專利名稱：薄膜半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用約攝氏600以下較低溫度形成結(jié)晶性能達(dá)到最佳的優(yōu)異的多晶半導(dǎo)體膜的技術(shù)；尤其是有關(guān)使用該技術(shù)使以多晶硅薄膜晶體管為代表的半導(dǎo)體器件性能顯著提高的制造方法。
在可使用通用玻璃襯底的攝氏600度以下低溫制造以多晶硅薄膜晶體管(p-Si TFT)為代表的薄膜半導(dǎo)體器件的情況下，過去一直采取如下的制造方法。首先，在襯底上用低壓化學(xué)氣相堆積法(LPCVD法)堆積50nm厚的成為半導(dǎo)體膜的非晶硅膜。接著，在此非晶膜上照射XeCl激元激光(波長308nm)作成多晶硅膜(p-Si膜)。在XeCl激元激光的非晶硅和多晶硅中的吸收系數(shù)由于分別大到0.139/nm和0.149/nm，所以入射到半導(dǎo)體膜上的激光的9成被吸收到從表面至15nm以內(nèi)。并且，非晶硅中的吸收系數(shù)比多晶硅中的吸收系數(shù)小7％。其后，用化學(xué)氣相堆積法(CVD法)和物理氣相堆積法(PVD法)形成成為柵絕緣膜的氧化硅膜。然后，用鉭等作成柵電極，構(gòu)成由金屬(柵電極)-氧化膜(柵絕緣膜)-半導(dǎo)體(多晶硅膜)組成的場效應(yīng)晶體管(MOS-FET)。最后在此等的膜上堆積層間絕緣膜，在打開接觸孔后，用金屬薄膜實施布線，完成薄膜半導(dǎo)體器件。
然而，在過去的薄膜半導(dǎo)體器件制造方法中，激元激光能量密度難于控制，即使根據(jù)能量密度的稍微變動，半導(dǎo)體膜質(zhì)在同一襯底內(nèi)也會顯示出明顯的偏差。并且，即便根據(jù)按膜厚和相應(yīng)氫含量確定的閥值使照射能量密度稍微加大，在半導(dǎo)體膜上也要發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷，引起半導(dǎo)體特性和制品合格率的明顯下降。這樣，為了在襯底內(nèi)獲得均勻質(zhì)量的多晶半導(dǎo)體膜，必須以最佳值低設(shè)定激光能量的密度，因此為了得到良好的多晶薄膜，能量密度不足也不行。而且，即使用最佳密度照射激光，使構(gòu)成多晶膜的晶粒做大也困難，在膜中殘留許多缺陷。根據(jù)這樣的事實，提出為了用已有的制造方法穩(wěn)定地制造p-Si TFT等的薄膜半導(dǎo)體器件，而不能以降低作成的薄膜半導(dǎo)體器件的電氣特性為代價的課題。
根據(jù)上述事實，其目的在于提供一種制造方法，在用攝氏600度以下的低溫工程穩(wěn)定地制造性能最好的薄膜半導(dǎo)體器件。
在本發(fā)明的扼要說明之后，再對本發(fā)明及其基礎(chǔ)原理作詳細(xì)說明。
本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上形成根據(jù)需要成為基底保護(hù)膜的氧化硅膜，在此基底保護(hù)膜上或襯底上堆積以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在這樣得到的固相生長半導(dǎo)體膜上照射脈沖激光，獲得結(jié)晶性半導(dǎo)體膜；這時使用的脈沖激光波長為370nm以上，710nm以下。這樣光的多晶硅的吸收系數(shù)比非晶硅的吸收系數(shù)大。還有，本發(fā)明的特征在于脈沖激光波長為450nm以上，650nm以下。據(jù)此，在脈沖激光的多晶硅中的吸收系數(shù)μDSi為從10-2nm-1到10-3nm-1。所謂半導(dǎo)體膜厚d(nm)和脈沖激光的多晶硅中的吸收系數(shù)μDSi(nm-1)較好是滿足關(guān)系式0.105μDSi-1＜d＜0.693μDSi-1。
最好是滿足關(guān)系式0.405μDSi-1＜d＜0.693μDSi-1為了使本發(fā)明適應(yīng)液晶顯示器等，希望襯底對可見光具有透明性。而且，不管如何應(yīng)用，希望襯底對于脈沖激光大體上是透明的。所謂大體上透明意味著脈沖激光在襯底上的吸收系數(shù)為多晶硅的吸收系數(shù)的約十分之一以下，具體來說，襯底的吸收系數(shù)μDSi是10-4nm-1以下。通常，前面的非晶半導(dǎo)體膜的形成包括根據(jù)化學(xué)氣相堆積法(CVD法)的堆積工序。在化學(xué)氣相堆積法中尤其是低壓化學(xué)氣相堆積法(LPCVD法)乃至等離子化學(xué)氣相堆積法適用于非晶半導(dǎo)體薄膜的堆積，而且，用高真空型低壓化學(xué)氣相堆積裝置或高真空型等離子化學(xué)氣相堆積裝置可以說是理想的非晶半導(dǎo)體膜的堆積裝置。所謂高真空型低壓化學(xué)氣相堆積裝置典型的是指這樣的成膜裝置半導(dǎo)體膜堆積前的環(huán)境真空度成為5×10-7Torr以下，即使非晶半導(dǎo)體膜用1.5nm/min以下的慢的堆積速度形成，也能使非晶半導(dǎo)體膜中的氧原子濃度變成2×1018cm-3以下。同樣，所謂高真空型等離子化學(xué)氣相堆積裝置典型的是這樣的成膜裝置半導(dǎo)體膜堆積前的環(huán)境真空度成為1×10-6Torr以下，即使非晶半導(dǎo)體膜堆積速度為1nm/sec以下，也能使非晶半導(dǎo)體膜中的氧原子濃度變成2×1016cm-3以下。在以硅為主體的半導(dǎo)體膜上照射YAG2ω激光的情況下，較好是半導(dǎo)體膜厚在25nm以上165nm以下，最好是在25nm以上95nm以下。
固相結(jié)晶工序把形成非晶半導(dǎo)體膜的襯底插入熱處理爐中，大體在熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行，或用快速熱處理裝置進(jìn)行。在熱處理爐中進(jìn)行的情況下，熱處理溫度攝氏400以上700以下作固相結(jié)晶。
本發(fā)明中的光照射工序的理想脈沖激光波長為532nm。脈沖激光的Q開關(guān)振蕩的固體激光(Q開關(guān)固體激光)高次諧波最好。作為Q開關(guān)固體激光媒體理想的是摻雜Nd離子的結(jié)晶和摻雜Yb離子的結(jié)晶、摻雜Nd離子的玻璃、摻雜Yb離子的玻璃等。從而，具體來說，把Q開關(guān)振蕩的NdYAG激光的第二高次諧波(波長532nm)(簡稱YAG2ω)和Q開關(guān)振蕩的NdYVO4激光的第二高次諧波(波長532nm)，Q開關(guān)振蕩的NdYLF激光的第二高次諧波(波長524nm)，Q振蕩的YbYAG激光的第二高次諧波(波長515nm)等作為脈沖激光使用最好。
光照射工序中，在固相生長半導(dǎo)體膜上照射脈沖激光時的半導(dǎo)體膜上的照射區(qū)域是寬度為W(μm)，長度為L(mm)的線形至略成長方形。在照射區(qū)域內(nèi)，脈沖激光照射能量密度在長度方向大體成梯形分布。另一方面，寬度方向照射能量密度最好大體成梯形至大體成高斯函數(shù)分布。照射區(qū)域長度L對W之比(L/W)較好在100以上，理想的是1000以上。脈沖激光寬度方向的照射能量密度最大梯度值較好在3mJ·cm-2·μm-1以上。所取該脈沖激光寬度方向的照射能量密度的梯度最大值位置和所取脈沖激光寬度方向的照射能量密度最大值的位置如果大體一致，那么對于制造優(yōu)良薄膜半導(dǎo)體器件來說是更好的。
這時，希望寬度W在1μm以上，6μm以下。脈沖激光在固相生長半導(dǎo)體膜上每次照射在寬度方向使照射區(qū)域錯開，完成襯底整個面的照射。脈沖激光照射時的照射區(qū)域?qū)挾确较蚺c薄膜半導(dǎo)體器件完成工作時的有源層內(nèi)的電流方向大體平行。在激光照射時，半導(dǎo)體膜上的任意一點在受到10次以上80次以下的脈沖激光照射的狀態(tài)下實施激光照射工序。脈沖激光的固相生長半導(dǎo)體膜的照射能量密度是至少使固相生長半導(dǎo)體膜表面熔化的強(qiáng)度以上，可以說更好是使固相生長半導(dǎo)體膜厚度方向的三分之二以上熔化的強(qiáng)度。反之，照射能量密度的上限是使固相生長半導(dǎo)體膜的一部分消失的強(qiáng)度以下，理想的是使在固相生長半導(dǎo)體膜厚方向完全熔化的強(qiáng)度以下。具體來說，作為脈沖激光在使用波長為約532nm的光的情況下，脈沖激光固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量強(qiáng)度為100mJ·cm-2以上，1500mJ·cm-2以下，較好為600mJ·cm-2以上，1500mJ·cm-2以下，或100mJ·cm-2以上，850mJ·cm-2以下，最好是600mJ·cm-2以上，850mJ·cm-2以下。
本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件的制造方法，把在玻璃軟化點溫度從攝氏550到650這樣低的耐熱性玻璃襯底，或石英襯底這樣高耐熱性玻璃襯底等的各種透明襯底上形成的結(jié)晶的半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序半導(dǎo)體膜形成，在襯底上根據(jù)需要形成成為基底保護(hù)膜的氧化硅膜，在該基底保護(hù)膜上至襯底上堆積以硅為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，在固相狀態(tài)下使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶，得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在這樣形成的固相生長半導(dǎo)體膜上脈沖激光，獲得結(jié)晶半導(dǎo)體膜；在照射工序中使用的脈沖激光其波長在370nm以上，710nm以下。這樣的光，非晶硅吸收系數(shù)大于多晶硅的吸收系數(shù)。作為脈沖激光最好的是Q開關(guān)振蕩的NdYAG激光的第二高次諧波。
在把本發(fā)明應(yīng)用于液晶顯示器時，襯底對于可見光最好是透光的，在這以外使用時最好襯底至少對脈沖激光大體上是透光的。具體來說，對于脈沖激光的襯底吸收系數(shù)作為最好條件是相對多晶硅的吸收系數(shù)的十分之一以下。這由于本發(fā)明采用嚴(yán)格調(diào)整在脈沖激光的半導(dǎo)體膜中的穿透率的技術(shù)，所以襯底的激光吸收系數(shù)相對半導(dǎo)體膜的吸收系數(shù)并不充分小，那么在襯底上產(chǎn)生激光損傷。在后述的情況中，為了獲得高品質(zhì)結(jié)晶半導(dǎo)體膜，必須使脈沖激光的強(qiáng)度和波長、半導(dǎo)體膜厚等最佳，再加上襯底相對脈沖激光必須大體上是透光的。實際上，襯底的脈沖激光吸收系數(shù)如果是半導(dǎo)體膜的吸收系數(shù)的十分之一以下，那么在襯底內(nèi)吸收激光的層厚為半導(dǎo)體膜厚的十倍以上。用這樣的襯底，吸收光的體積增大，所以與此相應(yīng)熱容量也增加，當(dāng)然在一定程度上成能抑制襯底溫度的上升。換言之，為了制成不損傷襯底和薄膜半導(dǎo)體器件，使性能優(yōu)良的薄膜半導(dǎo)體器件，襯底必須滿足上述光學(xué)特性條件。
