TW556350B - A method to increase device-to-device uniformity for polycrystalline thin-film transistors by deliberately mis-aligning the microstructure relative to the channel region - Google Patents

A method to increase device-to-device uniformity for polycrystalline thin-film transistors by deliberately mis-aligning the microstructure relative to the channel region Download PDF

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Description

556350 A7 B7 五、發明説明（） 發明領域： 本發明關係於半導體處理技術，更明確地說，關係於 適用於薄膜電晶體（TFT)裝置之製造半導體的技術。 發明背景： 例如石夕膜之半導體薄膜已知被使用作為液晶顯示裝 置及有機發光二極體顯示裝置的像素。此等薄膜通常經由 一準为子雷射回火（ELA)法加以處理，於該方法中，一非 晶矽膜被以準分子雷射照射而結晶。 已經有很大之努力以想要改良，，傳統"ELA(同時也被 稱為線束ELA)製程，以提升放置在已處理半導體薄膜上 之TFT裝置的效能。例如，由前川等人所領證之美國專利 第5,766,9 89號，其揭示一種用以形成一多晶薄膜的ELA 方法及一製造TFT的方法，該案係併入作為參考。該，989 號案想要針對於整個基板上之特性不均勻的問題，並提供 某些選擇，以抑制此等不均勻。 然而’用於傳統ELA法中之束整形方法的細節，使 得該方法很難降低於半導體膜中之非均勻性並改良此等 膜的效能特徵。例如，於低溫多晶矽（LTPS)製程中，當晶 粒的大小與TFT的通道區的尺寸相當時，則造成大的裝置 對裝置間之不均勻性。這乃由於微結構之隨機性所造成， 即，晶粒的隨機位置，也就是晶粒邊界。此不均勻性，特 別是當垂直於電流流向時，可以作為一電流阻障。再者， 當電晶體於關閉狀態時，載子係於晶粒邊界處產生，這促 第4頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · 着· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556350 A7 B7 五、發明説明（） 成關閉電流。當晶粒邊界係於汲極-通道接面中或接近 時’特別是如此。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 因此，吾人了解到對微結構的控制是有必要的，以確 保均勻之TFT製程’不論是對週期性或位置均是如此。有 關於週期性，薄膜應均勻，在晶粒的位置處及在晶粒邊界 均展現週期性。有關於位置，晶粒的位置，即晶粒邊界應 被控制，使得其對於每一單一裝置，促成電氣特徵者係相 同。 於脈衝雷射，例如準分子雷射照射製程中，以取得 LTPS膜，對TFT微結構的控制可以藉由使用微影術加以 取得，以造成此週期性。微影術的使用同時也考量位置控 制’因為使用了精確對位之微影製程程序。不好的是，微 影術的使用需要至少一額外之製程步驟，這當然增加複雜 度及成本。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 或者’對TFT微結構的控制可以經由使用一序向側面 固化（S L S)技術加以取得。例如，由艾姆所領證之美國專 利第6,322,625號及受讓給本案受讓人之美國專利申請第 〇9/3 90,53 7(J37申請案）均已揭示有關於用以成長大晶粒 多晶矽或單晶矽結構的設備與方法，其係使用可能量控制 之雷射脈衝及一矽樣品的小規模平移，以實行序向側面固 化。如於這些專利文件中所述，至少在一基板上之部份半 導體薄膜係以適當輻射脈衝加以照射，以完整地炼化此等 薄膜。卩伤的整個厚度。以此方式，當被熔化之半導體材料 固化時，一結晶結構由未受到完整熔化之半導體膜的選定 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210Χ 297公爱) A7
