TW565942B - A thin film semiconductor device having a gate electrode insulator formed through high-heat oxidization - Google Patents
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Description
565942 A7 ______B7____ 五、發明說明(I) 發明之技術領域 本發明係關於一種薄膜半導體元件及用在半導體元件 中的半導體基板,以及用來製造其的方法。 先前技術 眾所周知,薄膜半導體元件或薄膜電晶體(TFT)包含了 一基板,其中,諸如矽的半導體材料之薄膜層係被製作在 如非鹼性玻璃或石英玻璃的絕緣材質之基礎層上。在半導 體的薄膜層中,包含源極區域與汲極區域的複數個通道被 製作,且每個通道具有閘極,以絕緣薄膜與前面的區域隔 開。 在上述的薄膜半導體元件中,在閘極與通道區域之間 的閘極絕緣體通常是以氧化矽薄膜製成。然而,此薄膜必 須在低溫中形成。因此,在製作上述的氧化矽薄膜時’ LSI 製程中所使用900°C以上的高溫氧化矽薄膜製作技術無法 加以使用,取而代之的是使用利用電漿CVD方法,能在溫 度低於600°C中完成的低溫沈積製程。 然而,以電漿CVD方法所沈積的氧化薄膜比起高溫氧 化薄膜,係具有絕緣特性或穩定上的缺點。也就是說,當 使用電漿CVD方法時,一些雜質會留在通道區域與閘極絕 緣薄膜之間,此外,所得到的矽氧化薄膜傾向於不是由穩 定化學計量比的”Si〇2”構成,而是由像”Si〇19”之不穩定化 合物所構成。當使用具有上述缺點的氧化薄膜作爲TFT的 閘極絕緣體時,TFT電路不僅傾向於具有各種不同的臨限 値,且難以維持長期穩定的TFT特性。例如’在傳統的產 ____3____ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 嫌
tT |線· 565942 A7 ___B7_ 五、發明說明〇) 品中,臨限値的變化通常爲±0.4V,且此變化經長時間的 使用會變大。 再者,於使用多晶矽的傳統薄膜半導體元件之中,因 小尺寸的晶粒與晶粒的不規則結構模式,會不可避免地產 生損害。也就是說,當多晶砂薄膜由爲數眾多的極小尺寸 晶粒所構成時,元件在工作時會因爲電子或電洞在晶粒邊 界間的散射現象,使移動率的提昇受到限制。 所以,係已經有人嘗試獲得具有薄膜層的基板,以加 大多晶矽的尺寸之方式,藉由避免電子散射之不利因素來 提高移動率。例如,嘗試藉由在高溫爐管中對多晶矽層作 退火處理,以得到具有約1 um尺寸的半導體晶粒與具有約 100 cm2/V · sec之移動率的薄膜層。然而,當此製程需要以 超過1000°C的極高溫作退火處理時,上述的製程具有廉價 的玻璃板,如鈉玻璃板無法使用,而必須使用能夠承受高 溫之昂貴的石英玻璃板之缺點。使用昂貴材質的基板,就 成本的觀點,不適於製作大尺寸顯示元件。 一些其他的嘗試方式被提出,以便獲得包含大尺寸晶 粒之多晶半導體的薄層,例如以激勵雷射之能量束照射非 晶或多晶半導體薄膜之方法,取代利用高溫退火。藉由此 方法,能夠在使用廉價的玻璃基板作爲基礎層的情況下, 增大晶粒的尺寸。 然而,即使使用激勵雷射照射之方法,得到的晶粒仍 無法超過1 um,且無可避免地晶粒的尺寸會變得不一致。 順帶一提,晶粒尺寸可以藉由“(晶粒最大直徑+晶粒最小 ____4_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -嫌 -線- 565942 A7 ___B7_____ 五、發明說明(1 ) 直徑)+ 2”而被決定,且這樣的直徑可藉由乾蝕刻製程在蝕 刻薄膜後,透過SEM對所留下的晶粒加以量測。 再者,在薄膜中的晶粒結構存在一個問題。