TWI390734B - 製造多晶矽薄膜之方法及製造具有多晶矽薄膜之薄膜電晶體之方法 - Google Patents

製造多晶矽薄膜之方法及製造具有多晶矽薄膜之薄膜電晶體之方法 Download PDF

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Description

製造多晶矽薄膜之方法及製造具有多晶矽薄膜之薄膜電晶體之方法
本發明係關於一種製造一多晶矽矽薄膜之方法及一種製造具有該薄膜之一薄膜電晶體(TFT)之方法。更特定言之，本發明係關於一種製備具有改良電學特徵之一多晶矽薄膜之方法及一種製造具有該薄膜之一TFT之方法。
液晶顯示器(LCD)裝置包括開關元件。該開關元件包括一非晶矽薄膜電晶體(a－Si TFT)或一多晶矽薄膜電晶體(poly－Si TFT)。具有poly－Si TFT之LCD裝置比具有a－Si TFT之LCD裝置具有更快之運作速度，藉此提供比具有a－Si TFT之LCD裝置更好之影像顯示品質。
可直接在一基板上形成poly－Si TFT，或非晶矽薄膜經由加熱處理而結晶形成poly－Si TFT。
當待用於LCD裝置之玻璃基板之溫度升高至約600℃以上時，該玻璃基板會變形。為避免該變形，藉由使用準分子雷射來使非晶矽薄膜結晶。在該準分子雷射退火(ELA)方法中，將具有高能量之雷射束照射在非晶矽薄膜上數十奈秒時間以使該非晶矽薄膜結晶，使得玻璃基板不變形。
當由ELA方法處理非晶矽薄膜時，非晶矽薄膜中之矽原子以晶粒之形式重新排列以使poly－Si TFT具有高電遷移率。在ELA方法中，將非晶矽薄膜熔融且然後凝固以形成poly－Si TFT。意即，由ELA方法所形成之poly－Si TFT在接通狀態下具有高操作速度。
然而，在切斷狀態下有洩漏電流流過多晶矽晶粒之間的介面。意即，介面上之矽原子彼此之間沒有安全組合，引起介面上形成電子電洞，從而產生漏電流。
根據本發明，提供一種製造具有改良電學特徵之一多晶矽薄膜之方法。
根據本發明，亦提供一種製造具有以上提及之一薄膜的薄膜電晶體(TFT)之方法。
以下提供一種根據本發明之一實施例製造一多晶矽薄膜之方法。將一雷射束照射在一非晶矽薄膜之一第一部分上，以使該部分非晶矽薄膜液化。該非晶矽薄膜之第一部分在一基板之一第一末端部分上。使液化之矽結晶以形成矽晶粒。將該雷射束自該基板之第一末端部分至在第一方向上與該第一末端部分相對之第二末端部分移動一間隔。隨後該雷射束照射在與彼等矽晶粒相鄰之該非晶矽薄膜之一第二部分上，以形成一第一多晶矽薄膜。
以下提供一種根據本發明之一實施例製造一薄膜電晶體之方法。在一基板上形成一非晶矽薄膜。將雷射束照射在該非晶矽薄膜上以將該非晶矽薄膜轉變為多晶矽薄膜。部分蝕刻該多晶矽薄膜以形成一多晶矽圖案。在具有該多晶矽圖案之基板上形成一第一絕緣層以保護該多晶矽圖案。在與該多晶矽圖案對應之第一絕緣層上形成一間電極。在該第一絕緣層及該閘電極上形成一第二絕緣層。部分蝕刻第一及第二絕緣層以形成接觸孔。在該第二絕緣層上形成一源電極及一汲電極。該源電極與該汲電極間隔開。該源電極與該汲電極分別經由該等接觸孔電連接至該多晶矽圖案。
根據本發明，反覆將雷射束從第一末端部分向第二末端部分照射基板以增大晶粒尺寸從而形成具有改良電學特徵之poly－Si薄膜。
參考展示本發明之實施例之附圖，在下文中將更充分地描述本發明。然而，本發明可以許多不同形式實現，且不應該被解釋為限於本文所闡述之實施例。相反，提供該等實施例從而使得所揭示內容全面且完整，並使熟習此項技術者充分瞭解本發明之範疇。在附圖中，可能為清楚起見而誇示層及區域之尺寸及相對尺寸。
應理解當將一元件或層稱作位於另一元件或層"上"，"連接至"或"耦接至"另一元件或層時，其可直接位於另一元件或層上，或直接連接至或耦接至另一元件或層，或可存在介入元件或介入層。相反，當將一元件稱作"直接"位於另一元件或層上，"直接連接至"或"直接耦接至"另一元件或層時，不存在介入元件或介入層。全文中類似數字指代類似元件。本文使用術語"及/或"包括一或多個所列出之相關條目之任意及全部組合。
應理解雖然本文中可使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件、組件、區域、層及/或部分，但該等元件、組件、區域、層及/或部分不應限於該等術語。該等術語僅用於將一個元件、組件、區域、層或部分與另一區域、層或部分區別開來。因此，以下討論之第一元件、組件、區域、層或部分可稱作為第二元件、組件、區域、層或部分而不脫離本發明之教示。
本文使用空間相對關係術語諸如"在...之下"、"在...下面"、"下部"、"在...上面"、"上部"及其類似表達，以容易地描述如圖中所說明之一個元件或特徵與另一元件或特徵之關係。應理解該等空間相對關係術語意欲包含除在圖中所描繪之方位外在使用中或運作中之裝置的不同方位。例如，若將圖中之裝置倒轉過來，則描述為在其它元件或特徵"下面"或"之下"之元件將位於其它元件或特徵"上面"。因此，例示性術語"在...下面"可包含在上面與在下面二個方位。亦可以其它方式將裝置定向(旋轉九十度或在其它方位)且本文使用之空間相對關係描述亦作相應解釋。
本文使用之術語目的僅為描述特定實施例且不意欲為本發明之限制。除非上下文另有清楚說明，本文使用單數形式"一"及"該"亦意欲包括複數形式。應進一步理解術語"包含"用於本說明書時，說明存在所述之特徵、整數、步驟、運作、元件及/或組件，但不排除存在或添加一或多個其它特徵、整數、步驟、運作、元件、組件及/或組群。