在半導(dǎo)體膜形成工序中，在襯底至在襯底上形成的基底上形成的基底保護(hù)膜上堆積以硅為主體的非晶半導(dǎo)體膜。作為半導(dǎo)體膜可使用以硅膜和硅鍺膜(SixGe1-x0＜x＜1)為代表的半導(dǎo)體材料，以硅作為其主要構(gòu)成元素(硅原子構(gòu)成比為80％以上)。襯底在液晶顯示器中通常使用透明無堿玻璃，或透明結(jié)晶玻璃，還使用石英玻璃和陶瓷等的絕緣性襯底，但如果襯底耐熱性(玻璃襯底情況下的軟化點溫度)在攝氏650以上，那么種類不限。在除高純度石英玻璃外作為襯底使用的情況下，在這些襯底表面上作成對半導(dǎo)體膜的基底保護(hù)膜，最好堆積氧化膜100nm～10μm。
作為基底保護(hù)膜的氧化硅膜不僅采取半導(dǎo)體膜和襯底的電絕緣性，或防止襯底含有的雜質(zhì)往半導(dǎo)體膜擴(kuò)散混入，而且使基底氧化膜和結(jié)晶半導(dǎo)體膜的界面的純度都高。在本發(fā)明中，薄膜半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體膜具有10nm～200μm的厚度，通過半導(dǎo)體膜厚的方向的所有范圍能帶扭曲的情況下(相當(dāng)于SOI完全耗盡模式)成為主要對象。在該情況下，柵絕緣膜和半導(dǎo)體膜的界面以及基底保護(hù)膜和半導(dǎo)體膜的界面忽視電傳導(dǎo)參與。由于氧化硅膜是在成為與半導(dǎo)體膜成的界面時可大大降低界面俘獲能級，所以當(dāng)然適合于作為基底保護(hù)膜。在該基底保護(hù)膜上形成半導(dǎo)體膜。
因此，作為基底保護(hù)膜本發(fā)明要求使用在與半導(dǎo)體膜的界面上具有1012cm-2以下的界面能級的氧化硅膜。再有，在本發(fā)明中，與已有技術(shù)相比較，由于在半導(dǎo)體膜下部也高溫加熱的趨勢強(qiáng)，所以，容易產(chǎn)生來自襯底的雜質(zhì)擴(kuò)散。為了防止這一點，在本發(fā)明中為了用使用高純度半導(dǎo)體膜制造優(yōu)良的半導(dǎo)體器件，把密度高的氧化硅膜作為基底保護(hù)膜使用是不可缺少的。象這樣的氧化硅膜其液溫為25±5℃濃度為1.6±0.2％的氟氫(HF)酸水溶液的蝕刻速度為1.5nm/s以下。通常，基底保護(hù)膜用等離子化學(xué)氣相堆積法(PECVD法)和低壓化學(xué)氣相堆積法(LPCVD法)、濺射法這樣的堆積法形成。所有這些中為了制成特別適合于本發(fā)明的基底保護(hù)膜，在PECVD法中最好用電子回旋加速器共振PECVD法(ECR-PECVD法)和螺旋PECVD法、遙控PECVD法。
而且，為了使用工業(yè)用(13.56MHz)頻率和其整數(shù)倍的頻率的通用PECVD法得到適合于本發(fā)明的氧化硅膜，使用TEOS(Si-(O-CH2CH3)4)和氧(O2)作為原料物質(zhì)，只要把氧的流量設(shè)定成TEOS流量的5倍以上堆積氧化硅膜就行。或使用硅烷(SiH4)和氧化亞氮(N2O)作為原料物質(zhì)，使用氦(He)至氬(Ar)這樣的惰性氣體作為稀釋氣體，使總氣體流量中的惰性氣體的比例在90％以上(即，總氣體流量中原料物質(zhì)的比例小于10％)，只要堆積氧化硅膜就行。這時，襯底溫度最好在攝氏28度以上。當(dāng)襯底由高純度石英組成時，雖然合用基底保護(hù)膜和石英襯底也行，但是要常使表面狀態(tài)一致，為了使半導(dǎo)體膜品質(zhì)變動最小，最好用上述方法形成基底保護(hù)膜。
在基底保護(hù)膜上堆積處于非晶狀態(tài)的半導(dǎo)體膜。在半導(dǎo)體膜的堆積中，可用等離子化學(xué)氣相堆積法(PECVD法)和低壓化學(xué)氣相堆積法(LPCVD法)、常壓化學(xué)氣相堆積法(APCVD法)、濺射法這樣的各種氣相堆積法，但是，從高純度半導(dǎo)體膜容易堆積這一點來看，其中尤其低壓化學(xué)氣相堆積法和等離子化學(xué)氣相堆積法較為適合。
用低壓化學(xué)氣相堆積法堆積以非晶硅為代表的硅為主體的非晶半導(dǎo)體膜時，最好把高次硅烷(SinH2n+2；n＝2，3，4)作為原料氣體之一使用。從價格和安全性來考慮，作為高次硅烷，乙硅烷(Si2H6)最好。若乙硅烷適合于低壓化學(xué)氣相堆積法，那么，在攝氏425度以下的低溫下用比0.5nm/min快的堆積速度可制造出高純度非晶硅膜。為了得到適合于本發(fā)明的優(yōu)質(zhì)非晶半導(dǎo)體膜，堆積溫度和速度的控制是重要的。堆積溫度在攝氏430度以下，堆積速度為0.6nm/min以上的狀態(tài)下必須確定乙硅烷流量和成膜時的壓力。低壓化學(xué)氣相堆積法用高真空型低壓化學(xué)氣相堆積裝置進(jìn)行。這可提高半導(dǎo)體膜的純度，使因雜質(zhì)引起結(jié)晶核產(chǎn)生變得最少，在本發(fā)明中，最后得到的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜是成高純度且大晶粒組成的狀態(tài)。尤其在本發(fā)明中，不僅使雜質(zhì)引起的結(jié)晶核密度最少，在固相結(jié)晶工序中得到大顆粒直徑的多晶固相生長半導(dǎo)體膜，而且，在光照射工序中，由于還考慮半導(dǎo)體膜厚度方向完全熔化的狀況，若使雜質(zhì)引起的結(jié)晶核發(fā)生最少，那么使用適合于熔化結(jié)晶的激光，可促進(jìn)在完全熔化的部位朝橫向結(jié)晶生長。在已有技術(shù)中，由于不控制雜質(zhì)量和不適合的激光，所以完全熔化的部位盡管由微晶粒構(gòu)成，但是，這在本發(fā)明中，當(dāng)然得到在完全熔化部分都能得到由大晶粒組成的多晶半導(dǎo)體膜。
所謂高真空低壓化學(xué)氣相堆積裝置是指這樣的裝置，典型的是在半導(dǎo)體膜堆積之前的環(huán)境真空度為5×10-7Torr以下，即便非晶半導(dǎo)體膜以低于1.5nm/min的堆積速度成形，也能使非晶半導(dǎo)體膜中的氧原子濃度低于2×1016cm-3。這樣的高真空型低壓化學(xué)氣相堆積裝置成膜室的氣密性優(yōu)異，同時，成膜室的排氣速度具有在120sccm/mTorr(使惰性氣體流入120sccm成膜室時得到的平衡壓力為1mTorr的排氣速度)以上的高排氣能力，這更是所希望的。在具有這樣高排氣能力的裝置中，用小于1小時的較短時間充分降低來自襯底的脫氣流量，保持高的生產(chǎn)率，能作高純度半導(dǎo)體薄膜的堆積。
在使用襯底面積為2000cm2以上某大型襯底的情況下，低壓化學(xué)氣相堆積法難于適應(yīng)。在這種狀況下，堆積非晶半導(dǎo)體膜時用高真空型等離子化學(xué)氣相堆積裝置。典型的是指這樣的成膜裝置，在半導(dǎo)體膜堆積前的環(huán)境真空度成為1×106Torr以下，即便是用多晶半導(dǎo)體膜的堆積速度為1nm/sec以下的低速度堆積的非晶半導(dǎo)體膜，使半導(dǎo)體中的氧原子濃度成為2×1016cm-3以下。作為高真空等離子化學(xué)氣相堆積裝置，在比其大的另外的室內(nèi)設(shè)置進(jìn)行等離子處理的成膜室的等離子箱型PECVD裝置適合。所謂等離子箱型PECVD裝置是這樣一種熱壁型等離子化學(xué)氣相堆積裝置，根據(jù)成膜室作成雙重真空結(jié)構(gòu)，具有提高成膜室真空度的效果，同時，加熱成膜壁面整體，在成膜時壁面溫度和襯底溫度大體一樣。借此，使由成膜室脫掉的雜質(zhì)量最少，還確認(rèn)提高真空度的效果。
非晶半導(dǎo)體膜堆積時的環(huán)境真空度這樣得到提高，由于從壁面脫掉的氣體量減少，所以堆積的半導(dǎo)體膜的純度提高，給薄膜半導(dǎo)體裝置帶來與在前面低壓化學(xué)氣相堆積法中說明的同樣效果。高真空型等離子化學(xué)氣相堆積裝置的環(huán)境真空度雖然比高真空型低壓化學(xué)氣相堆積裝置的環(huán)境真空度差，但是，由于可使半導(dǎo)體膜的堆積速度加快到0.1nm/sec以上，所以明顯降低半導(dǎo)體膜中的雜質(zhì)濃度。在半導(dǎo)體膜成膜原料氣體中使用硅烷(SiH4)至乙硅烷(Si2H6)，成膜時的襯底溫度在攝氏100和450度之間。由于襯底溫度高的非晶半導(dǎo)體膜中所含的氫量減少，所以，可穩(wěn)定地進(jìn)行后面的固相結(jié)晶工序。理想的是非晶膜堆積時的襯底溫度在攝氏250到450度之間。如果比250度高，那么在非晶膜中所含的氫量降低到8atm％以下，固相結(jié)晶工序可穩(wěn)定地進(jìn)行。如果比450度低，那么構(gòu)成非晶膜的晶粒變大，結(jié)晶此非晶膜時得到的多晶膜的晶粒也變大。更理想的是，在400度以下時非晶粒加大。在固相結(jié)晶時，為了防止根據(jù)氫離的半導(dǎo)體膜的剝離，半導(dǎo)體膜中所含的氫量最好規(guī)定在5al.m％以下，其中成膜時的襯底溫度規(guī)定為攝氏280以上，并且，使成膜速度在0.5nm/sec以下。為了進(jìn)入半導(dǎo)體膜中的雜質(zhì)最少，要求成膜速度在0.1nm/sec以上。結(jié)果，本發(fā)明最佳非晶膜的堆積條件規(guī)定堆積時的襯底溫度在攝氏280到400之間，并且，成膜速度規(guī)定為在0.1nm/sec和0.5nm/sec之間。
