專利名稱：通過對相對于溝道區(qū)域的微結(jié)構(gòu)的自覺偏移提高多晶薄膜晶體管器件之間均勻性的方法
相關(guān)申請的交互引用本申請基于申請于2001年8月27日，系列號為60/315181的美國臨時專利申請，該申請因各種目的通過引用而結(jié)合在本文中，本申請并要求對該申請的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明
背景技術(shù)：
領域本發(fā)明涉及半導體工藝技術(shù)，更具體地涉及適用于制造薄膜晶體管(“TFT”)半導體器件的技術(shù)。
背景技術(shù)：
眾所周知，諸如硅薄膜的半導體薄膜被用于為液晶顯示器件和有機光發(fā)射二極管顯示器件提供像素。這樣的薄膜通常通過準分子激光退火法(“ELA”)加工，該方法中，無定形硅薄膜通過準分子激光的照射使其結(jié)晶。
大量的努力被投入到對“常規(guī)”的ELA(也被認作為線光束ELA)工藝的改進上，力圖提高置于經(jīng)加工的半導體薄膜上的TFT器件的性能。例如，授予Maegawa等人的專利號為5766989的美國專利敘述了該種形成多晶薄膜的ELA方法以及一種制造TFT的方法，該專利的全部發(fā)明通過引用而全文結(jié)合在本文中。該專利致力于解決襯底表面上器件性能的不均勻性問題，并為明顯抑制這樣的不均勻提供了一定的選擇。
但是，用于常規(guī)的ELA方法中的光束成形法的細節(jié)使減小半導體薄膜中的不均勻和提高這樣的薄膜的性能變得極端困難。例如，在低溫多晶硅(“LTPS”)工藝中，當晶粒的尺寸和TFT溝道區(qū)域的尺寸可比較時，很大程度上的器件之間的不均勻性就發(fā)生了。這是由于微結(jié)構(gòu)的隨機性，也就是晶粒和因此的晶粒邊界的隨機位置引起的。這樣的不均勻性，尤其是垂直于電流流動方向時，會起到電流屏障的作用。還有，當晶體管處于截止狀態(tài)時，載流子產(chǎn)生于晶粒邊界上，這些載流子貢獻于截止電流。尤其在晶粒邊界在漏-溝道結(jié)中或靠近該結(jié)的情況下更是如此。
因此，已經(jīng)認識到，為了保證TFT的關(guān)于周期性的以及位置上的均勻的工藝，就需要對微結(jié)構(gòu)進行控制。關(guān)于前者，薄膜應該均勻，表現(xiàn)出晶粒和因此的晶粒邊界的位置的周期性。對于后者，晶粒和因此的晶粒邊界的位置應受到控制，因此它們對電氣特性的貢獻對每個單個器件都相同。
在脈沖激光即準分子激光照射獲得LTPS薄膜的工藝中，對TFT微結(jié)構(gòu)的控制可以通過應用平版工藝誘導這樣的周期性而獲得。平版工藝的應用也解釋了為什么要位置控制，因為平版工藝要應用精確的對準程序。不幸的是，平版工藝的應用需要至少一個額外的工藝步驟，這樣反過來增加了復雜性因此而增加了成本。
或者，對TFT微結(jié)構(gòu)的控制可以通過應用連續(xù)的側(cè)向固化技術(shù)而得到。例如，在授予Im的美國專利6322635號以及被轉(zhuǎn)讓給本申請的共同受讓人的系列號為09/390537的美國專利申請(“537申請”)中，敘述了用能量可控激光脈沖和硅樣品的小規(guī)模轉(zhuǎn)變生長大晶粒多晶或單晶硅結(jié)構(gòu)以實施連續(xù)的側(cè)向固化的特別有利的設備和方法，該兩項專利或?qū)＠暾埖娜堪l(fā)明都通過引用而結(jié)合在本文中。如這些專利文件所述，在襯底上的半導體薄膜的至少一部分被用適當?shù)妮椛涿}沖照射以在其全部厚度上完全熔化薄膜的該部分。在該方式中，當熔化的半導體材料固化時，晶體結(jié)構(gòu)從該半導體薄膜的未經(jīng)歷完全熔化的經(jīng)選擇的區(qū)域生長入固化的部分。然后，激光束脈沖從形成晶體的區(qū)域稍許偏移地進行照射，這樣，晶粒結(jié)構(gòu)就從形成晶體的區(qū)域延伸進熔化的區(qū)域。
