[發(fā)明專利]激光輻照裝置、激光輻照方法、以及半導(dǎo)體器件制造方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010201368.6
• 申請(qǐng)日: 2002-08-02
• 公開（公告）號(hào): CN101879658A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 田中幸一郎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 株式會(huì)社半導(dǎo)體能源研究所
• 主分類號(hào): B23K26/00
• 分類號(hào): B23K26/00;H01L21/268
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 朱海煜;李家麟

本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2002年8月2日、申請(qǐng)?zhí)枮?2128212.9、發(fā)明名稱為“激光輻照裝置、激光輻照方法、以及半導(dǎo)體器件制造方法”的申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到用激光束對(duì)半導(dǎo)體膜進(jìn)行退火的激光輻照方法以及用來(lái)執(zhí)行激光退火的激光輻照裝置(包含激光器和用來(lái)將激光器輸出的激光束引導(dǎo)到被加工的元件的光學(xué)系統(tǒng)的裝置)。本發(fā)明還涉及到用包括激光退火步驟的各個(gè)步驟制造的半導(dǎo)體器件以及半導(dǎo)體器件的制造方法。注意，本說(shuō)明書指出的半導(dǎo)體器件包括諸如液晶顯示器件或發(fā)光器件之類的電光器件以及包括電光器件作為其組成部分的電子器件。

背景技術(shù)

近年來(lái)，在對(duì)制作于諸如玻璃襯底之類的絕緣襯底上的半導(dǎo)體膜進(jìn)行激光退火，以便對(duì)半導(dǎo)體膜進(jìn)行晶化或改善其結(jié)晶性的技術(shù)方面，已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究。硅被廣泛地用作這種半導(dǎo)體膜。在本說(shuō)明書中，利用激光束來(lái)晶化半導(dǎo)體膜以獲得結(jié)晶半導(dǎo)體膜的方法，被稱為激光晶化。

與已經(jīng)被廣泛地使用的合成石英玻璃襯底相比，玻璃襯底的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)廉和富有可加工性，并容易制造大面積的襯底。這就是已經(jīng)進(jìn)行了廣泛研究的理由。激光器被擇優(yōu)用于晶化的理由是玻璃襯底的熔點(diǎn)低。激光器能夠?qū)⒏叩哪芰刻峁┙o半導(dǎo)體膜而不會(huì)大幅度提高襯底的溫度。此外，與采用電爐的加熱方法相比，激光器的產(chǎn)率明顯地高。

結(jié)晶半導(dǎo)體由多個(gè)晶粒組成，也被稱為多晶半導(dǎo)體膜。由于利用激光退火形成的結(jié)晶半導(dǎo)體膜具有高的遷移率，故結(jié)晶的硅膜被用來(lái)制作薄膜晶體管(TFT)。例如，薄膜晶體管被廣泛地用于有源矩陣型液晶顯示器件，其中的象素驅(qū)動(dòng)TFT和驅(qū)動(dòng)電路TFT被制造在一個(gè)玻璃襯底上。

然而，用激光退火方法制造的結(jié)晶半導(dǎo)體膜由多個(gè)晶粒組成，且各個(gè)晶粒的位置和尺寸是隨機(jī)的。借助于用小島狀圖形化將結(jié)晶半導(dǎo)體膜分隔開，而形成制造在玻璃襯底上的TFT，以便實(shí)現(xiàn)元件隔離。在此情況下，無(wú)法按規(guī)定的晶粒位置和尺寸來(lái)形成結(jié)晶半導(dǎo)體膜。存在著大量來(lái)自非晶結(jié)構(gòu)的復(fù)合中心和捕獲中心和與晶粒內(nèi)部相比存在于晶粒界面(晶粒邊界)處的晶體缺陷等。眾所周知，當(dāng)載流子被捕獲在捕獲中心中時(shí)，晶粒邊界的電位上升，成為載流子的勢(shì)壘，從而降低載流子的輸運(yùn)性質(zhì)。溝道形成區(qū)中的半導(dǎo)體膜的結(jié)晶性對(duì)TFT的特性具有很大的影響。但由沒(méi)有晶粒邊界影響的單晶硅膜來(lái)形成溝道形成區(qū)是不太可能的。

