專利名稱：具有平坦表面的多晶硅薄膜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是有關(guān)于一種多晶硅薄膜及其制造方法，且特別是有關(guān)于一種具有平坦表面的多晶硅薄膜及其制造方法。
背景技術(shù)：
在基板上生長薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)的技術(shù)，一般可區(qū)分為非晶硅(Amorphous Silicon，a-Si)工藝與低溫多晶硅(Low TemperaturePoly-Silicon，LTPS)工藝，LTPS TFT與a-Si TFT的最大分別，在于其電性與工藝繁簡的差異。LTPS TFT擁有較高的載流子遷移率，因此所制成的TFT能提供更充份的電流，然而其工藝上卻較繁復；而a-Si TFT則反之，雖然a-Si的工藝較簡單，但載流子遷移率卻不如LTPS。
在轉(zhuǎn)換非晶硅成為多晶硅的技術(shù)方面，目前已經(jīng)發(fā)展出多種結(jié)晶方法，例如準分子激光退火(Excimer Laser Annealing，ELA)技術(shù)，連續(xù)粒狀結(jié)晶硅(Continuous Grain Silicon，CGS)技術(shù)，連續(xù)橫向結(jié)晶(Sequential LateralSolidification，SLS)技術(shù)和金屬誘發(fā)橫向結(jié)晶(Metal Induced LateralCrystallization，MILC)技術(shù)等，及各種不同的激光，如準分子激光(ExcimerLaser)，連續(xù)波激光(Continuous Wave(CW)Laser)和激光束脈沖(Laser BeamPulse)等。目前大多以激光束脈沖照射，或利用可以產(chǎn)生溫度梯度來達到橫向結(jié)晶的方式最多。以連續(xù)橫向結(jié)晶(SLS)技術(shù)為例，利用光學系統(tǒng)中具有不同透光度的光掩模，可使得到達非晶硅的激光產(chǎn)生溫度梯度，而使橫向生長晶粒持續(xù)生長，而形成多晶硅。
無論是金屬氧化半導體晶體管(MOS)或TFT組件中有源層表面的粗糙度會影響到其電性穩(wěn)定性及均勻性，而使用傳統(tǒng)的激光結(jié)晶方式所制作出的多晶硅表面皆會產(chǎn)生突起或尖端(protrusion or tip)，使形成的多晶硅表面變得粗糙，均方根粗糙度(Rms)約在7～9nm左右。以準分子激光退火(ELA)技術(shù)制成多晶硅為例，圖6為以掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)所拍攝的多晶硅薄膜的剖面。如圖6中所示，所產(chǎn)生的突起高度約在1000～1200。圖7為以原子力顯微鏡(atomic force microscopy，AFM)所拍攝的多晶硅薄膜。圖7清楚顯示ELA多晶硅薄膜的表面具有許多的突起，如此粗糙的多晶硅表面會造成組件的電性穩(wěn)定性及均勻性變差。
因此，如何能制作出表面沒有突起的多晶硅薄膜，使其粗糙度降低，進而提高應(yīng)用組件的電性穩(wěn)定性及均勻性，實為研發(fā)者一重要努力目標。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的目的就是提供一種具有平坦表面的多晶硅薄膜及其制造方法。主要利用側(cè)向長晶原理和激光方式將非晶硅區(qū)域熔融后結(jié)晶，再將結(jié)晶后所形成的多晶硅突起區(qū)域以激光熔融后再結(jié)晶，如此重復激光方式并步進整面基板以制作出具有平坦表面的多晶硅薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種具平坦表面的多晶硅薄膜制造方法，包括步驟如下(a)提供基板，并在該基板上形成非晶硅薄膜；(b)提供激光源并打出第一發(fā)激光(first laser