應用如圖1顯示的系統(tǒng)將無定形的硅薄膜樣品加工成單晶或多晶硅薄膜。通過產(chǎn)生多個有預先確定通量的準分子激光脈沖，可控制地調(diào)整準分子激光脈沖的通量，在預先確定的平面上使經(jīng)調(diào)整的激光脈沖均勻化，用掩模使經(jīng)均勻化的經(jīng)調(diào)整的激光脈沖形成帶有圖形的激光束，用該帶有圖形的激光束照射無定形硅薄膜樣品以實現(xiàn)該樣品的相應于該激光束的部分的熔化，以及可控制地相關(guān)于帶有圖形的激光束和經(jīng)相關(guān)于經(jīng)控制的調(diào)整轉(zhuǎn)變樣品，連續(xù)相對于帶有圖形的激光束轉(zhuǎn)變樣品，用有變化通量的帶有圖形的激光束在樣品上相應的相繼位置照射樣品，從而無定形的硅薄膜樣品被加工成單晶或多晶硅薄膜。
雖然圖1的系統(tǒng)在產(chǎn)生均勻的高質(zhì)量的，呈現(xiàn)周期性的多晶和單晶硅方面非常有利，從而解決常規(guī)的ELC技術(shù)固有的問題，但該技術(shù)并不能適當?shù)刈龅綄Я＿吔绲目刂?。例如，在最簡單的形式中，SLS需要兩個脈沖將無定形前體結(jié)晶成帶有部分周期性的LTPS薄膜，即如圖2a示意性顯示的兩次照射材料。僅在由長晶粒邊界210，220，230，240，250顯示的方向上有周期性，這些長晶粒邊界互相平行，并有一個伸向它們的突起。但是，短晶粒邊界的位置完全不受控制。平行的晶粒邊界之間的間隔可以增加，該材料就是通常所稱的n次照射材料。同樣，圖b顯示了一種被稱為四照射的材料，該材料中，晶粒邊界在兩個方向上都有周期性。還有，晶粒邊界之間的間隔可以增加，通常被稱為2n次照射的材料。
雖然SLS技術(shù)提供了周期性，但這樣的技術(shù)不能提供對晶粒邊界的位置的精確控制。參考圖2c-d，所產(chǎn)生的LTPS薄膜包括一個垂直于電流的長晶粒邊界的變數(shù)以及在TFT漏區(qū)域中或漏區(qū)域外有垂直的晶粒邊界的可能性。當晶粒尺寸增加和/或當溝道尺寸減小，即當晶粒尺寸變得和溝道尺寸可比較時，該兩個問題將更嚴重。雖然在授予Jung的美國專利6177301中提出一個相對于晶粒生長的方向偏移TFT溝道區(qū)域的建議，但該建議未考慮到在TFT微結(jié)構(gòu)中保持均勻性的潛在的需要。因此，對TFT制造技術(shù)存在一種需要，為了在TFT微結(jié)構(gòu)中提供均勻性，應對晶粒邊界的周期性和TFT的位置作出控制。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種TFT的制造技術(shù)，該技術(shù)為了在TFT微結(jié)構(gòu)中提供均勻性，對晶粒邊界的周期性和TFT的位置作出控制。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有在TFT微結(jié)構(gòu)中的均勻性的器件。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的這些和其他目的，隨著參考下文將闡述的其他揭示這些目的將變得愈加明顯，本發(fā)明提供了制作一種有均勻的微結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜晶體管的方法。一種示例的方法需要接納一個多晶硅薄膜，該薄膜具有在至少一個第一方向上有周期性的晶粒結(jié)構(gòu)，還需要在該接納的薄膜上放置一個或多個薄膜晶體管的至少一些部分，這樣，這些晶體管相對于所述薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜。多晶硅薄膜可以通過連續(xù)的側(cè)向固化工藝，即兩次照射連續(xù)側(cè)向固化工藝形成。
有利的是，所述一個或多個薄膜晶體管的部分可以是有寬度W的有源溝道區(qū)域。在薄膜的周期結(jié)構(gòu)為λ而m為可變的地方，間隔步驟包括將有源溝道區(qū)域放置在所接納的薄膜之上，這樣，它們相對于所述薄膜的所述周期性結(jié)構(gòu)傾斜θ角度，該處Wsin(θ)＝mλ。可變的m經(jīng)過選擇，因此在一個或多個薄膜晶體管的任何一個中晶粒邊界數(shù)相對保持受控，并最好約等于一個整數(shù)。
