專利名稱：單晶硅膜的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體薄膜的制造方法，更詳細(xì)說就是涉及激光照射(irradiation)和在被激光照射的具有半導(dǎo)體薄膜的基板上從非晶體或多晶體的薄膜上在希望的位置以希望的尺寸能得到單晶薄膜的單晶硅膜的制造方法。
背景技術(shù)：
一般來說利用使用了LCD和有機EL材料的OLED等的核心開關(guān)元件的薄膜晶體管(Thin Film Transistor、以后叫做TFT)是所述平板顯示器(FlatPanel Display以后叫做FPD)性能中最重要的半導(dǎo)體裝置。
作為判斷TFT性能的基準(zhǔn)的移動度(mobility)和漏電電流(leakagecurrent)等是由電荷運送體移動路徑的活性層(active layet)材料的硅(Si)薄膜具有何種狀態(tài)(state)或何種結(jié)構(gòu)(structure)而決定尺寸的。在現(xiàn)在被商用化的LCD情況下，大部分TFT的活性層是非晶硅(amorphous Si、a-Si)薄膜。
利用了a-Si的a-Si TFT，其移動度是0.5cm2/Vs左右、非常低，所以對制作進(jìn)入LCD的所有開關(guān)元件有限制。這是因為在LCD周邊電路用開關(guān)元件時，就必須以非?？斓乃俣冗M(jìn)行動作，而a-Si TFT不可能實現(xiàn)的緣故。
因此周邊電路用開關(guān)部件，例如驅(qū)動電路(drivercircuit)、各種控制器、數(shù)字-模擬-轉(zhuǎn)換器(Digital-Analogue-Converter、DAC)等是由在單晶Si上集成的開關(guān)元件構(gòu)成，以應(yīng)對驅(qū)動LCD所需要的快的速度。相反，在a-Si TFT時，為了在具有開關(guān)功能的同時確保圖質(zhì)并表示出必須低的漏電特性，作為象素開關(guān)元件是適用的。
利用多晶Si(poly-Si)的TFT，其移動度高，是數(shù)十～數(shù)百cm2/Vs，所以能產(chǎn)生可應(yīng)對周邊電路用的高的驅(qū)動速度。因此在作為基板的玻璃上形成poly-Si的話就不僅象素區(qū)域、而是直到周邊電路區(qū)域都能實現(xiàn)。
因此對形成周邊電路就不需要其他必要的部件安裝工序，在形成象素區(qū)域時能同時形成到周邊電路，能期望節(jié)減周邊電路用的部件費用。
不僅如此，由于有高的移動度，所以能制作比現(xiàn)有a-Si小的TFT，通過集成工序使形成周邊電路和象素區(qū)域用的線寬度的微細(xì)化更容易，能實現(xiàn)比a-Si TFT-LCD高的高析象清晰度。
因為能產(chǎn)生高的電流特性，所以適合于下一代FPD電流驅(qū)動型的顯示器OLED，最近在玻璃基板上形成poly-Si來制作TFT的研究正積極開展。
為了在玻璃基板上形成poly-Si，把a-Si蒸鍍后通過規(guī)定的熱處理以poly-Si進(jìn)行結(jié)晶是代表的方法，但玻璃基板在600℃以上的高溫會變形，所以對基板不給予熱損傷而僅使a-Si結(jié)晶的激元激光器緩冷(excimer laserannealing、以后叫做ELA)是具有代表性的結(jié)晶方法。一般情況下，ELA結(jié)晶時是用激光照射a-Si而使a-Si熔化(melting)，使其再凝固(solidification)的同時得到晶質(zhì)。結(jié)晶時晶粒是隨機(random)形成的，根據(jù)激光照射條件具有數(shù)十nm～數(shù)μm的多種尺寸。
一般晶粒的尺寸越大則TFT元件的移動度就越大，集成周邊電路時能集成的部件范圍就變大，所以得到能得到盡可能大晶粒的ELA條件為好，但晶粒的尺寸越變大則晶粒分布的均勻度(uniformity)變大，這招致元件特性均勻度的降低，結(jié)果是在可靠性上發(fā)生問題。
因此使ELA結(jié)晶的poly-Si適用于LCD時是適用在保障均勻度的范圍內(nèi)具有合適尺寸晶粒的poly-Si。但這時由晶粒尺寸的界限而不能制作移動度高的poly-Si TFT，因此集成周邊電路也只好受限制。
最近，美國專利第6368945號和第6322625號中發(fā)表了邊保障均勻度邊使晶粒尺寸大的結(jié)晶方法，下面說明被叫做順次側(cè)面凝固(SequentialLateral Solidification、以后叫做SLS)的該方法的原理。
