TW577174B

Method and apparatus for forming a thin semiconductor film, method and apparatus for producing a semiconductor device, and electro-optical apparatus

Abstract

A method is disclosed for forming high-quality high-crystallinity polycrystalline or monocrystalline thin semiconductor film. The method is capable of forming such a semiconductor film over a large area at low cost. An apparatus for practicing the method is also disclosed. To form a high-crystallinity large-grain polycrystalline film or monocrystalline thin semiconductor film on a substrate, or to produce a semiconductor device including a high-crystallinity large-grain polycrystalline film or monocrystalline thin semiconductor film disposed on a substrate, a low-crystal-quality thin semiconductor film is first formed on the substrate, and then focused-light annealing is performed on the low-crystal-quality thin semiconductor film thereby melting or semi-melting the low-crystal-quality thin semiconductor film. The focused-light annealing allows enhancement of crystallization that occurs when the melted low-crystal-quality thin semi-conductor film is cooled, and thus the low-crystal-quality thin semiconductor film is converted into a high-quality polycrystalline (or monocrystalline) thin semiconductor film.

TW577174B, drawing sheet 1
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61 claims: 58 independent, 3 dependent

  1. 1
    一種用以在一基板上形成一多結晶或單結晶薄半導體膜之薄半導體膜形成方法,該方法包括:一第一形成步驟,用以在該基板上形成一低結晶品質薄半導體膜;以及一第二執行步驟,用以在該低結晶品質薄半導體膜上執行聚光退火處理,以熔化或半熔化該低結晶品質薄半導體膜,或當該低結晶品質薄半導體膜維持無熔化狀態時加熱該低結晶品質薄半導體膜,然後將低結晶品質薄半導體膜冷卻,藉此增強該低結晶品質薄半導體膜結晶化。
  2. 2
    一種用以製造一包括一配置於一基板上之多結晶或單結晶薄半導體膜的半導體裝置之方法,該方法包括:一第一形成步驟,用以在該基板上形成一低結晶品質薄半導體膜;以及一第二執行步驟,用以在該低結晶品質薄半導體膜上執行聚光退火處理,以熔化或半熔化該低結晶品質薄半導體膜,或當該低結晶品質薄半導體膜維持無熔化狀態時加熱該低結晶品質薄半導體膜,然後將低結晶品質薄半導體膜冷卻,藉此增強該低結晶品質薄半導體膜結晶化。
  3. 3
