TWI352391B - - Google Patents

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TWI352391B
TWI352391B TW096108233A TW96108233A TWI352391B TW I352391 B TWI352391 B TW I352391B TW 096108233 A TW096108233 A TW 096108233A TW 96108233 A TW96108233 A TW 96108233A TW I352391 B TWI352391 B TW I352391B
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thin film
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Toshio Fujino
Akio Machida
Tadahiro Kono
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Sony Corp
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Description

1352391 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種藉由能量射束之照射而使半導體薄膜 結晶化之方法。 【先前技術】 於液晶顯示裝置或使用有機電致發光元件的有機EL顯示 裝置等平板型顯示裝置中，使用薄臈電晶體（thin film transistor，TFT) ’作為用以進行複數個像素之主動式矩陣 顯示的開關元件。薄膜電晶體有將多結晶矽（p〇ly_si)用於 活性區域的TFT(多結晶矽TFT)、及將非晶質矽（非晶系Si) 用於活性區域的TFT(非晶質石夕TFT)。 其中’多結晶矽TFT之特徵在於，與非晶質矽TFT相 比，載子之移動度增大1〇倍至i00倍左右，接通電流之劣 化亦較小。因此’多結晶矽TFT不僅作為上述顯示裝置之 開關元件而具有非常優良的特性，而且亦作為構成各種邏 輯電路（例如，多米諾（Domino)邏輯電路、CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互補金氧半 導體）傳輸閘電路）及使用其等之多工器、EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory »可抹除可程式化唯讀記 憶體）' EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory，電子可抹除可程式化唯讀記憶體）、CCD (Charge Coupled Device，電荷耦合裝置）、RAM(Ran(i〇m
Access Memory，隨機存取記憶體）之開關元件而受到矚 目。 116889.doc 1352391 此，儘管如上所述般藉由對同一.部位進行1〇〜2〇次之雷射 光照射可獲得使結晶粒徑得到均勻化之多結晶，但所獲得 之結晶粒徑之均勾性並不充分。進而，準分子雷射之^置 2單價較高’更換雷射管（振堡器）所造成之運行成本亦較 向。進而’由於必須如上所述般進行數十次左右之反覆照 射，故而通過量較低，因此有無法降低製品之製造成本之 問題。 又’結晶粒徑之均勻化不充分之問豸，對於上述專利文 獻1所揭示之使用相位移光罩之方法而言亦相同。而且， 若採用如此之方法’則製作相位移光罩亦需要較高之成 本，亦有難以貫現基板之大型化之問題。 進而，由於使用紅氣體等之點束雷射之爆炸性結晶化方 法係藉由固相轉變之再結晶化法，故而所形成之結晶之品 質較差，無法獲得充分之載子移動度。 因此’本發明之目的在於提供—種半導體薄膜之結晶化 方法’其藉由使形狀精度良好且優質之結晶粒有規則地排 :’而可形成呈現出精度良好之高載子移動度的結晶區 域。 [解決問題之技術手段] 用以達成如此之目的之本發明’係一種半導體薄膜之結 ^方法，其使能量射束針對半導體薄膜一面以特定速度 ^田δ進行連續照射’藉此使半導體薄膜結晶化。其特 =於：設定該能量射束之照射條件，以使半導體薄膜完 融，並且使能量射束之中心位置伴隨該能量射束之掃 I I6889.doc 1352391 描而最後結晶化。 於如此之半導體薄狀結晶化方法中，進行有下述多結 晶化，即’使由掃描中心側朝向能量射束之掃描方向拉伸 之狀成下呈凸出之形狀的結晶粒在該掃描方向上有規則排 列。該結❹之形狀或排列間隔根據能量射束之掃描速度 或照射能量等照射條件而得到良好控制。而且，由於該結 晶粒係藉由能量射束之照射使半導體薄膜完全炼融並藉二
