TWI260047B

TWI260047B - Crystallized film and process for production thereof

Info

Publication number: TWI260047B
Application number: TW093116715A
Authority: TW
Inventors: Hideya Kumomi
Original assignee: Canon Kk
Priority date: 2003-06-11
Filing date: 2004-06-10
Publication date: 2006-08-11
Also published as: US20060177361A1; JP2005005410A; TW200500513A; WO2004112110A1

Description

1260047 (1) 玖、發明說明【發明所屬之技術領域】本發明係有關結晶薄膜，可應用於需要高度空間一致丨生之大型積體笔路上’用於平板顯示器，影像感測器，磁性錄裝置’貧§只處理裝置；用以製造結晶薄膜之方法；使用結晶薄膜之兀件；使用該元件之電路；及含有該元件或電路之裝置。【先前技術】由液晶顯示器等所代表之平板顯示器經改善，由單石實施像素-驅動電路於一板上，及由性能之改善而具有較局解像度’較局速度’及較局濃淡度。簡單之矩陣驅動板已由具有像素之主動矩陣驅動板取代，分別具有切換電晶體。而且，全色高度精細之液晶顯示器由實施一轉移暫存電路供應，用以在同板之周邊上驅動該主動矩陣。主要由於製造具有優良電性質之複晶矽薄膜於低廉之玻璃基體上之技術，使包含周邊驅動電路之單石實施在實際製造成本上成爲可能。由此技術’沉積於玻璃基體上之非晶質矽薄膜由準分子雷射等在u V範圍中以短時間脈波光照射熔化及再凝固，而玻璃基體則保持於低溫上。與構成自非晶質矽薄膜在固相中結晶之複晶薄膜之晶粒相較，熔化-凝固能構製低結晶缺陷密度之晶粒。由使用以上薄膜作爲有效區域所構成之薄膜電晶體具有較高之載子移動率。故此，即使具有次微米之平均晶粒大小之複晶$夕薄膜 -4- 1260047 (2) 可用以製造一主動矩陣驅動單石電路，此具有充分之性能用於10 Oppi或以下之解像度之液晶顯示器。然而，顯然，使用現有之再凝固之複晶矽薄膜電晶體之電晶體尙無充分之性能用於次一代之較大之螢幕或較高解像度之液晶顯示器。以上複晶矽薄膜亦無充分之性能用於將來所希望之應用上，此等需要較高電壓及較大電流來驅動諸如電漿顯示器及電發光顯示器之驅動電路元件及醫學大螢幕X射線影像感測器之高速驅動電路元件。即使晶粒之缺陷密度降低，亦不能自次微米之平均晶粒大小之複晶薄膜獲得高性能元件。此仍由於具有微米大小之元件在其有效區域中具有許多晶粒邊界，此等成爲抵抗載子輸送之障礙。爲降低複晶薄膜膜中之晶粒邊界之密度及其空間分佈，由Im等發表（R.S.Sposili及J.S.Im，應用物理通訊，卷 69，2864(1996);日本專利03204986)—種依次橫向凝固之方法（此後稱爲’’ S L S方法”）。S L S方法被視爲早前之區域熔化再結晶技術之修改；由區域熔化結晶方法中掃描熔化-凝固在依次橫向生長晶粒中掃描之熔化區由S L S方法中以短時間脈波加熱及冷卻依次轉移及重複熔化-凝固區取代。在以上報告所示之一例中，由在寬度方向上依次轉移每照射〇 . 7 5 // m，由5 m寬之雷射光束依次照射，執行非晶質矽薄膜之準分子雷射結晶。在第一照射中，雷射照射之5〆m區成爲隨機複晶狀態。在第二照射中，完全熔化之5 m寬度區在邊界處接觸由在第一照射時熔化-凝固 1260047 (3) 所形成之複晶晶粒，從而在固-液介面處自作爲種子之複晶晶粒發生橫向生長。在第一照射時及其後，使用橫向生長之晶粒作爲種子，繼續橫向生長。結果，晶粒邊界在雷射光束掃描之方向上延伸，及晶粒生長成帶形。如上述， S L S方法提供晶粒邊界一維控制之可能性。然而，此方法僅執行一維控制，故晶粒邊界間之間隔（稱爲晶粒寬度）不可避免地分佈於廣大範圍中。由於各別帶形晶粒自隨機位置及晶粒大小之晶粒開始，且此隨機性繼續至橫向生長之終。此開始之隨機性進一步引起晶粒邊界之彎曲，碰撞，或分枝，損害一維控制。爲消除 SLS方法之不確定性，日本專利032049 86號發表一種方法與SLS方法合倂，由蝕刻非晶質矽薄膜，使單種子晶體選擇性生長（H.J.Song及J.S.Im，應用物理通訊，卷68，3 1 65 ( 1 996))。在此合倂之方法中，一非晶質矽薄膜蝕刻成小區域，包含一光屏蔽部份，鄰接該小區之窄橋區，及鄰接橋區之另一端之主區所構成之隔離島，及一雷射光束由SLS依此順序投射於其上。在第一照射時，在小區之光屏蔽部份中，非晶質矽不完全熔化，以形成細複晶晶粒，同時在周圍區域中之非晶質矽完全熔化，由使用以上複晶晶粒作爲種子晶體，形成許多晶粒。在其後之照射中，晶粒在橫向上進一步生長，但生長由非晶質矽薄膜之島圖案限制。從而橫向生長由橋區停止。