五、發明説明（） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556350 區域，成長進入該等固化部伶。陆你 ,, π u π谇伤。隨後，束脈衝照射略偏離 開已結晶區域，使得晶粒結構由兮 、。偁田这已結晶區域延伸入該熔 化區域中。 使用如第1圖所示之系統，一北a 尔、、此 非晶矽薄膜樣品係藉由 產生預定能量密度之多數準分子雷射脈衝，可控制地調變 該準分子雷射脈衝的能量密度，在一預定平面均句化該調 雷射脈衝’遮蔽該均句化調變雷射脈衝之部份成為有圖案 小光束，以該有圖案小光束以照射—非晶梦薄膜樣品，以 作用相應於小光束之熔化部份，並相對於該有圖案小光束 及控制調變，而可控制地平移該樣品，以處理成為一單晶 石夕或多結晶矽薄膜，藉由相對於該有圖案小光束而依序平 移該樣品，以及，以改變能量密度之有圖案小光束在相關 順序位置上，照射該樣品，以將該非晶矽薄膜樣品處理成 為一單晶或多結晶矽薄膜。 雖然第1圖之系統係有利於產生展現週期性均勻、高 品質多結晶矽及單晶矽，藉以解決於傳統ELC技術中之問 題，但該技術並未適當地考慮到晶粒邊界。例如，於最簡 單的形式中，SLS需要兩脈衝，以結晶化該非晶矽前驅物 成為一具有部份週期性之LTPS膜，例如，示於第2a圖中 之2-擊材料。週期性只有於由長晶粒邊界210、220、230、 240、25 0所示之一方向，該等邊界係彼此平行並同時也具 有突出物。然而，短晶粒邊界的位置完全未受到控制。於 平行晶粒邊界間之間隔可以增加，及此材料通常被稱為η· 擊材料。同樣地，第2 b圖顯示所謂4 -擊材料，其中，晶 第6頁
本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297AD (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
556350 A7 B7 五、發明説明（） 粒邊界係於兩方向中呈週期性。再次，於晶粒邊界間之間 隔可以·增加，並通常被稱為2n-擊材料。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 雖然SLS技術提供週期性，但此等技術並未對晶粒邊 界的位置提供正確的控制。參考第2c-d圖，所產生之LTPS 膜包含一變化數量之長晶粒邊界垂直於電流流向，並且， 具有一垂直晶粒邊界進出一 TFT汲極區域的可能性。當晶 粒尺寸增加及/或當通道尺寸減少時，即，當晶粒的尺寸相 較於通道區的尺寸時，兩問題變得更嚴重。雖然於江所領 證之美國專利第6,177,301號案中建議以將TFT通道區與 晶粒成長方向對不準，但該建議並未考量到維持於TFT微 結構中之均勻性。因此，有需要一 TFT製造技術，其提供 對晶粒邊界的週期及TFT的位置的控制，以TFT微結構 中提供均勻性。 發明目的及概沭： 本發明的一目的係提供一 TFT製造技術，其提供對晶 粒邊界週期性及TFT位置的控制，以在TFT微結構中， 提供均勻性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明的另一目的係提供一在TFT微結構中，提供均 勻性的裝置。 為了符合本發明的這些及其他目的，本發明提供用以 製作具有均勻微結構的多晶矽薄膜電晶體的方法。一例示 方法包含接收具一晶粒結構於至少一第一方向為週期性 變化的多晶矽薄膜，並放置至少一或多數薄膜電晶體於所 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) 556350 A7 ___ B7 五、發明説明（） 接收之膜上，使得其相對於該薄膜的週期結構為傾斜的。 該多晶石夕薄膜可以藉由一序向側向固化製程加以形成，例 如一兩擊序向側向固化製程。 較佳地’該一或多數薄膜電晶體的部份可以為具有寬 度w的作用通道區。其中薄膜的週期結構為又及m為變 數’該放置步驟涉及將作用通道區放置於該接收薄膜上， 使得其相對於薄膜的週期結構為傾斜一角度0 ，其中 Wsin( 0 ) = m人。變數m係加以選擇，使得於一或多數薄膜 電晶體中之晶粒邊界的數量保持相對地控制，並較佳接近 等於一整數。 本發明同時也提供一含多晶矽薄膜電晶體的裝置，其 具有一均勻微結構。於一例示實施例中，該裝置包含多晶 石夕薄膜’具有一晶粒結構，其係於至少一第一方向為週期 性的，及至少部份之一或多數薄膜電晶體被放置於薄膜 上，使得它們相對於膜的週期結構為傾斜的。 加入及構成本揭不之附圖例示本發明之較佳實施 例，並且用以解釋本發明的原理。 圖式簡單說明： 第1圖為一用以執行含序向側向固化之半導體製程的先前 技藝系統的功能圖； 第2a-b圖為使用第1圖之先前技藝系統的例示已處理石夕樣 品的不意圖； 第2c-d圖為示於第2a圖之例示處理珍樣品上之TFT之作 第8頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556350 A7 B7 五、發明説明（) 用通道區的先前技藝的放置圖； 第3a-b圖為圖表顯示依據本發明之在第2a圖所示之例示 已處理矽樣品上的TFT的作用通道區之放置； 第4a-b圖為圖表顯示依據本發明之在第2a圖所示之例示 已處理石夕樣品上的TFT的作用通道區之放置；及 第5a-b圖為圖表顯示依據本發明之在第2a圖所示之例示 已處理矽樣品上的TFT的作用通道區之放置。 