圖1是進(jìn)行SLS工序用的激光裝備的概念圖，蒸鍍有a-Si120的基板110在高的載物臺100上通過掩膜140透過激光束130而被照射。這時在掩膜140內(nèi)能有多種圖形。
其代表例是圖2a所示窄縫形態(tài)的掩膜200。在掩膜200內(nèi)由寬度220、長度230的多個窄縫形成圖形，通過該掩膜當(dāng)照射一次激光時，通過掩膜的激光以單位線束(beamlet)形態(tài)照射，照射的激光能量是使a-Si完全熔化的程度。
圖3a表示放大了的一個窄縫。是被激光照射前的狀況，編號310表示窄縫330露出區(qū)域的寬度，在被激光照射露出前存在a-Si320。圖3b表示通過窄縫剛被激光照射后(激光是僅在數(shù)十ns左右間照射的被遮斷狀態(tài))。
這時，露出的區(qū)域被熔化、是成為液態(tài)硅360的狀態(tài)，在窄縫的邊緣附近液態(tài)硅360與a-Si硅340形成邊界，在該邊界部分形成微細(xì)尺寸的poly-Si350。隨著時間推移，把poly-Si350作為籽晶(seed)的晶粒成長在窄縫中心部進(jìn)行。在晶粒的成長過程中由成長速度快的晶粒370把成長速度慢的晶粒的成長遮斷，僅一部分晶粒繼續(xù)成長下去。poly-Si與液態(tài)硅的界面380一直在移動，最終如圖3d所示在窄縫中央會合。這時成長了的晶粒尺寸392大致是窄縫的一半。窄縫的寬度寬或激光照射后熔化了的硅冷卻速度過快時，則發(fā)生從窄縫兩側(cè)邊界處成長起來的晶粒在邊界381會合前在液態(tài)硅361內(nèi)生成核。
因為這種情況不是所希望的情況，所以把激光照射條件和基板溫度和窄縫形態(tài)最優(yōu)化，使不發(fā)生所述核的生成是重要的。
一次照射完成后，把激光束照射位置如圖4a那樣移動450左右后再次通過窄縫實施二次激光照射。二次照射后、窄縫邊界420、421之間變成液態(tài)硅460，一次照射后形成的poly-Si區(qū)域440以殘留的狀態(tài)再次進(jìn)行結(jié)晶。這時邊界421在形成微細(xì)poly-Si區(qū)域后，其形成poly-Si區(qū)域后的poly-S作為籽晶(seed)進(jìn)行晶粒成長，與此同時，在邊界420，以一次照射后形成的晶粒440中除去二次照射后熔化部分之外的區(qū)域作為籽晶(seed)進(jìn)行晶粒成長，最終成為圖4c那樣的形態(tài)。即二次照射后從窄縫兩側(cè)對著進(jìn)行晶粒成長的會合邊界470從最初位置491移動由進(jìn)行二次照射而移動(shift)照射位置的量491的程度。
通過該過程、在掃描(scan)方向上由晶粒長度的增加而晶粒的尺寸變大。二次照射時籽晶結(jié)晶和新生成的結(jié)晶是以結(jié)晶取向不變的狀態(tài)經(jīng)過連續(xù)成長的，所以看不到邊界480。
圖5a表示邊把所述過程反復(fù)進(jìn)行邊在某種程度長度間移動后的情況。是在圖5a的下方一直向單方方向進(jìn)行成長的晶粒以拉長了的形態(tài)存在，在成長的前端在窄縫露出以后從各窄縫的邊界510和511成長的晶粒的成長界面520和521在液態(tài)硅530內(nèi)成長的過程。
以后掃描過程進(jìn)行到地點551，a-Si區(qū)域550結(jié)晶成為圖5b。掃描的距離大體是符號580左右，成長了的晶粒的長度相當(dāng)于所述掃描距離580。因為窄縫與掩膜另外形成圖形，所以當(dāng)在規(guī)定的掃描距離間移動時則形成圖2b、圖2c那樣的poly-Si圖形。各poly-Si圖形具有圖5b那樣的晶粒結(jié)構(gòu)，但在掃描開始的初期區(qū)域由于多個晶粒邊相互競爭邊成長，所以出現(xiàn)微細(xì)晶粒很多的區(qū)域即編號560，而且存在晶粒成長長的區(qū)域即編號570。實際的實驗結(jié)果是在大部分情況下編號560時是在1μm以內(nèi)，對poly-Si圖形區(qū)域是幾乎忽略不計程度的小[Sequential Lateral Solidification of thinsiliconfilms on SiO2、R.S.Sposil and James S.lm、Appl.Phys Lett.69(19)、2864(1996)]。
SLS的優(yōu)點是通過掩膜的形態(tài)能得到多樣的圖形，對一部分掩膜在形成有TFT通道區(qū)域的部分能選擇性地形成單晶Si島(island)區(qū)域(美國專利第6322625號)。