液相成長而再結晶化所寐傳夕纟士 θ μ 曰化所獲付之結aB粒，故而結晶品質亦良 好。
域，可獲得特性不均得到有效抑制 问精度控制之多結晶性區域形成於半 藉由使用如此而獲得之多結晶性區 [發明之效果] 根據以上所說明之本發明 藉由使形狀精度良好且優質 高載子移動度得到了 導體薄膜上。因此， 薄膜電晶體。 【實施方式】 之半導體薄膜之結晶化方法， 之結晶粒有規則地排列，可使 且適於像素開關元件之 以下，根據®式詳細說明本發明之實施形態。再者，於 下述實施形態中’依序說明半導體薄膜之結晶化方法、及 使用該結晶化方法之薄膜半導體裝置之製造方法。 〈半導體薄膜之結晶化方法> 首先，如圖1所示，準備形成薄膜半導體裝置之基板1。 作為該基板1 ’以妙基板為f，可使用作為非晶質基板之 玻璃或塑膠基板等低融點基板，石英、藍f石基板，進而 116889.doc 1352391 可使用鋁或不銹鋼等金屬基板等。再者，於該基板丨之― 主面上’亦可設置此處省略了圖示的氧化膜或氮化膜等絕 緣膜，作為用以防止向基板丨之熱傳導的緩衝層又亦 可攻置各種金屬膜等。 繼而，於該基板1上形成非晶質半導體薄膜3。此處，作 為例’使用 PE-CVD (plasma enhancement-chemical vapor deposition，電漿增強化學氣相沈積）法而形成包含非晶質 矽之半導體薄膜3。如此而獲得之半導體薄膜3包含含有大 量氫的所謂氫化非晶質矽（a_Si:H)。又，對於此處所形成 之半導體薄膜3之膜厚而言，例如使膜厚為2〇 nm〜i〇〇 nm 〇 再者，於形成半導體薄膜3時，只要是可將成膜溫度抑 制得較低之方法，則並不限定於上述pE_CVD法亦可藉 由塗佈法而進行。於此情形時，於基板丨上塗佈將聚矽烷 化合物混合於溶劑中所獲得之混合物並使之成膜，此後實 施乾燥、退火，藉此形成半導體薄膜並且，於上述pE_ CVD法或此處所示之塗佈法等成膜溫度被抑制得較低的成 膜方法中，於任一情形下根據成膜條件而會稍有變動，但 均可獲得包含含有〇_5 at〇ms%〜15 ai〇ms%々右之氫的氫化 非晶質矽（a-Si:H)之半導體薄膜3。 此後，根據需要，進行用以使半導體薄膜3中之過剩氫 離子脫離的所謂除氫退火處理◎作為如此之除氫退火處 理，例如，進行40(TC至600t之爐退火。然而，於調整照 射能量而進行繼而進行之用以結晶化之退火處理，以使半 Ϊ16889.doc 體薄膜3中氫離子不氣體化膨脹而是自雷射光之照射部 去除剩餘氫之情形時，亦可省略除氫退火處理。 '、喿作後進行以下結晶化步驟，即，對半導體薄膜 3上所設^之活性區域照射作為能量射束之雷射光Lh。 作為雷射光Lh，例如，可使用Ga_N雷射（波長為4〇5 )Kr田射（波長為413 nm)、Ar雷射（波長為488 nm、 514.5 nm)、Nd:YAG雷射（波長為丨％㈣）之第2諧波（⑶
㈣或第3譜波（355 nm) ' Nd:YLF雷射（波長為【㈣)之第 2譜波（524 nm)或第3错波（349 _)、或者Yb:YAG雷射（波 長1.03 _)之第2諸波（515 nm)或第3譜波㈠44㈣）等。除此 以外，Φ可使用Ti:Sapphire雷射之基本波（792 nm)或第2譜 波（396 nm)。 此處，使雷射光Lh針對半導體薄膜3一面以特定速度在 其中一個掃描方向y上進行掃描—面進行照射。並且，尤 其重要的是’與半導體薄膜3之膜厚相—致地設定雷射光
之…、射條#，以使知藉由雷射光Lh之照射可使半導體薄 膜3在其深度方向上完全熔融。 因此’照射至半導體薄膜3之雷射紐之波長，係根據 +導體薄膜3之膜厚及其吸收係數，而選擇在不會僅被半 導體薄膜3之表面層所吸收而可被薄膜3之整個深度方向吸 收的程度下吸收係數相對較小之波長。即，若以厚度為％ ⑽之包含非晶質石夕之半導體薄膜3為例較好的是使用波 長為350 nm〜470 001之雷射光。作為如此之波長之雷射光 源’例如’對應有GaN系化合物半導體雷射振盈 Π 6889.doc 12 1352391 器，進而對應有YAG雷射振盪器。 作為除如上所述之雷射光Lh之波長以外的照射條件，藉 由調整照射雷射光Lh的物鏡之數值孔徑NA、雷射光Lh之 掃描速度或照射能量等’亦可進行使半導體薄膜3在深度 方向上完全熔融之結晶化。並且，藉由對非晶質半導體薄 膜3照射固定強度以上之雷射光“而使半導體薄膜3完全熔 融0