這樣，在得到非晶半導(dǎo)體膜后，在固相狀態(tài)下使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶，形成固相生長多晶半導(dǎo)體膜(固相結(jié)晶工序)。將形成非晶半導(dǎo)體膜的襯底插入熱處理爐中在大致熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行非晶膜的結(jié)晶，或通過快速熱處理裝置進(jìn)行。在用熱處理爐進(jìn)行的情況下，在熱處理溫度為攝氏400度至700度條件下進(jìn)行固相結(jié)晶。如考慮生產(chǎn)率，較好的熱處理溫度為攝氏500度以上，從形成大晶粒的角度來看，650度以下較好。在象這樣溫度范圍的固相結(jié)晶中，構(gòu)成非晶膜的非晶粒大小和構(gòu)成多晶膜的晶粒大小關(guān)系極大。換言之，當(dāng)由大的非晶粒組成的非晶膜在上述熱處理溫度范圍中以固相結(jié)晶，那么得到由大晶粒組成的固相生長多晶膜。在作結(jié)晶時的熱處理溫度低時限制結(jié)晶核的生長，因此得到由更多晶粒組成的多晶膜，但是，與此相應(yīng)結(jié)晶結(jié)束的時間也長。熱處理溫度設(shè)定成在攝氏500到650度之間盡可能低，理想的是設(shè)定在550到600度之間的規(guī)定溫度。該固相結(jié)晶最好在含有從約10ppm到約10％的氧的氧化氣氛中進(jìn)行。根據(jù)這樣的工藝在固相生長時在半導(dǎo)體膜表面形成薄的氧化膜。氧化膜的形成引起半導(dǎo)體原子團(tuán)和氧化膜原子團(tuán)的晶格失配，在結(jié)晶生長時對半導(dǎo)體膜涉及強(qiáng)應(yīng)力。該強(qiáng)應(yīng)力促進(jìn)半導(dǎo)體原子的移動，其結(jié)果，減少在固相生長多晶膜上固有積層缺陷和雙晶缺陷。換言之，使最后得到的薄膜半導(dǎo)體器件的閥值電壓和分閥電壓下降，影響到獲得具有良好開關(guān)特性的薄膜半導(dǎo)體器件。
這樣，在得到固相生長多結(jié)晶半導(dǎo)體膜之后，作為照射工序，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射脈沖激光，至少使半導(dǎo)體膜的表面熔化，進(jìn)行多晶半導(dǎo)體膜的再結(jié)晶。通過固相結(jié)晶工序獲得的固相生長多晶膜根據(jù)控制成膜條件由晶粒粒徑從2μm到5μm的最大晶粒組成。然而，這些固相生長膜在晶粒內(nèi)部因擴(kuò)展量(約1×1018cm-3)含有積層缺陷和雙晶缺陷(

圖1a)。因此，在本發(fā)明中，作為光照射工序保持大的晶粒，使這些內(nèi)部缺陷減少。在光照射工序中，在固相生長多晶膜上照射脈沖振蕩的激光，使半導(dǎo)體膜的一部分(主要是半導(dǎo)體膜的厚度方向的上層部分)熔化(圖1b)。這時半導(dǎo)體膜的膜厚方向整體不熔化，使與基底保護(hù)膜的界面附近的一部分作為原來的固相生長多晶膜留下。于是，在冷卻固化時，該殘留固相生長膜成為結(jié)晶源，進(jìn)行保持原來固相生長多晶膜的結(jié)晶粒徑的再結(jié)晶。這樣，再結(jié)晶后的晶粒直徑也與最初一樣從2μm到5μm的大小。另一方面，本發(fā)明的固相生長膜的內(nèi)部缺陷受趨向與襯底平行的成分所支配，并且，熔化結(jié)晶時的殘留固相生長多結(jié)晶膜的溫度由于上升到接近硅熔化溫度攝氏1414度，所以，殘留固相生長多晶膜中的結(jié)晶缺陷在熔化結(jié)晶工序中大大降低。加之，熔化結(jié)晶依賴于從10到80次的重復(fù)，殘留固相生長膜中的缺陷隨著熔化結(jié)晶的重復(fù)而明顯減少。這樣，可形成結(jié)晶缺陷極少的殘留固相生長多結(jié)膜，將這些作為結(jié)晶生長源，進(jìn)入冷卻過程，所以經(jīng)過圖1b部分熔化狀態(tài)，晶粒內(nèi)的大部分缺陷可消失，其結(jié)果，能獲得大粒直徑內(nèi)部缺陷極少的多結(jié)半導(dǎo)體膜(圖1c)。
作為照射光雖然也可用連續(xù)振蕩的材料，但使用脈沖振蕩的激光更好。在連續(xù)振蕩的激光照射中，半導(dǎo)體膜處于經(jīng)過數(shù)毫秒長時間的熔化狀態(tài)下。因此，容易通過氣相使雜質(zhì)混入膜中，或容易產(chǎn)生表面粗糙。對此，用每次照射能移動適當(dāng)距離的脈沖振蕩，熔化時間在數(shù)百微秒以下，所以可獲得高純度表面平滑的多晶性半導(dǎo)體薄膜。
在半導(dǎo)體膜上照射激光時，使用波長λ在370nm～710nm的脈沖激光。在這些光的非晶硅中及多晶硅中的吸收系數(shù)如圖2所示。圖2的橫軸表示波長，縱軸表示吸收系數(shù)。虛線(Amorphous Silicon)表示非晶硅，實線(Polysilicon)表示多晶硅。從圖2了解到，在370nm～710nm波長區(qū)域內(nèi)吸收系數(shù)是非晶硅中的高于多晶硅中。換言之在固相生長多晶半導(dǎo)體膜上照射光的非晶硅的吸收系數(shù)大于多晶硅的吸收系數(shù)的脈沖激光。例如，波長為532nm的Nd摻雜YAG的第二高次諧波(簡寫為YAG2ω光)的非晶硅的吸收系數(shù)μUSi和多晶硅的吸收系數(shù)μDSi分別為μUSi(YAG2ω)＝0.01723nm-1μDSi(YAG2ω)＝0.00426nm-1非晶硅的吸收系數(shù)比多晶硅的吸收系數(shù)大4倍多。固相生長多晶膜從微觀來看由結(jié)晶成分和非結(jié)晶成分組成。所謂結(jié)晶成分可以說是在晶粒內(nèi)積層缺陷等的缺陷比較少的部位，處于結(jié)晶良好狀態(tài)的位置。另一方面，所謂非晶成分可以說是看到結(jié)晶粒界和結(jié)晶粒內(nèi)的缺陷部分等的機(jī)構(gòu)規(guī)律明顯紊亂的部位，處于接近所謂非晶的狀態(tài)的部位。在照射激光進(jìn)行結(jié)晶的熔化結(jié)晶中，非熔化部成為冷卻固化過程中的結(jié)晶生長核。具有高結(jié)構(gòu)次序的結(jié)晶成分如果成為結(jié)晶生長核，那么從該處生長的結(jié)晶依然成為具有結(jié)構(gòu)次序的良好結(jié)晶膜。反之，如果結(jié)構(gòu)次序紊亂的部位成為結(jié)晶生長核，那么由于積層缺陷等在冷卻固化過程中從該處發(fā)展，所以最后獲得的結(jié)晶膜成為包括缺陷等的低質(zhì)物。
從而，為了獲得優(yōu)良的結(jié)晶膜，不使固相生長多結(jié)晶膜中的結(jié)晶成分熔化，把這作為結(jié)晶生長核，只要優(yōu)先熔化非晶成分就行。在本發(fā)明中，照射激光的非晶硅的吸收系數(shù)大于多晶硅的吸收系數(shù)，所以非晶成分與結(jié)晶成分比要優(yōu)先加熱。結(jié)果，晶界和缺陷部位的非晶成分容易熔化，其一處于大體單晶狀態(tài)的優(yōu)質(zhì)結(jié)晶成分殘留不熔化，成為結(jié)晶生長源，所以在冷卻過程中形成結(jié)晶缺陷極少的優(yōu)良晶粒。這樣，缺陷和不成對的偶合對大大減少，晶體邊界也受結(jié)構(gòu)次序高的對應(yīng)晶界支配。該現(xiàn)象若根據(jù)半導(dǎo)體膜的電氣特性產(chǎn)生，那么帶來大大減少能帶圖中的禁帶中央部分附近的俘獲能級密度效果。
并且，這樣的半導(dǎo)體膜如用于薄膜半導(dǎo)體器件的有源層(源極區(qū)域和漏極區(qū)域、溝道形成區(qū)域)，那么，關(guān)閉電流值小，顯示尖頂閥值下特性(分閥擺動值小)，可獲得閥值電壓低的晶體管。在已有技術(shù)中，之所以不容易制造出這樣優(yōu)良的薄膜半導(dǎo)體器件要歸因于，沒有使用在固相多晶膜的熔化結(jié)晶中具有適當(dāng)波長的激光，使結(jié)晶成分與非結(jié)晶成分一起熔化。這里所述的本發(fā)明原理最有效的作用是在多晶硅中的吸收系數(shù)比非晶硅中的吸收系數(shù)(μDSi/μUSi)大時產(chǎn)生?？磮D2了解到光波長450nm～650nm時該比率大。從而，可以說在本發(fā)明的光照射工序中，理想的脈沖激光波長為450nm～650nm。在波長為450nm的光的多晶硅中的吸收系數(shù)μDSi為1.127×10-2nm-1，波長為650nm的光的多晶硅中的吸收系數(shù)μDSi為8.9×10-4nm-1。因此，照射波長為450nm～650nm的脈沖激光的光照射工序，成為使用作為脈沖激光在多晶硅中的吸收系數(shù)μDSi大概變成10-3nm-1～10-2nm-1的工序。
最后為了獲得良好結(jié)晶半導(dǎo)體膜，由于激光的振蕩穩(wěn)定性是最重要的，所以最好脈沖激光用Q開關(guān)振蕩的固體發(fā)光元件形成。(在本申請中將此稱為固體激光)在已有的激元激光中，在激光振蕩室內(nèi)的氙(Xe)和氯(Cl)等的氣體的不均勻性和氣體本身差或由于鹵素產(chǎn)生的室內(nèi)腐蝕等原因，振蕩強(qiáng)度偏差約5％，還確認(rèn)為振蕩角的偏差約5％。由于振蕩角度的偏差帶來照射區(qū)域面積的偏差，所以結(jié)果半導(dǎo)體體膜表面的能量密度(每單元面積的能量值)總計變動在1％以上，這是妨礙制造優(yōu)良半導(dǎo)體器件方面的一個主要障礙。
并且，激光振蕩長期穩(wěn)定性也缺乏，引起了薄膜半導(dǎo)體器件的批量間變動。對此，在固體激光中存在這樣的問題，所以，激光振蕩極為穩(wěn)定，在半導(dǎo)體膜表面的能量密度的變動(相對平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差比)約小于5％。為了更有效地應(yīng)用本發(fā)明，要求使用在該半導(dǎo)體膜表面的激光能量密度變動小于5％的固體激光。還有，固體激光使用產(chǎn)生使薄膜半導(dǎo)體制造時的批量變動量最小的效果，和從已有頻繁地進(jìn)行煩雜的氣體交換作業(yè)中解放了半導(dǎo)體器件的制造過程，其效果導(dǎo)致薄膜半導(dǎo)體器件制造時的生產(chǎn)率提高和成本的降低。前面波長和吸收系數(shù)要求和固體激光要求可同時滿足的是把釹(Nd)添加在氧化釔(Y2O3)和氧化鋁(Al2O3)和雙氧化物中的釹添加的釔鋁石榴紅(NdYAG)激光的第二高次諧波(YAG2ω光，波長532nm)。從而，在本發(fā)明的光照射工序中把半導(dǎo)體膜表面的能量密度變動小于5％的YAG2ω光照射在半導(dǎo)體膜上最好。作為Q開關(guān)固體激光的激光媒體最好是摻雜Nd離子的結(jié)晶和摻雜Yb離子的結(jié)晶，摻雜Nd離子的玻璃，摻雜Yb離子的玻璃等。因此具體來說，除了YAG2ω外，把Q開關(guān)振蕩的NdYVO激光的第二高次諧波(波長532nm)，Q開關(guān)振蕩的NdYLF激光的第二高次諧波(波長524nm)，Q開關(guān)振蕩的YbYAG激光的第二高次諧波(波長515nm)等作為脈沖激光使用最好。
