專利名稱：半導(dǎo)體薄膜、薄膜晶體管、及其制造方法和制造設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造構(gòu)成諸如存儲(chǔ)器和CPU(中央處理單元)的半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體薄膜的方法、由相同半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的薄膜晶體管(TFT)、以及用于制造相同半導(dǎo)體薄膜和相同TFT的方法，和用于制造相同半導(dǎo)體薄膜的制造設(shè)備。
本申請(qǐng)要求在2003年5月9日提交的日本專利申請(qǐng)No.2003-131405的優(yōu)先權(quán)，將其并入這里以作參考。
背景技術(shù)：
通過在玻璃基板上形成半導(dǎo)體集成電路而制造的常規(guī)產(chǎn)品以TFT為代表。通過在涂覆有基板涂覆層102的玻璃基板101上形成溝道區(qū)103、源區(qū)104、漏區(qū)105和LDD(輕摻雜漏)區(qū)106，且然后通過形成具有插入在柵電極108與上述區(qū)103、104、105和106之間的柵絕緣層107的柵電極108，且通過在淀積的二氧化硅109中形成接觸孔，且進(jìn)一步通過利用金屬110布線，來構(gòu)造常規(guī)的典型TFT，如圖17中所示。
通常以及目前使用的TFT取決于其有源層來分類，氫化非晶硅TFT和多晶硅TFT已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在制造氫化非晶硅TFT的工藝中采用的最大溫度大約為300℃，這已獲得大約1cm2/Vsec的載流子遷移率。另一方面，在多晶硅TFT中，通過利用例如石英基板，并通過進(jìn)行到約1000℃的高溫工藝，形成具有大尺寸晶粒的多晶硅薄膜，其中獲得大約30至100cm2/Vsec的載流子遷移率。然而，多晶硅TFT具有缺點(diǎn)。即，與氫化非晶硅TFT的情況不同，因?yàn)楫?dāng)制造多晶硅時(shí)進(jìn)行大約1000℃的高溫工藝，而不能使用具有低軟化點(diǎn)的低價(jià)玻璃。
為了解決該問題，正在研究和開發(fā)通過利用激光結(jié)晶技術(shù)在低溫下形成多晶薄膜。例如，在日本專利公開No.Hei7-118443中公開了激光結(jié)晶技術(shù)，其中通過使用短波長的激光輻射來結(jié)晶淀積在非晶基板上的非晶硅薄膜(也稱之為a-Si薄膜)，并將其應(yīng)用于制造電荷遷移率特性極好的TFT。該激光結(jié)晶技術(shù)具有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即因?yàn)樵摷夹g(shù)能夠在不提高整個(gè)基板的溫度下結(jié)晶非晶硅，所以能夠在諸如液晶顯示器等的大面積基板和諸如玻璃等的這種低價(jià)基板上形成半導(dǎo)體器件和/或半導(dǎo)體集成電路。
此外，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.Hei11-64883和2000-306859中公開了一種方法，其中形成具有大尺寸晶粒的多晶硅薄膜(也稱之為多晶-Si薄膜)以制造電荷遷移率特性極好的半導(dǎo)體薄膜。
例如，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.Hei11-64883中公開的方法中，用準(zhǔn)分子激光束輻射非晶硅薄膜以使其熔化并再結(jié)晶，并形成具有大尺寸晶粒的硅晶體。在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.2000-306859中公開的方法中，通過以其中移動(dòng)要被能量束輻射的位置的方式來順序地輻射能量束，生長多晶半導(dǎo)體薄膜，即，更為具體地，當(dāng)在非晶硅薄膜熔化并再結(jié)晶的區(qū)域中以掃描的方式輻射激光兩次或更多次時(shí)，移動(dòng)要被激光輻射的位置以便于形成具有大尺寸晶粒的硅薄膜。在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.Hei11-64883中公開的每一實(shí)施例中，孔徑寬度(1μm至2μm)小于光屏蔽掩模圖形的寬度(1.5μm至5μm)，且通過具有小寬度的孔徑輻射能量束以熔化非晶硅薄膜，并移動(dòng)要被激光輻射的位置以形成具有大尺寸晶粒的硅薄膜。
而且，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.2000-306859中公開的發(fā)明中，如在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.Hei11-64883中公開的發(fā)明情況一樣，使用激光重復(fù)輻射非晶硅薄膜，同時(shí)在一個(gè)范圍中逐漸地(例如1μm)移動(dòng)要用激光輻射的區(qū)域，在該范圍中通過用一個(gè)脈沖的激光輻射來結(jié)晶非晶硅薄膜。在上述發(fā)明采用的方法中，提供在光屏蔽區(qū)中周期性的亮和暗圖形，且通過利用取決于亮和暗圖形改變的溫度梯度來控制結(jié)晶的方向。
然而，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.Hei11-64883中公開的技術(shù)存在問題。即，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.Hei11-64883中公開的制造方法中，用激光以掃描的方式輻射其中非晶硅薄膜熔化且再結(jié)晶的區(qū)域兩次或更多次，且在用激光輻射的同時(shí)移動(dòng)要用能量束輻射的位置，結(jié)果，截取激光的掩模寬度與允許激光透射的孔徑寬度之間的差很小，這導(dǎo)致大量時(shí)間用于形成具有大尺寸晶粒的硅薄膜。
此外，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.2000-306859中公開的制造方法中，當(dāng)結(jié)晶非晶硅薄膜時(shí)，順序地移動(dòng)要用激光輻射的區(qū)域，以便于用激光輻射的區(qū)域不重疊以形成具有大尺寸晶粒的硅薄膜。然而，由于其移動(dòng)距離大約1μm那么短，這花費(fèi)更多的時(shí)間來完成在特定區(qū)域的處理。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)上述觀點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，該方法采用能夠形成具有均勻晶體生長方向的、且具有大尺寸的晶粒的能量束輻射技術(shù)，以及使用上述方法的制造設(shè)備。本發(fā)明的另一目的是提供用于制造由如通過上述方法制造的這種半導(dǎo)體薄膜構(gòu)成的TFT的方法。本發(fā)明的再一目的是提供通過上述方法制造的半導(dǎo)體薄膜和通過上述方法制造的TFT。本發(fā)明的又一目的是提供能夠形成具有均勻晶體生長方向、且具有大尺寸的晶粒的半導(dǎo)體薄膜的制造設(shè)備。
根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供一種用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，包括通過用由光屏蔽元件部分截取的能量束輻射預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜，利用其中光屏蔽區(qū)作為其熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)，使預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜熔化且再結(jié)晶的步驟；其中，能量束的輻射將能量給予光屏蔽區(qū)，以便于熔化和再結(jié)晶以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生，且以便于在光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度成為300℃/μm或更高。
這樣，根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)槟芰渴┘佑诠馄帘螀^(qū)，以便于半導(dǎo)體薄膜中的光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度成為300℃/μm或更高，因此溫度梯度用作使半導(dǎo)體薄膜的晶體在規(guī)定方向中生長的驅(qū)動(dòng)力。此外，因?yàn)槟芰渴┘佑诎雽?dǎo)體薄膜中的光屏蔽區(qū)來供給能量，以便于光屏蔽區(qū)成為熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)，這使得能夠以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)，使半導(dǎo)體薄膜的晶體通過上述溫度梯度在規(guī)定方向中生長。結(jié)果，因?yàn)橥ㄟ^從溫度梯度方向中的起始點(diǎn)的熔化和再結(jié)晶而發(fā)生晶體生長，可以在極短的時(shí)間內(nèi)有效形成半導(dǎo)體薄膜，該半導(dǎo)體薄膜的晶粒具有均勻的晶體生長方向且尺寸大。
在前述中，一種優(yōu)選的方式是，其中用于輻射能量激光的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率為4μm或更小。
因此，根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橛糜谳椛淠芰考す獾墓鈱W(xué)系統(tǒng)的分辨率為4μm或更小，因此可以提供4μm或更小尺寸的上述溫度梯度。結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)用作使晶體以規(guī)定方向從起始點(diǎn)生長的驅(qū)動(dòng)力的溫度梯度。
此外，一種優(yōu)選方式是，其中由到達(dá)光屏蔽區(qū)的220mJ/cm2/μm或更高的能量束的強(qiáng)度梯度來提供溫度梯度。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由光屏蔽元件部分截取的能量束衍射(回轉(zhuǎn))光屏蔽區(qū)以加熱半導(dǎo)體薄膜，并通過到達(dá)光屏蔽區(qū)的220mJ/cm2/μm或更高的能量束的強(qiáng)度梯度，來實(shí)現(xiàn)用作使晶體在規(guī)定方向生長的驅(qū)動(dòng)力的上述溫度梯度。