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中第一及第二步驟係被重複執行。
  4. 4
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中執行聚光退火處理的方式為使用一燈發射的聚光射線掃描整個基板以 促使發生分區熔化重新結晶化,或是使用複數個燈發射的複數個聚光射線掃描整個基板以促使發生多重分區熔化重新結晶化。
  5. 5
    如申請專利範圍第4項之方法,其中執行掃描的方式為移動該(等)燈發射的該(等)聚光射線而將該基板維持在固定位置,或是移動該基板而使該(等)聚光射線維持在固定位置。
  6. 6
    如申請專利範圍第4項之方法,其中燈放射的光可被分割成紫外線成分、可見光成分及紅外線成分,並且可使用以可見光成分、紅外線成分和紫外線成分順序掃描的已分割成分連續照射該基板。
  7. 7
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中於聚光退火處理製程期間對著該基板正面或反面或對著該基板的正反面吹熱空氣或氣體。
  8. 8
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中將適量的至少一種催化元件加入至該低結晶品質薄半導體膜中,並且針對含有該至少一種催化元件之該低結晶品質薄半導體膜執行該第二步驟。
  9. 9
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中藉由執行聚光退火處理製程,將該低結晶品質薄半導體膜轉換成大粒度多結晶形式。
  10. 10
    如申請專利範圍第1或2項之方法,進一步包括在要形成一裝置的該基板特定區域中形成一預先決定形狀及大小的梯級凹處, 其中該第一步驟包括在具有該梯級凹處之該基板上形成一低結晶品質薄半導體膜,該低結晶品質薄半導體膜可包含或不含一種或一種以上催化元件,並且該第二步驟包括執行聚光退火處理製程,以在當作生長種子之該梯級凹處的低邊緣開始發生石墨磊晶(graphoepitaxy)生長,藉此將該低結晶品質薄半導體膜轉換成單結晶薄半導體膜。
  11. 11
    如申請專利範圍第1或2項之方法,該方法進一步包括在要形成一裝置的該基板區域中形成一晶格匹配於單結晶半導體的材料層,如薄藍寶石層的步驟,其中該第一步驟包括在該結晶層上形成一低結晶品質薄半導體膜,該低結晶品質薄半導體膜可包含或不含一種或一種以上催化元件,並且該第二步驟包括執行聚光退火處理製程,以在當作生長種子之該層上發生異質磊晶(heteroepitaxy)生長,藉此將該低結晶品質薄半導體膜轉換成單結晶薄半導體膜。
  12. 12
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中執行一以整合方式建構的裝置連續執行該第一步驟和該第二步驟,以便能夠執行至少該第一步驟和該第二步驟。
  13. 13
    如申請專利範圍第3項之方法,進一步包括,在再次執行聚光退火處理之前先清潔該多結晶薄半導體膜的表面或去除該多結晶薄半導體膜表面的低品質氧化物膜,其方式是將藉由氫或含氫氣體電漿放電或藉由催化反應所產生的氫基活性種類(hydrogen-based active species)施加在多結晶薄半導體膜上,並且在清潔步驟完成後形成一低結晶品質薄半導體膜,並且執行聚光退火處理。
  14. 14
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中係在減壓氫氣、含有減壓氫氣之氣體室、真空、空氣或大氣壓氮氧環境中執行聚光退火處理。
  15. 15
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中在執行聚光退火處理中該基板被加熱至低於該基板應變點的溫度。
  16. 16
    如申請專利範圍第1或2項之方法,進一步包括在該低結晶品質薄半導體膜上形成一保護絕緣膜的步驟,其中聚光退火處理係在空氣或大氣壓氮氧環境中針對其上方已形成該保護絕緣膜的該低結晶品質薄半導體膜執行。
  17. 17