因此，在半導(dǎo)體膜中，吸收光，其入射光強(qiáng)度以指數(shù)函數(shù)衰減?，F(xiàn)在，說入射光強(qiáng)度為I<0>，設(shè)離以硅為主體的多晶硅半導(dǎo)體膜中的表面距離為x(nm)、在場所x的強(qiáng)度I<x>為，那么在這些之中使用吸收系數(shù)μDSi時下式成立I<x>/I<0>＝exp(-μDSi·X)……式1在吸收系數(shù)μDSi為10-3nm-1的情況下和10-2nm-1的情況下，以及作為本發(fā)明的脈沖激光最好的NdYAG激光的第二高次諧波(YAG2ω光)的情況下，和已有技術(shù)XeCl激元激光情況下將1式的關(guān)系表示在圖3中。為了使硅膜有效地被加熱，由于入射的光必須至少有約10％被半導(dǎo)體膜吸收，所以，在圖3中，成為其條件的0.9位置引出橫虛線。而且，光強(qiáng)度意味著照樣在硅上施加的熱量，所以圖3還表示在激光照射時的硅膜中的溫度分布。根據(jù)申請人等的研究，在已有的激元激光照射中，一方面半導(dǎo)體膜的表面受到激烈的損傷，另一方面在其下部殘留低品質(zhì)的半導(dǎo)體層。優(yōu)良的多晶半導(dǎo)體膜不能通過已有技術(shù)獲得的理由是在其半導(dǎo)體膜表面和下部之間存在的大的溫度差。在表面不發(fā)生損傷，并且，在半導(dǎo)體膜厚方向大體全部比較均勻地被加熱熔化是半導(dǎo)體膜下部的光強(qiáng)度是入射光強(qiáng)度約一半以上時。在滿足該條件時表面和下部的溫度差變小。于是在圖3中，在成為光強(qiáng)度表面的一半的0.5位置上也劃橫虛線。從而，有效地加熱以硅為主體的半導(dǎo)體膜，并且，在半導(dǎo)體膜上不引起損傷，所以，在整個膜厚進(jìn)行良好地結(jié)晶的條件為夾著圖3的0.9橫虛線和0.5橫虛線的區(qū)域。了解到已有技術(shù)的XeCl激元激光由于入射光幾乎都被半導(dǎo)體膜表面吸收，所以，適合于根據(jù)激光照射產(chǎn)生的半導(dǎo)體膜質(zhì)改善的半導(dǎo)體膜厚限于1nm～4nm。了解到對此在本發(fā)明條件下通過寬的膜厚范圍進(jìn)行固相生長多結(jié)晶膜熔化再結(jié)晶和隨其的膜質(zhì)改善。
在本發(fā)明中，在脈沖激光照射的半導(dǎo)體膜區(qū)域內(nèi)，在半導(dǎo)體膜的下部殘留極薄的固相生長多晶膜，使其他部位熔化，通過殘留固相生長多晶膜生長結(jié)晶(圖1b)。另一方面，半導(dǎo)體膜的熔化深度大致根據(jù)照射激光能量密度確定。然而不管是怎樣的激光裝置，在每次照射中也必須改變能量密度。使用固體激光情況下的本發(fā)明與已有技術(shù)相比較可以說激光振蕩明顯地穩(wěn)定，仍然不例外，即使施加應(yīng)使極薄固相生長多晶膜殘留的激光照射，根據(jù)其能量的稍微變化，半導(dǎo)體膜整體熔化的完全熔化狀態(tài)也可根據(jù)一定的概率基礎(chǔ)發(fā)生。因此，不管使用這樣的激光，結(jié)晶也沿溫度梯度生長。通常，薄膜半導(dǎo)體器件中使用的半導(dǎo)體膜的厚度約為30nm～200nm。如前所述，在根據(jù)已有的XeCl激元激光的結(jié)晶中，在半導(dǎo)體膜表面的約4nm以內(nèi)幾乎都吸收光，即使完全熔化狀態(tài)，也只是表面附近加熱引起，在熔化的半導(dǎo)體膜內(nèi)產(chǎn)生在上下方向很陡的溫度梯度(圖4a-1)。因此，結(jié)晶核主要在下側(cè)界面上產(chǎn)生得多，晶粒從半導(dǎo)體膜的下部向表面生長。
這樣，在經(jīng)完全熔化狀態(tài)的激光照射之后得到的多晶膜最終由細(xì)小的晶粒構(gòu)成(圖4a-2)。(這樣在已有技術(shù)中，從下到上由于細(xì)小晶粒生長許多，所以，因半導(dǎo)體膜中雜質(zhì)引起的晶核的存在不成為那樣重要問題。)對此在本發(fā)明中，由于照射具有在熔化結(jié)晶中最適合的吸收系數(shù)的激光，所以半導(dǎo)體膜在膜厚方向大致均勻地被加熱。其結(jié)果，在激光照射區(qū)域的端部，溫度梯度橫向產(chǎn)生(圖4b-1)，結(jié)晶與其上下方向不如橫向生長。即改變激光能量密度，即使處于完全熔化狀態(tài)，產(chǎn)生橫生長在完全熔化部不形成微小結(jié)晶，代之生長大晶粒(圖4b-2)。即使在照射區(qū)域內(nèi)的端部以外處因上下方向溫度差小，在半導(dǎo)體膜下部的晶核產(chǎn)生的概率也比已有的完全熔化狀態(tài)明顯降低，平均構(gòu)成多晶半導(dǎo)體膜的晶粒要比過去的大。這樣即使處于完全熔化狀態(tài)，在本發(fā)明也可能根據(jù)橫生長獲得比較大的晶粒。促進(jìn)向橫向結(jié)晶生長在半導(dǎo)體膜表面上下部的光強(qiáng)度在不是那樣變化時，根據(jù)實驗，半導(dǎo)體膜下部的光強(qiáng)度是入射光強(qiáng)度約三分之一以上的情況。因此，在圖3中，在橫生長容易發(fā)生的條件0.667位置上也畫橫虛線。從而，有效地對以硅為主體的固相生長半導(dǎo)體膜加熱，并且，還在橫生長時，由橫生長產(chǎn)生大晶粒組成的結(jié)晶半導(dǎo)體膜形成條件成為夾在圖3中的0.9的橫虛線和0.667橫虛線中的區(qū)域。當(dāng)然，由于為了加大晶粒，除這里所述的溫度梯度外，還必須抑制根據(jù)雜質(zhì)的結(jié)晶核，所以在用基底保護(hù)膜和半導(dǎo)體膜形成工序中的半導(dǎo)體膜等堆積中還要求對前述的照料。
看圖3了解到，即使吸收系數(shù)為10-3nm-1～10-2nm-1，也不會獲得總厚度優(yōu)良的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜。例如，用YAG2ω光(吸收系數(shù)μDSi＝4.26×10-3nm-1)對硅膜作有效地加熱的半導(dǎo)體膜厚度約為25nm以上時，表面無損傷的整體膜厚大體被均勻地加熱的半導(dǎo)體膜厚是在165nm以下時。并且，在完全熔化時也是在產(chǎn)生橫生長保持大晶粒的半導(dǎo)體膜為95nm以下時。從而，在以硅為主體的固相生長的半導(dǎo)體膜上照射YAG2ω激光時最佳半導(dǎo)體膜的厚度為25nm～165nm，較好的是25nm～95nm。在這樣使用的激光的多晶硅中的波長和相應(yīng)吸收系數(shù)，最佳半導(dǎo)體膜厚度不同。具體來說，有效地加熱硅膜，并且，表面無損傷地在膜厚方向大體均勻地加熱，在式1中，設(shè)半導(dǎo)體膜厚x為d，則I<d>/I<o>相當(dāng)于在0.5和0.9之間的條件。
0.5＜I<d>/I<o>＜0.9……式2使用式1解式2得到有關(guān)d(nm)則得到關(guān)系式30.105·μDSi-1＜d＜0.693·μDSi-1……式3同樣有效地加熱硅膜，并且在完全熔化時橫生長保持大晶粒的I<d>/I<o>在0.667和0.9之間時有得到如下關(guān)系式40.405·μDSi-1＜d＜0.693·μDSi-1……式4半導(dǎo)體膜厚d(nm)和在該半導(dǎo)體膜上照射的脈沖激光的多結(jié)硅中的吸收系數(shù)μDSi(nm-1)在滿足所述式3至4時，一定會獲得優(yōu)良的結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜，從而當(dāng)然也能制造優(yōu)異的薄膜半導(dǎo)體器件。
考慮到圖2所示的光的光波長和吸收系數(shù)的關(guān)系，圖5重新描繪波長和以硅為主體的半導(dǎo)體膜厚關(guān)系，即有上述式3和4的關(guān)系。根據(jù)圖5的三角標(biāo)號上的區(qū)域加熱半導(dǎo)體薄膜，在圓標(biāo)號下面區(qū)域不產(chǎn)生表面損傷，在半導(dǎo)體膜厚度方向會存在比較均勻地加熱全體的照射能量密度。而且，由于四角標(biāo)號下的區(qū)域上下溫度差變小，所以在完全熔化時促進(jìn)向結(jié)晶橫向生長。在圖5中，還分別用直線近似圓標(biāo)號和四角標(biāo)號。使用這些近似直線，在照射激光的波長λ為440nm～710nm的情況下，波長λ和膜厚d如果滿足與
9.8×10αL2(λ-440)＜d＜53×10αH2(λ-440)……式5其中，αL2＝4.9×10-3nm-1αH2＝5.4×10-3nm-1的關(guān)系式，那么，有效率地加熱以硅為主體的半導(dǎo)體薄膜，并且，無表面損傷在半導(dǎo)體膜厚的方向均勻地加熱薄膜大致整體。例如，在把YAG2ω作為激光使用的情況下，由于波長為532nm，所以滿足該條件的半導(dǎo)體膜厚為28nm～166nm.。還有膜厚d和波長λ如果滿足與2.4×10αL2(λ-440)＜d＜32×10αM2(λ-440)……式6其中，αL2＝4.9×10-3nm-1αM2＝5.2×10-3nm-1的關(guān)系式，那么，有效率地加熱以硅為主體的半導(dǎo)體膜，并且，在完全熔化時，還更理想地促進(jìn)朝結(jié)晶橫向生長。如果把YAG2ω作為激光使用的情況下，那么，在半導(dǎo)體膜厚為28nm～96nm時滿足該條件。
同樣，在照射激光的波長λ為370nm～440nm的情況下，波長λ和膜厚d如果滿足與2.4×10αL1(λ-370)＜d＜11.2×10αH1(λ-370)……式7其中，αL1＝8.7×10-3nm-1αM1＝9.6×10-3nm-1的關(guān)系式，那么有效率地加熱以硅為主體的半導(dǎo)體薄膜，并且，無表面損傷在半導(dǎo)體膜厚的方向均勻地加熱薄膜大致整體。波長λ和膜厚d如果滿足與2.4×10αL1(λ-370)＜d＜6.0×10αM1(λ-370)……式8其中，αL1＝8.7×10-3nm-1αM1＝1.04×10-2nm-1的關(guān)系式，那么有效率地加熱以硅為主體的半導(dǎo)體薄膜，并且，在完全熔化時還更好地促進(jìn)向結(jié)晶橫向的生長。
為了得到優(yōu)良的結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜，在脈沖激光的半導(dǎo)體膜上照射能量密度的控制也很重要。換言之，為了制造優(yōu)異的半導(dǎo)體器件，必須把照射能量密度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)。首先為了促進(jìn)熔化結(jié)晶，為熔化被照射半導(dǎo)體膜的至少一部分，必須有充分強(qiáng)度的脈沖激光。這是在半導(dǎo)體膜上的脈沖激光照射能量密度的適當(dāng)范圍的最下限值(通常由于表面熔化的照射能量密度相當(dāng)于該值，所以在本說明書中將此簡稱為表面熔化能量密度(ESM))，再根據(jù)實驗，在脈沖激光能量密度使被照射半導(dǎo)體膜厚方向的體積成分的三分之二以上熔化時獲得的最好結(jié)晶半導(dǎo)體膜，因此，把這樣的結(jié)晶半導(dǎo)體膜作為有源層使用的半導(dǎo)體器件電氣特性優(yōu)異。這樣，本發(fā)明的脈沖激光使從在固相生長多結(jié)晶膜內(nèi)存在的非晶成分等的結(jié)構(gòu)順序紊亂部分優(yōu)先開始熔化，同時，有選擇地留下高品質(zhì)結(jié)晶成分，還有，為了促進(jìn)在薄膜厚度方向的大體均勻熔化，重復(fù)使三分之二以上熔化的工序一些次，即使用最少的照射次數(shù)也能獲得優(yōu)良的結(jié)晶膜。因此，最好下限值是使半導(dǎo)體膜的膜厚方向的體積成分的三分之二以上熔化的照射能量密度。(在本說明書中將該照射能量密度稱為2/3熔化能量密度(E2/3))。