本發(fā)明也提供一種包括多晶硅薄膜晶體管的器件，該多晶硅薄膜晶體管由有均勻的微結(jié)構(gòu)。在一個示例實施例中，該器件包括有至少在一個第一方向是周期性的晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜以及一個或多個薄膜晶體管的至少一些部分，這些晶體管放置在薄膜上，因此它們相對于該薄膜的所述周期性結(jié)構(gòu)傾斜。
結(jié)合在本文中并構(gòu)成本發(fā)明的一部分的


了本發(fā)明的優(yōu)選實施例并用以解釋本發(fā)明的原理。
附圖簡述圖1是用于實施包括連續(xù)側(cè)向固化在內(nèi)的半導體工藝的先有技術(shù)系統(tǒng)的功能性示意圖；圖2a-b是顯示示例的用圖1的先有技術(shù)系統(tǒng)加工的硅樣本的說明性示意圖；圖2c-d是顯示先有技術(shù)的在圖2a中顯示的示例的經(jīng)加工的硅樣本上安排TFT的有源溝道區(qū)域的說明性示意圖；圖3a-b是顯示根據(jù)本發(fā)明的在圖2a中顯示的示例的經(jīng)加工的硅樣本上安排TFT的有源溝道區(qū)域的說明性示意圖；圖4a-b是顯示根據(jù)本發(fā)明的在圖2a中顯示的示例的經(jīng)加工的硅樣本上安排TFT的有源溝道區(qū)域的說明性示意圖；和圖5a-b是顯示根據(jù)本發(fā)明的在圖2a中顯示的示例的經(jīng)加工的硅樣本上安排TFT的有源溝道區(qū)域的說明性示意圖；在全部附圖中，除非另行指出，相同的參考數(shù)字和字符指出被說明實施例的相同的特征，元件，組成或部分。另外，雖然本文參考該附圖對本發(fā)明進行詳盡敘述，該敘述也通過聯(lián)系該說明性實施例進行。
較佳實施例的詳細描述繼續(xù)參考圖2a-b，圖中顯示了示例的用圖1的先有技術(shù)SLS系統(tǒng)加工的硅薄膜。具體地說，圖2a說明了通過用一個單準分子激光脈沖照射一個區(qū)域，微轉(zhuǎn)變該樣本，以及用一個第二準分子激光脈沖照射該區(qū)域加工的樣本。雖然下文對本發(fā)明的實例敘述將相關(guān)于作為一個實例的被稱為兩次照射的材料進行，本技術(shù)領域的熟練人士將理解的是，本發(fā)明可以被更廣泛地應用到用n次照射以及2n次照射的SLS技術(shù)加工的硅薄膜上。
根據(jù)本發(fā)明，TFT的有源溝道區(qū)域被故意相對于經(jīng)加工的薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜。這樣的傾斜可以通過在經(jīng)加工的薄膜上傾斜溝道區(qū)域本身的安排來完成，或者通過在SLS工藝期間制作一個包括一個傾斜的周期性晶粒結(jié)構(gòu)的薄膜來完成。也可以應用該兩種選擇的結(jié)合。
在經(jīng)加工的薄膜上放置TFT的精確的方法對本發(fā)明并不重要，在該方面可應用任何已知的技術(shù)。在授予Maegawa等人的美國專利5766989中敘述了一種示例的技術(shù)，該專利的內(nèi)容通過引用而結(jié)合在本文中。
當TFT的有源溝道區(qū)域被故意相對于經(jīng)加工的薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜時，垂直的或長晶粒邊界數(shù)的散布變得較少，導致了被提高的器件之間的均勻性。但根據(jù)本發(fā)明，傾斜角(θ)不應太大，如不能增加平行的或短的晶粒邊界的影響。理想的θ的值可以從方程(1)得到，在該方程中，W是溝道區(qū)域的寬度，λ是垂直的晶粒邊界之間的間隔，m數(shù)值上最好接近一個整數(shù)W*sin(θ)＝m*λ(1)為了測量TFT的性能N可以應用方程(2)，該方程中，L是溝道區(qū)域的長度，n是一個預先確定的比L*cos(θ)＝n*λ(2)在方程(2)中，比n的較低的值意指提高的性能。L經(jīng)常由工藝的設計規(guī)程限定，對所有的TFT都相等，通常在3到6微米的范圍內(nèi)。但W可以經(jīng)調(diào)整以符合TFT性能上的要求，通常在10到數(shù)百微米的范圍內(nèi)。垂直的晶粒邊界之間的間隔λ通常在2到10微米的范圍內(nèi)，但也可以小于或大于該值。