shot)，照射于該基板的第一激光照射區(qū)，使該第一激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅完全熔融后再結(jié)晶為多晶硅；(c)移動該基板共一步進距離后，并打出第二發(fā)激光(second laser shot)，照射于該基板的第二激光照射區(qū)，且該第二激光照射區(qū)部分重迭于該第一激光照射區(qū)，使該第二激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅和該第一激光照射區(qū)部分多晶硅完全熔融后再結(jié)晶為多晶硅；(d)重復步驟(c)，直至基板上的非晶硅薄膜全部結(jié)晶為多晶硅薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的目的，提出一種多晶硅薄膜，利用激光退火方式形成于基板上，此多晶硅薄膜包括多個側(cè)向結(jié)晶生長的晶粒；和多個納米級凹槽(nano-trenches)，平行地形成于多晶硅薄膜的表面，且該些納米級凹槽的長軸方向大致上和該些晶粒的側(cè)向結(jié)晶方向互相垂直。


圖1A～1D圖示依照本發(fā)明一優(yōu)選實施例的多晶硅薄膜制造方法的示意圖；圖2圖示依照圖1A～1D所制造的多晶硅薄膜的上視圖；圖3A、3B是分別圖示本發(fā)明的激光源短軸和傳統(tǒng)的準分子激光源短軸的示意圖；圖4圖示激光能量與基板對應(yīng)的關(guān)系圖；圖5A、5B是分別圖示依照本發(fā)明一優(yōu)選實施例所制成的多晶硅薄膜的剖面圖和立體示意圖；圖6為以掃描式電子顯微鏡所拍攝的ELA多晶硅薄膜的剖面圖；圖7為以原子力顯微鏡所拍攝的ELA多晶硅薄膜；圖8為以原子力顯微鏡所拍攝的本發(fā)明的多晶硅薄膜；圖9為以原子力顯微鏡所拍攝的本發(fā)明的多晶硅薄膜，其中薄膜表面最高點和最低點分別約±5nm。
主要組件符號說明11第一激光照射區(qū)21第一多晶硅區(qū)域12第二激光照射區(qū)22第二多晶硅區(qū)域30側(cè)向多晶硅區(qū)101基板103非晶硅薄膜105第一多晶硅106第一多晶硅小突起107第二多晶硅108第二多晶硅小突起203多晶硅薄膜204多晶硅薄膜的表面205納米級凹槽A側(cè)向長晶區(qū)域d步進距離D相鄰兩納米級凹槽之間的間距EL1準分子激光源的長軸ELS準分子激光源的短軸L1本發(fā)明激光源的長軸
LS本發(fā)明激光源的短軸LE激光能量10％到90％之間的側(cè)向距離DLE基板對應(yīng)于激光能量10％到90％之間的側(cè)向距離Rms均方根粗糙度TL納米級凹槽的長軸方向PL多晶硅薄膜晶粒的側(cè)向結(jié)晶方向具體實施方式
為讓本發(fā)明的上述目的、特征、和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉一優(yōu)選實施例，并配合附圖，作詳細說明如下。
本發(fā)明提出一種具有平坦表面的多晶硅薄膜的制造方法，所制作出的多晶硅薄膜表面僅具有規(guī)律性出現(xiàn)的納米級凹槽(nano-trenches)，而薄膜表面的粗糙度亦比傳統(tǒng)激光制作出的多晶硅薄膜要低。以下以一實施例做本發(fā)明的詳細說明，然而，此實施例并不會限縮本發(fā)明欲保護的范圍。另外，附圖標記中省略不必要的組件，以清楚顯示本發(fā)明的技術(shù)特點。
請參照圖1A～1D，其圖示依照本發(fā)明一優(yōu)選實施例的多晶硅薄膜制造方法的示意圖。請同時參照圖2，其圖示依照圖1A～1D所制造的多晶硅薄膜的上視圖。首先，提供基板101，并在基板101上形成非晶硅薄膜103。接著，提供具有足夠高能量的激光源(未顯示)，并打出第一發(fā)激光(first laser shot)，以照射于基板101的第一激光照射區(qū)11(圖2)，使第一激光照射區(qū)11內(nèi)的非晶硅103完全熔融，如圖1A所示。當?shù)谝患す庹丈鋮^(qū)11內(nèi)的非晶硅103完全熔融后，停止第一發(fā)激光，熔融非晶硅能以兩邊未熔融非晶硅為晶種而由第一激光照射區(qū)11的兩側(cè)往中心進行長晶(A為側(cè)向長晶區(qū)域(lateralgrowth area))，以在第一多晶硅區(qū)域21內(nèi)形成第一多晶硅105，且第一多晶硅區(qū)域21內(nèi)并具有多個第一多晶硅小突起106，如圖1B所示。