又，於該結晶化步驟中，將以上述方式而選擇之波長之 雷射光Lh用作射束輪廓為高斯形狀之點束。藉此，如圖 2(1)所示，雷射光Lh之照射部分之溫度與雷射光Lh之射束 輪廓（Beam pr0fiie)之高斯形狀相對應，在雷射光Lh之掃 描中心φ處最高，在兩端最低。 因此，如圖2(2)所示，於藉由使雷射光Lh一面在掃描方 向y上進行掃描一面進行照射而使半導體薄膜3完全熔融之 掃指路R中，自距離掃描中心φ較遠之位置（雷射光之掃描
路R之兩側端）起開始結晶凝固於掃描路r之兩側端產生 固定數之結晶種Β。 繼而，如® 2(3)所示，進—步進行雷射光Lh之掃描，藉 此使結晶種B於由掃財心Φ側朝向掃描方向化伸之㈣ 下逐漸凝固’且使掃描中心ψ最後結晶化。此時，亦可於 上：照射條件之範圍内進一步調整雷射光U之掃描速度及 :以使凝固於掃描中心中處會合。藉此，獲得 b即：^ 斤月呈線對稱之線一分為二之形狀的結晶粒b。 116889.doc 又，於凝固所會合之掃描中心φ，形成沿著掃描方向乂之 連串晶界a。 進而，如圖3所示，於該結晶化步驟中，使雷射光以保 持特定間距P而平行地對基上之半導體薄膜3進行掃 拖此時，使各掃描中之掃描方向y為固定方向。
使田射光Lh進行掃描之間距p係設定於下述範圍内， 2，掃描中心φ不會與相鄰接之雷射光^之掃描路尺重 :又，承續相鄰接之雷射光Lh之掃描位置上所形成的結 晶粒b之結晶性而進行凝固。因此，對於間距p而言，於大 致=雷射光Lh之直徑為r時，間距p大致在[r/2]<p印5叫 之la圍内’幸父好的是’使雷射光Lh在固定之掃描方向Υ上 以與雷射光Lh之直徑r同程度之間距p進行掃描。 藉由’电先前之雷射光Lh之掃描所形成之半新月狀結晶 粒b成為種，而進行與該掃描相鄰接之雷射光^之掃描中
的結晶化。又，進行半導體薄膜3之多結晶化以使晶界a :特疋間距P而没。並且’於晶界a-a之間，沿晶界a之延設 方向而排列形成有使半新月狀結晶粒15合為一體之新月形 結晶粒b，。豸結晶粒bi呈朝向與雷射光以之掃描方向y相反 的方向凸出之新月形狀。 此處，使雷射光Lh平行地進行掃描之間距？)（即，晶界a 之門距即週期），係規定繼而將說明之設於薄膜半導體裝 置之通道部中的晶界&之個數的重要因素。即，如以下詳 ':說明般’較好的1 ’設於薄膜半導體裝置之通道部中的 個數（週期數）’於在保持載子移動度之範圍内可使 116889.doc -14- 丄352391 電晶體特性之不均均勻化之程度下較多地設定，進而，此 處係與薄膜半導體裝置之設計相一致地設定間距P，以使 知·可在不損害製程之稼動時間的範圍内於通道部中設置更 多數量之晶界a。並且，與該間距p相一致地設定間距卩方 向（.、掃搖方向y垂直之方向）上的雷射光之點徑『。 具體而言，亦如以下之實施例所說明般，較好的是，於 通道。卩中，與通道長相—致地設定間距p，以使得可設置 25個左右在通道寬度方向上延設之晶界汪。 又，於上述結晶化步驟中，極為重要的是，使藉由雷射 光Lh之照射而形成之晶界a之特性固定化。作為使晶界&之 特性固定化的主要因素，要求各照射位置上的雷射之照射 能I密度固定；掃描速度固定；雷射光Lh之間距p固定； 及半導體薄膜3之膜厚均勻等。 進而，為使雷射光Lh之照射能量密度固定，較理想的 疋，至少在對活性區域照射雷射光^之期間使雷射光^為 連續振盈產生之狀態^處，連、續振盪產生亦包含存在半 導體薄膜3之溫度不下降之範圍内的休止（例如，％ μ以下 之休止）的情形。又，為使雷射光Lh之照射能量密度固定 而進订上述照射，較理想的是，使用具備能量反饋功能或 聚焦饲服功能的雷射光之照射裝置。能量反饋功能或聚焦 伺服功能可利用光碟等之切割機器等所使用之眾所周知之 技術而構築。 又，針對半導體薄膜3之雷射光Lh之照射.，係設定在雷 射照射之掃描速度為固定之區域内。 116889.doc !5 91 。並且，針對半導體薄膜3之雷射光Lh之照射位置之移動 :為相對性的，可使形成有半導體薄膜之基板側相對於固 定之雷射光之照射位置而移動’亦可使雷射光之照射位置 相對於固定之基板而移動。又，亦可使基板i及雷射光之 照射位置之兩者移動。 進而，上述結晶化步驟中之雷射光以之平行掃描，可使 用1個雷射振盈器依序進行，亦可使用複數個雷射振盈器 而進行…於考慮製作用以驅動顯示裝置之薄膜電晶體 之情形時，較好的是對複數個活,L區域同時進行。即’使 =射光^對設定排列於基板1之表面側的複數個活性區域 问時進行多點照射，藉此對複數個活性區域同時進行社曰 化步驟，於考慮到生產性之情形時此方法較好。 日日 體2現如此之雷射㈣之多點照射，較好的是使用半導 體雷射振盪器作為雷射光 準八 诹崖，原。丰導體雷射振盪器與