圖號對照說明： 210 晶粒邊界 220 晶粒邊界 230 晶粒邊界 240 晶粒邊界 250 晶粒邊界 410 第一部份 420 第二部份 發明砰細說 (請先閲讀背面之注意事項再場寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於所有圖中，相同參考號及字母，除非特別指出外 都是用以表示實施例之類似特性、元件或部份。再者， 發明將詳細參考附圖加以說明，但其可以針對例示實施 作出變化。 再次參考第2a-b圖，顯示使用第i圖之先前技藝 SLS系統的已處理石夕薄臈。更明確說，笛 β 罘2a圖例示一 品藉由以一單準分子雷射脈衝照射一區域、微平移樣 以第二準分子雷射脈衝照射該區域，加 7 加从處理。雖然 明之例示說明將參考所謂"2-擊”材料作為— {歹 J *Τ" j ^旦 本 例 之 樣 品及 本發 熟習 556350 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（） 於此技藝者可以了解，本發明可以更廣泛地應用至已經被 以η-擊及2n-擊SLS技術處理之矽薄膜。 依據本發明’ TFT的作用區係相對於已處理薄膜的週 期微結構故意作出為傾斜。此傾斜可以藉由傾斜放置通道 區本身於該已處理薄膜上，或，藉由於SLS製程中，製造 a傾斜週期晶粒結構之薄膜加以完成。也可以使用該兩 方法的組合。 用以放置TFT於已處理薄膜的精密方法對於本發明 並不重要’因此，任何之已知技術均可以加以使用。一種 例示技術係揭示於由前川等人所領證之美國專利第 5，766,989號案，該案之内容係併入作為參考。 當TFT之作用通道區係故意相對於已處理薄膜的週 期微結構呈傾斜時，垂直或長晶粒邊界的分散數量變小， 造成增加之裝置與裝置間之均勻性。然而，依據本發明傾 斜角（0 )應不太大，以不會增加平行或短晶粒邊界的能量 密度。0的理想值可以由方程式（1)加以導出，其中W為 通道區的寬度，λ為於垂直晶粒邊界間之間隔，及m較佳 為接近一整數值： W*sin( θ ) = Μ* λ ⑴ 為了量測TFT的效能Ν，方程式（2)可以被使用，其 中L為通道區長度，及η為一預定比例：
Lcos( 0 ) = η* λ (2) 於方程式（2)中’一較低值之定量η表示增加之效能。 L為製程的設計規則所界定並對於所有之tfT均相等，其 第10頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐） ......................-ΙΤ......... (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 556350 A7 B7 五、發明説明（） 典型範圍係由3至6微米。然而W可以被調整以匹配在 TFT特性上之要求，並典型範圍由10至1〇〇微米。於垂 直邊界間之間隔λ典型範圍由2至1 〇微米，但也可能較 小或較大。 參考第3a-b圖，本發明之第一例將加以描述。於此 例子中，比例n=l，m = l及0 =10度。如於第3a-3b圓所 示，所有裝置均包含一垂直晶粒邊界，而不管TFT裝置的 任何平移’例如由第3 a圖所示的位置至第3 b圖所示的位 置。 參考第4a-b圖，本發明之第二例將加以描述。於此 例子中’比例η = 0·5，m=l及0 =1〇度。如於第4a_b圖所 示’通道區包含兩部份，第一部份41〇，其中有一垂直晶 粒邊界’及第二部份420，其中沒有垂直晶粒邊界。 於第二部份420中，裝置展現如於所有方向性固化材 料之TFT的特性’其中’載子並未為晶粒邊界所阻礙。如 於第4a-b圖所示，這兩部份的相對貢獻對於裝置的平移並 沒有變化，即由第4a圖所示之位置到由第4b圖所示的位 置。 雖然如於第3至4圖所示的例子為理想劇本，其中❿ 為整數，略偏離開所用整數值也可以依據本發明加以使 用。然而，偏離開整數值必須加以選擇，使得於任一給定 TFT中之晶粒邊界數保持相對控制。 參考第5a-b圖，本發明的其他例子將加以描述。於 第5a圖中，比例n = 2.；l，m=1及0 =1〇度，於第讣圖中， 第11頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -¾. ，訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556350 A7 B7
五、發明説明（） 比例η = 2·1，m = 0.5，及0=5度。如於第5a_b圖所示，對 於理想之0值，晶粒邊界的數量對於裝置的平移並不會產 生變化。然而，當0偏移開此值，平移增加變化晶粒邊界 的數量。當η等於或很接近時，晶粒邊界數量的整數基本 上對於0的改變是不變的。當然，其應超出某一值，以確 保垂直晶粒的在汲極區域中之部份對於平移也是不變 的。 前述只例示本發明的原理。對於所述實施例的各種修 改及替換對於以本案之教導為熟習於本技藝者是為明顯 的。因此，可以了解的是，熟習於本技藝者將能想出各種 實現本發明之原理的系統及方法，其雖然未示於圖中及加 以描述，但仍在本案之精神及範圍内。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) % -訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐)

