膜之照光工程； 該脈衝雷射光之在前述固相成.長半導體膜上之照射能 量密度係100 mJ · cm·2程度以上1500 mJ · cm·2程度以下 〇 1 3 · —種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的矽（S i )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 本&張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — ： 〜— 521434 A8 B8 C8 ___ D8 六、申請專利範圍 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 在基板上堆積以.矽（Si )爲主體的非晶質半導體膜的 半導體膜形成工程，及 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 對該固相成長半導體膜照射波長約5 3 2nm的脈衝雷 射光而得結晶性半導體膜之照光工程； 該脈衝雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照射能 量密度係6 0 0 m J · c m ·2程度以上1 5 0 0 m J · c m ·2程度以下 〇 14.一種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的矽（Si )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 在基板上堆積以矽（Si )爲主體的非晶質半導體膜的 半導體膜形成工程，及 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 對該固相成長半導體膜照射波長約5 3 2nm的脈衝雷 射光而得結晶性半導體膜之照光工程； 該脈衝雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照射能 量密度係1 0 0 m】· c Ilf2程度以上8 5 0 m 了 · c ηΤ2程度以下。 1 5 . —種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的矽（Si )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ] ' 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 在基板上堆積以矽（Si )爲主體的非晶質半導體膜的 半導體膜形成工程，.及 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 對該固相成長半導體膜照射波長約5 3 2 n m的脈衝雷 射光而得結晶性半、導體膜之照光工程； 該脈衝雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照射能 量密度係600 mJ · cm·2程度以上85 0 mJ · cm·2程度以下。 1 6.如申請專利範圍第1、1 2〜1 5項之任一項之薄膜 半導體裝置之製造方法，其中 前述固相結晶化工程係將前述基板插入熱處理爐，以 約略熱平衡狀態進行。 1 7.如申請專利範圍第1 6項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 前述熱處理係在400°C程度以上70(TC程度以下之處 理溫度進行的。 1 8 .如申請專利範圍第1、1 2〜1 5項之任一項之薄膜 半導體裝置之製造方法，其中 前述固相結晶化工程係以急速熱處理裝置進行。 19·一種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的砂（Si )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 在基板上堆f貝以矽（S1 )爲主體的非晶質半導體膜的 半導體膜形成工程，及 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   -5- 521434 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶.化工程，及 對該固相成長半導體膜照射脈衝雷射光而得結晶性半 導體膜之照光工程； 該脈衝雷射光係非晶質矽之吸收係數較多晶矽之吸收 係數還大。 20.如申請專利範圍第19項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 前述脈衝雷射光之在前述固相成長半導體膜上之照射 區域係寬度W ( // m )，長度L ( mm )之約略長方形。 2 1.如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 在前述照射區域，前述長度方向之前述脈衝雷射光的 照射能量密度係約略梯型分佈。 22.如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 在前述照射區域，前述寬度方向之前述脈衝雷射光的 照射能量密度係約略梯型分佈。 23·如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 . 前述長度L對前述寬度W之比（L/W)係1〇〇以上。 24 ·如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 · 前述長度L對前述寬度W之比（L/W )係1〇〇〇以上 本^張尺度適用中國國家標準（€奶）八4規格（210\297公釐） ~ ： — -6 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝. 、1T 線 521434 A8 B8 C8 ___ D8 六、申請專利範圍 〇 25.如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 前述脈衝雷射光的前述寬度方向之照射能量密度的最 大梯度値係3 m J · c m ·2 · // m ·1以上。 26·如申請專利範圍第.20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 前述脈衝雷射光之前述寬度方向之照射能量密度梯度 的最大値出現的位置，與該脈衝雷射光之該寬度方向之照 射能量密度的最大値出現的位置係約略一致。 27 ·如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 則述寬度W係1 // m程度以上6 μ m程度以下。 28·如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 使前述照射區域於各次照射在寬度方向錯開。 29. 如申請專利範圍第20項之薄膜半導體裝置之製造 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 方法，其中 ^ 前述寬度方向與薄膜半導體裝置之主動層內的電流方 向約略平行。 30. 如申請專利範圍第19項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 前述半導體膜上之任意一點接受10次程度·以上80次 程度以下的脈衝雷射光照射。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格( 210X297公釐） ： -- 521434 A8 B8 C8 __ D8 六、申請專利範圍 3 1. —種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的矽（Si )爲.主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 在基板上形成以矽（Si )爲主體的非晶質半導體膜成 爲膜厚d (n m)之半導體膜形成工程，及 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 對5亥固相成長半導體膜照射在多晶砂中的吸收係數 //PSi爲lO^m·1以上lO^m·1以下的脈衝雷射光之照光工 程； 該膜厚d與該吸收係數滿足 0.105· β psi'1 < d < 0.693 · // PSi·丨 之關係式。 32.—種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的矽（S i )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 在基板上形成以矽（S i )爲主體的非晶質半導體膜成 爲膜厚d (n m)之半導體膜形成工程，及 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 ’ 對該固相成長半導體膜照射在多晶砂中的吸收係數 // pSi爲以上lCrSm·1以下的脈衝雷射光之照光工 程； . 該膜厚d與該吸收係數滿足 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) ' ： -8 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝- 、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 521434 A8 B8 C8 ____ D8 六、申請專利範圍 0.405 · // psi'1 < d < 0.693 · β ps·,'1 之關係式。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 33·如申請專利範圍第3i項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 前述基板係透明的。 34·—種薄膜半導體裝置之製造方法，係以被形成於 基板上的砂（Si )爲主體之結晶性半導體膜作爲主動層使 用的薄膜半導體裝置之製造方法，其特徵爲包含： 在基板上形成以矽（Si )爲主體的非晶質半導體膜成 爲25nm程度以上165nm程度以下的厚度之半導體膜形成 工程，及 使該非晶質半導體膜以固相狀態結晶化而得固相成長 半導體膜之固相結晶化工程，及 對該固相成長半導體膜照射Nd:YAG雷射光的第2高 調波之照光工程。 35. 如申請專利範圍第34項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中 . 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 前述半導體膜的厚度在25nm程度以上95nm程度以 下。 36. 如申請專利範圍第1項之薄膜半導體裝置之製造 方法，其中： 在上述之固相結晶化工程中，該非晶質半導體膜係結 晶化成爲固相’以得到一固相結晶膜’該結晶膜包含〜結 晶成份及一非結晶成份；及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） " ~ ' 521434 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 在該非結晶成份中之雷射束的波長範圍之吸收係數係 大於在該結晶成份中.之吸收係數。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -10- 521434 741213 第90114192號專利申請案 中文圖式修正頁 9 γ 2、曰修正 第1圖A 内部缺陷