此外，一種優(yōu)選的方式是，其中在光屏蔽區(qū)中提供至少兩個(gè)方向的溫度梯度。
因此，根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)能量束以其衍射(回轉(zhuǎn))光屏蔽區(qū)的方式輻射時(shí)，因?yàn)榭梢栽诠馄帘螀^(qū)中提供至少兩個(gè)方向的溫度梯度，所以給出使晶體以光屏蔽區(qū)作為起始點(diǎn)在至少兩個(gè)方向中生長的驅(qū)動(dòng)力。
此外，一種優(yōu)選的方式是，其中光屏蔽元件是通過在透明基板上形成光屏蔽圖形獲得的光屏蔽掩模。
此外，一種優(yōu)選方式是，其中通過一次向其上循環(huán)設(shè)置光屏蔽圖形的光屏蔽元件施加一次能量束，以熔化和再結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的整個(gè)表面。
這樣，根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)榭梢酝ㄟ^利用其上循環(huán)設(shè)置光屏蔽圖形的光屏蔽元件、用能量束一次輻射來熔化并再結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的整個(gè)表面，因此可以非常有效地進(jìn)行其晶粒具有均勻的晶體生長方向和大尺寸的半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶。
此外，一種優(yōu)選的方法是，其中光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L與光屏蔽圖形的節(jié)距(pitch)的比率(P/L)為1(一)或更高。
因此，根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橥ㄟ^上述溫度梯度可以給出更大的晶體生長驅(qū)動(dòng)力，即使當(dāng)光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L與光屏蔽圖形的節(jié)距的比率(P/L)為1(一)或更高時(shí)，也可以生長足夠大以覆蓋光屏蔽圖形中的孔徑部分的晶體。即使P/L比率等于10或更高，也可以生長足夠大以覆蓋光屏蔽圖形中的孔徑部分的晶體，這是在常規(guī)技術(shù)中得不到的效果。
此外，一種優(yōu)選的方式是，其中光屏蔽圖形的光屏蔽寬度為0.3μm或更高。
因此，根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)楣馄帘螀^(qū)中的局部溫度梯度為300℃/μm或更高，因此光屏蔽寬度可以設(shè)置在小至0.3μm的下限值。
此外，一種優(yōu)選的方式是，其中由非晶硅或多晶硅構(gòu)成在熔化和再結(jié)晶之前的半導(dǎo)體薄膜。
因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方案，在熔化和再結(jié)晶之前預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜由熔點(diǎn)為1150℃的非晶硅或熔點(diǎn)為1410℃的多晶硅構(gòu)成。
根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提供一種用于制造薄膜晶體管的方法，包括通過利用形成有插入在柵電極與半導(dǎo)體薄膜之間的柵絕緣膜的柵電極作為光屏蔽元件，向半導(dǎo)體薄膜施加能量束，利用半導(dǎo)體薄膜中的光屏蔽區(qū)作為起始點(diǎn)，使半導(dǎo)體薄膜的晶體在一個(gè)方向上生長，形成結(jié)晶化膜的步驟；其中能量束的輻射將能量給予光屏蔽區(qū)，以便于利用光屏蔽區(qū)作為起始點(diǎn)發(fā)生熔化和再結(jié)晶，且以便于光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度成為300℃/μm或更高。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由于通過利用形成有插入在柵電極與半導(dǎo)體薄膜之間的柵絕緣膜的柵電極，向光屏蔽區(qū)施加能量束，以便于半導(dǎo)體薄膜中的光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度成為300℃/μm或更高，因此溫度梯度用作使半導(dǎo)體薄膜的晶體在規(guī)定方向中生長的驅(qū)動(dòng)力。此外，由于向半導(dǎo)體薄膜中的光屏蔽區(qū)施加能量束以提供能量，以便于光屏蔽區(qū)成為用于熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)，使得能夠形成通過利用光屏蔽區(qū)作為起始點(diǎn)、由上述特定方向中的溫度梯度進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜的晶體生長而獲得的結(jié)晶化膜。結(jié)果，因?yàn)橥ㄟ^在溫度梯度方向中從起始點(diǎn)的熔化和再結(jié)晶而發(fā)生晶體生長，可以在極短的時(shí)間內(nèi)有效地形成其晶粒具有均勻的晶體生長方向和大尺寸的半導(dǎo)體薄膜。
在前述中，一種優(yōu)選的方式是，其中通過到達(dá)光屏蔽區(qū)的220mJ/cm2/μm或更高的能量束的強(qiáng)度梯度來提供溫度梯度。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由用作光屏蔽元件的柵電極部分截取的能量束衍射(回轉(zhuǎn))光屏蔽區(qū)以加熱半導(dǎo)體薄膜，并通過到達(dá)光屏蔽區(qū)的220mJ/cm2/μm或更高的能量束的強(qiáng)度梯度，來實(shí)現(xiàn)用作使晶體在規(guī)定方向生長的驅(qū)動(dòng)力的上述溫度梯度。
此外，一種優(yōu)選方式是，其中柵電極的寬度為0.3μm或更大。
此外，一種優(yōu)選方式是，其中由非晶硅或多晶硅構(gòu)成在熔化和再結(jié)晶之前的半導(dǎo)體薄膜。
因此，根據(jù)本發(fā)明，非晶硅的熔點(diǎn)為1150℃，而多晶硅的熔點(diǎn)為1410℃。
根據(jù)本發(fā)明的第三方案，提供一種根據(jù)在權(quán)利要求1至權(quán)利要求9中的任意一個(gè)中所述的制造半導(dǎo)體薄膜的方法而制造的半導(dǎo)體薄膜。
其中，從該點(diǎn)開始的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長已熔化并再結(jié)晶的起始點(diǎn)部分的厚度小于晶體生長的終止部分的厚度，且其晶體生長發(fā)生在厚度梯度方向中。
在前述中，一個(gè)優(yōu)選的方式是，其中半導(dǎo)體薄膜的晶體從其生長起始點(diǎn)在至少兩個(gè)方向中生長。
根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方案，提供一種根據(jù)在權(quán)利要求10至權(quán)利要求13中所述的用于薄膜晶體管的方法制造的薄膜晶體管，其中從該點(diǎn)開始的構(gòu)成薄膜晶體管的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長已熔化并再結(jié)晶的起始點(diǎn)部分的厚度小于晶體生長的終止部分的厚度，且其晶體生長發(fā)生在厚度梯度方向中。
根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)實(shí)施例，提供一種半導(dǎo)體薄膜的制造設(shè)備，其包括輻射裝置，通過向每一個(gè)設(shè)置在半導(dǎo)體薄膜與能量束輻射源之間的光屏蔽元件施加能量束，使晶體在期望的方向中以半導(dǎo)體薄膜的光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)生長；其中輻射裝置具有4μm或更小的分辨率的光學(xué)系統(tǒng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，由于制造設(shè)備設(shè)置有具有4μm或更小分辨率的光學(xué)系統(tǒng)的輻射裝置，因此可以將能夠使晶體生長以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生在期望的方向中的局部溫度梯度被給予以在其中光由光屏蔽元件截取的光屏蔽區(qū)。
在前述中，一種優(yōu)選的方式是，其中光屏蔽元件是通過在透明基板上形成光屏蔽圖形而獲得的光屏蔽掩模，且光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L與光屏蔽圖形的節(jié)距P之間的比率(P/L)為1(一)或更大。
此外，一種優(yōu)選方式是，光屏蔽圖形的光屏蔽寬度為0.3μm或更大。
此外，一種優(yōu)選的方式是，其中輻射裝置具有能夠通過一次輻射能量束來使熔化和再結(jié)晶發(fā)生在半導(dǎo)體薄膜的整個(gè)表面上的投影曝光單元。
因此，根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)樘峁┤缟纤龅倪@種投影曝光單元，可以在極短的時(shí)間內(nèi)有效形成其晶粒具有均勻晶體生長方向且為大尺寸的半導(dǎo)體薄膜。
采用上述配置，與其中需要幾十次至幾百次的束輻射以便在甚至具有例如1平方米的大面積尺寸的基板上再結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的常規(guī)情況不同，通過一次輻射，可以實(shí)現(xiàn)在基板整個(gè)表面上的半導(dǎo)體薄膜的再結(jié)晶。結(jié)果，輻射激光束的工藝加速了幾十倍至幾百倍，且可以使能量束輻射裝置的維持壽命變得很長。
采用另一配置，由于不同于其中溝道形成在具有隨機(jī)排列的多晶晶粒的半導(dǎo)體薄膜中的常規(guī)方法，通過將載流子的運(yùn)行方向與晶體生長的方向相匹配可以在規(guī)定方向中生長大晶體，所以可以獲得具有高遷移率的高導(dǎo)通電流(on-current)。結(jié)果，可以獲得其驅(qū)動(dòng)電壓低于由常規(guī)方法在玻璃基板上形成的薄膜晶體管構(gòu)成的集成電路的驅(qū)動(dòng)電壓、且其工作速度高的集成電路，當(dāng)采用本發(fā)明的集成電路時(shí)，例如，在液晶顯示器中，驅(qū)動(dòng)每個(gè)像素的像素TFT和外圍驅(qū)動(dòng)電路兩者同時(shí)形成在相同的玻璃基板上，其用于使制造工藝成本降低且使外圍驅(qū)動(dòng)集成電路最小化，并能夠產(chǎn)生新的電子器件。