本文參考作為本發明之理想化實施例(及中間結構)之圖解說明之橫截面視圖描述本發明之實施例。同樣，預期(如)由於製造技術及/或容限之原因所說明之形狀可能有變化。因此，本發明之實施例不應被解釋為限於本文說明之特定區域形狀而應包括(如)由製造過程所引起之偏離。舉例而言，說明為矩形之植入區域通常在其邊緣具有圓整或彎曲之特徵及/或植入濃度之梯度，而非自植入區域至非植入區域之二元變化。類似地，由植入所形成之內埋區域可引起在內埋區域與植入發生之表面之間的區域中一些植入。因此，圖中說明之區域本質上係圖解性且其形狀不欲說明一裝置之區域之實際形狀且不欲限制本發明之範疇。
除非另有定義，本文使用之所有術語(包括技術及科學術語)具有與本發明所屬於的一般熟習此項技術者通常所理解相同的意義。應進一步理解術語(諸如在通常使用之字典中所定義者)應解釋為具有與相關技術之上下文中之意義相一致之意義，且不應解釋為理想化或過度正式之意義，除非本文中特別如此定義。
圖1為橫截面圖，展示一種根據本發明之一實施例製造多晶矽(poly－Si)薄膜的方法。圖2為平面圖，展示如圖1所示製造poly－Si薄膜之方法。圖3為展示如圖1所示之"A"部分之放大橫截面圖。
參看圖1至圖3，供製造poly－Si薄膜之裝置140包括一雷射單元10、一XY平臺20及一基板100。
雷射單元10產生一雷射束200以間歇性地將雷射束200照射在基板100上。在圖1至圖3所示之方法中，雷射單元10包含一準分子雷射，其具有各種特徵，諸如短波長、高輸出、高效率等。該準分子雷射可包含惰性氣體準分子雷射、惰性氣體鹵化物準分子雷射、汞鹵化物準分子雷射、惰性氣體氧化物準分子雷射或多原子準分子雷射。惰性氣體之實例包括Ar2 、Kr2 、Xe2 等。惰性氣體鹵化物之實例包括ArF、ArCl、KrF、KrCl、XeF、XeCl等。汞鹵化物之實例包括HgCl、HgBr、HgI等。惰性氣體氧化物之實例包括ArO、KrO、XeO等。多原子材料之實例包括Kr2 F、Xe2 F等。
自雷射單元10產生之雷射束200之波長為約200 nm至約400 nm。在圖1至圖3所示之方法中，自雷射單元10產生之雷射束200之波長為約250 nm至約308 nm。雷射束200之頻率為約300 Hz至約6,000 Hz。在圖1至圖3所示之方法中，雷射束200之頻率為約4,000 Hz至約6,000 Hz。
XY平臺20支撐基板100，且反覆將基板100在相對於該基板100之第一方向移動第一間隔。在圖1至圖3所示之方法中，XY平臺20將基板100自右傳送至左，且XY平臺20在與相對於基板100大體垂直於第二方向之第一方向上移動第一間隔。
當XY平臺20傳送基板100時，自雷射單元l0產生之雷射束200自基板100之第一末端部分102至基板100之第二末端部分104照射在基板100上。與基板100之右側相鄰之第二末端部分104與與基板100之左側相鄰之第一末端部分102相對。或者，XY平臺20可將基板100自左傳送到右，且XY平臺20可在第一方向上移動第一間隔。
基板100定位於XY平臺20上，且包含一透明基板110、一氧化物層120及一非晶矽(a－Si)薄膜130。在圖1至圖3所示之方法中，基板100之尺寸為約470 mm×360 mm。
透明基板110定位於XY平臺20上。透明基板110包含玻璃或石英以透光。氧化物層120提供在透明基板110上，且改良透明基板110與a－Si薄膜130之間之介面特徵。a－Si薄膜130藉由化學氣相沉積(CVD)方法沉積於氧化物層120上。a－Si薄膜130包含非晶矽。
自雷射10產生之雷射束200照射在該a－Si薄膜130上使得a－Si薄膜130迅速熔融。在圖1至圖3中，雷射束200所照射之a－Si薄膜130充分熔融，同時雷射束200所沒有照射之a－Si薄膜130之剩餘部分保持固態。熔融之a－Si薄膜130由固相結晶法迅速結晶以形成多晶矽(poly－Si)薄膜140。
圖4A至4F為橫截面圖，其展示圖2所示之poly－Si之生長。詳言之，圖4A為橫截面圖，其展示該a－Si薄膜之部分之第一液化過程。
參看圖4A，在基板100上所提供之a－Si薄膜130上製備產生雷射束200之雷射單元10。基板100定位於XY平臺20上。雷射束200可具有諸如橢圓形、四邊形等雷射束形狀。雷射束200之雷射束形狀之第一寬度比雷射束200之雷射束形狀之第二寬度短。雷射束200之雷射束形狀之第二寬度可大體與基板100之邊長相等。在圖4A中，雷射束200之雷射束形狀之第一寬度大於由基板100之每次傳送所形成之單元poly－Si晶體的寬度的兩倍。
自雷射單元10產生之雷射束200首次照射在與基板之第一末端部分102相鄰之a－Si薄膜130之一部分上以首次液化a－Si薄膜130之該部分，藉此形成液化矽區域134。意即，a－Si薄膜130之相由非晶固相轉變為液相。雷射束200所首次照射之a－Si薄膜130之部分充分液化。a－Si薄膜130之剩餘部分保持非晶固相。
在圖4A中，雷射束200之單元發射(unit shot)之強度足夠充分液化a－Si薄膜130。或者，雷射束200之單元發射之強度可小於供液化a－Si薄膜130之強度，且複數個雷射束200之發射可照射在a－Si薄膜130之該部分上以充分液化該a－Si薄膜130。
圖4B為一橫截面圖，其展示與首次液化之矽區域之側相鄰之晶體生長。
參看圖4B，首次液化之矽區域134首次自首次液化之矽區域134之側上經由固相結晶法結晶。與作為a－Si薄膜132之剩餘部分與首此液化之矽區域134之介面之側相鄰的首次結晶之poly－Si 142充當晶體生長之核。意即，a－Si薄膜132之剩餘部分充當晶體生長之核，使得液化矽區域134自首次液化之矽區域134之側向首次液化之矽區域134之中心由約為雷射束200之雷射束形狀之第一寬度的一半之橫向生長寬度首次結晶。在圖4B中，該橫向生長寬度為約1 μm至約5 μm。舉例而言，該橫向生長寬度為約2 μm至約4μm。
圖4C為橫截面圖，其展示一在首次結晶之poly－Si中心之突出部分。
參看圖4C，當首次液化之矽區域134之首次結晶完成時，在首次結晶之poly－Si 142中心上形成突出部分146。自側面之橫向生長在首次結晶之poly－Si 142中心處相遇。突出部分146之電遷移率比首次結晶之poly－Si 142之剩餘部分低。為使poly－Si薄膜之電遷移率更均勻，由以下方法移除突出部分146。
圖4D為橫截面圖，其展示與首次液化之矽區域相鄰之a－Si薄膜之另一部分之第二次液化。
參看圖4D，雷射單元10自第一末端部分102向第二末端部分104移動第一間隔。自雷射單元10產生之雷射束200第二次照射在a－Si薄膜130之部分上、首次結晶之poly－Si 142之部分上及與基板100之第一末端部分102相鄰之第一突出部分146上。雷射束200之照射第二次液化a－Si薄膜130之部分、首次結晶之poly－Si 142之部分及第一突出部分146以形成第二次液化之矽區域134'。雷射束200第二次所照射之a－Si薄膜130之部分充分液化。第一突出部分146之熔融引起首次結晶之poly－Si 142之表面平坦化，藉此而消除突出部分146。在圖4D中，第一間隔大於首次結晶之poly－Si 132之寬度的一半。
圖4E為橫截面圖，其展示與第二次液化之矽區域134'之側面相鄰之晶體生長。
參看圖4E，第二次液化之矽區域134'自第二次液化之矽區域134'之側面經由固相結晶法而第二次結晶。與作為首次結晶之poly－Si 142之剩餘部分與第二次液化之矽區域134'間之介面及a－Si薄膜132之剩餘部分與第二次液化之矽區域134'之間之介面之側面相鄰的第二次結晶之poly－Si 142'充當晶體生長的核。意即，沿第一側面，晶體生長自首次結晶之poly－Si 142形成從而使得第二次液化之矽區域134'自首次結晶之poly－Si 142之剩餘部分與第二次液化之矽區域134'之間之介面處第二次結晶。沿與第一側面相對之第二側面，a－Si薄膜132充當晶體生長之核，從而使得第二次液化之矽區域134'自a－Si薄膜132之剩餘部分與第二次液化之矽區域134'之間之介面處由一橫向生長寬度而第二次結晶，該橫向生長寬度約為雷射束200之雷射束形狀之第一寬度的一半。
圖4F為橫截面圖，其展示在第二次液化之矽區域中心處之突出部分。
參看圖4F，第二次液化之矽區域134'之第二次結晶完成時，在第二次結晶之poly－Si 142'上形成第二突出部分146'。
再次轉換雷射單元10將雷射束200照射在a－Si薄膜130之一部分、第二次結晶之poly－Si(未圖示)之一部分及第二突出部分146'上以第三次液化a－Si薄膜130之部分及第二次結晶之poly－Si 142'之部分以形成液化矽區域134，且消除第二突出部分146'。雷射束200第三次照射之a－Si薄膜130之部分充分液化。在基板100之表面上重複上述之方法以形成具有增高之電遷移率之poly－Si薄膜140。
圖5A至圖5C為平面圖，其展示如圖2所示之poly－Si之生長。詳言之，圖5A為平面圖，其展示由雷射束之首次照射所形成之poly－Si薄膜。
參看圖5A，由雷射單元10所產生之雷射束200照射在a－Si薄膜130之部分上。a－Si薄膜130之部分迅速液化以形成液化矽區域134，且經由固相結晶法自液化矽區域134之側面結晶。
在該固相結晶中，在液化矽區域134之側面處之a－Si薄膜130充當晶體生長之核。首次結晶之poly－Si 142自該核生長以形成複數個矽晶粒143。由相鄰之矽晶粒143界定矽晶粒之邊界144。
當矽晶粒143經由固相結晶法生長時，在首次結晶之poly－Si 142之中心處形成第一突出部分146。在圖5A中，第一突出部分146在第二方向上延伸。
圖5B為平面圖，其展示由雷射束之第二次照射所形成之poly－Si薄膜。
參看圖4D及圖5B，雷射束10在第一方向上自第一末端部分102向第二末端部分104移動第一間隔D1。自雷射單元10所產生之雷射束200第二次照射在a－Si薄膜130之部分、首次結晶之poly－Si 142之部分及第一突出部分146上以第二次液化a－Si薄膜130之部分、首次結晶之poly－Si 142之部分及第一突出部分146，以形成第二次液化之矽區域且消除第一突出部分146。雷射束200第二次照射之a－Si薄膜130之部分充分液化。在圖4D及圖5B中，第一間隔D1不大於雷射束200之雷射束形狀之第一寬度的一半，其確保雷射束200充分液化由先前照射所形成的突出部分。舉例而言，雷射束200之第一間隔D1為約1 μm至約4 μm。
當雷射束200過度照射a－Si薄膜130時，a－Si薄膜與氧化物層120分開。為防止a－Si薄膜130之分開，在首次照射之雷射束與第二次照射之雷射束之間之重疊面積不大於約雷射束200之面積的90%。
當自雷射單元10產生之雷射束200第二次照射在a－Si薄膜130之部分、首次結晶之poly－Si 142之部分時，a－Si薄膜130之部分、首次結晶之poly－Si 142之部分及第一突出部分146第二次液化以形成第二次液化之矽區域134'。此外，藉由a－Si薄膜130之熔融消除第一突出部分146。a－Si薄膜130之部分位於雷射束200之右側，且首次結晶之poly－Si 142之部分位於雷射束200之左側。
第二次液化之區域134'自首次結晶之poly－Si 142之剩餘部分與第二次液化之矽區域134'之間之介面處第二次結晶，從而矽晶粒143向雷射束200之中心部分生長。此外，第二次液化之矽區域134'自a－Si薄膜132之剩餘部分與第二次液化之矽區域134'之間之介面處第二次結晶。當第二次液化之矽區域134'之第二次結晶完成時，沿雷射束200之中心在第二次結晶之poly－Si 142'上形成第二突出部分146'。
圖5C為平面圖，其展示由雷射束之第三次照射所形成之poly－Si薄膜。
參看圖5C，雷射單元10在第一方向上自第一末端部分102向第二末端部分104移動第二間隔D2。自雷射單元10所產生之雷射束200第三次照射在圖4D所示之a－Si薄膜130之一部分、第二次結晶之poly－Si 142'之一部分及第二突出部分146'上以第三次液化圖4D所示之a－Si薄膜130之部分、第二次結晶之poly－Si 142'之部分及第二突出部分146'以形成第三次液化之矽區域(未圖示)，且消除第二突出部分146'。雷射束200第三次照射之圖4D所示的a－Si薄膜130之部分充分液化。第二間隔D2不大於雷射束200之雷射束形狀之第一寬度的一半。在圖5C中，第二間隔D2大體上與第一間隔D1相等。
當自雷射單元10所產生之雷射束200第三次照射在圖4D所示之a－Si薄膜130之部分、第二次結晶之poly－Si 142'之部分上時，圖4D所示之a－Si薄膜130之部分、第二次結晶之poly－Si 142'之部分及第二突出部分146'第三次液化以形成第三次液化之矽區域(未圖示)。此外，消除了第二突出部分146'。圖4D所示之a－Si薄膜130之部分位於雷射束200之右側，且第二次結晶之poly－Si 142'之部分位於雷射束200之左側。第三次液化之矽區域(未圖示)自第二次結晶之poly－Si 142'之剩餘部分與第三次液化之矽區域(未圖示)之間之介面處第三次結晶，從而使得矽晶粒143向雷射束200之中心部分生長。此外，第三次液化之矽區域(未圖示)自圖4D所示之a－Si薄膜132之剩餘部分與第三次液化之矽區域(未圖示)之間之介面處第三次結晶。當第三次液化之矽區域(未圖示)之第三次結晶完成時，沿雷射束200之中心在第三次結晶之poly－Si 142"上形成第三突出部分146"。
重複產生及消除突出部分146、146'、146"，使得矽晶粒143在基板100之表面上在第一方向上生長。因此，形成具有增高之電遷移率之poly－Si薄膜140。
圖6為平面圖，其展示圖2所示之poly－Si薄膜。
參看圖6，poly－Si薄膜140包括矽晶粒143及矽晶粒邊界144。
矽晶粒143在第一方向上自基板之左側向右側延伸。矽晶粒邊界144亦在與矽晶粒143大體上平行之方向上延伸。電子可能不流過矽晶粒邊界144，使得poly－Si薄膜140在第一方向上之電遷移率大於poly－Si薄膜140在第二方向上之電遷移率。意即，電子或電洞可在矽晶粒邊界144處俘獲。
圖7為曲線圖，其展示雷射束之能量強度與位置之間的關係。該位置為在雷射束所照射之表面上一預定點的水平長度。圖8為展示圖7之"B"部分之曲線圖。
參看圖7及圖8，自雷射單元10產生之雷射束200之能量輪廓(energy profile)包括一水平部分220及兩個傾斜部分210。水平部分220具有大體上恆定的能量分佈。每一傾斜部分210具有傾斜的能量分佈。水平部分220在傾斜部分210之間。
雷射束200之射束形狀之第二寬度大體上與基板100之邊長度相等。舉例而言，當基板100之尺寸為約470 mm×360 mm時，雷射束200之射束形狀之第二寬度為約470 mm或約360 mm。
當雷射束200之雷射束形狀之第一寬度L小於約3 μm時，可能不能控制雷射束200。此外，當雷射束200之雷射束形狀之第一寬度L太寬時，液化矽區域134之寬度太寬而不能在矽晶粒中形成微晶。雷射束200之雷射束形狀之第一寬度L為約3 μm至約10 μm。
水平部分之能量強度為約400 mJ/cm2 至約1,000 mJ/cm2 。當水平部分之能量強度小於約400 mJ/cm2 時，雷射束200可能不能液化a－Si薄膜130。當水平部分之能量強度大於約1,000 mJ/cm2 時，雷射束200熔融a－Si薄膜130之過大部分，使得a－Si薄膜130可能與氧化物層120分離。
傾斜部分之傾度S不大於約10 μm。傾斜部分之傾度S不大於約3 μm。傾度S為在水平部分220之能量強度的約10%至水平部分220之能量強度的約90%之間的水平寬度。傾斜部分210之傾度S為雷射束200之能量強度與傾斜部分210之寬度的比率。在水平部分220之能量強度的約10%與水平部分220之能量強度的約90%之間判定傾度S。最大能量強度H對應於水平部分220之能量強度。當傾斜部分210之傾度S大於約10 μm時，雷射束200之能量強度的均勻性降低使得矽晶粒之生長可能惡化。
水平部分210之能量強度之變化F不大於水平部分210之最大能量強度222之約5%。意即，水平部分210之最大能量強度222與水平部分210之最小能量強度224之差值不大於約5%。當能量強度之變化F大於約5%時，雷射束200之能量強度之均勻性惡化，且微晶可能保留在液化矽區域內。
反覆將雷射束200照射在a－Si薄膜130上，且將其移動該間隔以形成具有增大尺寸之矽晶粒143的poly－Si薄膜140。
圖9A至圖9C為平面圖，其展示由根據本發明之另一實施例之製造薄膜的方法所形成之poly－Si的生長。圖9A至圖9C製造薄膜的方法與圖1至圖8中之方法除poly－Si之外大體上相同。因此，相同之指代數字可用於指圖1至圖8中所描述之相同或類似部分且省略關於以上元件之任何其它解釋。
圖9A為平面圖，其展示由雷射束之首次照射所形成之poly－Si薄膜。
參看圖9A，自一雷射單元10產生之雷射束200照射在一a－Si薄膜之部分(未圖示)上。在一基板上提供a－Si薄膜(未圖示)。a－Si薄膜之該部分(未圖示)迅速液化以形成一液化矽區域(未圖示)，且經由固相結晶法自該液化矽區域(未圖示)的側面結晶。雷射束200首次照射之a－Si薄膜(未圖示)之部分充分液化。
在該固相結晶中，液化矽區域(未圖示)之側面處之a－Si薄膜(未圖示)充當晶體生長之核。首次結晶之poly－Si 152自該核生長以形成複數個矽晶粒153。由相鄰之矽晶粒153界定矽晶粒邊界154。
當矽晶粒153經由固相結晶法生長時，在首次結晶之poly－Si 152的中心上形成一第一突出部分156。在圖9A中，第一突出部分156在第二方向上延伸。圖9B為平面圖，其展示由雷射束之第二次照射所形成之poly－Si薄膜。
參看圖9B，雷射單元10自基板之一第二末端部分向該基板之一第一末端部分移動第三間隔B1。當雷射單元10在圖2方向之相反方向上移動時，poly－Si晶體之尺寸可不均勻，且各方向之電子的遷移率亦可不均勻。自雷射單元10產生之雷射束200第二次照射在a－Si薄膜(未圖示)之一部分及首次結晶之poly－Si 152之一部分上以第二次液化該a－Si薄膜(未圖示)之部分及首次結晶之poly－Si 152之部分以形成第二次液化之矽區域(未圖示)。在該實施例中，第一突出部分保留下來。雷射束200第二次照射之a－Si薄膜(未圖示)之部分充分液化。在圖9B中，第三間隔B1大於雷射束200之雷射束形狀的第一寬度的一半。
當自雷射單元10產生之雷射束200第二次照射在a－Si薄膜(未圖示)之部分及首次結晶之poly－Si 152之部分上時，該a－Si薄膜(未圖示)之部分及首次結晶之poly－Si 152之部分第二次液化以形成第二次液化之矽區域(未圖示)。第一突出部分156並未消除。a－Si薄膜(未圖示)之部分位於雷射束200之一側面上，且首次結晶之poly－Si 152之部分位於雷射束200之相對側面上。雷射束200之該一側面與該相對側面對應於如圖1所示之角度所觀察之雷射束之左側與右側。
第二次液化之矽區域(未圖示)自首次結晶之poly－Si 152之剩餘部分與第二次液化之矽區域(未圖示)之間的介面處第二次結晶，使得矽晶粒153向雷射束200之中心部分生長。此外，第二次液化之矽區域(未圖示)自a－Si薄膜(未圖示)之剩餘部分與第二次液化之矽區域(未圖示)之間的介面處第二次結晶。當第二次液化之矽區域(未圖示)之第二次結晶完成時，沿雷射束200之中心在第二次結晶之poly－Si 152'上形成第二突出部分156'。在圖9B中，第二突出部分156'大體上與第一突出部分156平行。
圖9C為平面圖，其展示由雷射束之第三次照射所形成之poly－Si薄膜。
參看圖9C，雷射單元10自第二末端部分向第一末端部分移動第四間隔B2。自雷射單元10產生之雷射束200第三次照射在a－Si薄膜(未圖示)之一部分及第二次結晶之poly－Si 152'之一部分上以第三次液化該a－Si薄膜(未圖示)之部分及第二次結晶之poly－Si 152'之部分。此形成一第三次液化之矽區域(未圖示)，而第二突出部分156'保留下來。第四間隔B2大於雷射束200之射束形狀之第一寬度的一半。在圖9C中，第四間隔B2大體上與第三間隔B1相等。
當自雷射單元10產生之雷射束200第三次照射在a－Si薄膜(未圖示)之部分及第二次結晶之poly－Si 152'之部分上時，該a－Si薄膜(未圖示)之部分及第二次結晶之poly－Si 152'之部分第三次液化以形成一第三次液化之矽區域(未圖示)。
此外，第二突出部分156'並未消除。如圖1所示之角度觀察，a－Si薄膜(未圖示)之部分位於雷射束200之左側，且第二次結晶之poly－Si 152'之部分位於雷射束200之右側。第三次液化之矽區域(未圖示)自第二次結晶之poly－ Si 152'之剩餘部分與第三次液化之矽區域(未圖示)之間的介面處第三次結晶，使得矽晶粒153向雷射束200之中心部分生長。此外，第三次液化之矽區域(未圖示)自a－Si薄膜(未圖示)之剩餘部分與第三次液化之矽區域(未圖示)之間的介面處第三次結晶。當第三次液化之矽區域(未圖示)之第三次結晶完成時，沿雷射束200之中心在第三次結晶之poly－Si 152"上形成第三突出部分156"。在圖9C中，第一、第二與第三突出部分156、156'、156"大體上彼此平行。
雷射單元10移動大於雷射束200之雷射束形狀之第一寬度之一半的間隔，使得突出部分156、156'、156"在隨後之照射步驟中不液化。相應地，突出部分156、156'、156"並未消除。因此，減少了poly－Si薄膜150之製造時間。
圖10為平面圖，其展示由圖9A至圖9C所示之方法形成之poly－Si薄膜。
參看圖10，poly－Si薄膜150包括矽晶粒153、矽晶粒邊界154及圖9A至圖9C所示之突出部分156、156'、156"。
圖9A至圖9C所示之突出部分156、156'與156"大體上彼此平行。矽晶粒153在圖9A至圖9C所示之突出部分156、156'與156"之間延伸。一般而言，矽晶粒邊界154相對於突出部分156、156'及156"傾斜。此外，矽晶粒153亦在與poly－Si薄膜150之側面鄰近處形成。
包括突出部分156、156'及156"之poly－Si薄膜150比沒有突出部分之poly－Si薄膜提供更低之電遷移率。具有低電遷移率之poly－Si薄膜可用於P通道金屬氧化物半導體(PMOS)元件。
圖11為平面圖，其展示一種根據本發明之另一實施例製造poly－Si薄膜之方法。圖11之製造薄膜的方法與圖1至8中之方法除poly－Si薄膜之外大體上相同。因此，相同之指代數字可用於指代圖1至圖8中所描述之相同或類似部分且將省略關於以上元件之任何其它說明。
參看圖11，在一基板100上所形成之a－Si薄膜130上製備產生雷射束200之一雷射單元。基板100定位於一XY平臺20上。XY平臺20傳送並旋轉基板100。雷射束200可具有諸如橢圓形、四邊形等雷射束形狀。雷射束200之射束形狀之第一寬度比雷射束200之射束形狀之第二寬度短。雷射束200之射束形狀之第二寬度由圖1所示之雷射單元l0之一光學控制器(未圖示)控制。
如圖11所示之角度觀察，基板100包括與基板100之左側相鄰之一第一末端部分102、與基板100之右側相鄰之一第二末端部分104、與基板100之上側相鄰之一第三末端部分106及與基板100之下側相鄰之一第四末端部分108。雷射束200包括一第一雷射束200a及一第二雷射束200b。第一雷射束200a之雷射束形狀之第二寬度與各第一及第二末端部分102及104之邊長大體上相等。第二雷射束200b之雷射束形狀之第二寬度與第三及第四末端部分106及108之每一者的邊長大體上相等。
自雷射單元產生之第一雷射束200a照射在與基板之第一末端部分102相鄰之a－Si薄膜之一部分上以液化該a－Si薄膜之部分以形成液化矽區域。第一雷射束200a所照射之a－Si薄膜之部分充分液化。意即，a－Si薄膜之相由非晶固相轉變為液相。
該液化矽區域自該液化矽區域之側面經由固相結晶法結晶。意即，該a－Si之剩餘部分充當晶體生長之核，使得該液化矽區域自該a－Si之剩餘部分與該液化矽區域之間之介面向該液化矽區域中心由橫向生長而結晶。當該液化矽區域之首次結晶完成時，在結晶poly－Si之中心形成一突出部分。
反覆將雷射單元自第一末端部分102向第二末端部分104移動一間隔，且自該雷射單元所產生之雷射束200a反覆照射在a－Si薄膜之一部分、結晶poly－Si之一部分及突出部分上以充分液化a－Si薄膜之部分、結晶poly－Si之部分及突出部分以形成液化矽區域且消除突出部分。在圖11中，第一雷射束200a之間隔小於第一雷射束200a之雷射束形狀之第一寬度的一半。結晶poly－Si形成第一矽晶粒，且第一矽晶粒生長以形成第一poly－Si薄膜。第一poly－Si薄膜包括第一矽晶粒及第一矽晶粒邊界。第一矽晶粒及第一矽晶粒邊界在第一方向上延伸。
當第一poly－Si薄膜完成時，將XY平臺20旋轉約九十度使得基板100大約旋轉九十度。雷射束200之雷射束形狀之第二寬度自第一與第二末端部分102與104之每一者的長度轉變為第三與第四末端部分106與108之每一者的長度。意即，第一雷射束200a轉變為第二雷射束200b。
自雷射單元產生之第二雷射束200b照射在與基板100之第三末端部分106相鄰之第一poly－Si薄膜之部分上以充分液化第一poly－Si薄膜之部分，以形成液化矽區域。或者，第一poly－Si薄膜可部分熔融以形成部分液化之矽區域。然後該液化矽區域經由固相結晶法結晶，且形成在第一方向上延伸之一突出部分。反覆使雷射單元自第三末端部分106向第四末端部分108移動一間隔，且自雷射單元所產生之雷射束200b反覆照射在第一poly－Si薄膜之一部分、結晶poly－Si之一部分及一突出部分以充分液化a－Si薄膜之部分、結晶poly－Si之部分及突出部分，以形成液化矽區域且消除突出部分。在圖11中，第二雷射束200b之間隔大於第二雷射束200b之雷射束形狀之第一寬度的一半。第二雷射束200b之間隔可大體上與第一雷射束200a之間隔相等。
結晶poly－Si形成第二矽晶粒，且第二矽晶粒生長以形成第二poly－Si薄膜。第二poly－Si薄膜包括第二矽晶粒及第二矽晶粒邊界。在圖11中，由第一矽晶粒在第一方向上之生長形成第二矽晶粒，使得第二矽晶粒具有比第一矽晶粒更大之尺寸。
圖12A至12C為平面圖，其展示圖11所示之方法。
參看圖12A，第一雷射束200a反覆照射在a－Si薄膜上，且將其自第一末端部分102向第二末端部分104移動一間隔從而形成沒有突出部分之第一poly－Si薄膜140。第一poly－Si薄膜140包括第一矽晶粒143及在第一方向上延伸之第一矽晶粒邊界144。
參看圖12B，為在第二方向上生長矽晶粒143，自雷射單元產生之第二雷射束200b照射在與基板100之第三末端部分106相鄰之第一poly－Si薄膜140之部分上以充分液化第一poly－Si薄膜140之部分，從而形成液化矽區域。或者，第二雷射束200b所照射之第一poly－Si薄膜140之部分可部分液化以形成一部分液化之矽區域。由液化消除第一矽晶粒邊界144。因此，第一矽晶粒143在第二方向上生長以形成第二矽晶粒162。
參看圖12C，反覆將雷射單元自第三末端部分106向第四末端部分108移動一間隔"I"，且自雷射單元所產生之第二雷射束200b反覆照射在第一poly－Si薄膜140之部分上，使得第一矽晶粒143在相對於基板的一第二方向上反覆生長。因此，第二矽晶粒162具有比第一矽晶粒143更大之尺寸。或者，第二矽晶粒162可為偽單晶晶粒。
圖13為平面圖，其展示由圖11所示之方法形成之poly－Si薄膜。
參看圖13，第二poly－Si薄膜160包括第二矽晶粒162及第二矽晶粒邊界164。每一第二矽晶粒162在第一及第二方向上延伸。第二矽晶粒邊界164位於相鄰之第二矽晶粒162之間。在圖13中，第二矽晶粒邊界164具有大致為圓形之形狀。隨著第二矽晶粒162之尺寸增加，第二poly－Si薄膜160之電遷移率亦增高。
此外，隨第二矽晶粒162之尺寸增加，矽晶粒邊界164之密度減少以減少當關掉TFT時可能由矽晶粒邊界164形成之洩漏電流。
將基板100旋轉九十度，且將第一及第二雷射束200在第一及第二方向上照射a－Si薄膜130以使第二poly－Si晶粒162之尺寸最大化，藉此增高電遷移率。
圖14A至14D為橫截面圖，其展示根據一實施例之製造poly－Si薄膜之方法。詳言之，圖14A為橫截面圖，其展示一透明基板上之poly－Si圖案。
參看圖14a，在一透明基板310上形成一氧化物層320。在該氧化物層320上形成一a－Si薄膜。
使用一雷射束將該a－Si薄膜轉變為poly－Si薄膜。詳言之，在具有a－Si薄膜之透明基板310上製備一產生雷射束之雷射單元。該雷射束具有諸如橢圓形、四邊形等雷射束形狀。該雷射束之雷射束形狀之第二寬度大於該雷射束之雷射束形狀之第一寬度。該雷射束照射在與透明基板310之第一末端部分相鄰之a－Si薄膜之部分上以充分液化該a－Si薄膜之部分。或者，與透明基板310之第一末端部分相鄰之a－Si薄膜之部分可部分液化。矽晶粒經由固相結晶法在液化矽區域中結晶。反覆將雷射束照射在該a－Si薄膜上，且將其自透明基板310之第一末端部分移動至第二末端部分以形成一poly－Si薄膜。
該poly－Si薄膜經由諸如電漿蝕刻、濕式蝕刻等蝕刻方法部分蝕刻以形成poly－Si圖案330。
參看圖14B，在poly－Si圖案330上形成一第一絕緣層340以保護poly－Si圖案330。在圖14B中，第一絕緣層340經由一電漿增強化學氣相沉積(PECVD)方法而形成。
在第一絕緣層340上形成一閘電極G。在圖14B中，閘電極G位於poly－Si圖案330之中心。詳言之，在第一絕緣層340上沉積一金屬，且將其部分蝕刻以形成閘電極G。
參看圖14C，在閘電極G及第一絕緣層340上形成一第二絕緣層350。第二絕緣層350可經由一PECVD方法形成。第二絕緣層350之厚度大於預定之厚度以改良TFT 300之可信度及可靠性並防止串擾。在圖14C中，第二絕緣層350之厚度為大於約6,000。
第一及第二絕緣層340及350部分蝕刻以形成一第一接觸孔352及一第二接觸孔354。第一接觸孔352與閘電極G之右側相鄰，且第二接觸孔354與閘電極G之左側相鄰。第二接觸孔354與第一接觸孔352間隔開來。
參看圖14D，在第二絕緣層350上形成一源電極S及一汲電極D。該源電極S經由第一接觸孔352電連接至poly－Si圖案340，且該汲電極D經由第二接觸孔354電連接至poly－Si圖案340。
在具有源電極S及汲電極D之第二絕緣層350上形成一保護層360。部分蝕刻保護層360以形成一像素接觸孔362。在保護層360上形成一像素電極370。像素電極370係透明的。像素電極370經由像素接觸孔362電連接至汲電極D。
由雷射束形成具有高電遷移率之poly－Si圖案340以改良TFT 300之電學特性。
TFT 300為頂閘型TFT。或者，該TFT可為底閘型TFT，其具有一插入閘電極與源/汲電極間之poly－Si圖案。
根據本發明，將雷射束反覆照射在基板上，且將其自第一末端部分向第二末端部分移動以形成具有增大之晶粒尺寸及改良之電學特徵之poly－Si薄膜。
此外，控制雷射單元之移動間隔以控制poly－Si薄膜之製造時間。
可將雷射單元旋轉約九十度使得將雷射束首次及第二次照射在a－Si薄膜上。最大化矽晶粒之尺寸以增高電遷移率。
poly－Si圖案具有高電遷移率使得TFT具有改良之電學特徵。
雖然已描述本發明之例示性實施例，應理解本發明不應限於該等例示性實施例，相反可由一般熟習此項技術者在下文中所申請之本發明之精神及範疇內進行各種變更及修正。
10．．．雷射單元
20．．．XY平臺
100．．．基板
102．．．第一末端部分
104．．．第二末端部分
106．．．第三末端部分
108．．．第四末端部分
110．．．透明基板
120．．．氧化物層
130．．．非晶矽薄膜
132．．．非晶矽薄膜
134．．．首次液化之矽區域
134'．．．第二次液化之矽區域
140．．．第一多晶矽薄膜
142．．．首次結晶之多晶矽
142'．．．第二次結晶之多晶矽
142"．．．．第三次結晶之多晶矽
143．．．第一矽晶粒
144．．．第一矽晶粒邊界
146．．．第一突出部分
146'．．．第二突出部分
146"．．．第三突出部分
150．．．多晶矽薄膜
152．．．首次結晶之多晶矽
152'．．．第二次結晶之多晶矽
152"．．．第三次結晶之多晶矽
153．．．矽晶粒
154．．．矽晶粒邊界
156．．．第一突出部分
156'．．．第二突出部分
156"．．．第三突出部分
160．．．第二多晶矽薄膜
162．．．第二矽晶粒
164．．．第二矽晶粒邊界
200．．．雷射束
200a．．．第一雷射束
200b．．．第二雷射束
210．．．傾斜部分
220．．．水平部分
222．．．最大能量強度
224．．．最小能量強度
310．．．透明基板
320．．．氧化物層
330．．．多晶矽圖案
340．．．第一絕緣層
350．．．第二絕緣層
352．．．第一接觸孔
354．．．第二接觸孔
360．．．保護層
362．．．像素接觸孔
370．．．像素電極
圖1為橫截面圖，其展示一種根據本發明之一實施例製造多晶矽(poly－Si)薄膜的方法。
圖2為平面圖，其展示圖1所示製造poly－Si薄膜之方法。
圖3為放大之橫截面圖，其展示圖1所示之‘A’部分。
圖4A至4F為橫截面圖，其展示圖2所示之poly－Si之生長。
圖5A至5C為平面圖，其展示圖2所示之poly－Si之生長。
圖6為平面圖，其展示圖2所示之poly－Si薄膜。
圖7為曲線圖，其展示雷射束強度與位置之間的關係。
圖8為曲線圖，其展示圖7之‘B’部分。
圖9A至9C為平面圖，其展示藉由根據本發明之另一實施例製造薄膜的方法所形成之poly－Si的生長。
圖10為平面圖，其展示由圖9A至圖9C所示之方法形成之poly－Si薄膜。
圖11為平面圖，其展示一種根據本發明之另一實施例製造poly－Si薄膜的方法。
圖12A至圖12C為平面圖，其展示圖11所示之方法。
圖13為平面圖，其展示由圖11所示之方法形成之poly－Si薄膜。
圖14A至圖14D為橫截面圖，其展示一種根據本發明之另一實施例製造poly－Si薄膜的方法。
100．．．基板
110．．．透明基板
120．．．氧化物層
130．．．非晶矽薄膜
140．．．多晶矽薄膜
200．．．雷射束

Claims (25)

  1. 一種製造一多晶矽薄膜之方法，其包含：將一雷射束照射在一非晶矽薄膜之一第一部分上以液化該非晶矽薄膜之該第一部分，該非晶矽薄膜之該第一部分係在一基板之一第一末端部分上；使該液化矽結晶以形成矽晶粒；將該雷射束在一第一方向上自該基板之該第一末端部分向與該第一末端部分相對之一第二末端部分移動一間隔；將該雷射束照射在與該等矽晶粒相鄰之該非晶矽薄膜之一第二部分上以形成一第一多晶矽薄膜；在形成該第一多晶矽薄膜之後將該基板旋轉一預定角度；在大體與該第一方向垂直之一第二方向上將該雷射束自該基板之該第一與該第二末端部分之間之一第三末端部分向與該第三末端部分相對之該基板之一第四末端部分移動一間隔；及將該雷射束照射在該第一多晶矽薄膜之一第三部分上以增加在該第二方向上之該等矽晶粒的尺寸。
  2. 如請求項1之方法，其中照射該雷射使得該等矽晶粒之每一者之尺寸在該第一方向上大於在與該第一方向大體垂直之一第二方向上之尺寸。
  3. 如請求項1之方法，其中該雷射束具有一雷射束形狀，其包括大體上與該第一方向平行之一第一寬度及大體上 與一第二方向平行之一第二寬度，該第二方向大體與該第一方向垂直，該第二寬度大於該第一寬度。
  4. 如請求項3之方法，其中該雷射束之該雷射束形狀之該第二寬度大體上與該基板之一邊長相等。
  5. 如請求項3之方法，其中該雷射束之該雷射束形狀之該第一寬度為3 μm至10 μm。
  6. 如請求項3之方法，其中該雷射束之該間隔不大於該雷射束之該雷射束形狀之該第一寬度的一半。
  7. 如請求項3之方法，其中該雷射束之該間隔大於該雷射束之該雷射束形狀之該第一寬度的一半，且不大於該雷射束之該雷射束形狀的該第一寬度。
  8. 如請求項3之方法，其中該間隔在第該一方向上為1 μm至4 μm。
  9. 如請求項3之方法，其中該雷射束之一能量輪廓包含具有一傾斜能量分佈之兩個傾斜部分及一插入在該等傾斜部分之間之水平部分，且該水平部分包含一恆定能量分佈。
  10. 如請求項9之方法，其中該水平部分之一能量強度為400 mJ/cm2 至1,000 mJ/cm2 。
  11. 如請求項9之方法，其中該等傾斜部分之每一者之寬度為不大於10 μm。
  12. 如請求項9之方法，其中該水平部分之一能量強度之變化為不大於該水平部分之最大能量強度的5%。
  13. 如請求項1之方法，其中在移動前之該雷射束之照射與 在移動後之該雷射束之照射之間的重疊面積不大於每一雷射束之面積的90%。
  14. 如請求項1之方法，其中該雷射束自一準分子雷射產生。
  15. 如請求項1之方法，其中該雷射束之波長為200 nm至400 nm。
  16. 如請求項1之方法，其中該雷射束之頻率為300 Hz至6,000 Hz。
  17. 如請求項1之方法，其中該雷射束包含一供液化該非晶矽薄膜之預定能量強度。
  18. 如請求項17之方法，其中該非晶矽薄膜由該雷射束之一個脈衝液化。
  19. 如請求項1之方法，其中該雷射束所照射之該第一多晶矽薄膜之該第三部分充分液化。
  20. 一種製造一薄膜電晶體之方法，其包含：在一基板上形成一非晶矽薄膜；將一雷射束照射在該非晶矽薄膜上以將該非晶矽薄膜轉變為一多晶矽薄膜；部分蝕刻該多晶矽薄膜以形成一多晶矽圖案；在具有該多晶矽圖案之該基板上形成一第一絕緣層以保護該多晶矽圖案；在對應於該多晶矽圖案之該第一絕緣層上形成一閘電極；在該第一絕緣層及該閘電極上形成一第二絕緣層； 部分蝕刻該第一及該第二絕緣層以形成接觸孔；及在該第二絕緣層上形成一源電極及一汲電極，該源電極與該汲電極間隔開來，該源電極與該汲電極分別經由該等接觸孔電連接至該多晶矽圖案，其中該將該雷射束照射在該非晶矽薄膜上之步驟進一步包含：在形成該第一多晶矽薄膜之後將該基板旋轉一預定角度；在大體與該第一方向垂直之一第二方向上將該雷射束自該基板之該第一與該第二末端部分之間之一第三末端部分向與該第三末端部分相對之該基板之一第四末端部分移動一間隔；及將該雷射束照射在該多晶矽薄膜之一部分上以增加在該第二方向上之該等矽晶粒之尺寸。
  21. 如請求項20之方法，其中該將該雷射束照射在該非晶矽薄膜上之步驟包含：將該雷射束照射在該非晶矽薄膜之一第一部分上以液化該非晶矽薄膜之該第一部分，該非晶矽薄膜之該第一部分在一基板之一第一末端部分上；使該液化矽結晶以形成矽晶粒；在一第一方向上將該雷射束自該基板之該第一末端部分向與該第一末端部分相對之該基板之一第二末端部分移動一間隔；及將該雷射束照射在與該等矽晶粒相鄰之該非晶矽薄膜 的一第二部分上以形成該多晶矽薄膜。
  22. 如請求項20之方法，其中該旋轉該基板之步驟包含：將該基板旋轉九十度；及將該雷射束之寬度自對應於該第一末端部分之一邊長轉變為對應於該第三末端部分之一邊長。
  23. 如請求項21之方法，其中該照射該雷射束之步驟包含在相對於該基板大體上與該第一方向垂直之一第二方向上傳送該基板，且該移動該雷射束之步驟包含將該基板在該第一方向上移動該間隔。
  24. 如請求項21之方法，其中該雷射束具有之雷射束形狀包括大體上與該第一方向平行之一第一寬度及大體上與一第二方向平行之一第二寬度，該第二方向大體上與該第一方向垂直，該第二寬度大於該第一寬度。
  25. 如請求項21之方法，其中該雷射束所照射之該非晶矽薄膜之該部分充分液化。
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