因此，若利用這種方法，則能同時實現(xiàn)poly-Si結(jié)構(gòu)元件特性的均勻性和提高性能。
但所述SLS結(jié)果得到的Si薄膜若是由方形和六邊形等的配列形成的單晶Si陣列(array)和在形成單晶Si時其規(guī)范性不符合基板上象素配置以及周邊電路的配置設(shè)計時，在均勻性上會產(chǎn)生相反效果。
因此，在現(xiàn)有的SLS方法時、就必須使結(jié)晶用的掩膜設(shè)計與象素和周邊電路設(shè)計相協(xié)調(diào)，所以在設(shè)計面上有可能產(chǎn)生被限制的面。
在所述SLS方法中若也嚴(yán)格說得到單晶的方法時，則是因為形成單晶Si島，所以在基板的幾處存在晶粒間界，惟有避開所述晶粒間界構(gòu)成象素和周邊電路才能同時期望有優(yōu)秀的元件特性和均勻度。
結(jié)果，若不管何種設(shè)計方式(scheme)都想得到均勻度和優(yōu)秀的元件性能的保證，則通過在整個基板上形成單晶硅方式，或是僅周邊電路部培育單晶Si而剩余的象素區(qū)域把在a-Si狀態(tài)下漏電電流低的象素區(qū)域和開關(guān)特性優(yōu)良的周邊電路用單晶Si形成在象素區(qū)域外部的方式來基本防止能誘發(fā)不均勻性的自身形成晶粒晶界的方法是終極的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了實現(xiàn)這點，提出在結(jié)晶用中使用更簡單的掩膜，用容易的方法在希望的位置以希望的尺寸形成單晶Si的方法。
本發(fā)明的目的在于提供一種單晶硅膜的制造方法，該方法提高在LCD和OLED上應(yīng)用的象素或周邊電路驅(qū)動元件的薄膜晶體管活性層的低溫多晶硅的結(jié)晶性，能形成單晶硅。
為達(dá)到所述目的，本發(fā)明單晶硅膜制造方法包括在透明或半透明基板上形成半導(dǎo)體層或金屬薄膜的階段；作為通過激光照射的結(jié)晶方法在規(guī)定尺寸的基板上形成單晶籽晶區(qū)域的階段；把所述單晶區(qū)域作為籽晶(seed)使希望的區(qū)域單結(jié)晶的階段。
另外，本發(fā)明的制造方法還包括在所述規(guī)定尺寸的基板上在通過掩膜的激光照射中，以特定的圖形形態(tài)照射激光而把激光照射的部分進(jìn)行一次性結(jié)晶的階段；把所述激光按規(guī)定間隔尺寸移動，反復(fù)進(jìn)行一次性結(jié)晶部分內(nèi)的晶粒成長為所述規(guī)定距離尺寸的過程的完成一次掃描階段；使所述一次掃描過程在進(jìn)行規(guī)定距離尺寸后終止形成多晶通道著陸區(qū)域階段；在所述一次掃描終止后把激光束照射位置旋轉(zhuǎn)90度，把在一次掃描過程中在掃描方向上發(fā)展長了的晶粒作為籽晶進(jìn)行二次掃描使其晶粒成長，制作單晶區(qū)域進(jìn)行二次掃描階段；在把所述二次掃描進(jìn)行規(guī)定距離程度后把形成的單晶區(qū)域作為籽晶，在其籽晶的一部分上邊反復(fù)再次照射激光邊擴展單晶區(qū)域的階段。
以上本發(fā)明的目的和其他特征及優(yōu)點等從下面參照的對本發(fā)明合適的實施例的以下說明就清楚了。


圖1是SLS工序用的熱源(激光)、掩膜和試片配置的概念圖；圖2a是slit圖形掩膜，圖2b是適用圖2a的掩膜后形成的晶體Si圖形圖2c是圖2b的結(jié)晶區(qū)域被擴大的示意圖；圖3a～圖3d是表示由通過slit的激光照射而被激光照射的區(qū)域結(jié)晶情況的示意圖；圖4a～圖4c是表示通過slit的激光照射而結(jié)晶后在晶粒側(cè)面(lateral)的成長方向上追加結(jié)晶的成長過程的概念圖；圖5a是表示由激光束的移動產(chǎn)生的熔化與凝固的反復(fù)中在某一方向上晶粒成長過程的圖，圖5b是通過圖5a所示的工序完成的poly-Si圖形島；圖6是表示在圖5b完成的poly-Si島上用于在與某一方向成長進(jìn)行的方向垂直的方向上進(jìn)行二次激光掃描，在poly-Si單側(cè)末端的角上照射激光束狀況的示意圖；圖7a～圖7c是表示把用激光束拉伸長的poly-Si的一部分用激光束照射，在熔化狀態(tài)激光束在掃描方向上移動，幾乎形成一個晶粒的被圖形化的Si島形成過程的示意圖；圖8a、圖8b是二次掃描時難于得到單晶狀況的例子，即籽晶晶粒是兩個，向x