采用另一配置，因?yàn)樘峁┚哂懈叻直媛实墓鈱W(xué)器件的輻射裝置，可以向在其中光由光屏蔽元件截取的光屏蔽區(qū)提供能夠使晶體的生長以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生在期望的方向中的局部溫度梯度。結(jié)果，可以非常有效地進(jìn)行半導(dǎo)體薄膜的熔化和再結(jié)晶。特別地，顯著的效果是即使半導(dǎo)體薄膜具有大面積也可以通過一個(gè)脈沖的輻射來實(shí)現(xiàn)熔化和再結(jié)晶。
其它效果在于，通過本發(fā)明的方法制造的半導(dǎo)體薄膜和/或TFT可以用于諸如顯示器、傳感器、打印裝置等的功能性裝置，以及諸如存儲(chǔ)器、CPU(中央處理單元)等的半導(dǎo)體器件，且特別適用于TFT(薄膜晶體管)、SOI(絕緣體上硅)晶體管、和利用它們?cè)跇?gòu)成半導(dǎo)體器件或功能性裝置或電子器件的絕緣體上形成的反相器。


從下面結(jié)合附圖的說明，本發(fā)明的上述和其它目的、優(yōu)點(diǎn)和特征將更加顯而易見，其中圖1A和1B是闡述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法的圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，當(dāng)通過利用圖1中示出的光屏蔽掩模發(fā)生熔化和再結(jié)晶時(shí)觀察的硅晶體的生長狀態(tài)的放大平面圖的照片；圖3A和3B示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，在與溫度梯度方向(水平方向)相同的方向中生長的晶體狀態(tài)的放大平面圖的照片；圖4A和4B是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，當(dāng)使用具有高分辨率或低分辨率的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)獲得的能量束的強(qiáng)度分布的示意圖；圖5是闡述當(dāng)使用具有高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)獲得的能量束的強(qiáng)度梯度的圖，和示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，在該強(qiáng)度梯度中發(fā)生的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長狀態(tài)的放大照片；圖6是闡述當(dāng)使用具有不同于圖5中示出的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)獲得的能量束的強(qiáng)度梯度，和示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，在該強(qiáng)度梯度中發(fā)生的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長狀態(tài)的放大照片；
圖7是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，在其中發(fā)生能量束強(qiáng)度梯度的長度“Le”與相對(duì)于其中光由光屏蔽掩模截取的光屏蔽區(qū)中結(jié)晶的起始點(diǎn)的相對(duì)位置中的誤差之間的關(guān)系圖表；圖8是闡釋根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例，相應(yīng)于能量束的強(qiáng)度梯度的傾斜部分的長度“Le”的圖；圖9是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，在相對(duì)于結(jié)晶的起始點(diǎn)的相對(duì)位置(彎曲程度)中的誤差的圖表；圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，當(dāng)掩模圖形的節(jié)距改變時(shí)獲得的硅薄膜的熔化和再結(jié)晶的狀態(tài)的放大平面照片；圖11是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，能量束的輻射強(qiáng)度與通過其在輻射強(qiáng)度下發(fā)生的通過熔化和再結(jié)晶的優(yōu)良晶體生長的光屏蔽圖形的光屏蔽寬度之間關(guān)系的圖表；圖12是示出優(yōu)選用于根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的制造半導(dǎo)體薄膜的方法中的輻射裝置的一個(gè)實(shí)例的配置圖；圖13是示出能夠用于根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的制造半導(dǎo)體薄膜的方法中的脈沖激光輻射裝置的一個(gè)實(shí)例的配置圖；圖14是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例實(shí)現(xiàn)的硅薄膜晶體的狀態(tài)的放大平面照片；圖15A至15I和15I’是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的制造TFT的方法的工藝流程圖；圖16至16G和16G’是制造TFT的比較(常規(guī))方法的工藝流程圖；和圖17是示出常規(guī)TFT的一般和典型結(jié)構(gòu)的圖。
具體實(shí)施例方式
下面利用各種實(shí)施例、參考附圖來更詳細(xì)地描述實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最優(yōu)方式。
通過在預(yù)先形成的具有直接光屏蔽區(qū)(光掩模區(qū))的半導(dǎo)體薄膜上輻射能量束，以便以其直接光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)熔化和再結(jié)晶該預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜，來制造/完成本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜。更為具體地，在上述方法中，通過輻射308nm波長的準(zhǔn)分子激光，利用掩模投影方法，在硅(Si)薄膜上，使熔化和再結(jié)晶發(fā)生在由掩模的光屏蔽圖形截取的硅薄膜的直接光屏蔽區(qū)中，且硅晶體的生長以熔化和結(jié)晶發(fā)生的部分作為起始點(diǎn)而發(fā)生在局部溫度梯度的方向上。因此，本發(fā)明特征在于，能量束的輻射將能量賦予硅薄膜中的直接光屏蔽區(qū)，以便于熔化和再結(jié)晶以直接光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生，還在于使直接光截取部分中的局部溫度梯度為300℃/μm或更高。在本發(fā)明中，上述溫度梯度充當(dāng)使晶體從其起始點(diǎn)向規(guī)定方向生長的大驅(qū)動(dòng)力。上述熔化和再結(jié)晶工藝使再結(jié)晶從熔化和再結(jié)晶發(fā)生的起始點(diǎn)向溫度梯度的方向生長，結(jié)果，形成大尺寸的且具有其均勻生長方向的晶粒。用于制造本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜的方法可以優(yōu)選應(yīng)用于例如非晶硅(a-Si)薄膜、多晶硅薄膜(多晶-Si)薄膜等的制造中，其使得發(fā)生硅薄膜的再結(jié)晶，以便于制造具有大尺寸的且在規(guī)定方向上生長的晶粒的硅薄膜。
第一實(shí)施例(用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法)圖1A和1B是闡釋根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法的示意圖。圖1A是示出在本發(fā)明中采用的光屏蔽元件的一個(gè)實(shí)例的平面圖。圖1B是闡釋本發(fā)明中，在采用光束輻射的半導(dǎo)體薄膜中發(fā)生熔化和再結(jié)晶的示意性剖面圖。圖2示出當(dāng)通過利用如圖1A中示出的光屏蔽掩模已進(jìn)行熔化和再結(jié)晶時(shí)，觀察的硅晶體生長狀態(tài)的放大平面圖的照片。圖3A和3B示出晶體在與溫度梯度方向(水平方向)相同的方向上生長的狀態(tài)的放大平面圖的照片。
光屏蔽元件放置在光束源和要被輻射的目標(biāo)之間(在半導(dǎo)體薄膜14的上部分中或者半導(dǎo)體薄膜14之上)，以截取將施加到半導(dǎo)體薄膜14的部分能量束13。例如，采用通過構(gòu)圖等形成在玻璃基板15(圖1B)上的光屏蔽掩模作為光屏蔽元件。此外，如后面描述到的，在制造本發(fā)明的TFT的情況中，在形成于半導(dǎo)體薄膜上的柵絕緣膜上形成的柵電極用作光屏蔽元件。
如圖1A中示出，在光屏蔽掩模11上以規(guī)定的節(jié)距(間隔)“P”設(shè)置條形的掩模圖形12，每一圖形具有其之中的孔徑寬度“W”，且每一圖形具有光屏蔽寬度“L”。本發(fā)明中采用的實(shí)驗(yàn)顯示，因?yàn)橥ㄟ^利用具有高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)(將在后面描述)，使得半導(dǎo)體薄膜14中的直接光屏蔽區(qū)17(下文稱之為光屏蔽區(qū)17)中的溫度梯度為300℃/μm或更高，且如圖1B、圖2和圖3A和3B中示出，晶體能夠通過在局部溫度梯度方向上的大的生長驅(qū)動(dòng)力、從開始發(fā)生晶體生長的起始點(diǎn)16生長。結(jié)果，即使使用具有窄光屏蔽寬度L、大孔徑寬度W和寬節(jié)距P的光屏蔽掩模11，半導(dǎo)體薄膜的晶體也能夠以其中包括具有窄寬度的光屏蔽區(qū)17的起始點(diǎn)16到具有大寬度的孔徑部分18的整個(gè)區(qū)域由晶體填充的方式生長。此外，圖1B中示出的箭頭19表示晶體從每一個(gè)起始點(diǎn)16向相鄰光屏蔽區(qū)17生長的方向。圖2以及圖3A和3B中示出的每一白色垂直線20表示在其中晶體從一個(gè)接一個(gè)相鄰的光屏蔽區(qū)17生長、且其中晶體在一個(gè)方向上(圖1B的水平方向上)以朝向彼此相鄰的光屏蔽區(qū)17的方式生長的部分。