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中當針對形成於該基板上的該低結晶品質薄半導體膜執行聚光退火處理時,或當針對已塗佈該保護絕緣膜的該低結晶品質薄半導體膜執行聚光退火處理時,最好使用位於上方或下方的燈發射的聚光射線照射該基板(其中該基板被調整,以當光線係來自於下方時可穿透小於400 nm的波長)。
  18. 18
    如申請專利範圍第17項之方法,其中該低結晶品質薄半導體膜或已塗佈該保護絕緣膜的該低結晶品質薄半導體膜被形成為一個或一個以上島形狀。
  19. 19
    如申請專利範圍第17之方法,其中聚光射線照射係在大氣壓氮氧或空氣環境中執行。
  20. 20
    如申請專利範圍第17項之方法,其中聚光射線照射係在 減壓氫氣、含有減壓氫氣之氣體室或真空環境中執行。
  21. 21
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中聚光退火處理係在施加磁場或電場時執行。
  22. 22
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中該低結晶品質薄半導體膜係為非結晶矽膜、含有微結晶矽之非結晶矽膜、微結晶矽膜(含有非結晶矽)、含有非結晶矽及微結晶矽之多結晶矽膜、非結晶鍺膜、含有微結晶鍺之非結晶鍺膜、微結晶鍺膜(含有非結晶鍺)、含有非結晶鍺及微結晶鍺之多結晶鍺膜、具有Si x Ge 1-x (0<x<1)合成物之非結晶矽鍺膜、非結晶碳膜、含有微結晶碳之非結晶碳膜、微結晶碳膜(含有非結晶碳)、含有非結晶碳及微結晶碳之多結晶碳膜、具有Si x C 1-x (0<x<1)合成物之非結晶矽碳膜或具有Ga x As 1-x (0<x<1)合成物之非結晶砷化鎵膜。
  23. 23
    如申請專利範圍第1或2項之方法,進一步包括使用該單結晶或多結晶半導體膜來形成一薄膜閘隔離場效電晶體的通道區、源極區及汲極區,或形成一二極體、一互相連接、一電阻器、一電容器或一電子發射元件的步驟。
  24. 24
    如申請專利範圍第23項之方法,其中在將該低結晶品質薄半導體膜圖樣化成一對應於該通道區、該源極區、該汲極區、該二極體、該電阻器、該電容器、或該互相連接或該電子發射元件的形式(一個或一個以上島)之後執行聚光退火處理。
  25. 25
    如申請專利範圍第1或2項之方法,其中可製造於下列裝 置中使用的薄膜:矽半導體裝置、矽半導體積體電路、矽鍺半導體裝置、矽鍺半導體積體電路、碳化矽半導體裝置、碳化矽半導體積體電路、合成物半導體裝置、合成物半導體積體電路、多結晶鑽半導體裝置、多結晶鑽半導體積體電路、液晶顯示器、(無機/有機)電致發光(EL)顯示器、場發射顯示器(FED)、發光聚合物顯示器、發光二極體顯示器、CCD區域/線性感應器、CMOS感應器或太陽能蓄電池。
  26. 26
    如申請專利範圍第25項之方法,其中當製造內含內建電路與周邊電路的半導體裝置、電光裝置或固態成影裝置時,可使用該多結晶或單結晶薄半導體膜來形成內建電路與周邊電路之至少一電路之薄膜閘隔離場效電晶體的通道區、源極區和汲極區。
  27. 27
    如申請專利範圍第26項之方法,其中一陰極或一陽極被配置在各色有機或無機電致發光層下方,其中該陰極或該陽極被連接至該薄膜閘隔離場效電晶體的汲極或源極。
  28. 28
    如申請專利範圍第27項之方法,其中包括該薄膜閘隔離場效電晶體的主動元件及一二極體均被該陰極覆蓋,或是該等各色有機或無機電致發光層的表面以及介於該等有機或無機電致發光層之間的所有區域均被該陰極或該陽極覆蓋。
  29. 29
    如申請專利範圍第27項之方法,其中黑色遮罩層係在該等各色有機或無機電致發光層之間的區域形成。
  30. 30
    如申請專利範圍第26項之方法,其中一場發射顯示裝置的發射極係經由該多結晶或單結晶薄半導體膜連接至該薄膜閘隔離場效電晶體的汲極,並且其中該場發射顯示裝置的發射極係由一形成於該多結晶或單結晶薄半導體膜上的n型多結晶半導體膜或n型多結晶鑽(polycrystalline diamond)膜所組成。
  31. 31
    如申請專利範圍第30項之方法,其中一用以提供一接地電位的遮光金屬膜係在包含薄膜閘隔離場效電晶體和二極體的主動元件上經由一絕緣膜形成。
  32. 32
    如申請專利範圍第31項之方法,其中該遮光金屬膜係利用與形成場發射顯示器之閘極引線電極相同的處理步驟使用與場發射顯示器之閘極引線電極相同的材料來形成。