那就是在 傳統的多晶半導體薄膜中,在二維方向上的晶粒結構極不 規則,且從未嘗試加以調整這樣的不規則結構。晶粒的不 規則結構與晶粒尺寸的不一致性’造成薄膜電晶體所用的 之元件上的難題。也就是說,移動率會依據越過晶粒邊界 的頻率而變動,且難以整合複數個具有不同通道長度的 TFT電路。 因此,許多市場上使用多晶半導體薄膜的TFT被設計 爲使得一個電路擴展成爲含有如圖7所述之數種晶粒邊界 ,以便降低移動率的變動。在如此之元件中,平均移動率 不會超過 150 cm2/V · sec。 發明內容 本發明之一個目的係在於提供薄膜半導體元件及其所 使用的基板,其中,半導體薄膜與閘極絕緣薄膜之間的化 學結合於整個界面係連續的,且於閘極絕緣薄膜中之化合 物係具有Si02化學計量比。如前所述的這種元件能夠避免 傳統TFT的缺點一其以CVD方法製造並有因氧化薄膜特性 所產生的缺點。再者,其能夠大幅降低臨限値的變動並長 時間維持穩定工作。 本發明之另一目的在於提供薄膜半導體元件及其基板 ,其中,除了上述的特性之外,電路模組並非排列在各種 尺寸與非排序過之結構的諸多晶粒上,而是排列成具有對 ____5_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂: •線· 565942 A7 ____B7 _ 五、發明說明) 應晶粒排列的結構。 本發明進一步之目的在於提供適於製作具有上述性質 與特性的薄膜半導體元件與其所使用的基板。 本發明的發明者發現一種薄膜半導體元件,當半導體 薄膜在厚度方向上的部份區域以能量束照射轉變爲氧化膜 後,當作元件的閘極絕緣物使用’具有極佳的上述特性且 操作臨限値變化極小,能夠長時間穩定地工作。同時’發 明者發現薄膜半導體元件具有一種構造,當製造上述基板 使得單晶半導體晶粒以幾何排列模式作規則排列時,每個 單元電路依據晶粒的排列而排列。 用於本發明之薄膜半導體元件的基板具有之一個特徵 爲,該基板包含具有一層由非單晶半導體層結晶或再結晶 構成的半導體晶粒之薄膜半導體,以及一層由非單晶半導 體層氧化構成的氧化膜。上述的半導體晶粒層具有單晶半 導體晶粒規則排列之結構。 本發明之薄膜半導體元件具有之一個特徵爲,該元件 係包含具有二層的半導體薄膜,即半導體晶粒層與非單晶 半導體層氧化構成的氧化膜層,且上述的氧化膜層被當作 閘極絕緣物使用。上述的半導體晶粒層最好具有規則排列 的單晶半導體晶粒之成份。 用來製作薄膜半導體元件基板之方法具有之一個特徵 爲’包含下列步驟:(a)沈積非單晶半導體層在絕緣物質基礎 層上,(b)藉由植入氧離子至層中,在非單晶半導體層中製 作氧植入區域,(c)以能量束照射該層,藉以改變非單晶半 ----------t___ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -II — ip · ti· ;線- A7 565942 B7 —_ ----- 一^ 五、發明說明(f ) 導體層,使得氧植入區域被轉變成絕緣氧化膜且其他區域 被轉變成半導體晶粒膜。最好使能量束照射之實現在照射 強度最大之區域與照射強度最小之區域以規則的模式排列 ,且在上述二區域之間的照射強度過渡區爲連續的。 用來製作薄膜半導體元件之方法具有之一個特徵爲, 包含步驟:(a)沈積非單晶半導體層在絕緣物質基礎層上, (b)藉由植入氧離子至該層中,在非單晶半導體層中製作氧 植入區域,⑹以能量束照射該層,藉以改變非單晶半導體 層,使得氧植入區域被轉變成絕緣氧化膜且其他區域被轉 變成半導體晶粒膜,(d)使用絕緣氧化膜當作閘極絕緣物來 製作閘極,(e)在半導體晶粒層中製作源極與汲極以完成電 路單元。最好使能量束照射之實現在照射強度最大之區域 與照射強度最小之區域以規則的模式排列,且在上述二區 域之間的照射強度過渡區爲連續的。 實施方式 在本發明的薄膜半導體元件中,最好使用張力點不超 過700°C的玻璃基板作爲基板基礎層之材料。