+乃子雷射器或YAG雷射考黧A从兩A 由耵裔專其他雷射振盪器相比非常 小，因此可於1個裝置内配置 並且能夠進行連續日S射且可、導體#射振盪器， 拉“遷Λ‘、、、射且了，現額定_讀之輸出。 错由使用半導體雷射振盪器， 增加半導體雷射器之個數，夢此了 大面積化相對應地 iim $ 可針對基板尺寸而靈活地 進仃裝置設計。因此，可獲得於大 能相同之電B p Μ 土板上排列有多個性 门之電Ba體的構造’與研究水 控制晶界之方法相比，於可 。之使用忐罩來 方面有利。 積形成特性均勻之電晶體 又，上述結晶化步驟並不限定 於N性氣體環境中，亦可 116889.doc 於大氣環境中進行 整體之大型化。 藉由在大氣環境下進行 可防止裝置 根據以上所說明之結晶化 化，即，使由掃，進仃如下所述之多結晶 便由知备中心φ側朝向 之狀態下呈凸出之形狀… 先以之“方向y拉伸 地排粒6在該掃描方向y上有_ …掃或排列間隔可根據雷射光Lh之 2而Γ 射能量等照射條件而進行良好的控 由於結晶粒b係藉由雷射光Lh之照射使半導體 薄膜3完t溶融並藉由液相成長而結晶化所獲得之結晶 粒，故結晶品質亦良好。 又，藉由調整使雷射光Lh進行掃描之間心，可承續相 鄰接之雷射光Lh之掃描位置上所形成的結晶粒仏結晶性 而進行凝固1而可於以間距p而配置之晶界w之間形成 使半新月狀結晶粒b合為—體之新月形結晶粒b,。藉此，亦 可使結晶粒b’有規則地排列於與掃描方向y大致垂直之方向 上0 因此，藉由使形狀精度良好且優質之結晶粒有規則地排 列，可使高載子移動度得到了高精度控制之多結晶性區域 形成於半導體薄膜上。 <薄膜半導體裝置之製造方法> 繼而’對接著如上所述之結晶化方法而進行之薄膜半導 體裝置之製造方法進行說明。此處’對在同一基板1上設 置複數個薄膜電晶體TFT而成之半導體裝置之製造方法進 行說明。再者’於圖式中，主要僅圖示1個薄膜電晶體形 116889.doc 1352391 成部分。 首先如圖4(1)所不，藉由上述結晶化方法，對基板！ 上之半導體薄膜3上所設定之所有各活性區域城擇性地 進行結晶化。繼而，於各個活性區域&内使晶界&在橫 切活性區域h之狀態下平行排列。該晶界a如上所述係以 特定間距p而排列。 繼而、，如圖4⑺所示，對半導體薄膜3進行圖案蝕刻， 使之成為殘留已結晶化之法<Μ： ρ P u u 。日日化之要ϋ域(3 a:的特定形狀，將各活 性區域分割成特定形狀之島狀而進行元件分離。於此情 形時，如圖所示’亦可以使活性區域h之周圍不殘留有未 結晶化之半導體薄膜3部分之方式，而對半導體薄膜3進行 圖案姓刻。又，亦可以使活性區域3&之周圍殘 化之半導體薄膜3部分之方式，㈣半導㈣膜3進行^ 蝕刻。於此情形時，圖案化成島狀之區域内的所有已結晶 化之區域為活性區域，而殘留於其周圍之非結晶區域為。： 離區域。再者，如此之半導體薄膜3之_刻亦可於： 述結晶化步驟之前進行。於此情形時，針對已圖案成包八 活性區域3a之預定區域之島狀的各半導體薄膜3 : 述結晶化步驟。 上 繼而，以覆蓋已圖案化之活性區域3a之狀態而 之上部形成間極絕緣臈(省略圖示）。該閘極絕緣 八 氧化石夕或氮切’可利用通常之瓜㈣之眾所周知= 法而成膜，除此之外亦可進行眾所周知之S〇G等之出 作為塗佈型絕緣層。再者，該間極絕緣膜之形成亦= 116889.doc •18· 半導體薄膜3進行圖案蝕刻之前進行。 成^ 1圖5所示，於閘極絕緣膜上形成具有橫切分割 之各活性區域3a之中央部之形狀的閘極電極5。此 ，重要的是，沿晶界a之延設方向形成閉極電極5。將圖 甲之A部之放大圖示於圖6。 如該等圖所示，閘極電極5係以橫切活性區域化中被設 :十成特定寬度W之部分的方式而$，間極電極5所橫切之 部分之活性區域3a之寬度成為通道寬度w。即，晶界a係 以下述狀態而設，即在通道寬度…之方向上橫切閘極電極 5下方之通道部C。 、又’閘極電極5之線寬（即對應於通道長L)係根據此處形 成之薄膜電晶體之規格而設計，且以下述方式而設定， 即，使數之H以在通道寬度％方向上橫切通道 部C之方式而配置於其下方。並且，若為相同特性之薄膜 電晶體，則重要的是，於通道部C中設有大致相同個數之 晶界a。此處，所謂大致相同個數，較好的是相對於特定 個數而言在土 1個之範圍内。 對於设於通道部C中之晶界a之數量而言，其實際個數相 對於特定個數之比例不均越小，越可使薄臈電晶體之特性 不均均勻化。因此，δ又於通道部C中之晶界a之個數為2個 以上，且較多為好。具體而言較好的是，亦如以下之實施 例所說明般’於通道部C中，與通道長L相一致地設定間距 P，以使得可設置25個左右在通道寬度w方向上延設之晶 界a。