在本發(fā)明中，因?yàn)槭拱雽?dǎo)體薄膜14中的光屏蔽區(qū)17具有溫度梯度，還可以使用具有1或更大、例如10或更大的P/L比率(節(jié)距P對(duì)光屏蔽寬度L的比率)的光屏蔽掩模11。即使當(dāng)通過利用光屏蔽掩模在半導(dǎo)體薄膜上形成具有小光屏蔽區(qū)寬度的光屏蔽區(qū)時(shí)，大的溫度梯度也會(huì)發(fā)生于光屏蔽區(qū)中，結(jié)果，半導(dǎo)體薄膜的晶體可以在溫度梯度的方向上生長。此外，P/L比率具有其規(guī)定的上限，該上限根據(jù)能量束的強(qiáng)度、光學(xué)系統(tǒng)的分辨率、冷卻狀態(tài)等來確定。
圖4A是示出根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使用具有高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)21時(shí)獲得的能量束13的強(qiáng)度分布23的示意圖。圖4B是示出根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使用具有低分辨率的光學(xué)系統(tǒng)22時(shí)獲得的能量束13的強(qiáng)度分布23的示意圖。圖5和6是闡釋根據(jù)本發(fā)明，當(dāng)使用每個(gè)具有不同分辨率的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)獲得的能量束的強(qiáng)度梯度的圖，和示出已經(jīng)通過強(qiáng)度梯度發(fā)生的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長狀態(tài)的放大的照片。
可以使用每個(gè)具有規(guī)定輸出強(qiáng)度的各種能量束作為本發(fā)明中采用的能量束13。例如，可以優(yōu)選采用具有308nm波長準(zhǔn)分子激光，其具有100mJ/cm2至1000mJ/cm2的輸出特性。此外，能量束的輸出特性是可以根據(jù)束的直徑而改變的參數(shù)。
通過如圖4A中示出的具有4μm或更小分辨率的光學(xué)系統(tǒng)21來向半導(dǎo)體薄膜14的表面施加能量束13?？梢酝ㄟ^利用方程式分辨率＝(常數(shù))×波長/孔徑數(shù)，來計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的分辨率。優(yōu)選地，使用光學(xué)系統(tǒng)21，其具有0.2的孔徑數(shù)(NA)利用具有308nm波長的準(zhǔn)分子激光，且具有通過將在0.50至0.75內(nèi)的常數(shù)代入上述方程式而獲得的高分辨率。此外，通過下述方程式NA＝nsinθ，來給出孔徑數(shù)(NA)，其中“n”表示介質(zhì)的折射率。因?yàn)榭諝庵衝＝1，所以NA＝sinθ。
在本發(fā)明中，其部分被光屏蔽元件截取的能量束13衍射(回轉(zhuǎn))光截取部分17以加熱半導(dǎo)體薄膜14，并通過利用具有高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)21，可以使半導(dǎo)體薄膜14中的光屏蔽區(qū)17具有例如220mJ/cm2μm或更高能量束的強(qiáng)度梯度。即，通過利用具有4μm或更小分辨率的高分辨率光學(xué)系統(tǒng)21、使用能量束13輻射半導(dǎo)體薄膜14，可以使半導(dǎo)體薄膜14中的光屏蔽區(qū)17具有上述強(qiáng)度梯度，結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)300℃/μm或更大的溫度梯度。此外，可以通過用光束輻射熒光板、并利用透鏡放大由熒光板發(fā)出的熒光、然后通過CCD(電荷耦合器件)將其讀出來估算能量束的強(qiáng)度梯度。
另一方面，在如圖4B示出的具有大約10μm或更大分辨率的光學(xué)系統(tǒng)22中，能量束的強(qiáng)度很小，結(jié)果，不同于本發(fā)明的情況，不可能實(shí)現(xiàn)300℃/μm或更大的溫度梯度。即，如圖4B中示出的光學(xué)系統(tǒng)22不能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力以使晶體在規(guī)定方向上生長。
通過利用具體的實(shí)例來解釋能量束的強(qiáng)度梯度。例如，當(dāng)采用圖4B中示出的具有低分辨率(例如10μm或更大的分辨率)的常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)22，且使用具有大約2μm至3μm的光截取寬度L的光屏蔽掩模，且用于以光屏蔽區(qū)17為起始點(diǎn)結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的能量束的強(qiáng)度(稱為結(jié)晶強(qiáng)度)為180mJ/cm2，且孔徑部分18中的能量束的強(qiáng)度(稱為輻射強(qiáng)度)為400mJ/cm2時(shí)，能量束的強(qiáng)度梯度變?yōu)榇蠹s73.3(＝(400-180)/3)mJ/cm2/μm至110(＝(400-180)/2)mJ/cm2/μm。不同于利用常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)22的情況，當(dāng)采用如圖4A中示出的具有(例如4μm或更小分辨率的)高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)21，且使用具有1μm或更小的光截取寬度L的光屏蔽掩模，且如圖5中所示，用于以光屏蔽區(qū)17為起始點(diǎn)16來結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的能量束的強(qiáng)度(稱為結(jié)晶強(qiáng)度)為180mJ/cm2，且孔徑部分18中的能量束強(qiáng)度(稱為輻射強(qiáng)度)為400mJ/cm2時(shí)，能量束的強(qiáng)度梯度變?yōu)?20(＝(400-180)/1)mJ/cm2/μm或更高。
因此，根據(jù)本發(fā)明，通過具有高分辨率的光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)上述大的能量束強(qiáng)度梯度，結(jié)果，光屏蔽區(qū)中的溫度梯度變大，這能夠獲得300℃/μm或更高的溫度梯度。另一方面，常規(guī)低分辨率光學(xué)系統(tǒng)提供小的能量束強(qiáng)度梯度，而不可能增加光屏蔽區(qū)中的溫度梯度。鑒于此，在本發(fā)明中，即使使得光截取圖形(掩模圖形12)的寬度很窄且光屏蔽區(qū)很小，也可以使截取部分具有使晶體在規(guī)定方向中生長的必要溫度梯度。
能量束的溫度梯度的上限可以設(shè)置在20000℃/μm，優(yōu)選在13300℃/μm。通過考慮由多余的能量和相應(yīng)于光屏蔽區(qū)的區(qū)域中的微結(jié)晶使得相應(yīng)于孔徑部分的區(qū)域磨損，來設(shè)置溫度梯度的上限。即，在最大溫度TH(例如，在Si情況中，其沸點(diǎn)3267℃為上溫度)與溫度TL(例如，在a-Si情況中，其1150℃的熔點(diǎn)為下限溫度，而在多晶Si的情況中，其1410℃的熔點(diǎn)為下限溫度)之間的差(TH-TL)為溫度梯度的上限，在最大溫度TH下能量束直接沖擊半導(dǎo)體薄膜的孔徑部分中不發(fā)生磨損，溫度TL為在其中能量束被截取的光屏蔽區(qū)中熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明，在當(dāng)使用高分辨率光學(xué)系統(tǒng)時(shí)采用的最佳分辨率為0.1μm的情況中，溫度梯度的上限為大約20000℃/μm[(TH-TL)/分辨率＝(3267-1150)/0.1]。此外，從圖2和圖7以及10(將在后面描述)中示出的實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，優(yōu)選采用具有0.15μm分辨率的高分辨率光學(xué)系統(tǒng)，以便于為0.3μm的光屏蔽寬度L一半的0.15μm的中心位置成為熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)。在這一情況中，溫度梯度的上限優(yōu)選為大約13300℃/μm，即為上述溫度梯度20000℃/μm的三分之二。
此外，“磨損”表示一種在其中半導(dǎo)體薄膜熔化、沸騰和蒸發(fā)的現(xiàn)象。微結(jié)晶(或非晶化)發(fā)生在由快速冷卻引起的平衡到非平衡的轉(zhuǎn)變之后。因此，為了防止在相應(yīng)于光屏蔽區(qū)的區(qū)域中發(fā)生微結(jié)晶，期望以半導(dǎo)體薄膜保持熱動(dòng)力平衡而開始半導(dǎo)體薄膜的凝固。對(duì)于上述沸點(diǎn)和熔點(diǎn)，參考1984年由Academic Press，Inc.，Orland的R.F.Wood，C，W，White和R.T.Young編輯的Pulsed laser processing of semiconductors的Vol.23中的“Semiconductors andsemimetals”。
根據(jù)上述試驗(yàn)，當(dāng)通過向具有例如60nm厚度的a-Si薄膜施加具有400mJ/cm2的能量強(qiáng)度的激光，利用具有1μm分辨率的光學(xué)系統(tǒng)熔化和再結(jié)晶a-Si薄膜時(shí)，溫度梯度為[2428℃(通過具有400mJ/cm2能量強(qiáng)度的激光輻射達(dá)到的溫度)-1150℃(a-Si的熔點(diǎn))]/1μm＝約1200℃/μm。此外，當(dāng)通過向具有例如60nm厚度的a-Si薄膜施加具有600mJ/cm2的能量強(qiáng)度的激光，利用具有1μm分辨率的光學(xué)系統(tǒng)熔化和再結(jié)晶a-Si薄膜時(shí)，溫度梯度為[3267℃(通過具有600mJ/cm2能量強(qiáng)度的激光輻射達(dá)到的溫度)-1150℃(a-Si的熔點(diǎn))]/1μm＝約2100℃/μm。該結(jié)果表明優(yōu)選的溫度梯度范圍在1200℃/μm與2100℃/μm之間。