  33. 33
    一種用以於一基板上形成一多結晶或單結晶薄半導體膜之薄半導體膜形成裝置,該裝置包括:第一形成裝置,用以在該基板上形成一低結晶品質薄半導體膜;以及第二執行裝置,用以在該低結晶品質薄半導體膜上執行聚光退火處理以熔化或半熔化該低結晶品質薄半導體膜,或當該低結晶品質薄半導體膜維持無熔化狀態時加熱該低結晶品質薄半導體膜,然後將低結晶品質薄半導體膜冷卻,藉此增強該低結晶品質薄半導體膜結晶化。
  34. 34
    一種用以製造一包括一配置於一基板上之多結晶或單 結晶薄半導體膜之半導體裝置的半導體裝置製造裝置,該裝置包括:第一形成裝置,用以在該基板上形成一低結晶品質薄半導體膜;以及第二執行裝置,用以在該低結晶品質薄半導體膜上執行聚光退火處理以熔化或半熔化該低結晶品質薄半導體膜,或當該低結晶品質薄半導體膜維持無熔化狀態時加熱該低結晶品質薄半導體膜,然後將低結晶品質薄半導體膜冷卻,藉此增強該低結晶品質薄半導體膜結晶化。
  35. 35
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中該第一及第二裝置係被重複使用。
  36. 36
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中執行聚光退火處理的方式為,使用一燈發射的聚光射線掃描整個基板以促使發生分區熔化重新結晶化,或是使用複數個燈發射的複數個聚光射線掃描整個基板,以促使發生多重分區熔化重新結晶化。
  37. 37
    如申請專利範圍第36項之裝置,其中達成掃描的方式為,移動該(等)燈發射的該(等)聚光射線而將該基板維持在固定位置,或是移動該基板而使該(等)聚光射線維持在固定位置。
  38. 38
    如申請專利範圍第36項之裝置,其中燈放射的光可被分割成紫外線成分、可見光成分及紅外線成分,並且可使用以可見光成分、紅外線成分和紫外線成分順序掃描的 已分割成分連續照射該基板。
  39. 39
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中於聚光退火處理製程期間對著該基板正面或反面或對著該基板的正反面吹熱空氣或氣體。
  40. 40
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,該裝置進一步包括加入裝置,用以將適量的至少一種催化元件加入至該低結晶品質薄半導體膜中。
  41. 41
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中該第一裝置和該第二裝置係以整合方式配置於一單元中,以便能夠連續使用該第一裝置和該第二裝置。
  42. 42
    如申請專利範圍第35項之裝置,該裝置進一步包括清潔裝置,用以在再次執行聚光退火處理之前,先清潔該多結晶薄半導體膜的表面,或去除該多結晶薄半導體膜表面的低品質氧化物膜,其方式是將藉由氫或含氫氣體電漿放電或藉由催化反應所產生的氫基活性種類鋪在該多結晶薄半導體膜上。
  43. 43
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中聚光退火處理係在減壓氫氣、含有減壓氫氣之氣體室、真空、空氣或大氣壓氮氧環境中執行。
  44. 44
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中在執行聚光退火處理中該基板被加熱至低於該基板應變點的溫度。
  45. 45
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中會在該低結晶品質薄半導體膜上形成一保護絕緣膜,其中會在空氣或大氣壓氮氧環境中,針對其上方已形成該保護絕緣膜的 該低結晶品質薄半導體膜執行聚光退火處理。
  46. 46
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中當針對形成於該基板上的該低結晶品質薄半導體膜執行聚光退火處理時,或當針對已塗佈該保護絕緣膜的該低結晶品質薄半導體膜執行聚光退火處理時,使用位於上方或下方的燈發射的聚光射線照射該基板(其中該基板被調整,以當光線係來自於下方時可穿透小於400 nm的波長)。