然而’於通道部C中橫切通道長L方向之晶界a越多， 116889.doc 19· 1352391 則通道長L方向上之载子移動度越低，因此，在使載子移 動度較高地保持為某程度之範圍内，晶界a之個數越多越 好。 又，如上所述，重要的是，使閘極電極5相對於設於各 ' 活性區域33中之晶界a而形成為特定狀態。因此，於此前 • 之結晶化步驟中’如圖7所示’與閘極電極5之配線方向相 一致地設定各活性區域33之雷射光！^之掃描方向，使晶界 ^ 3之延設方向與閘極電極5之配線方向一致。 於形成上述閘極電極5時，首先，利用濺鍍法或蒸鍍法 而使例如含有鋁之電極材料層成膜，繼而藉由微影法而於 - 該電極材料層上形成抗钱劑圖帛。此後，將該抗钮劑圖案 . ㈣掩模㈣電極材料層進行㈣，藉此形成閘極電極5 之圖案。 再者，閘極電極5之形成並不限定於如此之程序，例 如’亦可採用塗佈並印刷金屬微粒子之方法。又，於形成 • 開極電極5時的電極材料層之蝕刻中，亦可繼而對閘極絕 緣膜進行ϋ刻。 繼而，如圖8之剖面圖所示，藉由將閘極電極5用作掩模 之離子植入及此後之退火處理，而形成於活性區域h中自 對準土士道 導入有雜質之源極.極汲7。再者，圖8與圖5之X-X·方向之剖面相對應。 藉此’於閘極電極5之下方形成通道部c，該通道部c包 。 、’、。晶化之活性區域3a内未導入雜質之部分。該等源 〇 '及7以及閘極電極5下方之通道部C，係由使半導體 116889.doc -20- 1352391 薄膜3結晶化而獲得之多結晶矽所構成，因此，藉由上述 步驟可獲得如下所述之薄膜半導體裝置10,即於同—基板 1上設有複數個使用了多結晶矽薄膜之上閘極型薄膜電晶 體TFT(即，多結晶矽TFT)。 繼而’例如於製作液晶顯示裝置作為將如此之薄膜電晶 體TFT用作開關元件之顯示裝置時，進一步進行下述步 驟。 首先’如圖9(1)所示’於薄膜半導體裝置1〇之基板1 上’以覆蓋薄膜電晶體TFT之狀態形成層間絕緣臈2 1。繼 而’於該層間絕緣膜21中形成到達薄膜電晶體TFT之源極. 汲極7之穿孔21a。繼而，於層間絕緣膜21上形成經由該穿 孔2 1 a而連接於源極.汲極7之配線23。 繼而’以覆蓋配線23之狀態形成平坦化絕緣膜25，並於 平坦化絕緣膜25中形成到達配線23之穿孔25a。其次，於 平坦化絕緣膜25上形成經由該穿孔25a及配線23而連接於 源極.沒極7之像素電極27。該像素電極27可根據液晶顯 示裝置之顯示類型而形成為透明電極或反射電極。再者， 圖式為1個像素之主要部分剖面。 此後’雖省略此處之圖示，但於平坦化絕緣膜上形成覆 蓋像素電極27之配向膜’製成驅動基板29。 另一方面，如圖9(2)所示，準備與驅動基板29對向配置 之對向基板31。該對向基板31中，於透明基板33上設有共 通電極35’進而由省略了此處之圖示之配向膜覆蓋共通電 極35°再者’使共通電極35包含透明電極。 ί i6889.doc -21 · 1352391 • 繼而’在使像素電極27與共通電極35相向之狀態下，經 由分隔件37而將驅動基板29與對向基板31對向配置。繼 而’於藉由分隔件37而保持特定間隔之基板29、3丨之間填 充液晶相LC並密封’製成液晶顯示裝置41。 • 再者，於使用上述結構之驅動基板29而製作有機]el顯示 . 裝置之情形時，將設於驅動基板29中之像素電極設為陽極 (或陰極）’並於該像素電極上積層電洞注入層、發光層、 • 電子輸送層等具有必要功能之有機層，進而於有機層上形 成共通電極以作為陰極（或陽極）。 參照圖5及圖6，使用以上所說明之本實施形態之結晶化 • 方法而獲得之薄膜半導體裝置1〇，係設為沿閘極電極5而 • 延°又之晶界a松切通道部C並且在通道長l方向上週期性配 置之VD構，藉此，通過通道部之載子，必定會橫切以特 疋間距p而配置之晶界a而移動。因此，藉由控制該間距 P，可精度良好地控制薄膜半導體裝置丨中之薄膜電晶體 • TFT之電晶體特性（載子移動度）。並且，藉由使間距p之大 小及配置於通道部C中之晶界a之數量一致，可抑制複數個 几件中之載子移動度之不均。即，於該薄膜半導體裝置1〇 中’如圖3所示，載子係以橫切晶界3之方式而在移動方向 Xc上移動。並且，由於該晶界a係結晶化時最後凝固之部 分且集中有雜質，因此，其成為較半新月狀結晶粒b在掃 描方白y間的晶界更明確之晶界。因此’載子以橫切特定 個數之如此之明確的晶界a之方式而移動，藉此，與將垂 直於移動方向Xc之方向（即，掃描方向y)設計為通道長L·方 116889.doc -22· 1352391 向之電晶體㈣，可精度良好地控制薄膜電晶體雨之電 晶體特性（載子移動度）。 而且，晶界a-a間之結晶狀態，係使橫跨晶界㈠間之大 小之結日日粒b沿晶界a而排列 元件特性之劣化得到抑制。 不通過結晶粒b'-b·間之晶界 子移動度維持得較高》