由於橋區狹窄，故選擇（過濾）生長越過橋區之晶粒。在其後照射中，由S L S方法使用過濾之晶粒作爲種子，在主區中進 -6- 1260047 (4) 行結晶。在此方法中’如單晶粒可在小區之光屏蔽部份中生長，或如可過濾單晶粒’則主區爲由連續之晶粒所構成之一單晶粒。然而，在實際上，在使用溫度分佈於薄膜之平面中之前者方法中，不易保持僅單晶粒不熔化。另一方面，在後者方法中，爲過濾晶粒’橋應製成儘可能狹窄’ 以增加單晶粒之良率，此在圖案細鈾刻技術上遇到困難。本發明目的在提供一種創新方法’在由S L S方法製造結晶薄膜之過程中，用以二維控制晶粒及晶粒邊界之位置；一種結晶薄膜，由以上製造方法高度二維控制晶粒；及使用該薄膜之一種高性能之元件，電路’及裝置。【發明內容】依據本發明之一方面，提供一種用以製造結晶薄0旲之方法，包含步驟：製備具有晶粒在規定位置之薄膜；局部由脈波加熱熔化包圍該薄膜之晶粒之一區域之一部份及晶粒及周圍薄膜間之邊界之一部份；及再凝固熔化之區域。薄膜宜與一基體之表面接觸，及與薄膜之熔化及再凝固之區域接觸之基體之表面之晶體結構及所形成之結晶薄膜之晶體結構並不連續。再凝固之步驟宜使晶體可自規定位置處之晶粒橫向生長。在位置控制之晶粒外之周圍區域宜完全熔化。該方法宜包含：在再凝固之步驟後，另一步驟：由脈波加熱局部熔化已在再凝固步驟中生長之晶粒周圍之區域 1260047 (5) 之一部份，連同已在該步驟中生長之晶粒及周圍薄膜間之邊界之一部份；及一步驟：再凝固該熔化之區域。執彳了丈谷化及再凝固之重複步驟多次。在熔化及再凝固之重複步驟中熔化及再凝固之區域宜與熔化及再凝固之前步驟之熔化及再凝固之區域部份重疊。在重複熔化-凝固步驟中熔化- ，凝固區宜包含具有晶體結構之晶粒之邊界’接續該位置控制之晶粒。或且’在重複熔化_凝固步驟中丨谷化-凝固之區域涵蓋尙未用作熔化-凝固區之一區域。 β 設置具有一晶粒置於規定位置之一薄膜之步驟可包含一步驟：設置一單晶粒於先驅薄膜之特定區域中。先驅薄膜宜爲一非晶質薄膜，及設置一單晶粒於規定位置中之步驟宜爲一步驟：由非晶質薄膜之固相結晶生長一晶粒。設置單晶粒於規定位置中之步驟宜爲一步驟：由先驅薄膜之熔化-再凝固生長一晶粒。由先驅薄膜之熔化-再凝固生長晶粒之步驟及在本發明之以上結晶薄膜製造方法中之熔化及再凝固步驟宜由一及同一加熱裝置連續執行。在結晶薄 ^ 膜中具有連續晶體結構之晶粒之空間位置宜由固定該特定區域之空間位置決定。依據本發明之另一方面，提供一種結晶薄膜，包含一晶粒置於一規定位置，及另一晶粒自該規疋位置處之晶粒橫向生長。 . 依據本發明之另一方面，提供一種元件，包含以上之結晶薄膜，及安排一基本元件與該晶粒之位置相對應。宜分別使用晶粒作爲主動元件之有效區域。該元件之有效區各 1260047 (6) 域宜構製於結晶薄膜之單晶粒內。依據本發明之另一方面，提供一種電路，包含以上兀件’及連接至該元件之接線。依據本發明之另一方面，提供一種裝置，包含以電路 ’及連接至該電路之一半導體裝置或一顯示裝置。本發明之第一實施例爲一種用以製造結晶薄膜之方法，包含製備具有一晶粒在規定位置之一薄膜之一步驟；局部由脈波加熱熔化該薄膜之晶粒周圍之一區域之一部份及晶粒及周圍薄膜間之邊界之一部份之一步驟；及再凝固該熔化之區域之一步驟。術語’’規定位置’’在此意爲與整個薄膜上所界定之一參考坐標相關之預定位置，或薄膜之一局部位置，或在晶粒間所界定之一相對位置。規定位置爲欲構製於結晶薄膜上之電晶體元件之預定位置，並由半導體電路之佈局設計決定。用以開始本發明之製造方法之薄膜爲具有單晶粒在以上位置上之一薄膜。本發明中之晶粒之位置由蔽罩佈置依半導體裝置設計，在製造方法中之工作光束之位置，蔽罩之位置等控制。此後，如以上之位置決定有時稱爲”位置控制’’’及規定之位置有時稱爲”控制之位置’’ ° 本發明主要應用於半導體薄膜，諸如矽上，但在材料或薄膜厚度上並無限制。在用以經由上述步驟製造本發明之結晶薄膜之方法之一較宜實施例中，薄膜與一基體之一表面接觸，及與薄膜之熔化-凝固之區域接觸之基體之表面之晶體結構及所形 -9- 1260047 (7) 成之結晶薄膜之晶體結構並不連續。一特定之例爲沉積薄膜於非晶質玻璃基體上。更宜者，與此例同樣，熔化-凝固區無一部份與具有與構成結晶薄膜之晶粒相同之晶體之一單晶體基體之表面接觸。在以上製造方法中，晶粒之一部份可在熔化步驟中熔化° 在較宜之實施例中，在位置控制之晶粒外之周圍區域完全熔化。在一較宜實施例中，晶體自在規定位置中之晶粒橫向生長。本發明之製造結晶薄膜之方法之較宜實施例可包含：在再凝固之步驟後，另一步驟：由脈波加熱局部熔化已在熔化-凝固步驟中生長之晶粒周圍之區域之一部份，及已在該步驟中生長之晶粒及周圍薄膜間之邊界之一部份；及一步驟：再凝固該區域。即是，熔化-凝固區在晶粒之生長方向上轉移，及再執行熔化-凝固，俾晶粒可在橫向上進一步生長。以上步驟可重複多次。重複執行之熔化-凝固步驟中之熔化-凝固區可與前熔化-凝固之熔化-凝固區部份重疊。