專利名稱：通過(guò)對(duì)相對(duì)于溝道區(qū)域的微結(jié)構(gòu)的自覺(jué)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(qǐng)的交互引用本申請(qǐng)基于申請(qǐng)于2001年8月27日，系列號(hào)為60/315181的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)，該申請(qǐng)因各種目的通過(guò)引用而結(jié)合在本文中，本申請(qǐng)并要求對(duì)該申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。
發(fā)明
背景技術(shù)：
領(lǐng)域本發(fā)明涉及半導(dǎo)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(dǎo)體器件的技術(shù)。
背景技術(shù)：
眾所周知，諸如硅薄膜的半導(dǎo)體薄膜被用于為液晶顯示器件和有機(jī)光發(fā)射二極管顯示器件提供像素。這樣的薄膜通常通過(guò)準(zhǔn)分子激光退火法(“ELA”)加工，該方法中，無(wú)定形硅薄膜通過(guò)準(zhǔn)分子激光的照射使其結(jié)晶。
大量的努力被投入到對(duì)“常規(guī)”的ELA(也被認(rèn)作為線光束ELA)工藝的改進(jìn)上，力圖提高置于經(jīng)加工的半導(dǎo)體薄膜上的TFT器件的性能。例如，授予Maegawa等人的專利號(hào)為5766989的美國(guó)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(guò)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(wèn)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(xì)節(jié)使減小半導(dǎo)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(dāng)晶粒的尺寸和TFT溝道區(qū)域的尺寸可比較時(shí)，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(jī)性，也就是晶粒和因此的晶粒邊界的隨機(jī)位置引起的。這樣的不均勻性，尤其是垂直于電流流動(dòng)方向時(shí)，會(huì)起到電流屏障的作用。還有，當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，載流子產(chǎn)生于晶粒邊界上，這些載流子貢獻(xiàn)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(rèn)識(shí)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(duì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制。關(guān)于前者，薄膜應(yīng)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(duì)于后者，晶粒和因此的晶粒邊界的位置應(yīng)受到控制，因此它們對(duì)電氣特性的貢獻(xiàn)對(duì)每個(gè)單個(gè)器件都相同。
在脈沖激光即準(zhǔn)分子激光照射獲得LTPS薄膜的工藝中，對(duì)TFT微結(jié)構(gòu)的控制可以通過(guò)應(yīng)用平版工藝誘導(dǎo)這樣的周期性而獲得。平版工藝的應(yīng)用也解釋了為什么要位置控制，因?yàn)槠桨婀に囈獞?yīng)用精確的對(duì)準(zhǔn)程序。不幸的是，平版工藝的應(yīng)用需要至少一個(gè)額外的工藝步驟，這樣反過(guò)來(lái)增加了復(fù)雜性因此而增加了成本。
或者，對(duì)TFT微結(jié)構(gòu)的控制可以通過(guò)應(yīng)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(guó)專利6322635號(hào)以及被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的共同受讓人的系列號(hào)為09/390537的美國(guó)專利申請(qǐng)(“537申請(qǐng)”)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(zhǎng)大晶粒多晶或單晶硅結(jié)構(gòu)以實(shí)施連續(xù)的側(cè)向固化的特別有利的設(shè)備和方法，該兩項(xiàng)專利或?qū)＠暾?qǐng)的全部發(fā)明都通過(guò)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(dǎo)體薄膜的至少一部分被用適當(dāng)?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(dāng)熔化的半導(dǎo)體材料固化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)從該半導(dǎo)體薄膜的未經(jīng)歷完全熔化的經(jīng)選擇的區(qū)域生長(zhǎng)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(jìn)行照射，這樣，晶粒結(jié)構(gòu)就從形成晶體的區(qū)域延伸進(jìn)熔化的區(qū)域。
應(yīng)用如圖1顯示的系統(tǒng)將無(wú)定形的硅薄膜樣品加工成單晶或多晶硅薄膜。通過(guò)產(chǎn)生多個(gè)有預(yù)先確定通量的準(zhǔn)分子激光脈沖，可控制地調(diào)整準(zhǔn)分子激光脈沖的通量，在預(yù)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(wú)定形硅薄膜樣品以實(shí)現(xiàn)該樣品的相應(yīng)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(duì)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(yīng)的相繼位置照射樣品，從而無(wú)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(wèn)題，但該技術(shù)并不能適當(dāng)?shù)刈龅綄?duì)晶粒邊界的控制。