因此，藉由使用如此之形成於薄膜半導體裝置上之各薄 膜電晶體TFT作為像素之開關元件而構成顯示裝置，可防 止顯示部之亮度不均或顏色不均。
。因此’不含有非晶質區域， 又，於晶界a-a間，由於載子 ’因此可將通道長L方向之载 再者，於上述實施形態中，說明瞭以下述方式使半導體 薄膜多結晶化之方法，即：如使用圖3所說明般，將使雷 射光Lh進行掃描之間距p設定於下述範圍内即，掃描中 心中並不與相鄰接之雷射光Lh之掃描路R重合，且可承續 相鄰接之雷射光Lh之掃描位置上所形成的結晶粒b之結晶 性而進行凝固，藉此，使粒徑橫跨以間距p而配置之晶界 a-a間的結晶粒b’在晶界a之延設方向上排列。然而，本發 明中，亦可以如下方式而設定使雷射光以進行掃描之間距 p ’即’並不承續相鄰接之雷射光Lh之掃描位置上所形成 的結晶粒b之結晶性而進行凝固。於此情形時，於以特定 間距p而設置之晶界a_a間，以使結晶粒b、非晶質部結 晶粒b以此順序週期性設置之方式而進行半導體薄膜3之多 結晶化。對於如此之結晶化而言，亦可進行於特定間距p 之晶界a-a間有規則地排列有晶界b之結晶化。又，由於係 116889.doc -23· 1352391 使半導體薄膜完全熔融後經液相成長而獲得之結晶粒卜 故而結晶品質亦良好。 並且，即便為如此之殘留非晶質部而結晶化之活性區 域，亦可與上述實施形態同樣設為沿晶界a而設置閉極電 極之結構，藉此，可利用晶界a之間距p而高精度地控制電 晶體特性之精度’從而可獲得特性不均較小之薄膜電晶體 TFT。 又，於上述實施形態中，對使用本發明之多結晶化方法 而製作具備薄膜電晶體之薄膜半導體裝置之方法進行了說 月然而，本發明之多結晶化方法並不限定於對薄臈電晶 體之製造方法之應用’亦可應用於其他電子元件之製造方 法中。不管於何種情形下，藉由設定為使電流於橫切晶界 a之方向上流動，均可獲得特性精度良好之電子元件。Μ 1 進而，上述實施形態所例示之材料、原料、製程、及數 值等僅為一例，亦可根據需要而使用與該等不同之材料、 原料、製程、及數值❶ [實施例] 以下’根據圖3說明本發明之實施例。 <實施例1 > 首先，於石英玻璃基板上，藉由電漿CVD法使膜厚為 120 nm之氧化矽膜成膜而將其製作為基板丨。於該基板1 上，藉由電漿CVD法使膜厚為50 nm之包含非晶質矽^之半 導體薄膜3成膜、繼而’為使半導體薄膜3中之過剩氫離子 脫離’於真空中實施贿、i小時之退火處理(除氫退火 I I6889.doc -24· 1352391 處理）。 此後，使直徑r=約500 nm、基板面上之照射能量（板面 ’展射此置）為12 、物鏡之有效να=0·8之GaN,SL束雷射 光Lh針對該半導體薄膜3 —面於固定之掃描方向y上平行地 進行掃描一面進行照射。此時，於實施例1中，使該雷射 光Lh面空開間距p=400 nm之間隔而於掃描方向y上以v= j m/S之掃描速度平行地進行掃描一面進行照射。再者，針 對半導體薄膜3之雷射光Lh之照射，一直施以聚焦伺服， 以使掃描時焦點不會偏離。又，以使照射能量固定之方式 對射束之一部分進行監控，以使能量不會變動。 利用掃描型電子顯微鏡（SEM，Scanning electr〇n miCr〇SC〇pe)觀察藉由照射如此之雷射光Lh而進行結晶化之 區域時，可確認可獲得下述多結晶區域，即，於以間距 (週期）p=40〇 nm而設置的一連串晶界a_a之間，有規則地 排列有向與掃描方向y相反之方向凸出的均句之新月形結 晶粒b ’。 <實施例2> 將實施例1中之雷射光L h之照射條件變更為物鏡之有效 ΝΑ=0·4、間距p = 6〇〇 nm、向掃描方向y之掃描速度 m/s ’除此以外’以與實施例1相同之方式進行。 利用掃描型電子顯微鏡（SEM)觀察藉由照射如此之雷射 光Lh而進行結晶化之區域時，可確認可獲得下述多結晶區 域’即，於以間距（週期）p=600 nm而設置的一連串晶界a_ a之間，有規則地排列有向與掃描方向y相反之方向凸出的 116S89.doc •25- ⑸ 2391 均勻之新月形結晶粒b,。 <實施例3-1 '實施例3-2> 使用如實施例1般多結晶化之區域，製作如 一 通道長（間極線寬）L=10 _、20 μιη，通道寬仏述表1所示 薄膜雷曰、 5〇 μιη之各 專膜電s曰體。於本實施例3之各薄膜電晶體 _ 賵中，如圖5所 不，，、日日界a平行地設置閘極配線5。藉此，如 w迕 如圖3所不， 二=下結構’即’使載子於橫切結晶化時最後凝固之部 刀P集中有雜質之晶界a的移動方向Xc上移動。又，實施 、實施例3_2之各薄膜電晶體中之通道部之晶界a之個 數為約2 5個、約5 〇個。 [表1] 通道寬W 卜· Ul^ ιυ μιη ~2〇^r 50μιη 晶界a之數量 (週期數）2?i~ ±σ