為了用沒(méi)有晶粒邊界影響的單晶硅膜來(lái)形成溝道形成區(qū)，在激光退火方法中進(jìn)行了各種嘗試來(lái)形成位置受到控制的大晶粒。首先來(lái)解釋接受激光束輻照的半導(dǎo)體膜的結(jié)晶過(guò)程。

在已經(jīng)被激光束輻照完全熔化了的液體半導(dǎo)體膜中發(fā)生固相成核，需要一些時(shí)間。在完全被熔化的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)并生長(zhǎng)無(wú)數(shù)均勻(或不均勻)的成核，從而完成液體半導(dǎo)體膜的結(jié)晶過(guò)程。這種情況下得到的晶粒在位置和尺寸上是隨機(jī)的。

而且，在半導(dǎo)體膜不被激光束輻照完全熔化而仍然部分保持固相半導(dǎo)體區(qū)的情況下，激光束輻照之后立即在固相半導(dǎo)體區(qū)處開始晶體生長(zhǎng)。如上所述，在完全被熔化的區(qū)域中出現(xiàn)成核之前需要一些時(shí)間。于是，是為晶體生長(zhǎng)前鋒的固液界面就沿水平方向(以下稱為橫向)移動(dòng)到達(dá)半導(dǎo)體膜表面，直至在完全被熔化的區(qū)域中出現(xiàn)成核，生長(zhǎng)的晶粒從而為膜厚度的幾十倍。當(dāng)在完全倍熔化的區(qū)域中出現(xiàn)無(wú)數(shù)均勻(或不均勻)的成核時(shí)，這一生長(zhǎng)就結(jié)束。這種現(xiàn)象以下被稱為超橫向生長(zhǎng)。

在非晶半導(dǎo)體膜或多晶半導(dǎo)體膜中，存在著實(shí)現(xiàn)超橫向生長(zhǎng)的激光束能量區(qū)。但上述的能量區(qū)非常窄，且無(wú)法控制得到大晶粒的位置。而且，大晶粒區(qū)域以外的區(qū)域是出現(xiàn)大量成核的微晶區(qū)或非晶區(qū)。

如上所述，若能夠在半導(dǎo)體膜被完全熔化的激光束能量區(qū)中控制橫向溫度梯度(使沿橫向出現(xiàn)熱流)，則能夠控制晶粒的生長(zhǎng)位置和生長(zhǎng)方向。為了實(shí)現(xiàn)此方法，進(jìn)行了各種各樣的嘗試。

例如，R.Ishihara和A.Burtsev(見(jiàn)AM-LCD’98，pp.153-156，1998)報(bào)道了一種激光退火方法，其中他們制作了襯底與氧化硅基底膜之間的高熔點(diǎn)金屬膜，并在此高熔點(diǎn)金屬膜上制作了非晶硅膜，然后從襯底的頂部表面?zhèn)?在本說(shuō)明書中定義為其上制作薄膜的表面)和從襯底的底部表面?zhèn)?在本說(shuō)明書中定義為其上制作薄膜的表面的反側(cè)表面)輻照準(zhǔn)分子激光束。從襯底頂部表面輻照的激光束被硅膜吸收，其能量被轉(zhuǎn)變成熱。另一方面，從底部表面輻照的激光束被高熔點(diǎn)金屬膜吸收，其能量被轉(zhuǎn)變成熱；高熔點(diǎn)金屬膜被加熱到高溫。被加熱的高熔點(diǎn)金屬膜與硅膜之間的氧化硅膜起熱積累層的作用，從而能夠降低被熔化的硅膜的冷卻速度。根據(jù)報(bào)道，借助于在任何位置形成高熔點(diǎn)金屬膜，最大直徑為6.4μm的晶粒能夠處于任何位置。