  47. 47
    如申請專利範圍第46項之裝置,其中該低結晶品質薄半導體膜或已塗佈該保護絕緣膜的該低結晶品質薄半導體膜被形成為一個或一個以上島形狀。
  48. 48
    如申請專利範圍第46之裝置,其中會在大氣壓氮氧或空氣環境中執行聚光射線照射。
  49. 49
    如申請專利範圍第46項之裝置,其中聚光射線照射係在減壓氫氣、含有減壓氫氣之氣體室或真空環境中執行。
  50. 50
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中聚光退火處理係在施加磁場或電場時執行。
  51. 51
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中該低結晶品質薄半導體膜是非結晶矽膜、含有微結晶矽之非結晶矽膜、微結晶矽膜(含有非結晶矽)、含有非結晶矽及微結晶矽之多結晶矽膜、非結晶鍺膜、含有微結晶鍺之非結晶鍺膜、微結晶鍺膜(含有非結晶鍺)、含有非結晶鍺及微結晶鍺之多結晶鍺膜、具有Si x Ge 1-x (0<x<1)合成物之非結晶矽鍺膜、非結晶碳膜、含有微結晶碳之非結晶碳膜、微結晶碳膜(含有非結晶碳)、含有非結晶碳及微結 晶碳之多結晶碳膜、具有Si x C 1-x (0<x<1)合成物之非結晶矽碳膜或具有Ga x As 1-x (0<x<1)合成物之非結晶砷化鎵膜。
  52. 52
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中係使用該單結晶或多結晶半導體膜來形成一薄膜絕緣閘極場效電晶體的通道區、源極區及汲極區,或形成一二極體、一互相連接、一電阻器、一電容器或一電子發射元件。
  53. 53
    如申請專利範圍第52項之裝置,其中在將該低結晶品質薄半導體膜圖樣化成一對應於該通道區、該源極區、該汲極區、該二極體、該電阻器、該電容器、該互相連接或該電子發射元件的形式(一個或一個以上島)之後執行聚光退火處理。
  54. 54
    如申請專利範圍第33或34項之裝置,其中該裝置製造一於下列裝置中使用的薄膜:矽半導體裝置、矽半導體積體電路、矽鍺半導體裝置、矽鍺半導體積體電路、碳化矽半導體裝置、碳化矽半導體積體電路、合成物半導體裝置、合成物半導體積體電路、多結晶鑽半導體裝置、多結晶鑽半導體積體電路、液晶顯示器、(無機/有機)電致發光(EL)顯示器、場發射顯示器(FED)、發光聚合物顯示器、發光二極體顯示器、CCD區域/線性感應器、CMOS感應器或太陽能蓄電池。
  55. 55
    如申請專利範圍第54項之裝置,其中當製造內含內建電路與周邊電路的半導體裝置、電光裝置或固態成影裝置時,可使用該多結晶或單結晶薄半導體膜來形成內建電 路與周邊電路之至少一電路之薄膜絕緣閘極場效電晶體的通道區、源極區和汲極區。
  56. 56
    如申請專利範圍第55項之裝置,其中該裝置包括一配置於各色有機或無機電致發光層下方的陰極或陽極,其中該陰極或該陽極被連接至該薄膜絕緣閘極場效電晶體的汲極或源極。
  57. 57
    如申請專利範圍第56項之裝置,其中包括該薄膜閘隔離場效電晶體的主動元件及一二極體均被該陰極覆蓋,或是該等各色有機或無機電致發光層的表面以及介於該等有機或無機電致發光層之間的所有區域均被該陰極或該陽極覆蓋。
  58. 58
    如申請專利範圍第56項之裝置,其中黑色遮罩層係在該等各色有機或無機電致發光層之間的區域形成。
  59. 59
    如申請專利範圍第55項之裝置,其中一場發射顯示裝置的發射極係經由該多結晶或單結晶薄半導體膜連接至該薄膜閘隔離場效電晶體的汲極,並且其中該場發射顯示裝置的發射極係由一形成於該多結晶或單結晶薄半導體膜上的n型多結晶半導體膜或n型多結晶鑽(polycrystalline diamond)膜所組成。
  60. 60
    如申請專利範圍第59項之裝置,其中會在包含薄膜閘隔離場效電晶體和二極體的主動元件上,經由一絕緣膜形成一用以提供一接地電位的遮光金屬膜。
  61. 61
    如申請專利範圍第60項之裝置,其中會利用與形成場發射顯示器之閘極引線電極相同的處理步驟,使用與場發 射顯示器之閘極引線電極相同的材料來形成該遮光金屬膜。
Independent claims61