但也可以使 用玻璃以外之各種絕緣材質,例如具有適當熱阻的陶瓷或 塑膠膜。 在上述的基礎層一單晶半導體膜上,製作了位在單晶 膜頂部或單晶膜厚度方向的中間位置之氧化絕緣膜。上述 的半導體薄膜之製作,可藉由佈植氧離子進入沈積在基礎 層上的非單晶半導體膜,隨後以例如激勵雷射之能量束照 射,藉以改變上述的非單晶半導體膜成爲氧化膜與大尺寸 ___7__ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 嫌 · -線· 565942 A7 _B7__ 五、發明說明(iL) 單晶粒層所組合之半導體膜。上述的非單晶半導體可使用 由小尺寸晶粒構成的非晶半導體及多晶半導體。使用後者 時,多晶半導體藉由氧離子植入與再結晶改變成本發明之 半導體膜。非晶半導體膜的厚度最好介於30至300 nm ’ 特別是30至200疆。 通常,當上述的非單晶特性半導體層被製作在基礎層 上時,由氧化矽或氮化矽(SiNx)材質構成,用來調整熱導 性與結晶性的薄控制層,被製作在基礎層與半導體層之間 。此層之功能爲隔離如玻璃成份之雜質,從基礎層擴散至 半導體層,以及藉由控制結晶方向,達到半導體層中的熱 分佈均勻度。該厚度期望介於20至1000 nm,特別是200 至 300 nm 0 通常也會在上述非單晶半導體層(第1控制層)上製作 第2控制層,用來進一步熱導性與結晶性。此第2控制層 具有與第1控制層相同的功能,即藉由照射,在結晶製程 中使半導體層達到熱分佈均勻度,並控制結晶方向。例如 氧化矽、氮化矽、氮氧化矽或碳化矽(SiC)等材質可被加以 使用。該層的厚度期望介於50至500 nm,特別是100至 300 nm。 當上述的2種控制層製作後,薄膜半導體層被製作在 2控制層之間。在此情形中,首先,第1控制層的材質被 沈積當作絕緣材質基礎層上的薄膜,隨後,非單晶半導體 薄膜材貪被沈積在弟1控制層上’且進一^步,第2控制層 的材負被沈積上述的半導體層上。之後,從上方進行能量 8 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) t· 訂· 線. 565942 A7 ___ Β7__ 五、發明說明(y ) 束照射,使非單晶材質結晶或再結晶。 圖1(a)至圖1(e)顯示從基礎層上的沈積至完成本發明 之薄膜半導體元件的每一步驟之實施例。在此實施例中, 氧離子被植入非單晶半導體層的上方表面。 最初,如圖1(a)所示,用於熱傳導與結晶的第1控制 層20被沈積在玻璃基礎層1〇上,且進一步,非單晶半導 體層被沈積在其上。其次,如圖1(b)所示,氧離子被植入 預定區域以構成氧植入區域33。接著,如圖1(c)所示’上 述的預定區域以能量束照射構成氧化層40,其藉由能量束 透過氧植入區域的高熱氧化來製作,並構成單晶半導體晶 粒層50,其透過非單晶層30之單晶化來製作。未受能量 束照射的區域維持非單晶區域30。附帶說明,圖1(c)與(d) 顯示僅一區域之單晶粒層的剖面圖。理所當然地’本發明 的基板具有複數個如此之氧化區域與單晶粒區域。 其次,如圖1(d)所示,閘極60藉由使用層30做爲閘 極絕緣物,以能量束照射的方式製作在氧化層上’且隨後 ,源極區域70與汲極區域71使用閘極60當作遮罩’藉由 植入電極製作物質,如磷離子,至單晶半導體層5〇來製作 。隨後,如圖1⑹所示,絕緣材質,如氧化矽之絕緣膜80 被加以沈積,以圍繞閘極60之上方與側面。接著’依據源 極區域70與汲極區域71所在位置’在絕緣膜80中製作接 觸孔後,源極81與汲極82藉由沈積電極製作物質’例如 鋁,而加以製作’藉以完成製作薄膜半導體元件的工作。 圖2(a)至圖2⑹爲顯示本發明之一實施例的圖案,其 9 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝 線· 565942 A7 ___B7 _ 五、發明說明(f ) 中,氧離子被植入非單晶半導體層的中間層部份。 