方向掃描時兩個晶粒的成長速度也相似，結(jié)果是在Si島圖形內(nèi)結(jié)晶取向形成另外兩個區(qū)域的情況；圖9a～圖9g是表示把單晶Si區(qū)域作為籽晶、通過追加SLS工序把單晶Si區(qū)域擴張的過程的示意圖；圖10是表示把通過圖9a～圖9g過程完成的單晶Si區(qū)域再次作為籽晶追加SLS、在y方向的相反方向(向下的方向箭頭)擴展單晶Si區(qū)域方式的示意圖；圖11a～圖11d是表示通過圖6、圖9和圖10的過程在整個基板區(qū)域形成單晶Si過程的順序圖；圖12a、圖12b是作為本發(fā)明的另一實施例，為了縮短工序時間把幾個單晶Si籽晶區(qū)域在多個場所同時形成并在整個基板上從這些單晶Si籽晶區(qū)域形成單晶硅區(qū)域片的方案；圖13a～圖13e是本發(fā)明的又一實施例，是表示為了進(jìn)一步縮短工序時間而在整個基板上從單晶Si籽晶區(qū)域制作多種圖形單晶硅片的圖；圖14是本發(fā)明的再一實施例，是僅把板的單面部分形成單晶而把不必要部分單晶化所花費的工序時間和費用減少的圖；圖15是本發(fā)明的最后一個實施例，是僅把板部的周邊電路形成區(qū)域形成單晶，而象素區(qū)域與板以外的部分以不適用結(jié)晶的形態(tài)殘留成a-Si的圖。
編號說明610 poly-Si島、630、830激光束、640激光束長度、670縱向長度、650激光束寬度、710、711、730、731、870晶粒、740、810 poly-Si區(qū)域、751新培育區(qū)域、750結(jié)晶的區(qū)域、800掃描前晶粒晶界、820、821籽晶晶體、850、851、880、881晶粒區(qū)域的尺寸
具體實施例方式
下面參照附圖對本發(fā)明單晶硅膜的制造方法進(jìn)行詳細(xì)說明。
為了提高在玻璃和塑料以及絕緣體(insulator)等這種非晶體基板上形成poly-Si或多晶體薄膜時的結(jié)晶性同時也確保均勻度，本發(fā)明在整個基板上形成單晶或位置被正確控制的單晶片(tile)的方案能根本解決現(xiàn)在技術(shù)的問題點。本發(fā)明把其代表方法作為方案以a-Si的結(jié)晶過程為例進(jìn)行了說明。
作為為了實現(xiàn)這種發(fā)明的原理，是在經(jīng)過現(xiàn)在SLS過程的poly-Si島圖形上進(jìn)行與晶粒成長了的方向垂直的追加掃描而形成單晶Si籽晶區(qū)域后，通過以后利用該籽晶區(qū)域的SLSL在整個基板或為了縮短工序時間而在形成板的部分和周邊電路部分這樣特定的區(qū)域形成單晶Si或單晶Si片。
圖6表示在圖5b完成的poly-Si島(橫向660、縱向670)610的情況和進(jìn)行二次掃描用的激光束(長度640、寬度650)630的配置。激光束630在與一次掃描方向垂直的x方向上移動，開始位置是poly-Si圖形島610內(nèi)單側(cè)的末端。
二次掃描用的激光束長度640一般來說最好與poly-Si圖形島610的縱向長度670幾乎相同，在一次終了后二次掃描前把掩膜旋轉(zhuǎn)90度左右或把試片旋轉(zhuǎn)90度左右。
圖7a、圖7b和圖7c更詳細(xì)表示了二次掃描過程。在此，激光束的寬度650在SLS時通常是數(shù)μm左右，在poly-Si圖形島610內(nèi)成長長的晶粒的寬度也是1～數(shù)μm左右。圖7a示意表示了poly-Si圖形島內(nèi)在單側(cè)的末端部分晶粒存在的情況。在晶粒710的情況，是在一次掃描過程中發(fā)展長而形成的，晶粒711的情況，是在初期成長過程中沒被培育的晶粒。
如前面所言及，晶粒711的情況，是其尺寸在1μm以內(nèi)非常小。在SLS裝備中激光束校正(align)的準(zhǔn)確度是亞-μmw左右，所以通過適當(dāng)?shù)男Ｕ?，如圖7b那樣激光束僅能把晶粒710一部分熔化地進(jìn)行校正(align)。當(dāng)然晶粒730的情況也是一部分熔化或全體熔化。重要的是，在整個poly-Si圖形島上發(fā)展長了的晶粒尺寸(長度和寬度)與激光束尺寸水平(dimensionlevel)相似。