當(dāng)考慮要使用的光學(xué)系統(tǒng)的成本和壽命時(shí)，期望使采用的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率和激光的輻射強(qiáng)度低于一定程度。從光學(xué)系統(tǒng)的成本和壽命的角度來看，為了至少獲得本發(fā)明的目的，優(yōu)選使用具有例如4μm分辨率的光學(xué)系統(tǒng)且采用具有例如400mJ/cm2能量強(qiáng)度的激光來熔化和再結(jié)晶半導(dǎo)體膜。
此外，根據(jù)另一試驗(yàn)，當(dāng)通過向具有例如60nm厚度的a-Si薄膜施加具有400mJ/cm2的能量強(qiáng)度的激光，利用具有4μm分辨率的光學(xué)系統(tǒng)熔化和再結(jié)晶a-Si薄膜時(shí)，溫度梯度為[2428℃(通過具有400mJ/cm2能量強(qiáng)度的激光輻射達(dá)到的溫度)-1150℃(a-Si的熔點(diǎn))]/4μm＝約300℃/μm。此外，當(dāng)通過向具有例如60nm厚度的a-Si薄膜施加具有400mJ/cm2的能量強(qiáng)度的激光，利用具有1μm分辨率的光學(xué)系統(tǒng)熔化和再結(jié)晶a-Si薄膜時(shí)，溫度梯度為[2428℃(通過具有400mJ/cm2能量強(qiáng)度的激光輻射達(dá)到的溫度)-1150℃(a-Si的熔點(diǎn))]/1μm＝約1200℃/μm。該結(jié)果表明，優(yōu)選的溫度梯度范圍在300℃/μm與1200℃/μm之間。
期望激光的能量足夠高以至少使得以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生的熔化和再結(jié)晶施加于光屏蔽區(qū)。根據(jù)另一試驗(yàn)，還證實(shí)當(dāng)使用具有308μm波長且具有400mJ/cm2能量強(qiáng)度的準(zhǔn)分子激光輻射例如具有60μm厚的a-Si薄膜，光被具有1μm光屏蔽寬度的光屏蔽掩模截取，且利用具有1μm分辨率的光學(xué)系統(tǒng)，180mJ/cm2的能量強(qiáng)度施加到光屏蔽區(qū)，結(jié)果，光屏蔽區(qū)的溫度超過a-Si的熔點(diǎn)1150℃，且以光截取部分作為起始點(diǎn)發(fā)生硅薄膜的熔化和再結(jié)晶。此外，在該點(diǎn)處，因?yàn)?00mJ/cm2的能量強(qiáng)度施加到孔徑部分，在光屏蔽區(qū)中的溫度梯度為大約220℃/μm，在起始點(diǎn)處，可以觀察到沿溫度梯度方向上的晶體生長(參見圖5)。結(jié)果，如圖5中所示，在起始點(diǎn)的分界線成為清晰的直線或近似于直線。
另一方面，根據(jù)另一試驗(yàn)，當(dāng)使用具有308μm波長且具有400mJ/cm2能量強(qiáng)度的準(zhǔn)分子激光輻射例如具有60μm厚度的硅薄膜，光被具有3μm的光屏蔽寬度的光屏蔽掩模截取，且利用具有10μm分辨率的光學(xué)系統(tǒng)，180mJ/cm2的能量施加到光屏蔽區(qū)，結(jié)果，光屏蔽區(qū)的溫度超過a-Si的熔點(diǎn)1150℃，且以光截取部分作為起始點(diǎn)發(fā)生硅薄膜的熔化和再結(jié)晶。在該點(diǎn)處，雖然400mJ/cm2的能量施加到孔徑部分，但是由于在光屏蔽區(qū)中的溫度梯度為大約73.3℃/μm一樣緩和，且在起始點(diǎn)，晶體生長趨向于在不同于上述方向的方向中(圖6中的上和向下方向)發(fā)生，因此在起始點(diǎn)的分界線不是直線(見圖6)。
因?yàn)樯鲜鲞@種溫度梯度產(chǎn)生在發(fā)光屏蔽區(qū)中，所以抑制了在垂直于溫度梯度方向(圖4中的左和右方向)的方向上的晶體生長，且促進(jìn)了在溫度梯度方向上的晶體生長。
圖7是示出在其中出現(xiàn)能量束強(qiáng)度梯度的長度“Le”與相對(duì)于光截取區(qū)17中的結(jié)晶起始點(diǎn)16的相對(duì)位置中的誤差(彎曲程度)之間的關(guān)系的圖表，其中在光截取區(qū)17中，光由圖1中示出的光屏蔽掩模11截取。此外，圖8是闡釋表示能量束強(qiáng)度梯度的傾斜部分的長度“Le”的圖表。圖9是示出相對(duì)于結(jié)晶的起始點(diǎn)16的相對(duì)位置中的誤差(彎曲程度)的圖表。從上述能量束的強(qiáng)度梯度的測(cè)量結(jié)果計(jì)算出表示強(qiáng)度梯度的傾斜部分的長度“Le”，且作為考慮到不能由光學(xué)統(tǒng)一單元修正的原始激光射線的精細(xì)區(qū)中的強(qiáng)度改變、光學(xué)統(tǒng)一單元性能的改變等的結(jié)果，當(dāng)光束強(qiáng)度設(shè)置在1.00時(shí)獲得的強(qiáng)度范圍從0.10至0.90內(nèi)的長度定義為傾斜部分的長度“Le”。此外，當(dāng)通過注意到晶體結(jié)構(gòu)改變而識(shí)別起始點(diǎn)16時(shí)，將精細(xì)晶粒區(qū)和粗糙且大的晶體彼此接觸的位置用作起始點(diǎn)，且數(shù)字化表達(dá)起始點(diǎn)位置中的變化(誤差)。
圖7中示出的結(jié)果表明，為了有效減小起始點(diǎn)位置中的誤差，Le≤4μm。因此，根據(jù)本發(fā)明，基于上述結(jié)果，優(yōu)選使用具有如此高分辨率以至在光屏蔽區(qū)，在其中出現(xiàn)能量束的強(qiáng)度梯度的長度“Le”為4μm或更小，優(yōu)選為1μm或更小的光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)果，使溫度梯度很大且可以使晶體在溫度梯度方向上生長。
接著，闡釋光屏蔽掩模中的條狀掩模圖形的排列節(jié)距(P)。圖10示出當(dāng)形成在光屏蔽掩模中的條狀掩模圖形的光屏蔽寬度L設(shè)置在0.3μm、且掩模圖形的節(jié)距在1.5μm與3.5μm之間改變時(shí)，發(fā)生的硅薄膜的熔化和再結(jié)晶的狀態(tài)。這里，能量束的輻射強(qiáng)度設(shè)置在578mJ/cm2。
如圖9中所示，由試驗(yàn)證實(shí)當(dāng)節(jié)距在2.5μm至3.5μm之間時(shí)，發(fā)生了在能量束強(qiáng)度梯度方向上的晶體生長。然而，當(dāng)節(jié)距為1.5μm時(shí)，在水平方向上沒有觀察到晶體生長。原因看來是由于施加到硅薄膜的大量能量、且還由于水平方向上的熱擴(kuò)散，而在光將被截取的區(qū)域中的溫度過度升高。當(dāng)節(jié)距為3.0μm時(shí)，輻射區(qū)域被已在水平方向上從相鄰光屏蔽區(qū)生長的晶體填充，并特別觀察到期望的晶體生長。當(dāng)節(jié)距為3.5μm時(shí)，觀察到在水平方向上已從相鄰起始點(diǎn)生長的晶體中間的間隙的現(xiàn)象。這一現(xiàn)象發(fā)生的原因在于，在通過以相鄰光屏蔽區(qū)的起始點(diǎn)作為晶核的水平外延生長而獲得的晶體彼此接觸之前，通過借助對(duì)基板的熱傳導(dǎo)進(jìn)行冷卻而使晶核幾乎自發(fā)且隨機(jī)地出現(xiàn)，結(jié)果，形成具有尺寸相對(duì)小的晶粒的多晶薄膜(微晶膜或非晶膜)。當(dāng)節(jié)距為2.5μm時(shí)，當(dāng)通過外延生長獲得的晶體彼此相接觸時(shí)，在水平方向上的外延生長進(jìn)行并終止。然而，在其中節(jié)距為1.5μm的情況中，局部存在一些區(qū)域，在這些區(qū)域中，由于提供給半導(dǎo)體薄膜的大量能量且還由于在水平方向上的熱擴(kuò)散，而使光將被截取的區(qū)域中的溫度過度升高。由于輻射束強(qiáng)度固有的非均勻性，該現(xiàn)象看來已經(jīng)發(fā)生。
這些結(jié)果表明期望在光屏蔽區(qū)中的排列間隔短于取決于諸如強(qiáng)度的參數(shù)來確定的生長距離，且更為具體地，通過“節(jié)距P/光屏蔽寬度L＞5(＝1.5/0.3)”的表達(dá)式，且優(yōu)選地，通過“節(jié)距P/光屏蔽寬度L＝10(＞1.5/0.3)”的表達(dá)式，給出光屏蔽圖形的節(jié)距P與光屏蔽寬度L之間的關(guān)系。從獲得具有大尺寸晶粒的硅薄膜的觀點(diǎn)來看，在滿足上述條件之后，優(yōu)選使光屏蔽區(qū)的排列間隔盡可能長。
將通過“節(jié)距P/光屏蔽寬度L”表達(dá)式計(jì)算的值的上限設(shè)置在其中在從相鄰起始點(diǎn)在水平方向上生長的晶體之中不會(huì)出現(xiàn)間隙的范圍內(nèi)。主要參數(shù)包括通過“節(jié)距P/光屏蔽寬度L”表達(dá)式獲得的值、能量束的輻射強(qiáng)度、膜厚度、束脈沖的波形等。通過校準(zhǔn)這些參數(shù)，可以解決出現(xiàn)間隙的問題。
圖11是示出400mJ/cm2至900mJ/cm2的能量束輻射強(qiáng)度與光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L之間的關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)果，其中借助上述條件，在根據(jù)本發(fā)明的輻射強(qiáng)度下發(fā)生通過熔化和再結(jié)晶的晶體的優(yōu)良生長。
光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L與能量束的輻射強(qiáng)度成比例。因此，根據(jù)該實(shí)驗(yàn)，當(dāng)輻射強(qiáng)度很大時(shí)，為了在該輻射強(qiáng)度下通過極好的熔化和再結(jié)晶而發(fā)生晶體生長，需要制作大的光屏蔽寬度L。此外，當(dāng)半導(dǎo)體薄膜的厚度從60nm增加到75nm時(shí)，通過將輻射強(qiáng)度轉(zhuǎn)換到高強(qiáng)度側(cè)，使通過優(yōu)良熔化和再結(jié)晶的晶體生長成為可能。
由上述結(jié)果，輻射強(qiáng)度與光屏蔽寬度L之間的關(guān)系可以通過方程“L(μm)＝a×E(mJ/cm2)+b”來表達(dá)，其可以通過引起通過極良好的熔化和再結(jié)晶使晶體生長發(fā)生，其中“a”和“b”表示根據(jù)作為將被輻射目標(biāo)的半導(dǎo)體薄膜的厚度而改變的系數(shù)。