即是，使熔化-凝固區之轉移距離小於熔化-凝固區在轉移方向上之寬度’並重複熔化-凝固區之轉移及熔化-凝固。在此實施例中’在熔化-凝固區步驟中之熔化-凝固區宜包含位置控制之晶粒及具有與其連續之晶體結構之相鄰晶粒間邊界。 -10- 1260047 (8) 在上述重複熔化-凝固步驟中之熔化·凝固區可涵蓋尙未用作熔化-凝固區之一區域。從而，在熔化-凝固步驟後，該區域擴大，俾晶粒可在橫向上連續生長。在本發明中，設置具有一晶粒置於規定位置中之一薄膜之步驟可包含一步驟：設置一單晶粒於薄膜之一先驅之一特定區域中。在此，薄膜之’’先驅”意爲在單晶粒置於其上前之一薄膜，且有時稱爲’’先驅薄膜’’。在先驅薄膜上，設置一特定區域於一規定之位置。依據以下所述之方法，設置一單晶粒於該規定區域，以製備具有一晶粒置於該規定位置中之一薄膜。構製於特定區域中之單晶粒可塡於特定區之一部份中，或可剛配合於該特定區域中，或可擴散於特定區域外。該位置僅由特定區域界定。用以設置先驅薄膜之特定位置及設置一單晶粒之方法約分爲二類如以下。在設置單晶粒之第一方法中，使用非晶質薄膜作爲先驅薄膜，設置一特定區域於其上，並由非晶質薄膜之固相結晶優先生長一晶粒於特定區域中。爲由非晶質薄膜之固相結晶設置供晶粒生長於其中用之特定區域，可使用多種方法。例如，設置一特定區域，在大小或密度或晶粒或晶叢，非晶質材料之結構放鬆狀態，雜質濃度，表面吸收物質，薄膜之表面狀態等上與同圍區域不同，及在不高於薄膜之熔點之溫度上等溫徐冷該薄膜。從而，可生長一晶粒或晶叢之核心，包含或優先形成於該特定區域中。在設置晶粒之第二方法中，由先驅薄膜之熔化及凝固 -11- 1260047 (9) 生長單晶粒於特定區域中。在薄膜之熔化-凝固中，可由熔化-凝固設置單晶粒生長用之特定區域，使用以上第一方法中所述之在非晶質薄膜中選擇性固相結晶之程序，或使用熔化-凝固，使特定區域之薄膜厚度大於與周圍區域相對應之厚度。在使用以上第二方法之情形中，由熔化及凝固執行製備具有位置控制之晶粒之薄膜之步驟及橫向生長晶粒之步驟二者。故此，前者製備步驟及後者主要步驟可由公共使用同一加熱裝置連續執行。在此情形中，由同一加熱裝置提供給薄膜之能量在各別步驟中無需相等。如上述，在一較施實例中，在製成之結晶薄膜中具有連續晶體結構之晶粒之位置由設定特定區域於先驅薄膜中之位置決定。本發明之第二實施例爲一種結晶薄膜，包含一第一晶粒置於一規定位置，及一第二晶粒由另一特定位置處之第一晶粒生長獲得。本發明之第三實施例爲一種元件，使用本發明之上述結晶薄膜。在結晶薄膜中’具有連續晶體結構之晶粒之空間位置宜由開始薄膜中之特定區域之空間位置決定，並使用在控制位置中之晶粒作爲元件之有效區域。有效區域更宜構製於結晶薄膜之單晶粒內。本發明之第四實施例爲一種電路’包含本發明之元件及連接於此之接線；及諸如半導體單位之一單位及該電路所構成之一顯示單位，連接於此之其他電路’一感測裝置 -12- 1260047 (10) ，一顯示裝置等。本發明能精確控制晶粒及構成結晶薄膜之晶粒邊界之空間位置，使用位置控制之晶粒作爲種子晶體，晶體由依次熔化-凝固在橫向上生長。在本發明中，包含位置控制之晶粒及該晶粒及周圍區域之薄膜之一區域訂定爲熔化-凝固區，及此熔化_凝固區由局部脈波加熱及再凝固，使晶粒在橫向上生長；其後，熔化-凝固區在晶體生長之方向上轉移，俾相鄰熔化-凝固區相互部份重疊，及轉移之熔化-凝固區包含一未熔化區，並再執行熔化-凝固。由逐步重複此程序，可控制具有連續晶體結構之晶粒之至少一部份之至少空間位置。在本發明中，使用位置控制之晶粒作爲單晶粒設置於先驅薄膜之特定區域中，且此單晶粒由非晶質薄膜之固相結晶生長，或此由先驅薄膜之熔化-凝固生長爲在該特定區域中生長之一晶粒。從而可控制特定區域之空間位置，且可控制在具有一連續晶體結構之晶粒之至少一部份處之空間位置。在由熔化-凝固先驅薄膜，以生長在特定區域中之晶粒製造具有位置控制之晶粒之薄膜之方法中，整個方法可由公共使用同一加熱裝置於設置單晶粒於特定區域中之步驟，橫向生長晶粒之步驟中加以簡化。與隨機晶粒所構成之普通結晶薄膜相較，本發明之結晶薄膜可由構成晶粒之控制位置與元件之特定區域在空間上關聯，或由構製一元件之特定區域於位置控制之單晶粒 -13- 1260047 (11) 內，顯著改善元件之動態性質，並減小其性質變化。與使用僅爲隨機晶粒而無位置控制所構成之結晶薄膜之電路相較，由使用本發明之以上元件構成之電路可顯著改善電路之動態性質，並減少其性質變化。