這樣在二次掃描的第一次照射后，區(qū)域730成為液態(tài)，成為了液態(tài)的部分再次凝固。這時，籽晶是晶粒710和晶粒731那樣非常的小，且大部分籽晶是晶粒710一種，所以當(dāng)把二次掃描在poly-Si區(qū)域740進(jìn)行時，圖7b的poly-Si區(qū)域740則通過熔化和凝固過程變?yōu)閳D7c那樣的單晶Si區(qū)域。當(dāng)然，晶粒731在二次掃描的第一次照射時被部分熔化時，則在掃描過程中進(jìn)行成長，但其尺寸非常小，成長速度也如以前在一次掃描過程中表現(xiàn)的那樣與晶粒710相比其競爭力弱，所以新培育區(qū)域751的尺寸可以忽略不計?？床坏蕉螔呙璧牡谝淮握丈鋾r被熔化的部分與殘留部分的邊界760。其原因是籽晶區(qū)域710與結(jié)晶的區(qū)域750具有相同取向(orientation)。
假如激光束的校正準(zhǔn)確度不準(zhǔn)確或發(fā)生在籽晶區(qū)域長的晶粒不是一個的最壞情況。若忽略不計在一次掃描過程中形成的下方的小晶粒，則這時籽晶結(jié)晶可能成為兩個程度(或者是相互成長速度類似)。
圖8a和8b表示了這種狀況的兩次掃描過程。初期兩個籽晶晶體820、821當(dāng)通過激光束830的掃描邊使poly-Si區(qū)域810消失邊完成掃描時，在掃描前晶粒晶界800關(guān)聯(lián)同時poly-Si圖形島由兩個晶粒形成。
這時，表示了晶粒870的成長比晶粒871的成長比較有優(yōu)勢，最終晶粒870的區(qū)域大的情況。即使這種情況、用于對剩余的基板區(qū)域或特定區(qū)域進(jìn)行單晶化的單晶籽晶層也是足夠的。其原因是由于各晶粒區(qū)域的尺寸(850、851、880、881)是比通過窄縫出來的激光束的寬度充分大，是數(shù)十μm左右，所以選擇合適的晶粒作為籽晶晶體適用于以后的結(jié)晶是好的。
圖11a、圖11b、圖11c、圖11d圖示了利用所述方式在整個基板上形成單晶Si的方法。
圖11a表示從一次掃描激光束1130時產(chǎn)生的poly-Si島1120單側(cè)的末端邊緣進(jìn)行照射，把二次掃描按圖上所示的掃描方向進(jìn)行而進(jìn)行到基板1110的單側(cè)末端邊緣。
這樣，二次掃描后激光束1160到達(dá)基板1110的相反一邊時，產(chǎn)生長方形的單晶Si籽晶區(qū)域1150，剩余區(qū)域1140以a-Si狀態(tài)殘留。
然后，如圖11c所示，把激光束向單晶Si籽晶區(qū)域1150的一部分照射、反復(fù)進(jìn)行熔化和凝固。照射以1170、1171、...、1180的順序進(jìn)行，照射路徑如1190那樣進(jìn)行。用這種方式最終也如圖11d那樣在整個基板上形成單晶Si區(qū)域。在圖11c中，各照射1170、1171根據(jù)激光束照射條件把照射區(qū)域一次分成幾個地方還能縮短工序時間。(例如有一次照射1170和1172，接著移動照射區(qū)域照射1171和1173的方式。)這種方法與James 1m等最近提出的“2 shot SLS process”(美國專利第6368945號)有下面的差別性。就是通過向y方向的一次掃描和向x方向的二次掃描制作單晶Si區(qū)域，特別是二次掃描時，由于籽晶晶體數(shù)幾乎少到一至兩個程度的，所以能從少數(shù)晶體的二次掃描制作單晶區(qū)域。這些籽晶區(qū)域一旦被形成、就用與James 1m等的“2 shot SLS process”相同的方式進(jìn)行結(jié)晶。結(jié)果，出來的結(jié)構(gòu)是James 1m等情況下，是圖3所示的poly-Si區(qū)域配列的形態(tài)，本發(fā)明的情況，是出來單晶Si區(qū)域。即是在初期用追加形成單晶Si區(qū)域的工序而使最終的薄膜微細(xì)結(jié)構(gòu)變大。當(dāng)然，本發(fā)明的情況是為了形成單晶區(qū)域而要求追加工序(需要一次、二次掃描)，但結(jié)果是出來的結(jié)構(gòu)與“2 shot SLS process”不同，具有均勻度和設(shè)計自由度非常高的優(yōu)點，追加的工序如以后說明的其他實施例中那樣通過一部分改善而可以補充完善。
圖9a～圖9g和圖10把圖11c所示的過程更稍微詳細(xì)地進(jìn)行了表示。圖9a表示對二次掃描(圖11b)時形成的單晶Si區(qū)域900把激光束910向逆y方向編號931程度地移動而進(jìn)行照射的狀況。這時，被照射區(qū)域包括所有最初的單晶區(qū)域921和a-Si區(qū)域920，如圖9b所示，把兩個區(qū)域完全合并的區(qū)域940熔化。激光照射剛完成后的成長則如圖9c所示，存在從已是最初單晶區(qū)域的地方成長的區(qū)域951和從a-Si區(qū)域成長的區(qū)域950。