適當(dāng)?shù)恼丈淠芰棵芏冗€存在上限值。當(dāng)半導(dǎo)體膜表面的激光能量密度太高時，由于半導(dǎo)體薄膜消失，所以當(dāng)然激光能量密度必須小于引起消失(Abrasion)的值(在本說明書中將引起消失的照射能量密度為消失能量密度EAb)，該值成為最上限值。而且，即使不發(fā)生全面消失，當(dāng)半導(dǎo)體膜厚度方向全體被熔化(在本說明書中將該照射能量密度簡稱為完全熔化能量密度(ECM))，易于發(fā)生半導(dǎo)體膜的部分消失。這是在半導(dǎo)體器件制成時引起缺陷導(dǎo)致合格率降低的主要原因，所以這是很不好的。還有，當(dāng)在半導(dǎo)體膜的寬范圍內(nèi)產(chǎn)生完全熔化時，失去了隨完全熔化的微結(jié)晶以橫生長的補(bǔ)償，因此，在激光照射后得到的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜由微晶粒組成的成分變多。這樣組成的薄膜半導(dǎo)體器件的電氣特性也不優(yōu)良。因此，為了制造更優(yōu)良的薄膜半導(dǎo)體器件，在半導(dǎo)體膜表面上的脈沖激光能量密度希望僅比半導(dǎo)體膜厚度方向整體完全熔化的值低。這成為對于適當(dāng)照射能量密度的理想上限值。
結(jié)果，在把波長λ為370nm～710nm以下作脈沖振蕩的固體激光照射在具有滿足從5式到8式關(guān)系厚度的硅作為主體的固相生長多晶體半導(dǎo)體膜上，作成薄膜半導(dǎo)體器件的情況下，在固體激光的半導(dǎo)體膜上所需的照射密度成為表面熔化能量密度(ESM)以上消失能量密度(EAb)以下?？梢哉f更好是表面熔化能量密度(ESM)以上完全熔化密度(ECM)以下，或理想的是2/3熔化能量密度(E2/3)以上完全熔化能量密度(ECM)以下。具體來說，固體脈沖激光為NdYAG激光的第二高次諧波，以在透明襯底上形成的硅為主體的半導(dǎo)體膜厚為28nm～96nm的情況下的半導(dǎo)體膜表面的YAG2ω脈沖激光照射能量密度(x軸)和被照射半導(dǎo)體膜熔化的體積成分(y軸)關(guān)系如圖6所示。從圖6了解到，在那樣的條件下，由于ESM＝100mJcm-2ECM＝850mJcm-2EAb＝1500mJcm-2所以，被照射半導(dǎo)體膜厚方向的體積成分的三分之二熔化的照射能量密度成為E2/3＝600mJcm-2所以可以說，YAG2ω光的半導(dǎo)體膜的理想照射能量密度為100mJcm-2～1500mJcm-2更好為100mJcm-2～850mJcm-2，或600mJcm-2～1500mJcm-2，理想的是600mJcm-2～850mJcm-2。
本發(fā)明的光照射工序雖然包括多量的結(jié)晶缺陷，但是在由大晶粒構(gòu)成的固相生長多晶半導(dǎo)體膜上照射脈沖激光，維持了原來的固相生長半導(dǎo)體膜的晶粒直徑，并且，以使結(jié)晶缺陷大大降低為目的。因此，最好使用激光振蕩穩(wěn)定性好的固體激光，以僅比完全熔化能量密度低的能量密度照射在非晶成分中吸收系數(shù)比在結(jié)晶成分中吸收系數(shù)大的激光。這時如果吸收系數(shù)和半導(dǎo)體膜的關(guān)系設(shè)定成最佳，那么，即使一旦完全熔化發(fā)生，也能防止因根據(jù)橫生長產(chǎn)生1μm～3μm的晶粒而微晶化。
在處于完全熔化狀態(tài)時為了有效地應(yīng)用向該橫向的結(jié)晶生長，除前述的條件外，對脈沖激光照射半導(dǎo)體膜表面區(qū)域形狀的控制也是重要的。例如，照射區(qū)域如圖7a所示是圓形的，設(shè)想從中心到外側(cè)激光強(qiáng)度減少的情況(圖7b)。這時的結(jié)晶由于從溫度低的外周向高溫中心生長，所以各晶粒隨著生長相互碰撞，決不可能形成晶粒。加之，即使取半導(dǎo)體器件的激活區(qū)方向(如果FET是源極、溝道、漏極方向，如果雙極性晶體管是發(fā)射極、源極、集電極方向)的任一個，在激活區(qū)內(nèi)一定出現(xiàn)多的晶界，用這樣的照射區(qū)域形狀作激光照射，即使制成薄膜半導(dǎo)體器件，也不可能得到品質(zhì)優(yōu)異的半導(dǎo)體器件。相反在本發(fā)明中，將照射區(qū)域設(shè)定成寬度W(μm)、長度L(mm)的線狀以至大體長方形(圖8a)。
在照射區(qū)域內(nèi)的長度方向的斷面(圖8a的A-A’斷面)中激光照射能量密度除了照射區(qū)域端部(圖8b，+L/2附近)外大致同樣分布(圖8b)，具體來說，除去長度方向左右各個端部5％的中央部90％以內(nèi)的能量密度變動(對平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差之比)在5％以下。另一方面，在照射區(qū)域內(nèi)的寬度方向斷面(圖8a的B-B’斷面)的激光照射能量密度大致成梯形(圖9a)，或大致成高斯函數(shù)形(圖9b)。所謂寬度方向斷面略成高斯函數(shù)形，寬度方向的激光強(qiáng)度(圖9b)實際上不僅包括以高斯函近似得到的分布形狀，而且還包括其強(qiáng)度從中心(圖9b的0點)到以可微分函數(shù)端部區(qū)域(圖9b的±W/2附近)平滑地減少的分布形狀。在寬度斷面略顯梯形(圖9a)的情況下，最好是能量分布變動量在5％以下的中央平坦區(qū)域的比率為30％～90％。因此，上下各端部區(qū)域(圖9a的±W/2附近)成為5％～35％。例如，在寬度為100μm情況下，中央?yún)^(qū)域是30μm～90μm，上下各端部區(qū)域希望是5μm～35μm。用固相生長半導(dǎo)體膜有效地減少缺陷，為了一旦在完全熔化的情況下也能通過橫生長防止微晶化，最好取寬度方向照射能量密度梯度的最大值的位置和取寬度方向的照射能量密度的最大值的位置大體一致。完全熔化的照射能量密度是最大位置，該處照射能量密度梯度如果是最大，那么，是為了最好地促進(jìn)橫生長。在象這樣的本發(fā)明中，認(rèn)為理想的寬度方向斷面是梯形型(圖10a)以至富士山函數(shù)型(圖10b)的激光強(qiáng)度分布。
為了在半導(dǎo)體膜完全熔化時促進(jìn)橫向生長，除了認(rèn)為激光光源的選擇和適合于此的半導(dǎo)體膜厚的確定的膜厚方向結(jié)晶生長的抑制外，膜的水平方向生長的控制也很重要。具體來說，通過使對于線上以至長方形激光照射區(qū)域的長度(簡稱照射長)L的寬度(簡稱照射寬度)W之比(L/W)和照射區(qū)域的掃描方法最佳化，才有可能向要求的方向結(jié)晶生長。首先，設(shè)定對照射長度L的照射寬度W之比(L/W)大于100。該比如果在100以上，那么，各照射時的溫度梯度在照射區(qū)域的長度方向幾乎不產(chǎn)生。主要在寬度方向(圖8a的B-B’方向)產(chǎn)生。其結(jié)果，結(jié)晶表示向照射區(qū)域的寬度方向一維橫生長。照射寬度W最好是5μm～500μm，所以若考慮到生產(chǎn)率，該比(L/W)在100以上，理想的是，1000以上。接著在寬度方向每次照射錯開這樣形狀的照射區(qū)域，作襯底全面的掃描。在完全熔化時結(jié)晶在照射寬度方向生長，所以一旦在寬度方向錯開照射區(qū)域，若干晶粒還在寬度方向連接。采取這樣的照射方法，構(gòu)成最后取得的結(jié)晶半導(dǎo)體膜的晶粒平均在照射的寬度方向(圖8a的B-B’方向)變大。因此，在照射寬度方向取薄膜半導(dǎo)體器件的激活區(qū)域的方向(如果是MOSFET，則為源極、漏極方向，如果是雙極性晶體管，則為發(fā)射極、集電極方向)，在激活區(qū)域內(nèi)(MOSFET溝道形成區(qū)域內(nèi)，或雙極性晶體管的發(fā)射極、基極接合區(qū)域和基極區(qū)域，以及基極、集電極接合區(qū)域)晶界不存在，或縱令晶界存在，其數(shù)量也甚微，可實現(xiàn)這樣優(yōu)異的半導(dǎo)體器件。
在襯底上掃描激光照射區(qū)域時每次照射錯開區(qū)域量(將此簡稱為錯開量)一次照射橫生長結(jié)晶大小(將此簡稱為結(jié)晶生長尺寸)最好作以下規(guī)定。理想的錯開量是結(jié)晶生長尺寸一半以下。在這樣的情況下，即使以完全熔化狀態(tài)的激光能量密度的照射連續(xù)多次，將結(jié)晶向薄膜半導(dǎo)體器件的激活區(qū)域方向連接結(jié)晶的概率明顯加大。在作為激光源使用YAG2ω光的情況下，結(jié)晶生長尺寸通常為1μm～3μm。因此，錯開量如果為3μm以下，則結(jié)晶可能連接，如果在2μm以下，則其概率進(jìn)一步增加。結(jié)晶生長尺寸通常不僅確定為約3μm，而且，其根據(jù)某概率函數(shù)分布。如果結(jié)晶尺寸還通常取大值，那么，還可取得同樣小的值。為了即使結(jié)晶生長尺寸小至約1μm也能可靠地連接晶粒，換言之，為了即使對幾乎所有結(jié)晶生長尺寸值也能可靠地連接晶粒，設(shè)定錯開量約為1μm以下。理想的是0.5μm以下。如果錯開量成為0.1以下，則即使使YAG2ω光以達(dá)到20kHz的高次諧波作脈沖振蕩，掃描速度也慢到2mm/sec以下。為了處理所謂500mm狀態(tài)的大型襯底，當(dāng)考慮到生產(chǎn)率時使掃描速度慢到2mm/sec以下不現(xiàn)實。因此，錯開量的下限值認(rèn)為0.1μm。比起連接晶體來如果使生產(chǎn)率優(yōu)選考慮，那么錯開量的上限值約25μm。
為了制成優(yōu)異的薄膜半導(dǎo)體器件，還必須使照射半導(dǎo)體膜上任一點的脈沖激光的照射次數(shù)(簡稱照射次數(shù))最佳化。如果照射次10次，那么固相生長多結(jié)晶半導(dǎo)體膜中的缺陷率不可能降低。相反，如果是80次以上，那么會引起通過氣相向半導(dǎo)體膜中混入雜質(zhì)和半導(dǎo)體膜表面粗糙度增加等。尤其當(dāng)照射次數(shù)達(dá)到200次以上，則表面極不平整，利用這樣的膜，即使制成薄膜半導(dǎo)體器件，根據(jù)柵極泄漏半導(dǎo)體器件也無圓滿的動能。為了制造有效降低結(jié)晶性半導(dǎo)體膜中的缺陷，并且平滑地保持半導(dǎo)體膜表面優(yōu)異的薄膜半導(dǎo)體器件，在照射次數(shù)在10次～80次情況下在襯底上掃描激光照射區(qū)域。為了可靠地制造優(yōu)異的半導(dǎo)體器件，照射次數(shù)在20次～60次的情況下使脈沖激光掃描。
錯開量和照射次數(shù)中最佳值存在，所以用這些值確定最佳照射寬度W。照射寬度W是錯開量與照射次數(shù)的積。在錯開量用x(μm)表示，照射次數(shù)用n次表示時，照射寬度W(μm)為W(μm)＝x(μm)×n……式9與寬度方向的激光能量密度分布如何無關(guān)，照射寬度W相當(dāng)于激光能量密度強(qiáng)度成為最大值一半的點的寬度(Full Width Half Macximum；FWHM)。錯開量理想范圍的最下限約是0.1μm，照射次數(shù)的理想的最小值約為10次，所以理想的最小照射寬度約為1μm。相反，錯開量的最大值約為25μm，照射次數(shù)的最大值約為80次，所以最大照射寬度認(rèn)為約2000μm。作為更理想的照射寬度是從錯開量約為0.5μm，照射次數(shù)在約10次時的約5μm到錯開量約為3μm，照射次數(shù)約為80次時的約240μm之間。從錯開量約為1μm，照射次數(shù)約為20時的或錯開量約為0.5μm，照射次數(shù)約為40次時的約為20μm，到錯開量約為2μm，照射次數(shù)約為60次時的約為120μm之間稱為理想照射寬度。為了在每次照射連接完全熔化時橫生長的晶粒，最好照射寬度W成為最大橫生長距離(3μm)的2倍的6μm以下。
這樣條件下的理想發(fā)射頻率是掃描速度成為約在2mm/sec以上的值。脈沖激光的發(fā)射頻率(Hz)和掃描速度v(mm/sec)之間關(guān)系用全面的錯開量x(μm)。
由于表現(xiàn)為v(mm/sec)＝x(μm)×10-3×f(Hz)……式10所以理想的發(fā)射頻率f(Hz)為f＞2×103/x ……式11由于錯開量較好范圍為0.1μm～25μm，所以根據(jù)式11，發(fā)射頻率較好范圍為0.08kHz～20kHz。認(rèn)為更好是0.67kHz～20kHz，理想的是1kHz～20kHz。根據(jù)式9和式11，在發(fā)射頻率f(Hz)和照射次數(shù)(次)及照射寬度W(μm)之間可以看到以下關(guān)系f＞2×103×n/x ……式12即，設(shè)定發(fā)射頻率和照射次數(shù)及照射寬度滿足式12的條件，當(dāng)在半導(dǎo)體膜成照射脈沖激光時，以高生產(chǎn)效率制造優(yōu)異品質(zhì)的薄膜半導(dǎo)體器件。
促進(jìn)在半導(dǎo)體膜的完全熔化時向結(jié)晶寬度方向的一維橫向生長的一個因素是照射區(qū)域的寬度方向的激光能量密度梯度(簡稱為能量密度梯度)。熔化結(jié)晶時的結(jié)晶生長速度u(x)與半導(dǎo)體膜的溫度梯度成dT(x)/dx比例。
u(x)＝k·dT(x)/dx ……式13但是，這里k為速度常數(shù)，T(x)為半導(dǎo)體膜上的任意點x的半導(dǎo)體膜的溫度。如果半導(dǎo)體膜的熔化時間用tm表示，那么結(jié)晶尺寸Lc用結(jié)晶生長速度和熔化時間tm的積表示。
Lc＝u×tm＝k·dT/dx·tm……式14速度常數(shù)k不變，熔化時間也不變，所以，結(jié)晶生長尺寸與半導(dǎo)體膜的溫度梯度成比例。另一方面，半導(dǎo)體膜的溫度由于一脈沖激光的能量密度成比例，所以，結(jié)果，結(jié)晶生長尺寸Lc與能量密度梯度dE/dx成比例。
Lc∝cE/dx ……式15為了加大結(jié)晶生長尺寸，當(dāng)然只要加大能量密度梯度就行。根據(jù)申請人等所作的實驗，在使用YAG2ω光作為脈沖激光熔化結(jié)晶在玻璃襯底上的半導(dǎo)體膜的情況下，在從能量密度梯度的最大值約為3mJ·cm-2·μm-1以上的3.0mJ·cm-2·μm-1到4.0mJ·cm-2·μm-1時，向照射寬度方向結(jié)晶生長尺寸成為1μm以上。并且，能量密度梯度的最大值在從約10mJ·cm-2·μm-1到約20mJ·cm-2·μm-1時，向照射寬度方向結(jié)晶生長尺寸增大到約2μm以上。而且，在能量密度梯度的最大值約為30mJ·cm-2·μm-1時，向照射寬度方向結(jié)晶生長尺寸成為約3μm。從而，為了獲得優(yōu)質(zhì)的結(jié)晶半導(dǎo)體膜制造優(yōu)異的半導(dǎo)體器件，將能量密度梯度的最大值設(shè)定為3mJ·cm-2·μm-1以上較好，如果在10mJ·cm-2·μm-1～20mJ·cm-2·μm-1之間更好，理想的是30mJ·cm-2·μm-1以上。
根據(jù)本發(fā)明，為了獲得低缺陷大直徑顆粒的結(jié)晶半導(dǎo)體膜，使堆積非晶半導(dǎo)體膜的半導(dǎo)體膜堆積工序和使這樣獲得的非晶半導(dǎo)體膜以固相狀態(tài)結(jié)晶的固相結(jié)晶工序等最佳，在獲得由2μm～5μm晶粒構(gòu)成的固相生長半導(dǎo)體膜方面，通過光照射工序，用振蕩穩(wěn)定性優(yōu)異的固體激光，并且用僅比完全熔化能量密度低的能量密度照射非結(jié)晶成分中的吸收系數(shù)比結(jié)晶成分中的吸收系數(shù)大的激光。這樣，保持固相生長半導(dǎo)體膜具有的2μm～5μm的晶粒直徑，使結(jié)晶內(nèi)的缺陷大大降低。然而，即使存在怎樣穩(wěn)定的激光，由于每個振蕩能量密度變化，以某一定概率半導(dǎo)體膜也被完全熔化。在已有的這種情況下，雖然平均粒徑為數(shù)十nm的微晶產(chǎn)生，但是，在本發(fā)明中，根據(jù)使吸收系數(shù)和半導(dǎo)體膜厚的關(guān)系和線狀以至略程現(xiàn)長方形的照射區(qū)域形狀、寬度方向的能量密度梯度、每次照射在照射區(qū)域的寬度方向適當(dāng)使照射區(qū)域錯開適當(dāng)量的掃描方法，即使一旦產(chǎn)生完全溶化，也能使1μm～3μm的晶粒橫生長，防止微晶化。這樣至少對于照射寬度方向的結(jié)晶粒長顯著增加，并且，結(jié)晶內(nèi)的缺陷極少，表面平滑，并且，獲得純度高的優(yōu)異的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜，容易制造更優(yōu)良的薄膜半導(dǎo)體器件。
在以上的詳細(xì)描述中，使已有的低品質(zhì)不一致性大的結(jié)晶半導(dǎo)體膜根據(jù)本發(fā)明的非晶半導(dǎo)體膜的成膜方法及其固相狀態(tài)中的結(jié)晶方法，和其后進(jìn)行的光照射工序可作出均勻高品質(zhì)結(jié)晶性半導(dǎo)體膜。據(jù)此，使以薄膜晶體管為代表的薄膜半導(dǎo)體器件的電氣特性明顯提高，同時以低電壓使薄膜半導(dǎo)體器件工作，進(jìn)而，確認(rèn)穩(wěn)定地制造這樣薄膜半導(dǎo)體器件的效果。
圖1是說明本發(fā)明原理的圖；圖2是說明光波長和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)關(guān)系的圖；圖3是說明半導(dǎo)體膜厚和膜中光強(qiáng)度關(guān)系的圖；圖4是說明本發(fā)明原理的圖；圖5是說明本發(fā)明范圍的波長和半導(dǎo)體膜厚關(guān)系的圖；圖6是本發(fā)明一例的能量密度和體積成分關(guān)系的圖7是說明激光照射形狀的圖；圖8是說明本發(fā)明激光照射形狀的圖；圖9是說明本發(fā)明激光照射形狀的圖；圖10是說明本發(fā)明激光照射形狀的圖；圖11是說明本發(fā)明制造工序的圖；圖12～圖20是說明本發(fā)明效果的圖。
參照附圖用實施例說明本發(fā)明。
實施例1圖11a～d是表示形成MOS型電場效果的晶體管的薄膜半導(dǎo)體器件的制造工序剖面圖。在本實施例1中，使用玻璃變形點溫度為攝氏750度的結(jié)晶玻璃作為襯底101。但是，即便是其他的襯底，如果能承受在薄膜半導(dǎo)體器件制造過程中的最高溫度，其種類和大小不限。首先，在襯底101上堆積成為基底保護(hù)膜102的氧化硅膜。在襯底用陶瓷襯底等的半導(dǎo)體膜上包括應(yīng)除去不需要的雜質(zhì)的情況下，在氧化硅膜堆積前只要堆積氧化鉭膜和氮化硅膜等的第一基底保護(hù)膜就行。在本施例1中，在襯底101上用等離子化學(xué)氣相堆積法(PECVD法)堆積氧化硅膜約200nm作為基底保護(hù)膜102。用CR-PECVD在以下條件下堆積氧化硅膜。
硅烷(SiH4)流量 ……60sccm氧(O2)流量 ……100sccm壓力 ……2.40mTorr微波(2.45GHz)輸出 ……2250W外加磁場 ……875Gauss襯底溫度 ……100℃成膜時間 ……40秒該氧化膜的液溫為25℃，濃度為1.67％的氟氫酸水溶液中的光刻速度為0.5nm/s。
在這樣形成的基底保護(hù)膜上用高真空型LPCVD裝置堆積膜厚約為50nm的純性非晶硅膜作為半導(dǎo)體膜形成工序。高真空型LPCVD裝置是熱壁型，容積為184.5l，襯底插入后的可堆積區(qū)域總面積約為44000cm2。成膜室的最大排氣速度為120sccm/mTorr。堆積溫度為425℃，在半導(dǎo)體膜堆積之前用此溫度實施經(jīng)1小時15分鐘的襯底加熱處理。在干燥熱處理中，在設(shè)置了襯底的成膜室中，導(dǎo)入純度為99.9999％以上的氦(He)200(sccm)和純度為99.9999％以上的氫(H2)100(sccm)，成膜壓力保持在約為2.5mTorr。干燥處理結(jié)束后，半導(dǎo)體膜堆積之前的成膜室環(huán)境真空度在425℃的溫度平衡條件下為2.5×10-7Torr。在非晶硅膜堆積時，向成膜室中以200sccm流量提供純度99.99％以上的硅烷(Si2H6)，堆積壓力大體保持在1.1Torr。此條件下硅膜的堆積速度為0.77nm/min(半導(dǎo)體膜形成工序結(jié)束)。
接著在這樣獲得的非晶半導(dǎo)體膜上實施熱處理，使非晶膜作固相結(jié)晶。熱處理在大氣壓的氮氣為99％和氧1％的混合氣體氣氛下以600℃進(jìn)行24小時。根據(jù)該熱處理，半導(dǎo)體膜從非晶狀態(tài)變質(zhì)成多晶狀態(tài)(固相結(jié)晶工序結(jié)束)。
接著，作為光照射工序?qū)υ诠滔嘟Y(jié)晶工序中獲得的固相生長純性多晶硅膜上照射脈沖振蕩NdYAG激光的第二高次諧波實施熔化結(jié)晶。脈沖激光時間半值幅度約為60ns，發(fā)射頻率為200Hz，照射長成10mm線狀聚焦。對于寬度方向的能量密度梯度的最大值為3.72mJ·cm-2·μm-1。該線狀光每次照射錯開2.5％地掃描襯底。錯開量成為6.75μm，半導(dǎo)體膜上任意一點受約40次激光照射。激光照射能量密度為700mJ·cm-2對于半導(dǎo)體膜表面的照射能量密度的平均值的變動約為4％。在本實施例1中使用的YAG2ω激光中僅使50nm的半導(dǎo)體膜的最表面的能量密度約為100mJ·cm-2，由于使完全熔化的能量密度約為850mJ·cm-2，所以半導(dǎo)體膜的約80％被熔化。對這樣獲得的結(jié)晶硅膜實施圖形加工，形成半導(dǎo)體膜島103。晶體管的源漏極方向與YAG2ω激光的掃描方向大致平行(光照射工序結(jié)束)。(圖11a)。
下面，在蓋住作了圖形加工的半導(dǎo)體膜島103的狀態(tài)下，用CR-PECVD法形成氧化硅膜104。該氧化硅膜起半導(dǎo)體器件的柵極絕緣膜作用。形成柵極絕緣膜的氧化硅膜的條件除堆積時間縮短成24秒外，與基底保護(hù)膜的氧化硅膜的堆積條件是一樣的。但是，學(xué)氧化硅膜堆積之前，在CR-PECVD裝置內(nèi)，在襯底上照射氧等離子，在半導(dǎo)體表面形成低溫等離子氧化膜。等離子氧化條件如下
氧(O2)流量 ……100sccm壓力 ……1.85mTorr微波(2.45GHz)輸出 ……2000W外加磁場 ……875Gauss襯底溫度 ……100℃處理時間 ……24秒根據(jù)等離子氧化在半導(dǎo)體膜表面形成大體為3.5nm的氧化膜。在氧等離子照射之后，連續(xù)維持真空堆積氧化膜。從而，成為柵極絕緣膜的氧化硅膜由等離子氧化膜和氣相堆積膜二者組成，其膜厚為119nm。這樣完成的柵極絕緣膜的堆積(圖11b)。
繼而，根據(jù)金屬薄膜用濺射法形成柵極105。在濺射時的襯底溫度為150℃。在本實施例1中，用具有750nm膜厚的α結(jié)構(gòu)的鉭(Ta)制造柵極，該柵極的片電阻為0.8Ω/□接著，接著將柵極作成掩模，擠入成為施主或受主的雜質(zhì)離子106，對柵極自調(diào)整地作成源、漏區(qū)域107和溝道形成區(qū)域108。在本實施例1中制作CMOS半導(dǎo)體器件。在制造NMOS晶體管時，用鋁(Al)薄膜復(fù)蓋PMOS晶體管部之后，選擇在氫中5％濃度稀釋的磷化氫(PH3)作為雜質(zhì)元素，用加速電壓80kV將包括氫的總離子以7×1015cm-2的濃度擠入NMOS晶體管的源、漏區(qū)域。相反，在制造PMOS晶體管時，用鋁薄膜蓋住NMOS晶體管部之后，選擇在氫中5％濃度稀釋的硼化氫(B2H6)作為雜質(zhì)元素，用加速電壓80kV將包括氫的總離子以5×1015cm-2的濃度擠入PMOS晶體管的源、漏區(qū)域(圖11c)擠入時的襯底溫度為300℃。
接著，用PECVD法將TEOS(Si-(OCH2CH3)4)和氧作為原料氣體。襯底溫度為300℃堆積層間絕緣膜109。層間絕緣膜由二氧化硅膜組成，其厚度大體為500nm。在層間絕緣膜堆積之后，同時具有層間絕緣膜的熱壓配合和源、漏區(qū)域中添加的雜質(zhì)元素活性化，在氮氣氛300℃的環(huán)境中施加4小時的熱處理。最后打開接觸穴，用濺射法規(guī)定襯底的溫度為180℃堆積鋁，進(jìn)行布線完成薄膜半導(dǎo)體體器件。(圖11d)。
測定這樣制造的薄膜半導(dǎo)體器件的傳輸特性。測定的半導(dǎo)體器件的溝道形成區(qū)域的長度和寬度分別為10μm，在室溫條件下進(jìn)行測定。例子展示在圖12中。用NMOS晶體管的Vds＝8V的飽和區(qū)域求出的遷移率(飽和遷移率)為333cm2·V-1·s-1，閥值電壓為1.23V，子閥擺動(サブズレ-シュホルドスインゲ)為0.206V，通過閥值電壓和扁平能帶電壓求出的受主型俘獲能級密度為8.56×1010cm-3。并且，用Vds＝Vgs＝4V定義的開啟電流為2.96×10-5A，另一方面，Vds＝4V，Vgs＝0V的關(guān)閉電流成為2.19×10-12A，成為僅用柵電壓4V調(diào)制取得7位數(shù)以上開關(guān)比的的優(yōu)異的N型薄膜半導(dǎo)體器件。同樣，PMOS晶體管的Vds＝-8V的飽和遷移率為77cm2·V-1·s-1，閥值電壓為1.88V，子閥擺動為0.222V，通過閥值電壓和扁平能帶電壓求出的施主型俘獲能級密度為1.56×1016cm-3。
還有，用Vds＝Vgs＝-4V定義的開啟電流為4.61×10-6A，另一方面，Vds＝-4V，Vgs＝0V的關(guān)閉電流成為2.10×10-12A，成為僅用柵電壓4V調(diào)制取得6.3位數(shù)以上開關(guān)比的的優(yōu)異的P型薄膜半導(dǎo)體器件。這些半導(dǎo)體器件的特性在襯底內(nèi)幾乎無變化，可均衡地制造高性能半導(dǎo)體器件。相反，在已有技術(shù)中，在堆積非晶硅膜用激元激光結(jié)晶的比較例中，NMOS晶體管的飽和遷移率為33cm2·V-1·s-1，閥值電壓為3.70V，子閥擺動為0.646V，受主型俘獲能級密度為2.65×1016cm-3；PMOS晶體管的飽和遷移率為16cm2·V-1·s-1，閥值電壓為-7.06V，子閥擺動為0.617V，施主型俘獲能級密度為6.55×1016cm-3。象該例所示，根據(jù)本發(fā)明，在N型和P型的兩種半導(dǎo)體器件共有的高遷移率中具有低閥值電壓，并且，以低至600℃以下的工序，可簡便容易且穩(wěn)定地制造表示出陡峭的子閥特性的極好薄膜半導(dǎo)體器件。尤其是如通過子閥擺動值了解到，其效果是極大的，明顯降低禁帶中央部分附近的俘獲能級密度和受主型和施主型俘獲能級密度的能級密度，有可能成為使使用薄膜半導(dǎo)體器件的電路的低電壓驅(qū)動。并且，在已有技術(shù)中，雖然遷移率越大閥值電壓和俘獲能級密度也遠(yuǎn)大，但是認(rèn)為，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點是，高的遷移率和低閥值電壓和低俘獲能級密度同時實現(xiàn)。
實施例2除了在半導(dǎo)體膜上照射在光照射工序中的脈沖振蕩NdYAG激光的第二高次諧波外，其他制造工序與實施例1的完全相同，這樣可制作薄膜半導(dǎo)體器件。在本實施例2中，只有寬度270μm長度10nm的線狀聚焦的YAG2ω脈沖激光在每次照射的寬度方向錯開比例，和半導(dǎo)體膜上的激光照射能量密度二點與實施例1的不同。線狀激光在每次照射寬度方向錯開比例選擇10％、5％、2.5％、1.67％四種水平。據(jù)此，半導(dǎo)體膜上的任意一點分別受到約10次、20次、40次、60次的激光照射。半導(dǎo)體膜上的激光照射能量密度變化為400mJ·cm-2～800mJ·cm-2。與其成比例激光能量密度梯度的最大值變化為1.99mJ·cm-2·μm-1～3.97mJ·cm-2·μm-1。與實施例1相同，相對半導(dǎo)體膜表面的YAG2ω光照射能量密度的平均值的變動量約為4％，ESM約為100mJ·cm-2，ECM約為850mJ·cm-2。
這樣制成的薄膜半導(dǎo)體器件的電氣特性如從圖13至圖20所示。電氣特性的溝道形成區(qū)域的長度和寬度都對10μm的晶體管由Vds＝±0.1的線性電流求出，從而，本實施例2所示的遷移率是電場效果的遷移率。并且，各值表示在各條件下制造成的4個晶體管的平均值。這些圖的橫軸(x軸)表示任何YAG2ω光半導(dǎo)體膜表面的照射能量密度，縱軸(y軸)表示相應(yīng)的電氣特性。并且，為了參考，在0mJ·cm-2位置上表示不施加YAG2ω光照射使用固相生長多晶膜的晶體管的結(jié)果。
圖13及圖14表示NMOS及PMOS的子閥擺動。照射能量密度一旦超過600mJ·cm-2時，即一旦半導(dǎo)體膜的厚度方向的體積成分67％以上被熔化時，則閥值下特性得到迅速改善，NMOS、PMOS的子閥擺動值表示達(dá)到0.3V以下的優(yōu)異值。表示并不僅限于絕緣膜厚度到達(dá)119nm的優(yōu)異值這一點意味著，位于得到的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜的能帶圖表的禁帶中央附近的俘獲能級密度(深俘獲能級密度)極小，證明在本發(fā)明光照射工序中錯誤偶合對等的結(jié)晶缺陷減少。并且，表示良好特性的能量密度范圍擴(kuò)展到完全熔化之前約800mJ·cm-2。照射次數(shù)甚至10次也看到效果，但從20次到60次閥值下特性表示尤其優(yōu)異的值。
圖15和圖16表示用閥值電壓和扁平能帶電壓確定的受主型俘獲能級數(shù)和施主型俘獲能級數(shù)的YAG2ω激光能量密度依賴性。圖13和圖14同樣的趨勢被確認(rèn)，一旦半導(dǎo)體膜厚方向的體積成分的67％以上熔化，則兩俘獲能級數(shù)明顯降低。這意味著，接近禁帶中傳導(dǎo)帶的受主型俘獲型能級密度(淺受主型俘獲能級密度)和接近價電子帶的施主型俘獲能級密度(淺施主型俘獲能級密度)極小。在本發(fā)明的光照射工序中，有效地證明積層缺陷和雙晶等的結(jié)晶缺陷降低。同樣，圖17和圖18表示由NMOS和PMOS的線性電流求出的閥值電壓，在半導(dǎo)體膜的厚度方向的體積成分的67％以上熔化的情況下，如何導(dǎo)電型晶體管閥電壓達(dá)到約2V則適合于實用。與閥值下特性一樣，照射次數(shù)甚至10次也看到效果，但最好從20次到60次降低淺俘獲能級密度或降低閥值電壓。
圖19和圖20是有關(guān)通過NMOS和PMOS的線性電流求出的電場效應(yīng)遷移率的圖形。當(dāng)照射能量密度超過約600mJ·cm-2時，即當(dāng)半導(dǎo)體膜厚度方向的體積成分的67％以上熔化時，NMOS和PMOS都得到非常大的遷移率。在晶粒內(nèi)缺陷少的情況下，遷移率在理論實驗方面都與晶粒直徑相關(guān)性很強(qiáng)。從而，圖19和圖20意味著，如果按照本發(fā)明制成薄膜半導(dǎo)體器件，那么結(jié)晶半導(dǎo)體膜由大顆粒直徑，低缺陷的晶粒構(gòu)成。照射次數(shù)在40次～60次時，在寬的能量密度范圍中獲得高的遷移率。
如本實施例2所示，當(dāng)半導(dǎo)體膜的厚度方向的體積成分的67％以上熔化時，可易于制造比過去更優(yōu)異的薄膜半導(dǎo)體器件，當(dāng)照射次數(shù)為20次～60次時，俘獲能級密度顯著降低，應(yīng)此可理解當(dāng)照射次數(shù)為40次～60次時，產(chǎn)生低閥值電壓和高遷移率兩者并存的優(yōu)異效果。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，利用可使用廉價玻璃襯底的低溫處理，可容易且穩(wěn)定地制造高性能的薄膜半導(dǎo)體器件。因此，在把本發(fā)明應(yīng)用于有源(ァクティブ)矩陣液晶顯示器的制造中的情況下，可容易、穩(wěn)定地制造大型高品質(zhì)的液晶顯示器。還有當(dāng)應(yīng)用于其他電子電路制造的情況下，也能容易、穩(wěn)定地制造高品質(zhì)電子電路。
權(quán)利要求