下面參考圖3a-b敘述本發(fā)明的第一實例。在該實例中，比率n＝1，m＝1，θ＝10度。如圖3a-b所示，不考慮TFT裝置的例如從圖3a中位置到圖3b中位置的任何變化，所有的裝置包含一個垂直晶粒邊界。
下面參考圖4a-b敘述本發(fā)明的第二實例。在該實例中，比率n＝0.5，m＝1，θ＝10度。如圖4a-b所示，溝道區(qū)域包括兩個部分，存在一個垂直的晶粒邊界的第一部分410和不存在垂直的晶粒邊界的第二部分420。
在后一個部分420中，器件表現(xiàn)出在全方向固化材料中的TFT的行為，該部分中載流子不受到晶粒邊界的阻礙。如圖4a-b所示，該兩個部分中的每個部分的相對貢獻對于器件的任何轉(zhuǎn)變，例如從圖4a所示的位置到圖4b所示的位置都再一次是不可改變的。
雖然圖3-4中顯示的實例被認為是理想的方案，其中m是一個整數(shù)，來自使用一個整數(shù)值的小的偏差可以根據(jù)本發(fā)明被使用。但是，該來自一個整數(shù)值的偏差必須經(jīng)選擇，這樣，在任何給定的TFT中的晶粒邊界數(shù)相對保持受控。
下面參考圖5a-b敘述本發(fā)明的另一個實例。在圖5a中，比值n＝2.1，m＝1，θ＝10度；在圖5b中，比值n＝2.1，m＝0.5，θ＝5度。如圖5a-b中所示，對于θ的理想值，晶粒邊界數(shù)再次對于器件的任何轉(zhuǎn)變都不可變。但是當θ偏移該值時，各種轉(zhuǎn)變在增加方向上改變了晶粒邊界數(shù)。當n等于或非常接近一個整數(shù)時，晶粒邊界數(shù)基本上對于θ的各個變化都是不變的。當然，它應該超過一個一定值，以保證在漏區(qū)域中的一部分垂直的晶粒對于各種轉(zhuǎn)變也是不變的。
上文僅說明了本發(fā)明的原理。對于在本領域熟練的人士而言根據(jù)本文的學說對所敘述的實施例進行各種修改和變動將是顯而易見的。因此可以理解的是，在本領域熟練的人士將能夠設計出為數(shù)眾多的系統(tǒng)和方法，這些方法雖然沒有在本文中明確地顯示或敘述，但是能實施本發(fā)明的原理，因此是在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種制作一種包括兩個或多個有基本均勻微結(jié)構(gòu)的薄膜晶體管的器件的方法，其特征在于，包括步驟(a)接納一個有一個晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個第一方向上是周期性的；和(b)在所述接納的薄膜上放置兩個或多個薄膜晶體管中的至少一些部分，該接納的薄膜相對于所述薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜一個角度，因此在所述部分的任何一部分中長晶粒邊界數(shù)基本保持均勻。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述接納步驟包括接納一個通過一個連續(xù)側(cè)向固化工藝形成的多晶硅薄膜的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述兩個或多個薄膜晶體管的所述部分包括有一個寬度W的有源溝道區(qū)域。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，其中所述薄膜的所述周期結(jié)構(gòu)是λ，m是一個變量，所述放置步驟包括在所述接納的薄膜上放置所述有源溝道區(qū)域的步驟，因此所述有源溝道區(qū)域相對于所述薄膜的所述周期結(jié)構(gòu)傾斜一個角度θ，其中W sin(θ)＝mλ。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，其中m基本上等于一個整數(shù)。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，其中m等于一個整數(shù)。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，其中m等于整數(shù)1。