當(dāng)結(jié)晶完了時，如圖9d所示，單晶區(qū)域961和poly-Si區(qū)域960在邊界962會合。這樣，單晶區(qū)域的尺寸成為比用于照射激光而在逆y方向移動的距離931更大，結(jié)果是單晶區(qū)域變大。這時激光照射條件必須是使編號961和960形成前在圖9c熔化的Si區(qū)域952內(nèi)部沒有由核生成而形成的晶粒。新形成的單晶區(qū)域961由于是從最初單晶的區(qū)域900培育出來的，所以觀察不到邊界(963)。
然后，為了以后的激光照射，雖使激光束在x方向移動來進(jìn)行照射，但如圖9e所示，把激光束970照射的區(qū)域與以前形成的區(qū)域的一部分稍微重疊地進(jìn)行，以形成沒有972邊界效果。這時照射的區(qū)域971被熔化，如圖9f所示，存在有從單晶區(qū)域成長的區(qū)域981和從a-Si區(qū)域形成的區(qū)域980。成長終了時，如圖9g所示，單晶區(qū)域991與poly-Si區(qū)域990會合。這時，可判斷事實上觀察不到以前形成的單晶區(qū)域994與新形成的單晶區(qū)域991的邊界992和最初的單晶區(qū)域900與這些單晶區(qū)域的邊界993。
其理由是，這些晶粒992、993不是具有相互不同取向(orientation)的晶粒會合而形成的晶粒晶界，都是具有同一晶體取向的緣故。用這種方式在x方向繼續(xù)掃描，則單晶區(qū)域的尺寸變大，當(dāng)在x方向掃描完成時，一邊再次進(jìn)行逆x方向的掃描一邊進(jìn)行激光照射。圖10表示了這種狀況。x方向的掃描完成后雖再次把激光照射區(qū)域向逆y方向稍微移動進(jìn)行照射，但可以把單晶區(qū)域1020作為籽晶(seed)，同時使poly-Si區(qū)域1030熔化。
這樣，通過激光1040照射的區(qū)域1050就再次反復(fù)進(jìn)行熔化和結(jié)晶。當(dāng)把這種掃描如圖11c那樣進(jìn)行時，則最終如圖11d所示在整個基板上形成單晶Si。
所述結(jié)晶方法是把單晶Si形成在整個基板上的方法。與現(xiàn)有SLS方式相比，該方式的情況是為形成初期的單晶籽晶(seed)區(qū)域而在必要的追加工序中稍微增加了工序時間。因此在下面表示用于補充完善它的實施例。
圖12a和圖12b表示了同時形成幾個在一、二次掃描中形成的單晶Si籽晶區(qū)域的方法。在基板1200上蒸鍍a-Si1210，使用形成有多窄縫圖形的掩膜進(jìn)行激光照射。這時，由于掩膜內(nèi)形成有幾個窄縫圖形，所以在激光照射時把一次掃描形成的poly-Si島(橫向1230、縱向1220)1221、1222、1223、1224同時形成，在二次掃描時也同時把x方向進(jìn)行后在二次掃描中形成的單晶Si區(qū)域作為籽晶在逆y方向再次反復(fù)進(jìn)行激光照射過程，就形成圖12b那樣的單晶Si片1231、1232、1233、1234。這種方式由于1231～1234具有相互不同的取向，所以有各單晶Si片之間產(chǎn)生邊界的缺點，但與前面在整個基板上形成單晶Si的方法相比，能把工序時間縮短1/4左右。此時，對板區(qū)域比單晶Si片區(qū)域小的產(chǎn)品適用時是有用的。
作為又一實施例，有圖13a～圖13e所示的工序。首先在基板1300上蒸鍍a-Si，通過構(gòu)成有多窄縫圖形的掩膜進(jìn)行激光照射。掩膜1304內(nèi)有長度1306、寬度1305的窄縫(slit)以各離開間隔1360左右的方式有規(guī)律地配置。通過一次掃描(scan)移動的距離與編號1301相同。
一次掃描完成后，以一定的間隔在各區(qū)域形成poly-Si島1311，編號1312仍舊是a-Si狀態(tài)。然后，在二次掃描(scan)時激光束靠近邊界1310與一次掃描方向垂直放置地進(jìn)行校正(align)后，在x方向進(jìn)行二次掃描(scan)，但掃描(scan)距離調(diào)節(jié)為編號1302左右。
這樣，把各poly-Si島(island)內(nèi)的特定晶粒作為籽晶(seed)在a-Si區(qū)域1312區(qū)域進(jìn)行單晶Si的成長，以圖13b那樣的形態(tài)在整個基板上形成在整個薄膜的由poly-Si島(island)和單晶Si區(qū)域1322構(gòu)成的片。