   第1圖B 溶融

   殘留固相成長多結晶膜 第1圖C 粒界 無内部缺陷之結晶粒 521434 m 補充, 第4圖 a-l)完全溶融狀態 XeCl準分子雷射光照射 a-2)冷卻固化後 低溫 高溫

   大的溫度梯度 /〆 結晶粒界

   半導體膜由微細的結晶粒所構成的p-Si膜 第4圖B b-2)雷射照射後 b-Ι)雷射照射中 YAG2W雷射照射 尚溫 y A 低溫 V 高溫 '溫度梯度 ^ 低溫 完全溶融部 照射區域端部

   由在橫方向成長產生的大 結晶粒所構成的ρ-Si膜 521434 ................ 抓▲»»·** 一 νχ·:-*,· H-一十 τ-··Β^Γ“· __· 9ί· !?·27餐 ϋ 年月 日α _ 補㈤ 第7圖A

   第7圖B 雷射光照射能量密度

   半徑方向（mm) 521434

   第8圖A 照射區域的掃瞄方向

   第8圖B 雷射光照射能量密度（mjor^

   長度方向（™) 521434 第9圖A 雷射光照射能量密度（mjcnf2)

   寬幅方向（"m) 第9圖B 雷射光照射能量密度（m JcrifO

   寬幅方向（m) .........Γ ——……— 91. Η.27#^ a-l· 年月 曰* > α—Ι 補充I

   521434 2 補 第10圖A 雷射光照射能量密度(mjcnf2) B 中央平坦區域 寬幅方向之照射能量 密度的梯度 (最大能量密度)

   (最大能量密度梯度） -13,

   Λ 〇 \ 寬幅方向（μ m) 第10圖B 雷射光照射能量密度 B 中央平坦區域 (最大能量密度）

   ^最大能量密度梯度 y 寬幅方向之照射能量密度的梯度

   -1 〇 1 宽幅方向（μ 01)