使用本發明之元件或電路之裝置可由元件之動態性質之改善及其變化之減小，顯著改善其動態性質。而且，本發明之裝置具有較高之性態，此爲使用由SLS方法所製造之普通結晶薄膜所不能獲得。 H 【實施方式】在製造本發明之結晶薄膜之方法中，提供晶粒之種子，以引起晶體隨SLS方法之掃描連續在橫向上生長至一薄膜’具有由任何上述實施例所製備之位置控制之晶粒。以下參考實例，更詳細說明本發明之製造動態程序，元件，電路，及裝置。由參考圖1 A至3 F，說明本發明之結晶薄膜之基本實 · 施例及方法。在圖中，以沿垂直於掃描方向之平面切割薄膜之一部份之斷面圖槪要顯示該薄膜，斷面圖顯示薄膜之表面’介面，及熔化區。本發明之薄膜可與上面或下面上之其他層接觸。然而，在圖1 A至3 F中，僅顯示略去接觸，層之薄膜。在圖中，編號標示以下：1爲薄膜；2爲特定區域；3爲位置控制之晶粒；4爲並不進行熔化及再凝固之區域（此後簡稱爲”不熔化區”）；5爲脈波加熱裝置，用以局部熔化薄膜1 ; 6爲在熔化狀態中之熔化-固化區，包含位 -14· 1260047 (12) 置控制之晶粒3及周圍區域之一部份間之邊界之一邰份，7 爲在位置控制之晶粒3及在熔化狀態中之熔化-凝固區間之邊界處之固-液介面；8爲由熔化相聚核隨機形成之晶粒（此後稱爲，，聚核晶粒"）；9爲細晶體再凝固區’由熔化相隨機聚核所形成之聚核晶粒凝固；及1 0爲晶粒3及細晶體再凝固區9間之晶粒邊界。晶粒3亦表示由位置控制之晶粒之在橫向上生長所形成之晶粒。包圍晶粒3之區域爲例如在圖1A中之不熔化區4;或圖1D中之包含不熔化區4及細晶體再凝固區9之一區域。故此，在以下說明中，周圍區域由編號’，4 ”。或"4或9 "標示。由脈波加熱裝置5熔化之整個區域6其後變爲熔化-凝固區。故此，熔化-凝固區有時由編號6標示。首先，製備薄膜1，此具有晶粒3位置受控制於特定區域2，及周圍區域4，如顯示於圖1 A。然後，由脈波加熱裝置5局部加熱薄膜1，以熔化周圍區域4之一部份’包含位置控制之晶粒3及周圍區域4間之邊界之一部份’從而形成熔化-凝固區6(圖1B)。在局部脈波加熱裝置5之停止後，隨熔化區6之冷卻之進行，位置控制之晶粒3及熔化-再凝固區6間之液-固介面7自固-液介面之固體方向其液體方移動（圖1 C)。從而位置控制之晶粒3由熔化區6之再凝固橫向生長。另一方面，隨熔化狀態中之熔化區6之超冷卻之增加，在熔化相中發生自然晶核形成，以迅速高密度形成隨機聚核晶粒8(圖1C) ’並形成細晶體再凝固區9(圖1D)。此細晶體再凝固區9防止固-液介面轉移，以形成晶粒邊界 1260047 (13) 1 〇(位置控制之晶粒及具有連續晶體結構之晶粒間之邊界）。隨位置控制之晶粒3之橫向生長之終止，完成再凝固（圖 1 D)。圖]A至1 D之步驟爲本發明之結晶薄膜之製造方法之基礎。經由該方法，使特定區域2處之位置控制之晶粒3可自圖]A所示之大小橫向生長至圖1 D所示之大小。在圖1 D 之大小足供結晶薄膜使用之情形’熔化··凝固程序由一列以上步驟完成。在需要更大之結晶薄膜之情形，熔化-凝固區6轉移，且重覆圖1A至圖1D之步驟，如圖1E及以下各圖所示。即是，使用圖1 D所示之已在橫向上生長之晶粒3作爲在特定區域處之次一晶粒3，及使用包含未熔化區域4，細晶體熔化-凝固區9，及晶粒邊界1 0之一部份之區域作爲次一熔化-凝固區6，且此區域由脈波加熱裝置5局部加熱熔化（圖1 E)。結果，由熔化-凝固程序（圖1 F)以與第一程序相同之方式，由橫向生長延伸位置控制之晶粒3 (圖 1G)。爲進一步延伸橫向生長距離，轉移熔化-凝固區6，並連續重複相同步驟（圖1 Η)。在此程序中，可製造一結晶薄膜，此包含在延伸橫向生長距離上之位置控制之晶粒3 ( 圖 1 I)。在圖1 Α至1 I所示之本發明之實施例中’在特定位置2 中設置一位置控制之晶粒3，如顯示於斷面圖。或且，可設置多個特定區域於一空間中，其中，開始之薄膜在垂直於以上實施例之斷面之方向中延伸，並可設置一晶粒於各別特定區域中。即是’當在圖1 A至]I之斷面之朱度方向 -16- 1260047 (14) 上設置特定區域2及晶粒3之多個組合於恆定之間隔中時’ 可使各晶粒成一線延伸’自再凝固之結晶薄膜之上方觀之，在熔化-凝固區6之轉移方向上具有幾乎相等之寬度。或且，可沿熔化•凝固區6之轉移方向上設置特定區域2及晶粒3之多個組合◦在此情形’限制位置控制之晶粒3之橫向生長距離於相鄰之特定區域2及晶粒3之組合之鄰近，且決定其晶粒之邊界。在圖1 A至1 I所示之本發明之實施例中，熔化-凝固區 6之一端位於位置控制之晶粒3及周圍區域間之邊界處（該邊界相當於與其後熔化-凝固步驟中之隨機細晶體再凝固區9相鄰之晶粒邊界1 0)。然而’並不限於如此。僅需熔化-凝固區6包含此邊界。例如，如顯示於圖2 A至2 I，熔化-凝固區6可伸展於邊界上，以包含位置控制之晶粒3之一部份，但不應包含整個晶粒3。在依次重複熔化-凝固中，在本實施例中，相鄰之熔化-凝固區6相互重疊。在原則上，圖1 A至1 I之實施例及圖2 A至21之實施例可混合實施〇如顯示於圖1 A及圖2 A，由薄膜1之特定區域2控制位置之晶粒3宜爲具有一連續體體結構之一單晶粒。此較宜之實施例確保保持橫向生長之晶粒3之連繪晶體結構。設置特定區域2及位置控制之晶粒3於先驅薄膜1上之方法分爲二類。在第一方法中，先驅薄膜1爲非晶質薄膜’及單晶粒3 在固相中生長於特定區2中。明確言之，在本方法中，如 -17· 1260047 (15) 顯示於圖3 A，特定區域2設置於先驅薄膜1中；整個薄膜在熔點以下之溫度上等溫徐冷，以選擇及優先形成晶粒3 於特定區中（圖3 B);晶粒在固相中生長（圖3 C);及在晶粒塡滿整個特定區域2中後（圖3 D )，晶粒3繼續在橫向上生長至特疋區域2外（圖3 E)。