在此實施例中,步驟⑻中用於熱傳導的第1控制層與 非單晶半導體層之沈積,實行的方法與圖1的實施例相同 。然而,氧離子是植入非單晶半導體層的中間層部份,且 因此,氧植入區域33是製作在非單晶半導體層厚度方向上 的中間區域內。在氧植入層33製作後,在步驟(c)中,層 33被轉變爲氧化膜層,且位在氧植入區域上方與下方的非 單晶半導體區域被轉變爲單晶半導體層。接著,如圖2(d) 所示,上方單晶層的預定區域藉由圖案化製程製作成閘極 。步驟(e)中的製程運作與圖1的實施例相同。 氧離子的數量(劑量)與其植入深度(Rap)可依據氧化絕 緣層的厚度或位置而決定。用於能量束照射的方法並未限 於使用激勵雷射。例如,連續發射的氬雷射可以脈波或掃 描來使用。 爲了得到單晶半導體晶粒在能量束照射後呈規則對準 模式排列的薄膜半導體層’照射應以一種能量強度分佈模 式實現,其照射能量強度在二維方向上每一預定間隔,在 最大値與最小値之間作連續性變化,且最大點與最小點以 規則的順序一個接著一個出現。換言之’照射應被實現使 得提供最大照射強度的照射點與提供最小照射強度的照射 點以規則的結構排列’例如矩陣陣列結構模式° 舉例而言,如圖3與圖4所示,照射是以一種強度分 佈模式來實現,其照射能量以每10 um區間’在5 X 5 mm 矩形區域內以”最大値(Emax)最小値(Emin)—最大値 10 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 -線· 565942 A7 ____ B7__ 五、發明說明) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (Emax)”做二維(在X、y二方向)重複變化。爲了照射基板的 整個必要表面,照射區域(例如上述的5 X 5 mm矩形區域) 在X方向或y方向上,以預定的間距作週期性平移。 上述的照射能量強度改變可藉由使用相轉移光罩改變 照射能量強度分佈而實現。且期望在最大値與最小値之間 的改變,是如圖4所示的連續變化。 最大値與最小値的程度可依據非單晶半導體層的薄膜 厚度,以及第1與第2控制層的熱傳導性決定。例如,最 小能量強度可定爲在照射期間產生不使薄膜半導體熔融的 溫度之強度。且最大値可定爲在照射期間,產生使薄膜半 導體熔融的必要與足夠溫度之強度。熔融臨限(Emth)應在 最大値(Emax)與最小値(Emin)之間,如圖4所示。 當然,照射束的表面形狀並未限於如前所述的5 X 5 mm矩形,且可爲各種多邊形。再者,最大値點與最小値 點的排列模式並未限於矩形點陣模式,且可爲各種形狀模 式,例如三角形點陣模式。 藉由以上述方式實現半導體膜的能量束照射,半導體 層在最小照射能量區域(即所提供的照射能量小於臨限値的 區域)不會完全熔融,且半導體的微細晶粒首先在靠近臨限 値區域的區域上產生。部份的微細晶粒作爲結晶核心,且 結晶是由這些核心點向提供最大照射能量的區域進行(圖5 中的箭號方向)。在靠近提供臨限能量的區域中,在形成微 細晶粒的同時,2個氧原子與1個矽原子作化學鍵結,開 始形成Si〇2層。此層的成長也與熔融矽的結晶水平地進行 _ 11_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 565942 A7 ____Β7__ 五、發明說明(f 〇 ) Ο 在另一側上一最大照射能量所提供最高半導體薄膜溫 度的區域,或水平結晶成長進行的區域,複數個具有不同 或交叉結晶成長方向的晶體彼此碰撞,且其接觸區域構成 微細晶體區域或晶體邊界。所以,當具有如圖3與圖4所 7Κ之能量強度分佈的能量束照射時,可得到薄膜半導體元 件基板,其具有大於4 um尺寸的單晶粒並以絕緣膜表面覆 蓋,呈規則模式排列。當然,最大尺寸可藉由調整最大照 射能量點之間的間隔而加以調整。再者,藉由改變植入氧 離子量或藉由改變植入位置,氧化層的厚度及位置(例如, 表面區域或內部區域)可被改變。 