由圖11顯而易見，光屏蔽寬度L根據(jù)輻射強(qiáng)度、半導(dǎo)體薄膜的厚度等來設(shè)置，且優(yōu)選為0.2μm至0.5μm，更為優(yōu)選地為0.3μm至0.5μm。這里，當(dāng)光屏蔽寬度“L”小于0.2μm時(shí)，沒有獲得光屏蔽的效果，且觀察到發(fā)生在整個(gè)半導(dǎo)體薄膜上的微結(jié)晶以及在水平方向上沒有硅晶體的生長。此外，如果光屏蔽寬度“L”超出例如0.5μm，雖然發(fā)生晶體的水平生長，仍有非晶層殘留在光屏蔽區(qū)的中央。
此外，將能量給于光屏蔽區(qū)以便于以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生熔化和再結(jié)晶。給于的能量取決于半導(dǎo)體薄膜的類型和/或其厚度而不同，然而，如果薄膜為形成在玻璃基板上的具有75nm厚度的a-Si薄膜，則其能量強(qiáng)度優(yōu)選在170mJ/cm2至200mJ/cm2的范圍內(nèi)。在給于這種能量的光屏蔽區(qū)中，產(chǎn)生用于熔化和再結(jié)晶的晶核，且晶體以晶核為起始點(diǎn)生長。例如，如圖1B中所示，因?yàn)樾纬删哂泄馄帘螌挾萀的條形光屏蔽圖形，則半導(dǎo)體薄膜的晶體以產(chǎn)生的晶核為起始點(diǎn)在出現(xiàn)溫度梯度的方向(圖1B中的左和右方向)上生長。關(guān)于這點(diǎn)，優(yōu)選地，光屏蔽區(qū)以適當(dāng)?shù)墓?jié)距周期性地設(shè)置，例如，如圖2中所示，可以獲得在水平方向上生長的半導(dǎo)體薄膜。
此外，根據(jù)本發(fā)明，為了誘發(fā)優(yōu)良的晶體生長，例如，以不引起微結(jié)晶的速度來冷卻被能量束輻射而已經(jīng)熔化的半導(dǎo)體薄膜。因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)當(dāng)以大約1.6×1010℃/sec或更高的速度冷卻時(shí)，在具有60nm厚度的a-Si薄膜中出現(xiàn)微結(jié)晶，通過控制冷卻速度以便小于1.6×1010℃/sec的速度，可以防止a-Si薄膜中的微結(jié)晶和非晶化，且可以獲得優(yōu)良生長晶體的工藝。
在通過上述方法制造的半導(dǎo)體薄膜中，即，在已經(jīng)熔化且再結(jié)晶的半導(dǎo)體薄膜中，已經(jīng)熔化且再結(jié)晶的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長所開始的起始點(diǎn)部分的厚度小于晶體生長的終止部分的厚度，且在厚度梯度方向上發(fā)生其晶體生長。例如，當(dāng)通過與熔化和再結(jié)晶單元所采用的相同方法，輻射具有820mJ/cm2能量強(qiáng)度且具有308nm波長的準(zhǔn)分子激光來熔化和再結(jié)晶75nm厚度的a-Si薄膜時(shí)，其中熔化和再結(jié)晶開始的起始點(diǎn)部分的膜厚度大約為60nm，而晶體生長終止部分的厚度為大約100nm。上述這種現(xiàn)象，即其中在其中熔化和再結(jié)晶開始的起始點(diǎn)部分的厚度小于晶體生長終止部分的厚度、且晶體生長發(fā)生在厚度梯度方向上的現(xiàn)象是不考慮初始膜厚度而發(fā)生的現(xiàn)象，是本發(fā)明的制造方法的特定模式。即使在上述半導(dǎo)體薄膜的晶體從其生長的起始點(diǎn)在至少兩個(gè)方向上生長的情況中，也證實(shí)了該現(xiàn)象。
在用于制造本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜和TFT的方法中采用的、將在后面(及以上)描述的本發(fā)明的制造設(shè)備具有激光輻射裝置，該裝置通過向每一個(gè)設(shè)置在半導(dǎo)體薄膜與能量束輻射源之間的光屏蔽元件施加能量束，可以使晶體以半導(dǎo)體薄膜的光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)在期望的方向上生長。此外，在后面將說明的用于制造薄膜晶體管的制造設(shè)備中，通過利用每一個(gè)設(shè)置在由柵絕緣膜覆蓋的半導(dǎo)體薄膜與能量束輻射源之間的柵電極作為光屏蔽元件來施加能量束。
在用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法中采用的上述制造設(shè)備具有配備有4μm或更小分辨率的光學(xué)系統(tǒng)的輻射裝置，以獲得上述晶體生長。即，如上所述，因?yàn)檩椛溲b置具有4μm或更小分辨率的光學(xué)系統(tǒng)，所以可以產(chǎn)生局部的溫度梯度，其能夠使晶體以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)、在期望的方向上生長至在其中光被光屏蔽元件(或柵電極)截取的光屏蔽區(qū)。
此外，為了方便，通過在透明基板上形成光屏蔽圖形而構(gòu)造的光屏蔽圖形優(yōu)選用作在上述輻射裝置中采用的光屏蔽元件，且光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L對(duì)光屏蔽圖形的節(jié)距P的比率(P/L)優(yōu)選為1(一)或更高。光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L優(yōu)選為0.3μm或更大。在上面已經(jīng)描述了其原因，因此省略了其說明。此外，在TFT的情況下，通過形成具有插入在柵電極與半導(dǎo)體薄膜之間的柵絕緣膜而構(gòu)造的柵電極用作光屏蔽元件，且其光屏蔽寬度L為柵電極的寬度。
根據(jù)本發(fā)明，為了獲得熔化和再結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的更為有效的工藝，輻射裝置配備有適合于通過施加能量束一個(gè)脈沖來同時(shí)熔化和再結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜的整個(gè)表面的投影曝光單元。取決于要使用的能量束的類型或能量強(qiáng)度、在其中期望晶體生長的被輻射目標(biāo)的面積，可以從各種類型的投影曝光單元中選擇可以用于本發(fā)明的投影曝光單元。例如，可以將縮影投影光學(xué)系統(tǒng)、1∶1投影光學(xué)系統(tǒng)、或放大投影光學(xué)系統(tǒng)附著到輻射裝置中以構(gòu)造本發(fā)明的制造設(shè)備。
圖12和13示出可用于制造本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜和TFT的輻射裝置的一個(gè)實(shí)例。圖12是示出優(yōu)選用于根據(jù)本發(fā)明的制造半導(dǎo)體薄膜的方法中的輻射裝置的一個(gè)實(shí)例的結(jié)構(gòu)圖。
在圖12示出的輻射裝置中，將由第一準(zhǔn)分子激光器EL1和第二準(zhǔn)分子激光器EL2供給的脈沖UV(紫外)光經(jīng)由鏡面opt3和透鏡opt4引入到均化器opt20中。通過均化器opt20成形UV光束的強(qiáng)度輪廓以便于其具有期望的均勻度，例如，其在表面內(nèi)的分布在光學(xué)掩模opt21處為+5％。
此外，存在一些情況，其中最初由準(zhǔn)分子激光器供給的束能量的強(qiáng)度輪廓或總能量數(shù)量在脈沖中改變，輻射裝置優(yōu)選具有使其在光學(xué)掩模上的強(qiáng)度的空間分布和/或在脈沖中的強(qiáng)度改變均勻的機(jī)構(gòu)。通常使用蠅眼透鏡或柱面透鏡作為均化器opt20。
經(jīng)由縮影投影曝光系統(tǒng)opt23和激光引入窗口W0將由上述光學(xué)掩模形成的光學(xué)圖形施加到放置在真空室C0內(nèi)的襯底sub0。襯底sub0放置在襯底臺(tái)S0上，并通過襯底臺(tái)S0的操作、在襯底sub0上的期望區(qū)域中曝光光學(xué)圖形，例如在圖形轉(zhuǎn)移區(qū)ex0上。雖然在其中使用縮影投影曝光系統(tǒng)opt23的實(shí)例示于圖12中，也可以根據(jù)情況采用1∶1投影光學(xué)系統(tǒng)或放大投影光學(xué)系統(tǒng)。
通過基板臺(tái)S0的移動(dòng)(在圖2中的方向X-Y)，用激光輻射基板sub0上的任意區(qū)域。此外，在其上形成光屏蔽圖形的光學(xué)掩模放置在掩模臺(tái)上(未示出)。施加到基板sub0的光束由在能曝光的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)光學(xué)掩模來控制。
接著，描述適用于在期望條件下將光學(xué)圖形施加到基板sub0的機(jī)構(gòu)。因?yàn)樾?zhǔn)光軸需要精密的校準(zhǔn)操作，在下面說明在其中將已經(jīng)完成校準(zhǔn)的光軸固定以調(diào)節(jié)基板sub0位置的方法。
通過焦距對(duì)準(zhǔn)方向z的位置和相對(duì)于光軸的垂直性來校準(zhǔn)基板輻射表面相對(duì)于光軸的位置。更為具體地，在斜度修正方向θxy、斜度修正方向θxz、斜度修正方向θyz、曝光區(qū)域移動(dòng)方向X、曝光區(qū)域移動(dòng)方向Y和焦距對(duì)準(zhǔn)方向Z之中，通過校準(zhǔn)斜度修正方向θxy、斜度修正方向θxz和斜度修正方向θyz，來修正相對(duì)于光軸的垂直性。此外，通過校準(zhǔn)焦距對(duì)準(zhǔn)方向z，將基板輻射表面控制在設(shè)置于相應(yīng)于光學(xué)系統(tǒng)焦距深度的位置中。
特別在形成于絕緣體上的TFT中，由于使用表面精確度次于硅晶片的玻璃基板作為絕緣體，因此要求這種配備有上述修正機(jī)構(gòu)的輻射裝置有效地獲得半導(dǎo)體薄膜晶體的優(yōu)良生長。
此外，如圖13中所示的脈沖激光輻射裝置可以用于本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜或TFT的制造中。
在如圖13中所示的脈沖激光輻射裝置中，由脈沖激光源1101供給的激光射線到達(dá)硅薄膜基板1107，該硅薄膜基板為通過由包括玻璃基板1109上的鏡1102、1103和1105以及束均化器1104的光學(xué)器件組限定的光學(xué)路徑116被輻射的目標(biāo)。束均化器1104的目的是使施加的束的空間強(qiáng)度均勻。在上述這種輻射裝置中，通過在xy臺(tái)1108上移動(dòng)玻璃基板1109來進(jìn)行到基板上任意位置的激光輻射。不僅通過移動(dòng)xy臺(tái)、還通過移動(dòng)上述光學(xué)元件組、或通過在其中將光學(xué)元件組的移動(dòng)結(jié)合臺(tái)的移動(dòng)的方法，來進(jìn)行到基板上任意位置的激光輻射。例如，通過將基板放置在x方向臺(tái)上、且將均化器放置在y方向臺(tái)上來進(jìn)行激光輻射。此外，在真空室中的真空下或高純度氣體環(huán)境下進(jìn)行激光輻射。此外，如果需要，激光輻射裝置可以配備有其中形成硅薄膜的玻璃基板容納盒1110和基板輸運(yùn)機(jī)構(gòu)1111。在盒與臺(tái)之間機(jī)械推入和退出基板。