從而可設置單晶粒3於特定區域2 之位置上（圖3 F)。爲選擇及優先控制固相結晶之位置，由降低特定區域 2中之結晶聚核之自由能障低於在周圍區域4中，或用以優先聚核單晶粒3於特定區域2中之一同樣方法，增加固相雛晶聚核頻率。或且，在非晶質先驅薄膜中，使晶叢之濃度較高，或使特定區域2中之晶叢之大小分佈在特定區域中較之在周圍區域4中偏向較大之大小，以選擇及優先生長晶粒3。在第二方法中，由熔化-凝固先驅薄膜1生長特定區域 2中之單晶粒3。明確言之，如顯示於圖3 A，設置特定區域2於一先驅薄膜1上；薄膜在特定區域2之部份中熔化，以留下在最大熔化狀態中選擇不熔化之單晶粒3於其中（圖 3 B)，或在特定區域2中熔化後，在冷卻期間中，自熔化相優先形成晶粒3之核心（圖3 b );此核心在液相中生長（圖 3C)於整個特定區域2中（圖3D)，並進一步橫向生長至特定區域2外（圖3E)，以形成單晶粒3於特定區域2之位置處（圖 3F) ° 可如以上第一方法中所述執行由熔化及再凝固選擇及優先結晶之位置控制。 -18- 1260047 (16) 在用以設置單晶粒於特定區域中之以上二方法之任一中，可在先期置晶粒於基體上並構製先驅薄膜1於其上後 ’執行固相結晶或熔化及再凝固。爲置晶粒3於特定區域2 之預定位置上，可使用各種方法，諸如選擇性沉積。參考圖4，說明使用由上述熔化-凝固方法製造之結晶薄膜之本發明之元件，電路，及裝置之典型實施例。圖4 爲影像顯示裝置之一部份之斷面圖，此具有一切換電路主要由半導體材料所組成之結晶薄膜中所設置之MOS式薄膜電晶體構成。在圖中，編號標示以下：1 〇〇 1爲切換電路之一區域；1 002及1 003分別爲第一 TFT及第二 TFT，構成切換電路1001 ; 1 000爲一基體；3及103爲位置控制之晶粒，已自特定區域橫向生長，並相當於圖1A至II及圖2A 至21中之參考編號3，一閘區形成於晶粒3及晶粒103中； 1 2及1 1 2爲閘絕緣薄膜；1 3及11 3爲閘電極；1 4及1 1 4爲源電極；15爲電極接線，用作第一 TFT 1 002之汲電極，第二 TFT 1 0 03之閘接線電極，及以上二電極之電極接線（此後稱爲”多用途閘接線電極"）；16爲第一 TFT 1 002之閘接線電極；1 7爲層間絕緣層；1 8爲像素電極；1 9爲發光層或透射可變層；及2 0爲上電極。晶粒3及1 0 3可由圖1 A至1 I或圖 2A至21所示之步驟自特定區域2橫向生長晶粒3，或由晶粒之一部份刻圖製成。在本發明之結晶薄膜中，由特定區域2之位置及熔化區域之一部份之轉移方向及距離決定晶粒3之位置及大小。故此，在製造具有有效區域在晶粒3中之元件中’元件 -19- 1260047 (17) 之有效區域可容易與晶粒3之位置關聯◦即是，如顯示於圖4，可限制閘區1 1(此爲TFT 1 002之一有效區域，此裝置之一元件）於晶粒3內。在此例中，在TFT 1 002之有效區域中不含晶粒邊界。從而改善元件特性，並降低元件間之變化。在圖4所示之切換電路中，由閘電極1 3控制之第一 TFT 1 002之汲電極（多用途閘接線電極15)經接線連接至第二TFT 1 003之閘電極1 13。各電極及接線由層間絕緣層17 相互絕緣。故此，由閘電極113控制之第二 TFT 1 003由第一 TFT 1001之汲電壓控制。在此一電路中，應精確控制第一及第二TFT之元件特性。本發明之電路滿足以上條件，因爲有效區域中不包含晶粒邊界。在圖4所示之影像顯示裝置中，由第二 TFT 1 003之汲電壓或電流控制由像素電極18及上電極20施加電壓及注入電流於發光層或透射可變層19中，此由第一 TFT1002之汲電壓控制。發光層之發光強度或透射可變層1 9之光透射率由施加電壓或注入電流於其中控制。此例之影像顯示裝置由多個元件構成，作爲排列成格子之像素顯示單位。爲獲得作爲影像顯示裝置之均勻光強度及時間反應，應減小各像素之性質變化。本發明之電路滿足以上條件，因爲有效區域中不含晶粒邊界。例1 說明經由圖1 A至1 I及圖3 A至3 F之步驟製造一結晶 -20- 1260047 (18) 矽薄膜，作爲本發明之第一例。在作爲具有非晶質氧化矽表面之基體之玻璃基板上，由電漿化學蒸氣沉積法沉積不含結晶矽叢之氫化非晶質矽薄膜至1 0 0 n m之厚度’作爲先驅薄膜。所沉積之薄膜由熱處理脫氫。在此非晶質矽薄膜之表面上，由濺散法沉積非晶質氧化矽薄膜至1 5 Onm之厚度。此非晶質氧化矽薄膜由照相製版法刻圖，以留下1 // m正方之非晶質氧化矽島於 1 Ο β mx50 μ m矩形格子點上。由使用此非晶質氧化矽島作爲蔽罩，自該表面以70keV之加速能量及2xl015cnT3之劑量植入矽離子。然後，移去非晶質氧化矽島蔽罩。在氮大氣中以6 0 0 °C等熱徐冷該薄膜1 5小時。