隨後,藉由上述製程所獲得的薄膜半導體基板中的每 一單晶粒上,如鉬鎢合金的電極材料以適當的厚度(例如 300 nm)沈積,藉以製作閘極。隨後,在利用閘極當作植入 遮罩分別製作源極區域與汲極區域後,以例如氧化砂的絕 緣材料覆蓋閘極之絕緣中間層被加以製作。在上述的源極 區域與汲極區域位置上,藉由貫穿第2控制層製作接觸孔 後,如鋁/鉬之電極材料在接觸孔中沈積並圖案化。 所以,如ή 6的⑷與(b)所示,可得到一薄膜半導體元 件,其中,在每一單晶粒中規則地排列了一單元電路。此 種薄膜半導體元件具有高移動率(例如,大於300 cm2/V · sec),超越使用包含多晶半導體薄膜之基板的傳統元件移 動率。 當以植入氧離子至非單晶半導體層製作而成,並藉由 12 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --裝 tST. 線· 565942 A7 _____B7 _ 五、發明說明(ll) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) @胃束照射之高熱氧化之氧化膜被用作爲閘極絕緣物時, 比起傳統元件,薄膜半導體元件的臨限電壓値(vth)變化可 大幅降低。同時,與閘極絕緣物污染或通道邊界有關的臨 限値穩定度,可大幅改善至經過1〇,〇〇〇小時工作後,Vth 的漂移量低於0.05V之程度。 主要的理由在於氧化絕緣膜因其包含熔融步驟的高熱 製程’具有與熱氧化矽膜相同的連續與細緻特性。例如, 此氧化膜具有與熱氧化矽膜在漏電流量測或C-V量測所得 的平坦帶電壓値,或偏壓溫度壓迫量測(BTS)所得的臨限値 漂移量上相同之特性。再者,此氧化膜層並未破壞其薄膜 特性,能完全保護單晶矽層且不會造成崩潰。 i線· 如有需要,可以省略在某些預定的單晶粒上設置電極 ,或在一單晶粒上設置複數個電路。雖然先前陳述用來設 置電路的可能製程與N通道型式的薄膜電晶體製程一致, 但也可藉由使用部份遮蔽方式連續植入雜質,而改變成 CMOS電晶體製程。更有甚者,也可直接使用第2控制層 當作堆疊閘極絕緣物,或者僅使用絕緣氧化膜在蝕刻處理 後當作閘極絕緣層。如果理解漏電流可在鄰接電晶體之間 發生,可在結晶之前或之後藉由蝕刻製作島隔離。 範例 在 Corning Glass Works 所製造外部尺寸 400 X 500 mm ,厚度0.7 mm且張力點650°C的非鹼性玻璃板表面上,藉 由電漿CVD方法沈積了一層厚度200 nm的氧化矽(Si〇〇, 當作用於熱傳導或結晶的第1控制層。而後,一層厚度60 13 張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 565942 A7 ____ 五、發明說明((1) — l· ——^--------裝· II (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) nm的非晶矽(a-Si:H)在不曝露於大氣的情況下加以沈積。 接著,此非晶半導體層被退火,且在其去氫後,此層的表 面區域藉由氧離子植入後形成氧植入區域。氧離子的植入 以3 keV加速電壓及1.5E17/cm2的劑量加以實現。在這些 條件下,最大氧密度的位置符合離子投射範圍約在10 nm 的深度,且氧的最大密度爲lE23/cm3。 如前所述,氧的植入量(劑量)或氧的植入深度(Rp)由絕 緣氧化層的厚度與其製作的位置來決定。在本例中,先前 的植入條件是以在單晶半導體層表面上製作厚度約30 nm 的絕緣氧化層之觀點來決定。 線. 隨後,脈波雷射束照射至基板上側,藉以使非晶矽層 結晶且氧植入層轉變爲氧化層。照射是以具有5 mm X 5 mm矩形照射面的單元雷射模式來實現,其中,250,000個 最大強度點與最小強度點藉由使用分散照射強度的相轉移 光罩,排列在10 um的矩形點陣區間內。