1.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上堆積以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射脈沖激光，獲得結(jié)晶性半導(dǎo)體膜；該脈沖激光波長為370nm～710nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的波長為450nm～650nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的波長約為532nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征是，所述脈沖激光是Q開關(guān)振蕩的固體激光的高次諧波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征是，所述脈沖激光是把Nd離子摻雜的結(jié)晶作為激光媒體的Q開關(guān)振蕩的固體激光的高次諧波。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述脈沖激光是Q開關(guān)振蕩的NdYAG激光的第二高次諧波。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述脈沖激光是Q開關(guān)振蕩的NdYVO激光的第二高次諧波。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的所述固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量密度是高于使該固相生長半導(dǎo)體膜的至少表面熔化的強(qiáng)度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的所述固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量密度是高于使該固相生長半導(dǎo)體膜的膜厚約三分之二熔化的強(qiáng)度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9中任一項所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的所述固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量密度是低于使該固相生長半導(dǎo)體膜一部分消失的強(qiáng)度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的所述固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量密度是低于使該固相生長半導(dǎo)體膜在厚度方向完全熔化的強(qiáng)度。
12.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上堆積以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射波長約為532nm脈沖激光，獲得結(jié)晶性半導(dǎo)體膜；該脈沖激光的該固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量強(qiáng)度為100mJ·cm-2～1500mJ·cm-2。
13.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上堆積以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射波長約為532nm脈沖激光，獲得結(jié)晶性半導(dǎo)體膜；該脈沖激光的該固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量強(qiáng)度為600mJ·cm-2～1500mJ·cm-2。
14.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上堆積以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射波長約為532nm脈沖激光，獲得結(jié)晶性半導(dǎo)體膜；該脈沖激光的該固相生K半導(dǎo)體膜上的照射能量強(qiáng)度為100mJ·cm-2～850mJ·cm-2。
15.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上堆積以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射波長約為532nm脈沖激光，獲得結(jié)晶性半導(dǎo)體膜；該脈沖激光的該固相生長半導(dǎo)體膜上的照射能量強(qiáng)度為600mJ·cm2～850mJ·cm-2。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的方法，其特征是，所述固相結(jié)晶工序是在大體上熱平衡狀態(tài)下把所述襯底插入熱處理爐。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征是，所述熱處理溫度為400～700℃。
18.根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的方法，其特征是，所述固相結(jié)晶工序在快速熱處理裝置中進(jìn)行。
19.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上堆積以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射脈沖激光，獲得結(jié)晶性半導(dǎo)體膜；該脈沖激光非晶硅的吸收系數(shù)比多晶硅的吸收系數(shù)大。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的所述固相生長半導(dǎo)體膜上的照射區(qū)域大體成寬為W(μm)長為L(mm)長方形。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征是，在所述照射區(qū)域上，所述長度方向的所述脈沖激光的照射能量密度大體分布成梯形。
22.根據(jù)權(quán)利要求20至21中任一項所述的方法，其特征是，在所述照射區(qū)域上，所述寬度度方向的所述脈沖激光的照射能量密度大體分布成梯形。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中任一項所述的方法，其特征是，所述長度L對所述寬度W比(L/W)為100以上。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23中任一項所述的方法，其特征是，所述長度L對所述寬度W比(L/W)為1000以上。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至24中任一項所述的方法，其特征是，所述脈沖激光的所述寬度方向的照射能量密度的最大梯度值大于3mJ·cm-2·μm-1。
26.根據(jù)權(quán)利要求20至25中任一項所述的方法，其特征是，取得所述脈沖激光的所述寬度方向的照射能量密度梯度的最大值的位置，和取得該脈沖激光的該寬度方向的照射能量密度的最大值的位置大體一致。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至26中任一項所述的方法，其特征是，所述寬度W為1μm～6μm。
28.根據(jù)權(quán)利要求20至27中任一項所述的方法，其特征是，每次照射在寬度方向錯開所述照射區(qū)域進(jìn)行。
29.根據(jù)權(quán)利要求2至10中任一項所述的方法，其特征是，所述寬度方向與薄膜半導(dǎo)體器件的有源層內(nèi)的電流方向大體平行。
30.根據(jù)權(quán)利要求19至29中任一項所述的方法，其特征是，所述半導(dǎo)體膜上的任一點被照射10次～80次脈沖激光。
31.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上形成以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜，其膜厚為d(nm)；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射在多晶硅中的吸收系數(shù)μDSi為10-3nm-1～10-2nm-1的脈沖激光；該膜厚d和該吸收系數(shù)μDSi滿足以下關(guān)系式0.105·μDSi-1＜d＜0.693·μDSi-1
32.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上形成以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜，其膜厚為d(nm)；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射在多晶硅中的吸收系數(shù)μDSi為10-3nm-1～10-2nm-1的脈沖激光；該膜厚d和該吸收系數(shù)μDSi滿足以下關(guān)系式0.405·μDSi-1＜d＜0.693·μDSi-1
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的方法，其特征是，所述襯底是透明的。
34.一種薄膜半導(dǎo)體器件制造方法，把以在襯底上形成的硅(Si)為主體的結(jié)晶性半導(dǎo)體膜作為有源層使用，其特征是，包括以下工序形成半導(dǎo)體膜，在襯底上形成以硅(Si)為主體的非晶半導(dǎo)體膜，其膜厚為25nm～165nm；固相結(jié)晶，以固相狀態(tài)使該非晶半導(dǎo)體膜結(jié)晶得到固相生長半導(dǎo)體膜；光照射，在該固相生長半導(dǎo)體膜上照射NdYAG激光的第二高次諧波。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，所述半導(dǎo)體膜的厚度為25nm～95nm。
全文摘要
用比較低的溫度制造優(yōu)良的多晶薄膜半導(dǎo)體器件。在形成非晶半導(dǎo)體膜后,在固相狀態(tài)使其結(jié)晶,其后,照射非晶硅中的吸收系數(shù)比多晶硅中吸收系數(shù)大的脈沖激光,使半導(dǎo)體膜的一部分熔化。
文檔編號H01L21/02GK1338770SQ0114100
公開日2002年3月6日 申請日期2001年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月12日
發(fā)明者宮坂光敏, 時岡秀忠, 小川哲也 申請人:精工愛普生株式會社, 三菱電機(jī)株式會社