接著，移動基板(如圖2的箭頭方向所示)一步進距離d后，或者反向移動激光源一步進距離，打出第二發(fā)激光(second laser shot)，以照射于基板101的第二激光照射區(qū)12，且第二激光照射區(qū)12部分重迭于第一激光照射區(qū)11，如圖1C所示。其中，步進距離d優(yōu)選小于側(cè)向長晶距離。當?shù)诙す庹丈鋮^(qū)12內(nèi)的非晶硅103和第一激光照射區(qū)11內(nèi)的部分第一多晶硅105完全熔融后，停止第二發(fā)激光，熔融非晶硅由第二激光照射區(qū)12的兩側(cè)往中心進行長晶，以在第二多晶硅區(qū)域22內(nèi)形成第二多晶硅107，且第二多晶硅區(qū)域22內(nèi)并具有多個第二多晶硅小突起108，如圖1D所示。因而在第一激光照射區(qū)11與第二激光照射區(qū)12之間未重迭部分形成側(cè)向多晶硅區(qū)30，以及位于側(cè)向多晶硅區(qū)30與第二多晶硅區(qū)域22之間的納米級凹槽205。
之后，再重復上述步驟，包括再移動基板101一步進距離d，打出第三發(fā)激光以使第三激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅和第二激光照射區(qū)內(nèi)的第二多晶硅小突起完全熔融后再結(jié)晶。如此重復，直至基板101上的非晶硅薄膜103全部結(jié)晶為表面平坦的多晶硅薄膜，且此多晶硅薄膜包括了多個間隔交錯的側(cè)向多晶硅區(qū)30與納米級凹槽205(如之后的圖5所示)。
值得注意的是，步進距離d，例如第二發(fā)激光在基板101上的第二激光照射區(qū)12與第一發(fā)激光在基板101上的第一激光照射區(qū)11之間的距離為約0.5μm～5μm，且優(yōu)選約2μm～5μm。而激光源所提供的能量需足以使基板101上的非晶硅103完全熔融，在實際應(yīng)用中激光能量約900mJ/cm2以上即可達成，且優(yōu)選約1000～1400mJ/cm2。而傳統(tǒng)使用的準分子激光，其能量較低僅約350～450mJ/cm2，不足以使非晶硅103完全熔融。
圖3A、3B是分別圖示本發(fā)明的激光源短軸和傳統(tǒng)的準分子激光源短軸的示意圖。使用圖3B所示的傳統(tǒng)準分子激光源，其過寬的短軸ELs約為0.4mm，并不適合用來實施本發(fā)明的方法。因此，為實施本發(fā)明，需將激光源的短軸Ls縮短(圖3A)，在本發(fā)明一優(yōu)選實施例中為不超過100μm，且優(yōu)選不超過50μm。而準分子激光源的長軸EL1和本發(fā)明激光源的長軸L1約和基板等長。
另外，在此實施例中，優(yōu)選地控制激光能量分布與步進距離d之間的關(guān)系，以有效地完成側(cè)向長晶。圖4是圖示激光能量與基板對應(yīng)的關(guān)系圖。DLE為基板101對應(yīng)于激光能量10％到90％之間的側(cè)向距離。在此優(yōu)選實施例中，優(yōu)選令激光能量10％到90％之間的一側(cè)向距離LE大于步進距離d(圖1C、圖2)。若步進距離d為2μm，此側(cè)向距離LE優(yōu)選大于2μm；若步進距離d為5μm，此側(cè)向距離LE優(yōu)選大于5μm。
圖5A、5B分別圖示依照本發(fā)明優(yōu)選實施例所制成的多晶硅薄膜的剖面圖和立體示意圖。根據(jù)上述方法而在基板101上所制成的多晶硅薄膜203，具有多個側(cè)向結(jié)晶生長的晶粒，且多晶硅薄膜203的表面204規(guī)律性地形成大致上相互平行的多個納米級凹槽(nano-trenches)205。而側(cè)向多晶硅區(qū)30則與納米級凹槽205間隔交錯。其中，多晶硅薄膜203的表面204的均方根粗糙度(Rms)不超過5nm，該些納米級凹槽205的平均深度范圍約在-10nm～+10nm之間。而相鄰的兩個納米級凹槽205之間的間距D(如圖5A所示)則與步進距離d有關(guān)，在此實施例中為約0.5μm～5μm。也由于間距D由步進距離d決定，因此換句話說，圖4中的激光源其10％能量到90％能量之間的一側(cè)向距離LE優(yōu)選大于間距D。