8.一種制作一種包括薄膜晶體管的器件的方法，其特征在于，包括步驟(a)接納一個有一個晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個第一方向上是一個數(shù)量λ的周期性的；和(b)在所述接納的薄膜上放置一個或多個薄膜晶體管中的至少一些部分，該薄膜晶體管有一個寬度W，該接納的薄膜相對于所述薄膜的所述周期性結(jié)構(gòu)λ傾斜一個角度θ，這樣W sin(θ)＝mλ，其中m基本上等于一個整數(shù)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述接納步驟包括接納一個通過一個連續(xù)側(cè)向固化工藝形成的多晶硅薄膜的步驟。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，其中所述一個或多個薄膜晶體管的所述部分包括有一個寬度W的有源溝道區(qū)域。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其中m等于一個整數(shù)。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，其中m等于整數(shù)1。
13.一種包括兩個或多個有基本均勻微結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜晶體管的器件，該器件包括(a)一個有一個晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個第一方向上是周期性的；和(b)放置在所述接納的薄膜上的至少兩個或多個薄膜晶體管部分，每一個相對于所述薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜一個角度，因此在所述部分的任何一部分中長晶粒邊界數(shù)基本保持均勻。
14.如權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，其中所述多晶硅薄膜包括通過連續(xù)的側(cè)向固化工藝形成的薄膜。
15.如權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，其中所述兩個或多個薄膜晶體管的所述部分包括有一個寬度W的有源溝道區(qū)域。
16.如權(quán)利要求13所述的器件，其特征在于，其中所述薄膜的所述周期結(jié)構(gòu)是λ，m是一個變量，所述有源溝道區(qū)域相對于所述薄膜的所述周期結(jié)構(gòu)傾斜一個角度θ，其中W sin(θ)＝mλ。
17.如權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于，其中m基本上等于一個整數(shù)。
18.如權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于，其中m等于一個整數(shù)。
19.如權(quán)利要求16所述的器件，其特征在于，其中m等于整數(shù)1。
全文摘要
制作一種有均勻微結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜晶體管的方法。一種示例的方法要求接納一個有晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個第一方向上是周期性的，并且在接納的薄膜上放置一個或多個薄膜晶體管的至少一些部分(410，420)，因此它們相對于該薄膜的周期性結(jié)構(gòu)傾斜。
文檔編號C30B29/06GK1547626SQ02816797
公開日2004年11月17日 申請日期2002年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月27日
發(fā)明者J·S·艾姆, P·C·范德維爾特, J S 艾姆, 范德維爾特 申請人:紐約市哥倫比亞大學托管會