例如，在最簡(jiǎn)單的形式中，SLS需要兩個(gè)脈沖將無(wú)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(zhǎng)晶粒邊界210，220，230，240，250顯示的方向上有周期性，這些長(zhǎng)晶粒邊界互相平行，并有一個(gè)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(gè)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(duì)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(gè)垂直于電流的長(zhǎng)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(dāng)晶粒尺寸增加和/或當(dāng)溝道尺寸減小，即當(dāng)晶粒尺寸變得和溝道尺寸可比較時(shí)，該兩個(gè)問(wèn)題將更嚴(yán)重。雖然在授予Jung的美國(guó)專利6177301中提出一個(gè)相對(duì)于晶粒生長(zhǎng)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(duì)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(yīng)對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)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(shí)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(gè)多晶硅薄膜，該薄膜具有在至少一個(gè)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(gè)或多個(gè)薄膜晶體管的至少一些部分，這樣，這些晶體管相對(duì)于所述薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜。多晶硅薄膜可以通過(guò)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(gè)或多個(gè)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(duì)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?？勺兊膍經(jīng)過(guò)選擇，因此在一個(gè)或多個(gè)薄膜晶體管的任何一個(gè)中晶粒邊界數(shù)相對(duì)保持受控，并最好約等于一個(gè)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(gè)示例實(shí)施例中，該器件包括有至少在一個(gè)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(gè)或多個(gè)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(duì)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(shí)施例并用以解釋本發(fā)明的原理。
附圖簡(jiǎn)述圖1是用于實(shí)施包括連續(xù)側(cè)向固化在內(nèi)的半導(dǎo)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(shuō)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(shuō)明實(shí)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(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳盡敘述，該敘述也通過(guò)聯(lián)系該說(shuō)明性實(shí)施例進(jìn)行。
較佳實(shí)施例的詳細(xì)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(shuō)，圖2a說(shuō)明了通過(guò)用一個(gè)單準(zhǔn)分子激光脈沖照射一個(gè)區(qū)域，微轉(zhuǎn)變?cè)摌颖?，以及用一個(gè)第二準(zhǔn)分子激光脈沖照射該區(qū)域加工的樣本。雖然下文對(duì)本發(fā)明的實(shí)例敘述將相關(guān)于作為一個(gè)實(shí)例的被稱為兩次照射的材料進(jìn)行，本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人士將理解的是，本發(fā)明可以被更廣泛地應(yīng)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(duì)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(guò)在經(jīng)加工的薄膜上傾斜溝道區(qū)域本身的安排來(lái)完成，或者通過(guò)在SLS工藝期間制作一個(gè)包括一個(gè)傾斜的周期性晶粒結(jié)構(gòu)的薄膜來(lái)完成。也可以應(yīng)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(duì)本發(fā)明并不重要，在該方面可應(yīng)用任何已知的技術(shù)。在授予Maegawa等人的美國(guó)專利5766989中敘述了一種示例的技術(shù)，該專利的內(nèi)容通過(guò)引用而結(jié)合在本文中。
當(dāng)TFT的有源溝道區(qū)域被故意相對(duì)于經(jīng)加工的薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜時(shí)，垂直的或長(zhǎng)晶粒邊界數(shù)的散布變得較少，導(dǎo)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(yīng)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(gè)整數(shù)W*sin(θ)＝m*λ(1)為了測(cè)量TFT的性能N可以應(yīng)用方程(2)，該方程中，L是溝道區(qū)域的長(zhǎng)度，n是一個(gè)預(yù)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(shè)計(jì)規(guī)程限定，對(duì)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(shí)例。在該實(shí)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(gè)垂直晶粒邊界。