在此實施例中, 熔融臨限値(Emth)約爲0.6】/cm2,雷射束的最大能量強度 (Emax)爲 1.9 J/cm2 且最小強度値(Emin)爲 0.1 J/cm2。 藉由照射製程,60 nm厚的非晶矽層被轉換成包含約 50 nm厚的結晶砂層與約30 nm厚的氧化層。所植入劑量 1.5E17/cm2的氧離子與矽原子反應成爲20 nm厚的矽層,並 構成約30 nm厚的氧化矽層。 上述模式的激勵雷射照射藉由5 mm的間距逐步移動 照射面,在基板的整個表面上實現。在完成照射後作乾蝕 刻處理。由掃瞄式電子顯微鏡所得到的結果,發現在薄膜 — ___14_ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21.0 X 297公釐〉 565942 ΚΙ _____Β7___ 五、發明說明(1)) 半導體元件的基板中,一百萬個平均尺寸4.5 um的單晶粒 在每個5 mm X 5 mm的矩形區域中,規則地排列成點陣形 式。 接者’鉬/鎢合金層藉由濺鍍製程加以沈積,且藉由調 整其位置符合每個單晶粒之位置,將此層圖案化成預定形 狀以製成電極。隨後,藉由使用閘極作爲遮罩植入磷離子 ,製成源極與汲極。接著,矽氧化層藉由電漿CVD製程沈 積以製成絕緣物。在依據源極區域與汲極區域位置的絕緣 物中貫穿接觸孔後,鋁層被沈積並圖案化,藉以完成薄膜 電晶體(TFT)。此元件作N通道操作,臨限電壓(Vth)爲1.2 V且移動率爲496 cm2/V · sec。當薄膜電晶體被製作在尺寸 4⑻mm X 500 mm的薄膜半導體基板上時,其臨限値爲 1.2V ±0·08 V 且移動率爲 496 ±56 cm2/V · sec。在 10,000 秒的BTS測定中,偏移値僅0.05 V。 以下爲另一個範例,其中,絕緣氧化膜層嵌於單晶矽 晶粒膜中, 在 Corning Glass Works 所製造尺寸 400 X 500 mm,厚 度0.7 mm,張力點650°C的非鹼性玻璃基礎層表面上,藉 由電漿CVD方法製作了一層厚度200 nm的氧化矽(SiOO膜 ,當作用於熱傳導與結晶的第1控制層。而後,一層厚度 110 nm的非晶矽(a-Si:H)層在不曝露於大氣的情況下加以製 作。 此非晶矽層被退火與去氫處理。隨後,氧離子被植入 位置方向上的中間區域,以製作氧植入區域。氧離子植入 __ 15 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) --- - I — — — — — — — — ·1111111 ^ ·11111111 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 565942 A7 ____ B7__ 五、發明說明([^) \ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 以20 keV的加速電壓與1.5E17/cm2的劑量加以實現。在此 條件下,3E22/cm3的最大氧密度點依據氧離子的投射範圍 ,位在約50 nm之深度。上述的植入區域條件是爲了在約 60 nm之深度(中心深度),從單晶粒層表面製作約30 nm厚 的絕緣氧化層之目的而決定。 ;線- 隨後,脈波雷射束從上方加以照射,藉以使非晶矽層 結晶且氧植入區域轉變爲氧化區域。雷射照射是藉由使用 相轉移光罩作照射強度分散來實現,使得總數250,000個 最大強度點與最小強度點在5 mm X 5 mm的單元照射面中 ,以10 urn的間距排列成矩形點陣形式。在此例中,熔融 臨限値(Eth)約爲0.8 J/cm2,最大能量強度値(Emax)爲2.3 J/cm2且最小強度値爲0.1 J/cm2。藉由上述的照射,11〇 nm 厚的非晶矽層被改變成3層,即上方區域45 nm厚的第2 單晶矽晶粒層、中間區域約30 nm的氧化矽層,以及底部 區域約50 nm的第1單晶粒層。 