結果，發現在1 0 // mx5 0 // m之矩形格子點上生長約3 // m大小之單晶粒，此處曾構製1 // m平方之非晶質氧化矽島作爲蔽罩，且發現周圍區域仍爲非晶質。其次，形成寬度爲4 // m之一線光束之XeCl準分子雷射光束成脈波以能量密度400mJ-cm·2投射於薄膜上。在雷射照射上，使光點長度方向平行於在矩形格子之1 〇 # ^間隔上排列之1 // m正方之屏蔽區之短軸方向，且4 // m寬度雷射光束之中心置於離晶粒之中心3 // m處。由在寬度方向上以2 // m步平行移動，照射同一雷射光束。發現所製成之結晶薄膜塡滿寬度1 〇 m及長度5 0 // m 之平均大小之晶粒，在整個薄膜中排列成矩形格子。由詳細觀察，發現晶粒成臂章形狀，在5 0 // m長度方向之二端處具有凸出面及凹入面，似乎看見1 // m正方之非晶質矽 -21 - 1260047 (19) 島之蹤跡，此等用作離子注入之蔽罩。構成本例之結晶薄膜之臂章形晶粒視爲由轉移及重複雷射光束照射，在作爲晶體種子之矩形1 0 V 5 0 // m格子點處自約3 m大小之單晶粒橫向生長。故此，在開始薄膜上1 〇 /i mx 5 0 m矩形格子點之1 # m正方非晶質氧化矽島正下方之區域，局部控制於該等位置處之約3 // m大小之單晶體，及周圍區域分別相當於圖1 A至1 I之’’特定區域域2 ”，”晶粒3 ”，及” 周圍區域4 ”。在本例中，單晶體由選擇優先分別在非晶質基體上之薄膜中之特定區域中固相結晶製成；作爲熔化-凝固區之該等區域，包含晶粒及周圍區域間之邊界之一部份及具有不熔化區域之周圍區域之一部份由脈波局部加熱，以引起熔化及再凝固，俾橫向生長晶粒。依次重複熔化及再凝固之步驟，在每一重複熔化-凝固步驟中，轉移熔化-凝固區，連續之熔化-凝固區部份重疊，以橫向連續生長位置控制之晶粒。從而在本例中，製備一結晶薄膜，此包含在空間位置上受控制之晶粒。例2 在本發明之此例2中，經由圖2 A至2 I及圖3 A至3 F所示之步驟，製造一結晶矽薄膜。以與例1相同之方式製備一薄膜，唯在矽離子植入及屏蔽非晶質氧化砂島移去後之步驟除外。與例1不同者，不執丫了固相結晶之在氮大氣中以6 0 0 °c等熱徐冷1 5小時， -22- 1260047 (20) 而代以整個薄膜區由KrF準分子雷射照射，而整形雷射爲在4 0 0 m ] · c m _2能量密度上之線光束。從而構製一結晶薄膜，其中，製成約2 // m大小之單晶粒，成1 0 // mx 5 0 ν m矩形格子點之排列，1 m正方之非晶質氧化矽蔽罩島前曾構製於此，及圍繞單晶粒之區域塡以約5 Onm平均顆粒大 . 小之隨機細晶粒。由與例1相同之準分子雷射以能量密度4 5 0m J.cnT2連續照射該結晶薄膜。在雷射光束之第一照射中，與例1同 · 樣，使雷射光點長度方向平行於在矩形格子之1 〇 # m間隔上排列之l//m正方之屏蔽區之短軸方向，及4//m寬度之雷射光束之中心置於距晶粒之中心2 // m處，且在第一及其後之照射中，重複照射雷射光束，且平行逐步轉移2μιη 〇發現製成之結晶薄膜在整個薄膜中塡以排列成矩形格子之平均大小爲10//m寬度及50//m長度之晶粒，與例1 同樣。認爲構成本例之結晶薄膜之晶粒係由重複雷射照射及其轉移，自矩形1 0 // m X 5 0 // m格子點上大小爲約爲2 μπι 之單晶粒作爲晶體種子橫向生長。由觀察在雷射光束重複照射期間中所取出之結晶薄膜，發現橫向生長距離爲3 μιΏ 。此意爲在每一雷射照射中，4 // m寬度之熔化-凝固區之 :

1 V m寬度之一區域包含前橫向生長中生長之晶粒之一部份。故此，在開始薄膜上1 〇 V m X 5 Ο e m矩形格子點之1 μ m i方非晶質氧化矽島正下方之區域，在該位置處位置受控制之約2以m大小之單晶體，及周圍區域分別相當於圖2A -23- 1260047 (21) 至2 I中之”特定區域2 ”晶粒3 ”，及”周圍區域9 ”。本例與例1之不同在於，在由選擇優先熔化及再凝固製造具有位置控制之晶粒之薄膜中’該熔化-凝固區不獨包含位置控制之晶粒及周圍區域間之邊界之一部份’但亦包含晶粒之一部份。例3 在本發明之此例3中，經由圖2A至21及圖3A至3F所示之步驟，製造結晶矽薄膜，但與例2不同。以與2相同之方式製備一薄膜，唯在矽離子植入及屏蔽非晶質氧化矽島之移去後之步驟除外。與例2不同者，不執行由非整形雷射光照射之步驟，執行由雷射線束重複照射之步驟如下。所獲得之非晶質薄膜由整形成線光束點之相同KrF準分子雷射光重複照射，與例2同樣。在雷射光束之照射中，與例2同樣，使雷射光點長度方向平行於在矩形格子之 3 0 # m間隔上排列之1 // m平方之非晶質氧化矽島蔽罩區域之短軸方向。在第一照射中，4 // m寬度之雷射光束朝向該區域之中心，並以能量密度4 0 0 m J . c m ·2投射光束。在第二及其後照射中，增加能量密度至5 0 0 m J · c irT2，並在平行逐步中轉移2 // m，重複投射雷射光束。