至于納米級凹槽205的長軸方向TL大致上和多晶硅薄膜203的晶粒的側(cè)向結(jié)晶方向PL近似垂直，如圖5B所示。換句話說，納米級凹槽205的一長軸方向TL和晶粒所形成的晶界(Grain Boundary)具有約60度～90度的交角，近似垂直。
根據(jù)上述，本發(fā)明主要是將激光短軸縮短(優(yōu)選地約50μm以下)，造成激光退火后能夠產(chǎn)生側(cè)向長晶的效果；當?shù)谝话l(fā)激光照射后會造成側(cè)向長晶而使得突起的區(qū)域往激光照射區(qū)域中央部分形成，之后移動適當激光步進距離d，并利用第二發(fā)激光照射將突起區(qū)域熔融，如此重復激光步進整面即可產(chǎn)生具有平坦表面的多晶硅薄膜。如圖8所示，其為以原子力顯微鏡(atomicforce microscopy，AFM)所拍攝的本發(fā)明的多晶硅薄膜。圖8清楚顯示多晶硅薄膜的表面十分平坦，不具有突起，僅具有多個大致平行的納米級凹槽。圖9為AFM所拍攝的本發(fā)明的多晶硅薄膜，其中薄膜表面最高點和最低點分別僅約±5nm，相較于圖7的ELA多晶硅薄膜(圖6中突起高度約為1000～1200)，應(yīng)用本發(fā)明的制造方法所產(chǎn)生的多晶硅薄膜，表面十分平坦，可提高后續(xù)制成TFT組件的電性穩(wěn)定性及均勻性。
另外，亦對應(yīng)用本發(fā)明的多晶硅薄膜所制成的TFT組件進行電性測試，測試結(jié)果如表一所示。測試結(jié)果顯示使用本發(fā)明的多晶硅薄膜所制成的TFT組件，其電子遷移率為使用準分子激光多晶硅薄膜所制成的TFT組件的將近3倍。
表一


綜上所述，雖然本發(fā)明已以一優(yōu)選實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視后附的權(quán)利要求所界定者為準。
權(quán)利要求
1.一種多晶硅薄膜，利用激光退火方式形成于基板上，該多晶硅薄膜包括多個側(cè)向結(jié)晶生長的晶粒；和多個納米級凹槽(nano-trenches)，平行地形成于該多晶硅薄膜的一表面，且該些納米級凹槽的一長軸方向大致上和該些晶粒的側(cè)向結(jié)晶方向互相垂直。
2.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜，其中相鄰的兩個納米級凹槽之間具有約0.5μm～5μm的間距。
3.如權(quán)利要求2所述的多晶硅薄膜，其中該激光退火方式所使用的激光源，其10％能量到90％能量之間的一側(cè)向距離大于該間距。
4.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜，其中該多晶硅薄膜的該表面的均方根粗糙度(Rms)不超過5nm。
5.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜，其中該些納米級凹槽的平均深度范圍約在-10nm～+10nm之間。
6.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜，其中該些納米級凹槽的長軸方向和該些晶粒所形成的晶界(Grain Boundary)具有約60度～90度的交角。
7.如權(quán)利要求1所述的多晶硅薄膜，其中該激光退火方式中所使用的激光具有900～1400mJ/cm2的能量范圍，以形成該多晶硅薄膜。
8.一種多晶硅薄膜的制造方法，包括(a)提供基板，并在該基板上形成非晶硅薄膜；(b)提供激光源，并打出第一發(fā)激光(first laser shot)，照射于該基板的第一激光照射區(qū)，使該第一激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅完全熔融后再結(jié)晶為多晶硅；(c)移動該基板共一步進距離后，并打出第二發(fā)激光(second laser shot)，照射于該基板的第二激光照射區(qū)，且該第二激光照射區(qū)部分重達于該第一激光照射區(qū)，使該第二激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅和該第一激光照射區(qū)部分多晶硅完全熔融后再結(jié)晶為多晶硅，；(d)重復步驟(c)，直至該基板上的該非晶硅薄膜全部結(jié)晶為多晶硅薄膜。