接著,第2單晶矽層55藉由圖案化製成閘極,且源極 與汲極藉由使用閘極作爲遮罩,植入磷離子加以製作。而 後,氧化矽層以電漿CVD法沈積成爲絕緣物,且接觸孔在 上述的源極與汲極區域位置製作於絕緣物中。薄膜電晶體 (TFT)藉由沈積鋁並圖案化而完成。此元件具有N通道作用 ,臨限値(Vth)爲1.0 V,且移動率爲475 cm2/V · sec。 這20個薄膜電晶體(每一個都製作在400 mm X 500 mm 的薄膜半導體基礎層上)的臨限値爲1.0V ±0·08 V,且移 動率爲475 ±50 cm2/V · sec。此外,在1〇,〇〇〇秒的BTS測 16 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)~" 565942 A7 _ /_B7______ 五、發明說明(^) 定中’ Vth偏移量僅〇.〇5 V。 在上述範例中,氧化層是藉由植入氧離子來製作。然 而,此層可藉由進一步導入其他離子,如氮離子,來製作 〇 圖式簡單說明 圖1爲顯示根據本發明之用來製作薄膜半導體元件之 一製程實施例的步驟之圖案。 圖2爲顯示根據本發明之用來製作薄膜半導體元件之 另一製程實施例的步驟之圖案。 圖3爲描述根據本發明製程的照射步驟,在二維方向 上的能量束強度分佈之一實施例的圖案。 圖4爲描繪根據本發明製程中,能量束強度在最大値 與最小値之間變化之曲線,延著圖3中的箭號顯示的剖面 圖案。 圖5爲描繪根據本發明製程中,能量束照射時與之後 的單晶粒排列狀態與成長方向之圖案。 圖6爲描繪本發明的薄膜半導體元件中,電極與晶粒 位置關係實施例之圖案。 圖7爲圖3與圖4中所述之以三維模型所繪之最大強 度照點與最小強度照點結構之圖案。 元件符號說明 --K----:----I------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) :線· 10 基礎層 20 第1控制層 30 非單晶層 ______ 17 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(21〇 X 297公爱) 565942 A7 __B7 五、發明說明(t) 33 氧植入區域 40 氧化層 50 單晶半導體層 55 第2單晶矽層 60 閘極 70 源極區域 71 汲極區域 80 絕緣膜 81 源極 82 汲極 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
Claims (1)
- 565942 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 1. 一種用於薄膜半導體元件的基板,其係包含:一絕緣 物質之基礎層及一製作在基礎層上的薄膜半導體層,該薄 膜半導體層包含一非單晶半導體層,其係藉由結晶或再結 晶而製成的結晶半導體晶粒層,以及一藉由非單晶半導體 層氧化製成的氧化層。 2. 如申請專利範圍第1項之基板,其中,複數個單晶 粒以規則模式排列在結晶半導體層中。 3. 如申請專利範圍第1或2項之基板,其中,該以非 單晶半導體層氧化而成的薄氧化層被製成薄膜半導體層的 上層。 4. 如申請專利範圍第1或2項之基板,其中,該以非 單晶半導體層氧化而成的薄氧化層被製成薄膜半導體層的 中間層。 5. 如申請專利範圍第1或2項之基板,其中,該單晶 半導體的晶粒尺寸至少爲2 um。 6. 如申請專利範圍第1或2項之基板,其中,用於熱 傳導或結晶的一個控制層被製作於絕緣材質的基礎餍與薄 膜半導體層之間。 7. —種薄膜半導體元件,其係包含:一個絕緣物質之基 礎層及一個製作在基礎層上的薄膜半導體層,該薄膜半導 體層包含:一個藉由非單晶半導體層結晶或再結晶製成的 半導體晶粒層,及一個藉由非單晶半導體層氧化製成的氧 化層,且該薄氧化層區域係構成閘極絕緣物。 