發現製成之結晶薄膜塡以平均大小爲1 〇 V m寬度及5 0 # ηι長度之晶粒，在整個薄膜中排列成矩形格子’與例2 同樣◦由觀察在雷射光束第一照射正後之薄膜，約2 ^ m -24- 1260047 (22) 大小之單晶粒排列於雷射照射之行，1 0 V mx 50 // m之矩形格子點內，此處曾設置1 // m正方之屏蔽非晶質氧化砂島；由雷射光束照射之約4 // m寬度之周圍區域由約50nm 之平均直徑之隨機細晶粒填滿，及外區域保持非晶質狀態 - 。曰忍爲構成此例之結晶薄I吴之晶粒係自1 〇 m X 5 0 // m矩形格子點處由第一雷射照射所形成之約2以m大小之一單晶粒作爲種子子所生長，並由連續重複雷射光束照射及照射位置轉移進一步橫向生長。故此，在開始薄膜上 φ 10μιηχ50" m矩形格子點處之1// m正方非晶質氧化石夕島正下方之區域，在該位置處在第一雷射照射處所形成之約2 // m大小之位置控制之單晶體，及周圍區域分別相當於圖 2A至21中之”特定區域2”，”晶粒3”，及”周圍區域4，9，，〇本例與例2之不同在於，使用相同之加熱裝置於特定區域中由溶化-再凝固生長單晶粒之步驟及橫向生長單晶粒之步驟中。 _ 例4 此例4顯不具有圖4所不結構之一 Μ 〇 S式T F T元件，一 TFT積體電路，及一 EL影像顯示裝置。平均寬度1 〇 # ni及平均長度5 〇 β m之單矽晶粒設置於一玻璃基體上，具有一氮化砂薄膜及一氧化砂薄膜由例1 -3所述之任何方法疊合於其表面上。然後，經由矽薄膜電晶體用之普通低溫方法，沉積一聞絕緣薄膜及一閘電極薄 -25- 1260047 (23) 膜。除單晶粒之1 // m寬度之中央部份外，移去該等區域中之閘電極薄膜。由自行對齊技術，由使用未移去之閘電極薄膜部份作爲蔽罩，摻雜硼於無屏蔽之區域中，以形成閘區，源區，及汲區。從而，各別閘區整個構製於單晶粒內。然後，沉積由絕緣薄膜所構成之一鈍化層，並構製與各別區相對應之孔於鈍化層中。最後，沉積並鈾刻鋁接線層，以形成閘電極，源電極，及汲電極，俾獲得一 Μ 0 S 式 TFT ° 所獲得之MOS式TFT之操作特性之測試結果顯示，與由相同方法，而不設置本發明之”特定區域1”構製於隨機複晶薄膜上之相同形狀之元件相較，本TFT能操作於較高之速度上，二或更多倍之移動率。降低元件特性之變化：在移動率上減半，在臨限電壓上爲1 /4。 MOS式TFT之相鄰二元件如下連接。第一 TFT之汲電極連接至第二TFT之閘電極。第二TFT之閘電極經由電容元件連接至同TFT之源電極。從而由二TFT元件及一電容元件構成一積體電路。在此電路中，供應至第二 TFT之源電極之源電流由電容元件之電容量控制，而電容量及電容切換由第一 TFT之閘電壓控制。此電路可例如用作主動矩陣顯示裝置中之像素之切換及電流控制之元件電路。量度依此例所製備之電路之基本操作特性，並與未設有本發明之”特定區域”之與以上相同方法製備於隨意複晶薄膜上之相同形狀之電路之特性比較。証實可在操作切換 -26- 1260047 (24) 頻率中以高3倍或以上之速率執行操作，及自第二τ F T之汲電極輸出之電流之控制範圍擴大，約二倍。同類電路之特性變化減小至一半或更低之程度◦此意爲各別電路之第一 TFT間及第二TFT間之特性之變化小，及同電路中第一 T F T及第二τ F T之特性較之相當物件者均勻。其次，以上T F T積體電路以i 〇〇 # m之間隔排列於玻璃基體之正方格子點上，並用作元件電路。正方格子之各單胞由接線如下連接，俾用作影像顯示裝置之像素。首先，對每一格子提供一掃描線在正方格子之一軸線中，及每一元之第一 TFT之閘電極連接於此。另一方面，在垂直於掃描線之方向上，一信號線及一源線連接於每一格子，並連接至各別元件電路中之第一 TFT之源電極及第二 T F T之源電極。在積體電路元件上疊合一絕緣層。構製開口，以露出元件電路之第二TFT之汲電極。然後，疊合一金屬電極，並分隔金屬電極，以絕緣各別像素。最後，疊合一電發光（EL)層及一上透明電極層於其上。如此，製成主動距陣式之一多級EL影像顯示裝置，此由TFT積體電路執行像素之切換及注入電流控制。在此例之影像顯示裝置中’由掃描線之電壓發動第一 TFT，一電荷自源線儲存於電容元件中，相當於提供給信號線之電流。由第二TFT之閘電壓控制之一電流自源線引進於E L發光層中，相當於所儲存之電荷。量度依此例所製之影像顯示裝置之基本操作特性，並 -27- 1260047 (25) 與由普通S L S方法而不使用本發明之相同步驟構製於複晶薄膜上之相同形狀之影像形成裝置之特性比較。結果，証實作爲靜態性質之最大亮度及最大對比提高約1 · 5倍，濃淡度再生範圍擴大約1。3倍，及缺陷像素比率及亮度變化分別降低至1 /2。作爲動態特性之最大框率提高約2倍。此等動態操作特性之提升完全由於元件特性之以上改善及變化降低，及由於構成元件電路之薄膜電晶體特性之改善及變化降低所造成。此等爲構製電晶體之有效區域於單晶粒中之結果。【圖式簡單說明】圖 ΙΑ，1B，1C，ID，IF，1G，1H，及 II 用以說明本發明之結晶薄膜之第一基本實施例及其製造方法。圖 2A，2B，2C，2D，2F，2G，2H，及 21 用以說明本發明之結晶薄膜之第二基本實施例及其製造方法。圖3A，3B，3C，3D，及3F用以說明製備具有位置控制之晶粒之薄膜之實施例。圖4用以說明本發明之元件，電路’及裝置之實施例【主要元件符號說明】 1 薄膜 2 特定區域 3，1 0 3 位置控制之晶粒 -28- 1260047 (26)