Claims (1)

  1. 556350 A8 B8 C8 D8 π、申請專利範圍 1.一種製作包含兩或多數實質均句微結構之薄膜電晶體的 多結晶裝置的方法，該方法至少包含下列步驟： (a) 接收一多晶矽薄膜，具有一晶粒結構，其係於至 少一第一方向係為有週期性的；及 (b) 放置至少部份之兩或多數薄膜電晶體於該接收之 膜上，相對於薄膜週期結構係傾斜一角度，使得於該等 部份之中之長晶粒邊界的數量係實質保持均勻。 2·如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中上述之接收步 驟更包含接收一由序向橫向固化製程所形成之多晶石夕 薄膜。 3·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中上述之兩或多 數薄膜電晶體的部份包含具有寬度W的作用通道區。 4·如申請專利範圍第3項所述之方法，其中上述之薄膜的 週期結構為；I，m為可變，及該放置步驟包含放置作用 通道區於接收薄膜上之步驟，使得該作用通道區係相對 於薄膜的週期結構為傾斜一角度0 ，其中Wsin( 0 ) = m λ。 5 ·如申請專利範圍第4項所述之方法，其中上述之m係實 質等於一整數。 第13頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNs)A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁：> 訂· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 556350 B8 D8申請專利範圍 6.如申請專利範圍第4項所述之方法’其中上述之m等 一整數。 於 7·如申請專利範圍第4項所述之方法’其中上述之m等於 整數1。 8· —種用以製作具有薄膜電晶體的裝置的方法，該方法至 少包含步驟： (a) 接收一具有一晶粒結構的多晶矽薄膜，其係於數 量；I於至少第一方向中為週期性的；及 (b) 放置具有一寬度W的至少部份的一或多數薄膜 電晶體於該接收薄膜上，旅與薄膜的週期結構λ傾斜一 角度0，使得Wsin( 0 ) = m λ ’其中m為實質等於一整 數0 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) % .訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之接收步 驟包含接收一為序向橫向固化製程所形成之多晶石夕薄 膜。 10·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中上述之一或多 數薄膜電晶體的部份包含具有寬度W的作用通道區。 1 1·如申請專利範圍第1〇項所述之方法，其中上述之m等 於一整數。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210X297公釐) _o 8 8 8 ABCD 556350 六、申請專利範圍 12·如申請專利範圍第項所述之方法，其中上述之m等 於整數1。 1 3· —種包含實質均勻微結構之兩或多數多晶矽薄膜電晶 體的裝置’該裝置至少包含： (a) —多晶矽薄膜，具有一晶粒結構，其係於至少一 第一方向為週期性的；及 (b) 至少兩或多數餐膜電晶體部份放置於該被接收薄 膜上’每一電晶體部份相對於薄膜的週期性結構傾斜一 角度’使得於該等部份中之長晶粒邊界的數量係保持實 質均勻。 14·如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中上述之多晶 石夕薄膜包含由序向橫向固化製程所形成之薄膜。 15.如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中上述之兩或 數薄膜電晶體的該等部份包含具有寬度W的作用通道 區。 16·如申請專利範圍第13項所述之裝置，其中上述之薄膜 的週期結構為λ，in為一變數，及該作用通道區係相對 於薄膜的週期結構傾斜一角度0，其中Wsin( 0 ) = m λ β 17 ·如申請專利範圍第16項所述之裝置，其中上述之m係 第15頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210x297公楚) (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) 、一叮· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
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