然后，追加地把單晶區(qū)域1322作為籽晶(seed)繼續(xù)進(jìn)行掃描(scan)，則如圖13c所示，作為poly-Si島(island)的區(qū)域變?yōu)閱尉i區(qū)域1331，整體上橫向1333、縱向1334的單晶Si區(qū)域以片的形態(tài)形成在整個基板上。這時，事實上觀察不到圖13b的poly-Si島(island)與單晶Si區(qū)域邊界的編號1330。根據(jù)掃描方向和能否進(jìn)行追加步驟(step)而出現(xiàn)圖13d和圖13e那樣的多種單晶Si片形態(tài)。
這種方式把圖11b所示整個基板的二次掃描長度大幅減少，所以有顯著縮短工序時間的優(yōu)點。當(dāng)然不在整個基板上形成單晶，但適用于根據(jù)板(panel)的尺寸不需要把整個基板形成單晶情況和不要求象單晶Si程度的高質(zhì)量(quality)的Si薄膜而重要是確保均勻度(uniformity)的產(chǎn)品需要降低費用的情況。
當(dāng)然，這時片的尺寸1302、1303為了不影響均勻度(uniformity)而需要足夠小。
作為再一實施例，如圖14，適當(dāng)調(diào)節(jié)掃描(scan)方向和數(shù)量，僅把在基板1400上形成板(panel)1420的部分(象素區(qū)域1440和周邊電路區(qū)域1430)制作成單晶，其他部分則作為poly-Si片1410形態(tài)，能同時縮短工序時間和確保均勻度(uniformity)。
這種方式適用于周邊電路開關(guān)速度快且板(panel)的尺寸大的產(chǎn)品。
作為最后一個實施例，如圖15，在基板1500上蒸鍍a-Si1520后，僅把板(panel)1510的周邊電路部分1530制作成單晶，象素(pixel)區(qū)域1540作為a-Si留下的情況。
這時，把具有低漏電電流的a-SiTFT配置在象素(pixel)部，要求開關(guān)速度高的周邊部TFT用單晶制作時使用，適用于同時確保顯著減少工序時間和象素(pixel)部低漏電電流特性的情況。
所述所有的結(jié)晶方法都是對應(yīng)激光照射方向和校正掩膜的合適的方法，并是用于對應(yīng)費用、產(chǎn)品特性以及多種設(shè)計方案的方法。
通過本發(fā)明，通過把現(xiàn)有的SLS形成的poly-Si島內(nèi)發(fā)展長了的一～兩個晶粒作為籽晶晶體，追加激光照射工序而形成單晶Si籽晶區(qū)域，把該籽晶區(qū)域作為基點能在薄膜的整體或一部分或特定區(qū)域上形成單晶Si區(qū)域。
這樣由于能根本解決均勻度的問題，所以能對應(yīng)多種產(chǎn)品設(shè)計。而且在單晶Si區(qū)域上制作板時能對應(yīng)周邊電路的開關(guān)速度。
因此，由于集成了周邊電路部件，所以減少了組件的部件費用。另外，因為與現(xiàn)有工序不同而適用單晶硅，所以不僅能形成驅(qū)動(drive)電路，而且由于能產(chǎn)生可集成到各種接口部件的充分的開關(guān)速度，所以最終能形成系統(tǒng)-導(dǎo)通-板，具有比現(xiàn)有的LTPS TFT-LCD產(chǎn)品領(lǐng)域廣闊的產(chǎn)品領(lǐng)域。
由于象素部分也有能用a-Si形成的方案，所以能制作在具有低漏電電流特性的同時集成周邊電路的產(chǎn)品，工序費用也能大為減少。
由于用單晶硅制作象素部時能產(chǎn)生大電流，所以適合于作為電流驅(qū)動型顯示器的OLED，能實現(xiàn)低電壓驅(qū)動。
不僅如此，由于本發(fā)明不僅在大型玻璃(glass)上能實現(xiàn)的單晶Si、在Si晶片那樣的小型機板上也能實現(xiàn)，所以也能應(yīng)用在半導(dǎo)體存儲集成電路工序中SOI(System-on-insulator)和三維集成電路工序中。
另外，把激光結(jié)晶適用于不是Si而是鋁(Al)和銅(Cu)的這種配線材料而制作單晶時，還能減少超大規(guī)模集成電路中由電遷移(electro-migration)引起的配線不良。