4 未熔化區 5 脈波加埶裝置 6 溶化 -凝固區 7 固液介面 8 晶 \f/丄松 9 細晶體再、,匕7 彼固區 10 晶邊界 11,111 閘丨品▲ 12,112 閘絕緣薄膜 13,113 閘電極 14,114 源電極 15 電極接線】6 閘接線電極 17 層間絕緣層 18 像素電極 19 發光層 20 上電極 1000 基體 100 1 切換電路之 1E 域 1002 第一 TFT 1003 第一 TFT

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Claims

1260047 (1) 拾、申請專利範圍第93 1 1 67 1 5號專利申請案中文申請專利範圍修正本民國94年1 1月I4日修正 1 · 一種用以製造結晶矽薄膜之方法，包含步驟：製備具有一晶粒在規定位置之一矽薄膜；局部由脈波加熱熔化包圍該砂薄膜之晶粒之一區域之一部份及晶粒及周圍矽薄膜間之邊界之一部份；及再凝固該熔化之區域，其中’設置具有一晶粒置於規定位置之一矽薄膜之步驟包含一步驟：設置一單晶粒於一先驅矽薄膜之一特定區域中。 2 .如申請專利範圍第1項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，該矽薄膜與一基體之表面接觸，及與矽薄膜之熔化及再凝固之區域接觸之基體之表面之晶體結構及所製之結晶矽薄膜之晶體結構並不連續。 3 .如申請專利範圍第1項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，再凝固之步驟使晶體可自規定位置處之晶粒橫向生長。 4 .如申請專利範圍第1項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，在位置控制之晶粒外之周圍區域完全熔化 5 .如申請專利軔圍弟1項所述之用以製造結晶砂薄膜之方法，其中’該方法包含：在再凝固之步驟後’另一步驟：由脈波加熱局部熔化已在再凝固步驟中生長之晶粒周 1260047 丨作存//月網 .負 (2) 圍之區域之一部份’連同已在該步驟中生長之晶粒及周圍矽薄膜間之邊界之一部份；及一步驟：再凝固該熔化之區域。 6 .如申請專利範圍第5項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，執行熔化及再凝固之重複步驟多次。

7 .如申請專利範圍第5項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，在熔化及再凝固之重複步驟中熔化及再凝固之區域與熔化及再凝固之前步驟中熔化及再凝固之區域部份重疊。 8 .如申請專利範圍第7項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，在重複熔化-凝固步驟中熔化-凝固之區域包含晶粒之晶粒邊界，具有晶體結構接續位置控制之晶粒 9 .如申請專利範圍第5項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，在重複熔化-凝固步驟中熔化-凝固之區域涵蓋尙未用作熔化-凝固區之一區域。肇 1 0 .如申請專利範圍第1項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，先驅矽薄膜爲一非晶質矽薄膜，及設置一單晶粒於規定位置中之步驟爲一步驟：由非晶質矽薄膜之固相結晶生長一晶粒。 1 1.如申請專利範圍第1項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，設置單晶粒於規定位置中之步驟爲一步驟 :由先驅矽薄膜之熔化-再凝固生長一晶粒。 1260047 (3) 1 2 .如申請專利範圍第1 1項所述之用以製造結晶砂薄膜之方法，其中，由先驅砂薄膜之熔化-再凝固生長晶粒之步驟，及在用以製造結晶矽薄膜之方法中之熔化及再凝固步驟包含步驟：製備一矽薄膜，具有一晶粒在規定位置中，由一及同一加熱裝置連續執行由脈波加熱局部熔化包圍該矽薄膜之晶粒之一區域之一部份及該晶粒及周圍矽薄膜間之邊界之一部份，及再凝固熔化之區域。

1 3 .如申請專利範圍第1項所述之用以製造結晶矽薄膜之方法，其中，由固定特定區域之空間位置，決定結晶矽薄膜中具有連續晶體結構之晶粒之空間位置。

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