Vth不均 ^~~I 50 個 7〇%~ GaN雷射；ΝΑ=〇·8晶界a之間距(週期）p=4〇〇nm 移動度 (cm2/V s) ~26~
~0.06 V 測定 結果一 流不均 抑制為 被抑制 確認， 道部， 均被抑 體作為 出所製作之各薄膜電晶體之接通電流之不均。將其 併示於上述表丨。如表丨所示，實施例31中接通電 被抑制為±σ=±丨·9%，實施例3_2中接通電流不均被 土α=±1.3%。又，臨限值vth之不均〇於實施例3」中 為〇·〇8 V，於實施例3_2中被抑制為〇〇6 v。由此可 藉由以使用本發明而多結晶化之半導體薄膜構成通 可高精度地控制電晶體特性。尤其由於接通電流不 制為±σ=3%以内，因此可確認，於使用該薄膜電晶 使用了有機電場發光元件之顯示裝置中的像素電極 116889.doc -26- 1352391 元件時，亦可將亮度不均充分抑制為無法目測出之 …進而，根據實施例3-丨與實施例3_2之比較可確認， 晶界a之個數越多’接通電流及臨限值之不均越小，從而 可獲得特性精度良好之薄膜電晶體。χ，此時之FET移動 度（載子之移動度）於實施例3^3.2中均為％ em2m，從 ^亦可確認，作為像素開關可獲得充分良好之電晶㈣ 性。 <實施例4-1、實施例4-2> 、使用如實施例2般多結晶化之區域，製作如下述表2所示 通道長(閘極線寬)L=10_、2〇_，通道寬，5〇_之各 薄膜電晶體。於本實施例4之各薄膜電晶體中，亦與實施 例3同樣設為下述結構’即，如圖5所示，與晶界&平行地 設置開極配線5,使載子於橫切如圖3所示般結晶化時最後 凝固之部分即集中有雜質之晶界a的移動方向χ c上移動。 又’實施例4-卜實施例4奴各薄膜電晶體中之通道部之 晶界a之個數為約17個、約33個。再者，為提高接通斷開 特性及將不均抑制得較低，於本第4實施例中對製程加以 變更。 通道長L 實施例4-1 10 pm
晶界a之數量 (週期數） 接通電流不均 土σ Vth不均 移動度 (cm2/Vs) 0.10V 18 ~ '~~----- ±0.56% 〇 〇6 V 1 雷射;ΝΑ=°·4β^間距(週^ 測定出所製作之各薄膜電晶體之接通電流之不均。將其 116889.doc •27· 1352391 結果一併示於上述表2。如表2所示，實施例4_丨中接通電 流不均被抑制為±σ=±〇.94%，實施例4-2中接通電流不均被 抑制為士σ=±〇·56%。又，臨限值Vth之不均σ於實施例4-1中 被抑制為〇· 1〇 V，於實施例4-2中被抑制為〇.〇6 V »由此可 確認’即便ΝΑ=0.4 ’亦同樣可藉由以使用本發明而多結晶 化之半導體薄膜構成通道部，而高精度地控制電晶體特 性。尤其由於可將接通電流不均抑制為±σ=3%以内，故而 可確認’於使用該薄膜電晶體作為使用了有機電場發光元 件之顯示裝置中的像素電極之開關元件時，亦可將亮度不 均充分抑制為無法目測出之程度。進而，根據實施例4_! 與實施例4-2之比較可確認，晶界a之個數越多，接通電流 之不均越小，從而可獲得特性精度良好之薄膜電晶體。 又’此時之FET移動度（載子之移動度）於實施例4_1、4-2中 均為1 8 cm2/Vs，從而亦可確認，作為像素開關可獲得充分 良好之電晶體特性。 <比較例> 使用先則結構之利用準分子雷射之結晶化步驟而形成複 數個薄膜電晶體。 首先，使與實施例1相同之半導體薄膜3成膜之後，將 KrF準分子雷射光學加工成短軸方向之寬度為4、長 軸方向之長度為1 〇〇 mm之線束，以下述方式照射雷射， 即針對气史照、射位置在短軸方向上偏移8㈣之間 距，且剩餘之區域重合。此時以平行於短轴之剖面所評價 之能量分佈調整為禮帽（top hat)型（梯形型）。&在上述條 】16889.doc •28· 1352391 件下進仃照射之情形時，對也同區域照射約1之脈衝 雷射。照射雷射係使用衰減器來調整，以使丨脈衝為25 ns 且能量密度相當於310 m J/cm2。 利用掃描型電子顯微鏡（SEM)觀察藉由照射如此之雷射 光Lh而進行結晶化之區域時，可確認可獲得下述多結晶區 域，即，一邊約為250 nm之四方形狀之結晶粒有規則地排 列成格子狀。 使用上述多結晶化區域，製作下述表3所示之通道長（閘 極線寬）L=20 μηι之薄膜電晶體。