8. 如申請專利範圍第7項之薄膜半導體元件,其中, ______1_____ 長尺中國國家標準(CNS)A4規格(210 x 297公^ ' 565942 as B8 C8 D8 六、申請專利範圍 半導體晶粒係以規則模式排列在單晶半導體層中。 9·如申請專利範圍第7項之薄膜半導體元件’其中’ 該製作在單晶半導體晶粒層中的單晶半導體晶粒的晶粒尺 寸係至少爲2 um。 10. 如申請專利範圍第7項之薄膜半導體元件,其中, 用於熱傳導與再結晶的一個控制層係被製作於絕緣材質的 基礎層與薄膜半導體層之間。 11. 一種用於製造薄膜半導體元件基板的方法,包含以 下步驟: (a) 在絕緣材質基礎層上沈積非單晶半導體層, (b) 藉由植入氧離子在非單晶層中製作氧植入區域,以 及 (c) 以能量束照射非單晶半導體層藉以改變非單晶半導 體層,使得氧植入區域轉變爲絕緣氧化膜,且其他區域轉 變爲半導體晶粒膜。 12. 如申請專利範圍第11項之方法,其中,該能量束 照射的實現使得提供照射強度最大値的區域與提供照射強 度最小値的區域以規則模式排列,且在上述2個區域之間 的照射強度轉變爲連續性。 13. 如申請專利範圍第11項之方法,其中,該照射強 度最小値係爲不會造成非單晶半導體熔融的強度。 14. 如申請專利範圍第11項之方法,其中,該氧植入 區域係製作於非單晶半導體層的上層部份。 15. 如申請專利範圍第11項之方法,其中,該氧植入 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁)565942 B8 D8 >、申請專利範圍 區域係製作於非單晶半導體層的中間層部份。 16. —種用於製造薄膜半導體元件的方法,包含以下歩 驟: (a) 在絕緣材質基礎層上沈積非單晶半導體層, (b) 藉由植入氧離子在非單晶半導體層中製作氧植入區 域, (c) 以能量束照射非單晶層藉以改變非單晶半導體層, 使得氧植入區域轉變爲絕緣氧化膜,且其他區域轉變爲半 導體晶粒膜, (d) 藉由半導體晶粒層圖案化並使用絕緣氧化膜當作閘 極絕緣物來製作閘極,以及 (e) 藉由在半導體晶粒層中製作源極與汲極以完成電路 單元。 17·如申請專利範圍第16項之方法,其中,該能量束 照射的實現係使得提供照射強度最大値的區域與提供照射 強度最小値的區域以規則模式排列,且在上述2個區域之 間的照射強度轉變爲連續性。 18·如申請專利範圍第16項之方法,其中,該絕緣氧 化層係製作於薄膜半導體層的上層部份,且所得的絕緣氧 化層係當作閘極絕緣物使用,同時源極與汲極製作於下方 晶粒層中。 19.如申請專利範圍第16項之方法,其中,該絕緣氧 化層係製作於薄膜半導體層的中間層部份,且所得的絕緣 氧化層係當作閘極絕緣層使用,同時源極與汲極製作於下 {請先閱讀背面之注意事項再塡寫本頁) •裝 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公营) 565942 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 方半導體晶粒層中 4 (請先閲讀背面之注意事項再塡寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
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Date | Code | Title | Description |
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GD4A | Issue of patent certificate for granted invention patent | ||
MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |