TWI629381B - 半導體製造方法與半導體層 - Google Patents

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Abstract

一種半導體製造方法與半導體層在此揭露，其中半導體層包含第一結晶部分與第二結晶部分。第一結晶部分由熔融態或半熔融態之第一部分結晶形成，第二結晶部分由熔融態或半熔融態之第二部分結晶形成。第一結晶部分相鄰或部分重疊第二結晶部分。第一部分係透過閃光燈與第一光罩以第一能量照射而變為熔融態或半熔融態。第二部分係透過閃光燈、閃光燈與第一光罩或者閃光燈與第二光罩，以第二能量照射而變為熔融態或半熔融態。

Description

半導體製造方法與半導體層
本揭示內容是關於一種製造技術，且特別是關於一種半導體製造方法與半導體層。
為了結晶化半導體，一般而言考慮到基板的內受溫度，準分子雷射退火(Excimer Laser Annealing，ELA)的製程是目前較常採用的技術。然而，線掃描(Linear scanning)的準分子雷射退火受限於雷射光點的尺寸而無法一次處理大面積的區域，並且由於每一個雷射光點的功率不穩定，造成均勻性不佳而容易產生斑(Mura)的問題。因此，產能與基板的面積難以提高，生產成本居高不下之外，結晶品質與晶粒尺寸亦不理想。
為了提高用於製作半導體元件的結晶部分的結晶品質與晶粒尺寸，本揭示內容是提供一種半導體層，其包含第一結晶部分與第二結晶部分。第一結晶部分由熔融態(Fusion)或半熔融態(Semi-fusion)之第一部分結晶形成，第二結晶部分由熔融態或半熔融態之第二部分結晶形成。第一結晶部分相鄰或部分重疊第二結晶部分。第一部分係透過閃光燈(Flash lamp)與第一光罩以第一能量照射而變為熔融態或半熔融態。第二部分係透過閃光燈、閃光燈與第一光罩或者閃光燈與第二光罩，以第二能 量照射而變為熔融態或半熔融態。
於本揭示內容之一實施例中，其中第一結晶部分包含側向結晶部分，側向結晶部分從第一部分以外之鄰近部分開始結晶形成。
於本揭示內容之一實施例中，其中第二結晶部分包含側向結晶部分，側向結晶部分從第二部分以外之鄰近部分開始結晶形成。
於本揭示內容之一實施例中，其中第二部分係透過閃光燈以及第一光罩與半導體層之間的相對位置變化，以第二能量照射而變為熔融態或半熔融態。
於本揭示內容之一實施例中，其中第一結晶部分或第二結晶部分包含微結晶(Micro crystal)部分。
本揭示內容的另一態樣是提供一種半導體製造方法，包含以下步驟。利用閃光燈與第一光罩，以第一能量照射一半導體層之一第一部分，使第一部分變為熔融態或半熔融態；結晶化第一部分以形成第一結晶部分；利用閃光燈、閃光燈與第一光罩或者閃光燈與第二光罩，以第二能量照射半導體層之第二部分，使第二部分變為熔融態或半熔融態；結晶化第二部分以形成第二結晶部分。
於本揭示內容之一實施例中，其中結晶化第一部分以形成第一結晶部分包含：從第一部分以外之鄰近部分開始結晶化第一部分，其中第一結晶部分包含側向結晶部分。
於本揭示內容之一實施例中，其中結晶化第二部分以形成第二結晶部分包含：從第二部分以外之鄰近部分開始結晶化第二部分，其中第二結晶部分包含側向結晶部分。
於本揭示內容之一實施例中，其中利用閃光燈與第一光罩，以第二能量照射半導體層之第二部分包含：透過第一光罩與半導體層之間的相對位置變化，利用閃光燈以第二能量照射該半導體層之第二部分。
於本揭示內容之一實施例中，其中第一結晶部分或第二結晶部分包含微結晶部分。
綜上所述，本揭示內容除了可利用閃光燈搭配光罩照射而達成較大面積的結晶之外，結晶的品質亦較佳。具體而言，本揭示內容的半導體層結晶部分(例如第一結晶部分、第二結晶部分)內的晶粒的尺寸較大(例如微米(μm)等級)與較為一致的排列方式(例如側向結晶)，亦減少晶粒邊界的數量。此外，本揭示內容亦可達到同一材料的半導體層的不同部分具有不同的結晶特性，例如側向結晶、微結晶或是非結晶特性，以提高實驗元件電路的多樣性。
以下將以實施方式對上述之說明作詳細的描述，並對本揭示內容之技術方案提供更進一步的解釋。
讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：
100、200‧‧‧半導體層
110‧‧‧第一部分
120‧‧‧第二部分
130‧‧‧第一結晶部分
140‧‧‧第二結晶部分
150、180‧‧‧光罩
152、182‧‧‧不透光區域
160‧‧‧閃光燈
170‧‧‧基板
210‧‧‧待結晶區域
212、214、216、222、224、226‧‧‧區域
300‧‧‧半導體製造方法
S302~S308‧‧‧步驟
為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖示之說明如下：第1A圖係說明本揭示內容一實施例之半導體層之截面示意圖；第1B圖係說明本揭示內容一實施例之半導體層之截面示意圖；第1C圖係說明本揭示內容一實施例之半導體層之截面示意圖；第1D圖係說明本揭示內容一實施例之半導體層之截面示意圖；第1E圖係說明本揭示內容一實施例之半導體層之截面示意圖； 第2圖係說明本揭示內容一實施例之半導體層之上視示意圖；以及第3圖係說明本揭示內容一實施例之半導體製造方法流程圖。
為了使本揭示內容之敘述更加詳盡與完備，可參照附圖及以下所述之各種實施例。但所提供之實施例並非用以限制本發明所涵蓋的範圍；步驟的描述亦非用以限制其執行之順序，任何由重新組合，所產生具有均等功效的裝置，皆為本發明所涵蓋的範圍。
於實施方式與申請專利範圍中，除非內文中對於冠詞有所特別限定，否則「一」與「該」可泛指單一個或複數個。將進一步理解的是，本文中所使用之「包含」、「包括」、「具有」及相似詞彙，指明其所記載的特徵、區域、整數、步驟、操作、元件與/或組件，但不排除其所述或額外的其一個或多個其它特徵、區域、整數、步驟、操作、元件、組件，與/或其中之群組。
關於本文中所使用之「約」、「大約」或「大致約」一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較好地是約百分之十以內，而更佳地則是約百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如「約」、「大約」或「大致約」所表示的誤差或範圍。
此外，相對詞彙，如「下」或「底部」與「上」或「頂部」，用來描述文中在附圖中所示的一元件與另一元件之關係。相對詞彙是用來描述裝置在附圖中所描述之外的不同方位是可以被理解的。例如，如果一附圖中的裝置被翻轉，元件將會被描述原為位於其它元件之「下」側將被定向為位於其他元件之「上」側。例示性的詞彙「下」，根據附圖的特定方 位可以包含「下」和「上」兩種方位。
為了說明結晶化過程，請參考第1A~1E圖，其係說明本揭示內容一實施例之半導體層100之截面示意圖。如第1A圖所示，半導體層100形成於基板170上。於一實施例中，第1A圖的半導體層100為非結晶態(Amorphous)。由於第一光罩150的不透光(Opaque)區域152的阻擋，所以閃光燈(Flash lamp)160僅可照射到部分的半導體層100。於一實施例中，此時閃光燈160以第一能量照射半導體層100。
如第1B圖所示，半導體層100的第一部分110受到閃光燈160照射，因為吸收閃光燈160光線的第一能量而變為熔融(Fusion)態或半熔融(Semi-fusion)態。未受到閃光燈160照射的半導體層100第二部分120則未發生改變，而維持原先狀態(例如非結晶態)。
如第1C圖所示，閃光燈160停止照射，熔融態或半熔融態的第一部分110從鄰近部分(例如第二部分120)開始結晶化(如第1C圖的虛線箭頭所示)，以形成第一結晶部分130。於一實施例中，第一結晶部分130具有側向結晶(Lateral crystallization)特性。
如第1D圖所示，將第1A圖的第一光罩150更換為第二光罩180以進行閃光燈160的第二次照射。第二光罩180的不透光區域182相異於第一光罩150的不透光區域152，本實施例的第二光罩180的不透光區域182與第一光罩150的不透光區域152是例如設計為相對互補的區域，因此閃光燈160可透過第二光罩180的不透光區域182的阻擋而照射半導體層100的不同部分。於一實施例中，此時閃光燈160以第二能量照射半導體層100，其中第二能量與上述第一能量可相同或不同，以調整半導體結晶的遷移率 (Mobility)。
於本實施例中，半導體層100的第二部分120受到閃光燈160照射，因為吸收閃光燈160的第二能量而變為熔融態或半熔融態。於第二次照射過程中，未受到閃光燈160照射的半導體層100第一結晶部分130則未發生改變，而維持原先狀態(例如結晶態)。
如第1E圖所示，閃光燈160停止照射，熔融態或半熔融態的第二部分120從鄰近部分(例如第一結晶部分130)開始結晶化(如第1E圖的虛線箭頭所示)，以形成第二結晶部分140。於一實施例中，第二結晶部分140具有側向結晶特性。如上述，閃光燈160第二能量的照射能量可相同或不同於第一能量，因此形成的第一結晶部分130的遷移率與第二結晶部分140的遷移率相同或相異。舉例而言，若第一能量與第二能量相同，則第一結晶部分130的遷移率與第二結晶部分140的遷移率相同。若第一能量與第二能量不同，則第一結晶部分130的遷移率與第二結晶部分140的遷移率相異。
於另一實施例中，第1D~1E圖的閃光燈160第二次照射過程亦可繼續使用第一光罩150，並且移動第一光罩150或者移動基板170以產生第一光罩150與半導體層100的相對位置變化，進而使閃光燈160照射到不同於第1B圖中第一部分110的區域，以在半導體層100的不同部分形成結晶。
於另一實施例中，第1D~1E圖的閃光燈160第二次照射過程亦可使用全面透光的光罩或者移除第一光罩150，閃光燈160使用較弱的能量(例如相較於第一能量、第二能量弱的能量)照射半導體層100。此時半導體層100並不會變為熔融態或者半熔融態，而是重新排列晶格。如此一 來，半導體層100可具有較佳的遷移率。
於一實施例中，半導體層100透過閃光燈160的兩次照射與結晶化過程即可達成待結晶區域的完全結晶。
如此一來，相較於準分子雷射退火(Excimer Laser Annealing，ELA)，本揭示內容除了可利用閃光燈160搭配光罩照射而達成較大面積的結晶之外，結晶的品質亦較佳。具體而言，本揭示內容的半導體層100結晶部分(例如第一結晶部分130、第二結晶部分140)內的晶粒(Crystal grain)的尺寸較大(例如微米(μm)等級)與較為一致的排列方式(例如側向結晶)，亦減少晶粒邊界(Grain boundary)的數量。此外，本揭示內容亦可達到同一材料的半導體層100的不同部分具有不同的結晶特性，例如側向結晶、微結晶或是非結晶特性，以提高實驗元件電路的多樣性。
於閃光燈160的照射面積大於半導體層100的待結晶區域的情況下，可透過更換光罩(例如第一光罩150、第二光罩180)、位移光罩或位移基板170(亦即位移半導體層100)以及閃光燈160的兩次照射，而達成完全側向結晶的目的。於另一實施例中，透過光罩的不同設計，半導體層100於閃光燈160照射之後具有非結晶態且/或微結晶(Micro crystal)態的特定區域。
另一方面，如第2圖所示，於閃光燈160的照射面積小於半導體層200的待結晶區域210的情況下，以閃光燈160的照射區域作為最大單位，將待結晶區域210劃分為區域212、214、216、……等第一小區，並使用第一光罩150搭配閃光燈160進行半導體層200的照射。上述任一第一小區 可與其他第一小區重疊(例如區域214、216)，並且允許某一第一小區(例如區域212)與其他第一小區均無重疊。接著，同樣以閃光燈160的照射區域作為最大單位，將待結晶區域210劃分為區域222、224、226、……等第二小區，並使用第二光罩180搭配閃光燈160進行半導體層200的照射。上述任一第二小區可與其他第二小區重疊(例如區域224、226)，並且允許某一第二小區(例如區域222)與其他第二小區均無重疊。於一實施例中，區域222、224、226、……等第二小區可以是與區域212、214、216、……等第一小區相同或相異的區域。於一實施例中，區域222、224、226、……等第二小區的聯集(亦即所有第二小區的總合區域)可以與區域212、214、216、……等第一小區的聯集相同或相異。依此類推，視實際需求，亦可使用第三張以上的光罩，或者劃分待結晶區域210為第三組小區並進行第三次以上的照光，以達成待結晶區域210完全結晶的目的。
實作上，前述第一光罩150、第二光罩180可以是光罩、光柵或其他適合的遮光設備。上述光罩的設計可以是穿透式或反射式。上述光罩可以是半導體或面板產業所稱的光罩或是與其概念相當的光罩，亦可以是具有特定圖案的不透光或反光的裝置(或結構)。光罩的開口區形狀可以是條狀、三角形、四邊形或任意多邊形，並可依據待結晶區域210的材料與基板的熱傳導的差異進行調整。
於一實施例中，為了形成較佳結晶區域，上述開口區的中心到任何一邊的最短垂直距離須大於1微米(μm)，並且不大於100微米(亦即1微米(μm)<最短垂直距離≦100微米(μm))。於另一實施例中，開口區可大於或小於較佳結晶區域，使得半導體層200在結晶化過程中產生微 結晶狀態的結晶(例如微晶矽)。於一實施例中，光罩的開口區可以具有不同尺寸大小與形狀，使得結晶區域(例如側向結晶區域)具有不同結晶方向與晶粒大小。
舉例而言，半導體層100係由閃光燈160、遮光設備與試品平台構成的設備製作而成，並且平行於試品平台的平面定義為XY平面。遮光設備設置於閃光燈160至試品平台的光路上，以阻擋部分光線照射到試品平台上的基板170與半導體層100，並且遮光設備對於光路上的光線而言，至少具有50%的開口率。於一實施例中，遮光設備或試品平台當中至少有一者可以沿著X方向、Y方向或XY方向移動。於一實施例中，在閃光燈160到試品平台的光路可設置穿透式或反射式的透鏡以聚焦光線或者將光線轉為平行光。於一實施例中，在閃光燈160到試品平台的光路設置穿透式或反射式的透鏡以聚焦光線，遮光設備或試品平台可以沿著垂直於XY平面的方向移動。如此一來，無須利用傳統的光罩系統，亦可透過上述設備穩定地製作出全面性結晶的半導體圖樣，有效地降低生產成本。
於一實施例中，本揭示內容的半導體層100亦可以利用閃光燈160進行結晶的設備，並搭配利用準分子雷射(Excimer laser)、綠光雷射(Green laser)、或其他以光束形式進行結晶化的設備，以達到半導體層100全面性結晶的目的。如此一來，可與雷射結晶的製程整合，而進一步改善並提升產能與元件特性。
第3圖係說明本揭示內容一實施例之半導體製造方法300流程圖。半導體製造方法300具有多個步驟S302~S308，其可應用於如第1A圖~第1E圖、第2圖所述的半導體層100、200。然熟習本案之技藝者應瞭解 到，在本實施例中所提及的步驟，除特別敘明其順序者外，均可依實際需要調整其前後順序，甚至可同時或部分同時執行。具體實作方式如前揭示，此處不再重複敘述之。
於步驟S302，利用閃光燈與第一光罩，以第一能量照射半導體層之第一部分，使第一部分變為熔融態或半熔融態。
於步驟S304，結晶化第一部分以形成第一結晶部分。
於步驟S306，利用閃光燈、閃光燈與第一光罩或者閃光燈與第二光罩，以第二能量照射半導體層之第二部分，使第二部分變為熔融態或半熔融態。
於步驟S308，結晶化第二部分以形成第二結晶部分。
本揭示內容得以透過上述實施例，除了可利用閃光燈搭配光罩照射而達成較大面積的結晶之外，結晶的品質亦較佳。具體而言，本揭示內容的半導體層100結晶部分(例如第一結晶部分130、第二結晶部分140)內的晶粒的尺寸較大(例如微米(μm)等級)與較為一致的排列方式(例如側向結晶)，亦減少晶粒邊界的數量。此外，本揭示內容亦可達到同一材料的半導體層100的不同部分具有不同的結晶特性，例如側向結晶、微結晶或是非結晶特性，以提高實驗元件電路的多樣性。
雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視申請專利範圍所界定者為準。

Claims (8)

  1. 一種半導體製造方法，包含：利用一閃光燈與一第一光罩，以一第一能量照射一半導體層之一第一部分，使該第一部分變為一熔融態或一半熔融態；結晶化該第一部分以形成一第一結晶部分；以及利用該閃光燈透過一全面透光的光罩以一第二能量照射該半導體層，其中該第二能量弱於該第一能量，使該半導體層不會變為該熔融態或該半熔融態，而是重新排列晶格；以及結晶化該半導體層之一第二部分以形成一第二結晶部分，其中該第一結晶部分相鄰或部分重疊該第二結晶部分。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體製造方法，其中結晶化該第一部分以形成該第一結晶部分包含：從該第一部分以外之一鄰近部分開始結晶化該第一部分，其中該第一結晶部分包含一側向結晶部分。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之半導體製造方法，其中結晶化該第二部分以形成該第二結晶部分包含：從該第二部分以外之一鄰近部分開始結晶化該第二部分，其中該第二結晶部分包含一側向結晶部分。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之半導體製造方法，其中該第一結晶部分或該第二結晶部分包含一微結晶部分。
  5. 一種半導體層，包含：一第一結晶部分，由一熔融態或一半熔融態之一第一部分結晶形成；以及一第二結晶部分，由重新排列晶格之一第二部分結晶形成；其中該第一結晶部分相鄰或部分重疊該第二結晶部分，該第一部分係透過一閃光燈與一第一光罩以一第一能量照射而變為該熔融態或該半熔融態，該第二部分藉由該閃光燈透過一全面透光的光罩以一第二能量照射該半導體層而重新排列晶格且不會變為該熔融態或該半熔融態，其中該第二能量弱於該第一能量。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體層，其中該第一結晶部分包含一側向結晶部分，該側向結晶部分從該第一部分以外之一鄰近部分開始結晶形成。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之半導體層，其中該第二結晶部分包含一側向結晶部分，該側向結晶部分從該第二部分以外之一鄰近部分開始結晶形成。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之半導體層，其中該第一結晶部分或該第二結晶部分包含一微結晶部分。
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