以上通過實施例詳細(xì)說明了本發(fā)明，但本發(fā)明并不由實施例限定，具有本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域一般知識，就能不脫離本發(fā)明的思想和精神對本發(fā)明進(jìn)行修正或變更。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅膜的制造方法，其特征在于，包括在透明或半透明基板上形成半導(dǎo)體層或金屬薄膜的階段；用通過激光照射的結(jié)晶方法在規(guī)定尺寸的基板上形成單晶籽晶區(qū)域的階段；以及把所述單晶區(qū)域作為籽晶(seed)而在希望的區(qū)域進(jìn)行單結(jié)晶的階段。
2.如權(quán)利要求1所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，包括在所述規(guī)定尺寸的基板上在通過掩膜的激光照射中，以特定的圖形形態(tài)照射激光而把激光照射的部分進(jìn)行一次性結(jié)晶的階段；把所述激光按規(guī)定間隔尺寸移動，反復(fù)進(jìn)行一次性結(jié)晶部分內(nèi)的晶粒成長為所述規(guī)定距離尺寸的過程的完成一次掃描階段；使所述一次掃描過程在進(jìn)行規(guī)定距離尺寸后終止的形成多晶通道島區(qū)域階段，在所述一次掃描終止后把激光束照射位置旋轉(zhuǎn)90度，把在一次掃描過程中在掃描方向上發(fā)展長了的晶粒作為籽晶進(jìn)行二次掃描使其晶粒成長，制作單晶區(qū)域的進(jìn)行二次掃描階段；在把所述二次掃描進(jìn)行規(guī)定距離程度后把形成的單晶區(qū)域作為籽晶，在其籽晶的一部分上邊反復(fù)再次照射激光邊擴展單晶區(qū)域的階段。
3.如權(quán)利要求2所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，包括把所述激光照射區(qū)域同時用在幾個地方，通過一、二次掃描把單晶籽晶區(qū)域制作在幾個地方的階段；把所述單晶區(qū)域作為籽晶通過追加的掃描，邊消耗殘留在基板上的多晶或非晶區(qū)域邊使單晶區(qū)域擴張成長，在整個基板上形成單晶片(tile)的階段。
4.如權(quán)利要求3所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，在通過從所述單晶籽晶區(qū)域的追加掃描而擴張單晶區(qū)域時，用激光窄縫的多種形態(tài)和尺寸以及對激光照射區(qū)域掃描方向和校正(align)的多種組合來控制單晶片的尺寸和位置。
5.如權(quán)利要求1所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，結(jié)晶區(qū)域是整個薄膜或形成半導(dǎo)體裝置的部分或形成半導(dǎo)體裝置電路區(qū)域的部分。
6.如權(quán)利要求1所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，所述絕緣膜是SiOx、SiOxNy、SiNx等Si的氮化膜、氧化膜和用Al、Cu、Ti、W等金屬中的一種制成的氮化膜或氧化膜。
7.如權(quán)利要求1所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體層是a-Si、a-Ge、a-SixGey、poly-Si、poly-Ge、poly-SixGex中的一種。
8.如權(quán)利要求1所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，金屬薄膜是Al、Cu、Ti、W、Au、Ag等金屬或這些金屬與半導(dǎo)體間的化合物。
9.如權(quán)利要求1所述的單晶硅膜的制造方法，其特征在于，所述激光是激元激光。
全文摘要
本發(fā)明提供一種制造單晶薄膜的結(jié)晶方法。該方法用激光照射(irradiation)并在有被激光照射的半導(dǎo)體薄膜的基板上由非晶或多晶薄膜在希望的位置以希望的尺寸進(jìn)行。本發(fā)明的單晶硅膜制造方法包括在透明或半透明基板上形成半導(dǎo)體層或金屬薄膜的階段；作為通過激光照射的結(jié)晶方法在規(guī)定尺寸的基板上形成單晶籽晶區(qū)域的階段；把所述單晶區(qū)域作為籽晶(seed)在希望的區(qū)域進(jìn)行單結(jié)晶的階段。
文檔編號C30B13/00GK1534725SQ20041000138
公開日2004年10月6日 申請日期2004年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者柳明官, 李鎬年, 樸宰撤, 金億洙 申請人:京東方顯示器科技公司