再者，使各薄膜電晶體 之通道寬W=50 μιη。 [表3] 照射能量射束 接通電流不均 ±σ Vth不均 移動度 (cm2/V s) 實施例3-2 GaN雷射；NA=0.8 ±1.3% 0.06 V 26 實施例4-2 GaN雷射；NA=0.4 ±0.56% 0.06 V 18 比較例 準分子雷射 ±6.2% 0.31 V 155 通道長Ι^20μιη，通道寬Αν=50μιη(其中，ΝΑ=0.4時對製程加以改善) 測定出所製作之各薄膜電晶體之接通電流之不均。將其 結果一併示於上述表3«再者’於表3中，一併表示規格與 比較例相同（通道長L=20 μιη、通道寬W=5〇 μπι)之各實施 例之結果。 由該結果可確認’使用了應用本發明而結晶化之半導體 薄膜的實施例3、4之薄膜電晶體之接通電流或臨限值％之 不均’遠小於使用了未應用本發明而是藉由準分子雷射而 結晶化之半導體薄膜的比較例。再者，對於FET移動度而 116889.doc •29· 1352391 言，儘管比較例之薄膜電晶體呈現出 發明的實施例3、4之值亦係作為=’但應用了本 【圖式簡單說明】 素開關而充分良好之值。 圖1係說明本發明之結晶化方法之平面圖⑷)。 曰=2(1H3)係說明藉由本發明之結晶化/法而進行的結 晶成長之圖。 圖3係說明本發明之結晶化方法之平面圖（其2)。
圖4(1)、（2)係說明使用了本發明 a介古、土认2时L 〜、、σ日日化方法的薄膜半 導體裝置之製造方法的平面步驟圖（其 圖5係說明使用了本發明之結晶化方法的薄臈半導體裝 置之製造方法的平面步驟圖（其2)。 圖6係圖5中之Α部之放大平面圖。 圖7係說明複數個活性區域之結晶化的平面圖。 圖8係圖5之X-X1剖面圖。 圖9(1)、（2)係使用了薄膜半導體裝置之液晶顯示裝置之 製造步驟圖β 【主要元件符號說明】 3 半導體薄膜 a 晶界 b 結晶粒 b， 新月形結晶粒 Lh 雷射光（能量射束） P 間距 y 掃描方向 116889.doc

Claims (1)

1352391 2. 3. 巧年9月巧曰修(¾正本I 1. 化； 第096108233號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(99年9月） 十、申請專利範園： -種半導體薄膜之結晶化方法，其特徵在於：其包含： 步驟⑷’使點狀能量射束對半導體薄膜在掃描方向上 面乂特疋速度掃、描-面連續照射，藉此形成 化區域；及 aa 步驟㈨’使該能量射束於與該掃描方向垂直之方向上 平移特定間距，並重複步驟⑷，藉此形成與該第！結晶 化區域相鄰之第2結晶化區域； 中以°亥此1買射束將上述半導體薄膜完全熔融，並 設定該能量射束之照射條件，俾上述能量射束之掃描中 心處之前述半導體薄膜伴隨該能量射束之掃描而最後結 曰曰 $上述第1與第2結晶化區域之各者，於上述掃描中心 沿著上述掃描方向設置-連串晶界，且於相鄰晶界之間 排列朝與上述能量射束之掃描方向相反之方向凸出之半 新月形結晶粒； Μ上述間距’俾於步驟⑻中使前述第土結晶化區域 :半新月狀結晶粒與前述第2結晶化區域之半新月狀結 ，會α俾於刖述第1與第2結晶化區域之晶界間形成 新月形結晶粒。 =請求項1之半導體薄媒之結晶化方法，其中使上述能 量射束係崎描巾之該能量射束不與先前掃描之掃描中 心重合的特定間距而平行地反覆掃描。 如請求項2之半導體薄膜之結晶化方法，其中上述特定 間距大致與前述能量射束之直徑相同。 t S 1 116889-990929.doc 1352391 4. 如請求項1之半導體薄膜之結晶化方法，其中使上述能 量射束之射束輪扉為高斯曲線。 5. 如請求項1之半導體薄膜之結晶化方法，其中上述能量 射束係自半導體雷射振盪器振盪之雷射光。 116889-990929.doc 1352391 第096108233號專利申請案 _ 冲文圖式替換頁(1〇〇年3月） 十一、圖式：
y
TV
⑶ 圖2 116889-fig-1000325.doc 1352391 第096108233號專利申請案 中文圖式替換頁(99年9月） f年巧月々曰修(更)正替換頁
116889-fig-990929.doc 1352391
(2)
圖4 116889-fig.doc 1352391
圖5
U6889-fig-990929.doc -4- 1352391
116889-fig.doc 291352391
(2)
圖9 116889-fig.doc
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