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，在步驟(b)中，該第一激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅完全熔融后停止該第一發(fā)激光，熔融非晶硅由該第一激光照射區(qū)的兩側(cè)往中心進行長晶，以形成第一多晶硅區(qū)域，其中該第一多晶硅區(qū)域與該第一發(fā)激光的長軸平行處形成多個第一多晶硅小突起。
10.如權(quán)利要求9所述的制造方法，在步驟(c)中，當該第二激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅完全熔融時，該第二激光照射區(qū)部分重迭于該第一激光照射區(qū)使該些第一多晶硅小突起完全熔融。
11.權(quán)利要求10所述的制造方法，當該第二激光照射區(qū)內(nèi)的非晶硅完全熔融后停止該第二發(fā)激光，熔融非晶硅由該第二激光照射區(qū)的兩側(cè)往中心進行長晶，以形成第二多晶硅區(qū)域，其中該第二多晶硅區(qū)域與該第二發(fā)激光的長軸平行處形成多個第二多晶硅小突起。
12.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其中該激光源的短軸不超過100μm。
13.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其中該第二發(fā)激光在該基板上的該第二激光照射區(qū)與該第一發(fā)激光在該基板上的該第一激光照射區(qū)之間的步進距離約0.5μm～5μm。
14.如權(quán)利要求13所述的制造方法，其中該第二發(fā)激光在該基板上的該第二激光照射區(qū)與該第一發(fā)激光在該基板上的該第一激光照射區(qū)之間的該步進距離約2μm～5μm。
15.如權(quán)利要求14所述的制造方法，其中該激光源的10％能量到90％能量之間的側(cè)向距離大于該步進距離。
16.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其中該激光源的激光能量約900～1400mJ/cm2。
17.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其中形成的該多晶硅薄膜的表面具有多個平行的納米級凹槽，且該些納米級凹槽的平均深度范圍約在-10nm～+10nm之間。
18.如權(quán)利要求17所述的制造方法，其中相鄰的兩個納米級凹槽之間具有約0.5μm～5μm的間距。
19.如權(quán)利要求17所述的制造方法，其中該多晶硅薄膜的該表面的均方根粗糙度(Rms)不超過5nm。
全文摘要
一種具有平坦表面的多晶硅薄膜的制造方法，主要利用側(cè)向長晶原理和激光方式將非晶硅區(qū)域熔融后結(jié)晶，再將結(jié)晶后所形成的多晶硅突起部分以激光熔融后再結(jié)晶，如此重復激光方式并步進整面基板以達到具有平坦表面的多晶硅薄膜。所制成的多晶硅薄膜包括多個側(cè)向結(jié)晶生長的晶粒，和多個納米級凹槽(nano－trenches)，平行地形成于多晶硅薄膜的表面；且該些納米級凹槽的一長軸方向大致上和該些晶粒的側(cè)向結(jié)晶方向互相垂直。
文檔編號C30B29/06GK1851926SQ200610081729
公開日2006年10月25日 申請日期2006年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月10日
發(fā)明者趙志偉, 孫銘偉 申請人:友達光電股份有限公司