下面參考圖4a-b敘述本發(fā)明的第二實(shí)例。在該實(shí)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(gè)部分，存在一個(gè)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(gè)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(gè)部分中的每個(gè)部分的相對(duì)貢獻(xiàn)對(duì)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(shí)例被認(rèn)為是理想的方案，其中m是一個(gè)整數(shù)，來(lái)自使用一個(gè)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(lái)自一個(gè)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(duì)保持受控。
下面參考圖5a-b敘述本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)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(duì)于θ的理想值，晶粒邊界數(shù)再次對(duì)于器件的任何轉(zhuǎn)變都不可變。但是當(dāng)θ偏移該值時(shí)，各種轉(zhuǎn)變?cè)谠黾臃较蛏细淖兞司Я＿吔鐢?shù)。當(dāng)n等于或非常接近一個(gè)整數(shù)時(shí)，晶粒邊界數(shù)基本上對(duì)于θ的各個(gè)變化都是不變的。當(dāng)然，它應(yīng)該超過(guò)一個(gè)一定值，以保證在漏區(qū)域中的一部分垂直的晶粒對(duì)于各種轉(zhuǎn)變也是不變的。
上文僅說(shuō)明了本發(fā)明的原理。對(duì)于在本領(lǐng)域熟練的人士而言根據(jù)本文的學(xué)說(shuō)對(duì)所敘述的實(shí)施例進(jìn)行各種修改和變動(dòng)將是顯而易見(jiàn)的。因此可以理解的是，在本領(lǐng)域熟練的人士將能夠設(shè)計(jì)出為數(shù)眾多的系統(tǒng)和方法，這些方法雖然沒(méi)有在本文中明確地顯示或敘述，但是能實(shí)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(gè)或多個(gè)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(gè)有一個(gè)晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)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(gè)或多個(gè)薄膜晶體管中的至少一些部分，該接納的薄膜相對(duì)于所述薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜一個(gè)角度，因此在所述部分的任何一部分中長(zhǎng)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(gè)通過(guò)一個(gè)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(gè)或多個(gè)薄膜晶體管的所述部分包括有一個(gè)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(gè)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(duì)于所述薄膜的所述周期結(jié)構(gòu)傾斜一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)有一個(gè)晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)第一方向上是一個(gè)數(shù)量λ的周期性的；和(b)在所述接納的薄膜上放置一個(gè)或多個(gè)薄膜晶體管中的至少一些部分，該薄膜晶體管有一個(gè)寬度W，該接納的薄膜相對(duì)于所述薄膜的所述周期性結(jié)構(gòu)λ傾斜一個(gè)角度θ，這樣W sin(θ)＝mλ，其中m基本上等于一個(gè)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(gè)通過(guò)一個(gè)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(gè)或多個(gè)薄膜晶體管的所述部分包括有一個(gè)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(gè)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(gè)或多個(gè)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(gè)有一個(gè)晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)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(gè)或多個(gè)薄膜晶體管部分，每一個(gè)相對(duì)于所述薄膜的周期結(jié)構(gòu)傾斜一個(gè)角度，因此在所述部分的任何一部分中長(zhǎng)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(guò)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(gè)或多個(gè)薄膜晶體管的所述部分包括有一個(gè)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(gè)變量，所述有源溝道區(qū)域相對(duì)于所述薄膜的所述周期結(jié)構(gòu)傾斜一個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)有晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，該結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)第一方向上是周期性的，并且在接納的薄膜上放置一個(gè)或多個(gè)薄膜晶體管的至少一些部分(410，420)，因此它們相對(duì)于該薄膜的周期性結(jié)構(gòu)傾斜。
文檔編號(hào)C30B29/06GK1547626SQ02816797
公開(kāi)日2004年11月17日 申請(qǐng)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(qǐng)人:紐約市哥倫比亞大學(xué)托管會(huì)