根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橹圃煸O(shè)備具有上述這種輻射裝置，可以有效地實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜的熔化和再結(jié)晶。本發(fā)明的顯著效果是，即使半導(dǎo)體薄膜具有特別大的面積，也可以通過一次能量束輻射獲得熔化和再結(jié)晶。
第二實(shí)施例(用于制造半導(dǎo)體薄膜的另一方法)接著，將描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法。通過采用上述用于制造本發(fā)明的半導(dǎo)體薄膜的方法，如圖14中所示，通過融化和再結(jié)晶，可以放射狀地生長硅晶體。
例如，通過利用在其中每一個(gè)具有1.5μm直徑的點(diǎn)狀光屏蔽圖形以大約4μm的等間隔節(jié)距放置的光屏蔽掩模、并通過將具有308nm波長且具有467mJ/cm2的能量強(qiáng)度的準(zhǔn)分子激光施加于具有60μm的硅薄層，來獲得圖14中示出的硅晶體。從圖14中理解，硅晶體從光屏蔽區(qū)呈放射狀生長，且在已經(jīng)從光屏蔽區(qū)生長的硅晶體與已經(jīng)從相鄰光屏蔽區(qū)生長的硅晶體之間沒有觀察到間隙。
第三實(shí)施例(用于制造TFT的方法)接著，將描述根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的用于制造TFT的方法。將上述用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法應(yīng)用于制造根據(jù)本實(shí)施例的TFT。參考圖15A至15I以及圖15I’中示出的工藝流程圖，來闡釋可以以自對(duì)準(zhǔn)方式在期望區(qū)域上獲得結(jié)晶化膜的用于制造TFT的方法的實(shí)例。
即，在本發(fā)明的用于制造TFT的方法中，通過利用形成在半導(dǎo)體薄膜上的具有插入在柵電極與半導(dǎo)體薄膜之間的柵絕緣膜的柵電極作為光屏蔽元件，且通過向半導(dǎo)體薄膜施加能量束，來形成其晶體以半導(dǎo)體薄膜的光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)在一個(gè)方向中生長的結(jié)晶化膜。這樣，本實(shí)施例特征在于，能量束輻射可以給予光屏蔽區(qū)能量，以便于其可以用作半導(dǎo)體薄膜熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)，且以便于使得光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度為300℃/μm或更高。
在根據(jù)本實(shí)施例的用于制造TFT的方法中，通過采用形成在柵絕緣膜上的柵電極作為光屏蔽元件，在位于柵電極向下方向中的硅薄膜中形成用于熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)。然后，使硅晶體以自對(duì)準(zhǔn)方式從起始點(diǎn)在柵電極寬度方向上生長。因?yàn)楣杈w的生長方向與溝道中載流子傳輸方向(源-漏)匹配，所以獲得的硅薄膜成為具有高載流子傳輸特性的有源層。本實(shí)施例的用于制造TFT的方法優(yōu)選應(yīng)用于其中溝道長度達(dá)到亞微米級(jí)的情況中。
如圖15A中示出，依次在通過清潔已除去有機(jī)物質(zhì)、金屬、精細(xì)顆粒等的玻璃基板sub0上形成基板覆蓋膜T1和硅薄膜102。
利用硅烷和氧氣作為其原料，通過LPCVD(低壓化學(xué)汽相淀積)方法在450℃的條件下形成1μm厚的氧化硅膜作為基板覆蓋膜T1。通過利用LPCVD方法，可以覆蓋除基板支撐區(qū)外的基板的整個(gè)外表面(未示出)。代替LPCVD方法，可以使用利用四乙氧基硅烷(TEOS)和氧氣作為其原料的等離子體CVD方法、利用TEOS和臭氧作為其原料的大氣CVD方法、在其中淀積區(qū)與等離子體產(chǎn)生區(qū)分離的遠(yuǎn)程等離子體CVD方法等?？梢杂行褂媚軌蚍乐拱诨宀牧现械挠泻τ诎雽?dǎo)體器件的雜質(zhì)擴(kuò)散的材料，諸如具有堿金屬濃度減小至最小值的玻璃和石英以及其表面拋光的玻璃等作為基板覆蓋膜T1。
通過LPCVD方法，利用乙硅烷作為其原料在500℃下形成硅薄膜T2，以便于硅薄膜T2具有75nm的厚度。關(guān)于此點(diǎn)，因?yàn)榘诠璞∧2中的氫原子濃度為1原子％或更低，所以可以防止由激光輻射工藝(稍候描述的)中氫釋放引起的膜粗糙和類似問題。此外，還可以通過利用等離子體CVD方法形成硅薄膜T2，且可以通過調(diào)節(jié)基板溫度、氫對(duì)硅烷的流速、氫對(duì)四氟化硅烷的流速等來形成具有低氫原子濃度的硅薄膜。
接著，在排掉薄膜形成設(shè)備中的氣體之后，將上述基板通過基板輸運(yùn)室輸運(yùn)到等離子體CVD室。然后在等離子體CVD室中，如圖15B中所示，在硅薄膜T2上淀積第一柵絕緣膜T3。柵絕緣膜T3由利用硅烷、氦和氧作為原料氣體在350℃的基板溫度下淀積的具有10nm厚的氧化硅膜構(gòu)成。其后，如果需要，在第一柵絕緣膜T3上進(jìn)行氫等離子體處理和熱退火處理。在薄膜形成設(shè)備中進(jìn)行上述一系列處理。
接著，如圖15C中所示，通過利用光刻和蝕刻技術(shù)來形成由硅薄膜T2和氧化硅膜(第一柵絕緣膜)T3構(gòu)成的疊層島狀物。關(guān)于此，優(yōu)選在氧化硅膜(第一柵絕緣膜)T3的蝕刻速率高于硅薄膜T2的蝕刻速率的條件下進(jìn)行蝕刻，且如圖15C中所示，通過形成以便于呈階梯(或錐形)狀的圖形剖面，防止了柵極泄漏，且可以獲得具有高可靠性的TFT。
然后，清洗已經(jīng)過蝕刻處理的基板以除去有機(jī)物質(zhì)、金屬、精細(xì)顆粒等，且如圖15D中所示，以覆蓋上述島狀物的方式形成第二柵絕緣膜T4。第二柵絕緣膜T4由通過LPCVD方法、利用硅烷和氧氣作為其原料、在450℃下淀積的具有30nm厚度的氧化硅膜構(gòu)成。為形成第二柵絕緣膜T4，可以使用利用四乙氧基硅烷(TEOS)和氧氣作為其原料的等離子體CVD方法、大氣CVD方法、利用TEOS和臭氧作為其原料的等離子體CVD方法等。
接著，在第二柵絕緣膜T4上形成80nm厚的n+硅膜作為柵n+電極和110nm厚的硅化鎢膜。期望通過等離子CVD方法或LPCVD方法形成的結(jié)晶摻磷的硅膜用作n+硅膜。然后，在進(jìn)行完光刻和蝕刻處理之后，如圖15E中所示，形成構(gòu)圖的柵電極T5b。
然后，在進(jìn)行完清洗以除去有機(jī)物質(zhì)、金屬、精細(xì)顆粒、表面氧化膜等之后，將疊層膜放入激光輻射裝置以利用柵電極5b作為光屏蔽掩模、用激光射線L0輻射硅薄膜T2，如圖15F中所示?？梢杂糜谶@里的激光輻射裝置包括圖12中所示的激光輻射裝置和圖13中所示的脈沖激光輻射裝置。通過用激光射線L0輻射，硅薄膜T2轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶的硅薄膜T6。在具有純度高達(dá)99.9999％或更高的氮?dú)夥罩小⒃?00torr或更高的壓強(qiáng)下進(jìn)行激光結(jié)晶，且在完成激光輻射之后，引入氧氣。在這點(diǎn)上，通過適當(dāng)設(shè)計(jì)光屏蔽寬度“L”和光屏蔽間隔“P”，可以實(shí)現(xiàn)輻射表面上的硅結(jié)晶。
接著，如圖15G和圖15G’所示，利用上述柵電極T5b作為掩模將雜質(zhì)注入進(jìn)結(jié)晶的硅薄膜T2中，以形成雜質(zhì)注入?yún)^(qū)T6和T6’。此外，當(dāng)制造CMOS電路時(shí)，通過結(jié)合使用光刻，以分離的方式形成需要n+區(qū)的n溝道TFT和需要p+區(qū)的p溝道TFT?？梢圆捎迷谄渲胁贿M(jìn)行要被注入雜質(zhì)的質(zhì)量分離的離子摻雜、離子注入、等離子體摻雜、激光摻雜等，作為用于注入雜質(zhì)的方法。在雜質(zhì)注入工藝中，根據(jù)應(yīng)用或雜質(zhì)注入方法，使用淀積在留下的表面上的氧化硅(參見圖15G)或使用淀積去除的表面上的氧化硅(參見圖15G’)來注入雜質(zhì)。
此外，在圖15F中示出的結(jié)晶工藝之前，可以進(jìn)行圖15G和圖15G’中示出的注入雜質(zhì)工藝。關(guān)于此，在當(dāng)進(jìn)行激光結(jié)晶工藝的同時(shí)，可以進(jìn)行通過上述方法注入的雜質(zhì)激活。
接著，如圖15H中所示，通過構(gòu)圖操作在柵電極T5b上形成柵金屬電極T5a。然后，如圖15I和圖15I’中所示，在淀積層間隔離絕緣膜T7和T7’之后，形成接觸孔并淀積用于布線的金屬膜。此外，通過利用光刻和蝕刻技術(shù)形成金屬布線T8。可以采用TEOS氧化膜、二氧化硅涂覆膜或有機(jī)涂覆膜作為層間隔離絕緣膜T7和T7’，其所有可以獲得膜平坦化。通過利用光刻和蝕刻技術(shù)進(jìn)行形成接觸孔的工藝?？梢允褂玫碗娮桎X、銅、銅或鋁基合金、諸如鎢、鉬的高熔點(diǎn)金屬等作為金屬布線T8。
通過進(jìn)行上述這種工藝，可以形成具有本發(fā)明的高性能和高可靠性的TFT。
在上述制造的TFT中，通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，與在制造上述半導(dǎo)體薄膜中描述的現(xiàn)象的情況一樣，熔化且再結(jié)晶的硅薄膜T6的硅晶體生長從其開始的起始點(diǎn)的厚度小于硅晶體生長的終止點(diǎn)的厚度，且硅晶體的生長發(fā)生在厚度梯度方向上。
第四實(shí)施例(用于制造TFT的另一種方法)接著，將描述根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例制造TFT的方法。描述在其中將對(duì)準(zhǔn)掩模預(yù)先布置并根據(jù)對(duì)準(zhǔn)掩模輻射激光的情況，或在其中與輻射激光的同時(shí)產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)掩模的情況。在這些情況中，用于制造TFT的方法的第四實(shí)施例在下述方面不同于用于制造TFT的方法的第三實(shí)施例。
即，在其中預(yù)先布置對(duì)準(zhǔn)掩模并根據(jù)對(duì)準(zhǔn)掩模輻射激光的情況中，基板覆蓋膜T1和硅化鎢膜順序形成在從其上通過清洗已除去有機(jī)物質(zhì)、金屬、精細(xì)顆粒等的玻璃基板sub0上。接著，為了在基板上形成對(duì)準(zhǔn)掩模，形成通過光刻和蝕刻構(gòu)圖的硅化鎢膜。此外，為了保護(hù)對(duì)準(zhǔn)掩模，形成掩模保護(hù)膜且然后形成硅薄膜。
在其后的處理中，當(dāng)利用激光射線進(jìn)行曝光時(shí)，通過利用對(duì)準(zhǔn)掩模作為位置參考來曝光期望的區(qū)域。然后，通過利用預(yù)先布置的對(duì)準(zhǔn)掩?；蛲ㄟ^構(gòu)圖結(jié)晶的硅薄膜作為位置參考形成的對(duì)準(zhǔn)掩模(未示出)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)工藝。
根據(jù)該實(shí)施例，因?yàn)椴恍枰醚谀Ｍ队胺椒ň_選擇結(jié)晶區(qū)域的工藝，所以即使進(jìn)一步小型化晶體管，也能夠進(jìn)行通過利用與常規(guī)方法相同的對(duì)準(zhǔn)方法的激光處理設(shè)備來結(jié)晶，且因此，可以縮短需要用于對(duì)準(zhǔn)工藝的時(shí)間且可以抑制設(shè)備成本的增加。
用于制造TFT的比較方法通過參考圖16A至16G以及圖16G’中示出的工藝流程圖來描述用于制造TFT的比較(常規(guī))方法的實(shí)例(如在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開No.2001-28440中公開的)。此外，因?yàn)樵诒容^方法中采用的用于薄膜的材料和薄膜形成方法與用于制造TFT的方法的第一實(shí)施例的情況中采用的相同，所以僅在下面描述不同于上述第一實(shí)施例的方面。
首先，如圖16A中所示，在已經(jīng)清洗過的玻璃基板sub0上順序形成基板覆蓋膜T1和硅薄膜T2。
接著，如圖16B中所示，在清洗完玻璃基板sub0之后，將玻璃基板sub0放入具有能量束輻射裝置的薄膜形成設(shè)備中。在薄膜形成設(shè)備中，將激光射線L0施加到硅薄膜T2，且將硅薄膜T2改變?yōu)榻Y(jié)晶的硅薄膜T2。在具有高達(dá)99.9999％或更高純度的氮?dú)夥罩?、?00torr或更高的壓強(qiáng)下進(jìn)行硅薄膜的這種激光結(jié)晶。在完成激光輻射之后，引入氧氣。
關(guān)于此，通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)光屏蔽寬度“L”和光屏蔽間隔“P”，可以實(shí)現(xiàn)輻射表面的硅結(jié)晶。
接著，在排掉薄膜形成設(shè)備中的氣體之后，將經(jīng)過上述工藝的基板通過基板輸運(yùn)室傳送到等離子體CVD室。然后，在等離子體CVD室中，如圖16C中所示，在結(jié)晶的硅薄膜T2上淀積第一柵絕緣膜T3(10nm厚的氧化硅膜)。
然后，如圖16D中所示，通過光刻和蝕刻工藝形成由結(jié)晶硅薄膜T2和氧化硅膜T3構(gòu)成的疊層島狀物。
接著，在清洗完經(jīng)過蝕刻工藝的基板后，以由第二柵絕緣膜T4覆蓋島狀物的方式形成第二柵絕緣膜T4(30μm厚的氧化硅膜)。
然后，在第二柵絕緣膜T4上形成80nm厚的n+硅膜和110nm厚的硅化鎢膜。然后，在進(jìn)行完光刻和蝕刻工藝之后，如圖16E所示，形成構(gòu)圖的柵電極T5。
接著，通過利用上述柵電極T5為掩模形成雜質(zhì)注入?yún)^(qū)T6、T6’。此外，當(dāng)制造CMOS電路時(shí)，通過結(jié)合利用光刻，以分離的方式形成需要n+區(qū)的n溝道TFT和需要p+區(qū)的p-溝道TFT。在雜質(zhì)注入工藝中，根據(jù)各種應(yīng)用或雜質(zhì)注入方法，使用形成在留下的表面上的氧化硅膜(參見圖16F)或使用形成在被除去的表面上的氧化硅膜(參見圖16F’)來注入雜質(zhì)。
接著，如圖16G和16G’中所示，在淀積完層間隔離絕緣膜T7和T7’之后，形成接觸孔且然后淀積用于布線的金屬膜。然后，通過光刻和蝕刻技術(shù)形成金屬布線T8。通過光刻和蝕刻技術(shù)進(jìn)行形成接觸孔的工藝。
通過進(jìn)行上述工藝，完成作為參考進(jìn)行比較的常規(guī)TFT。
顯而易見，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，而可以在不脫離本發(fā)明的范圍和精神下被改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，包括通過用被光屏蔽元件部分截取的能量束輻射預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜，使所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜以其中的光屏蔽區(qū)作為其熔化和再結(jié)晶的起始點(diǎn)熔化和再結(jié)晶的步驟；其中所述能量束的輻射向所述光屏蔽區(qū)給予能量，以便于熔化和再結(jié)晶以所述光屏蔽區(qū)為所述起始點(diǎn)發(fā)生，且以便于使所述光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度為300℃/μm或更高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中用于輻射所述能量束的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率為4μm或更小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中由已經(jīng)到達(dá)所述光屏蔽區(qū)的具有220mJ/cm2/μm或更高的能量束強(qiáng)度梯度提供所述局部溫度梯度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中在所述光屏蔽區(qū)中提供至少兩個(gè)方向的溫度梯度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中所述光屏蔽元件為通過在透明基板上形成光屏蔽圖形而獲得的光屏蔽掩模。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中通過向在其上周期性設(shè)置所述光屏蔽圖形的光屏蔽元件上一個(gè)脈沖地施加能量束來熔化和再結(jié)晶所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜的整個(gè)表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中所述光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L與所述光屏蔽圖形的節(jié)距P之間的比率(P/L)為1(一)或更高。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中所述光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L為0.3μm或更大。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其中在熔化和再結(jié)晶之前的所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜由非晶硅或多晶硅制成。
10.一種用于制造薄膜晶體管的方法，包括通過利用形成有插入在柵電極與預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜之間的柵絕緣膜的所述柵電極作為光屏蔽元件，向所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜施加能量束，使所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜的晶體在一個(gè)方向上以所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜中的光屏蔽區(qū)作為起始點(diǎn)生長，從而形成結(jié)晶膜的步驟；其中所述能量束的輻射向所述光屏蔽區(qū)提供能量，以便于熔化和再結(jié)晶以所述光屏蔽區(qū)為所述起始點(diǎn)發(fā)生，且以便于使所述光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度為300℃/μm或更高。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的用于制造薄膜晶體管的方法，其中由已經(jīng)到達(dá)所述光屏蔽區(qū)的具有22mJ/cm2/μm或更高的能量束強(qiáng)度梯度來提供所述局部溫度梯度。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的用于制造薄膜晶體管的方法，其中所述柵電極的寬度為0.3μm或更大。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的制造薄膜晶體管的方法，其中在熔化和再結(jié)晶之前的所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜由非晶硅或多晶硅制成。
14.根據(jù)如權(quán)利要求1至權(quán)利要求9任意一項(xiàng)中所述方法制造的半導(dǎo)體薄膜，其中已經(jīng)熔化和再結(jié)晶的所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長開始的起始點(diǎn)的厚度小于晶體生長的終止部分的厚度，且晶體生長發(fā)生在厚度梯度方向中。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的半導(dǎo)體薄膜，其中所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜的晶體從其用于生長的起始點(diǎn)在至少兩個(gè)方向中生長。
16.根據(jù)如權(quán)利要求10至權(quán)利要求13所述的方法制造的薄膜晶體管，其中構(gòu)成所述薄膜晶體管的已經(jīng)熔化和再結(jié)晶的所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜的晶體生長開始的起始點(diǎn)的厚度小于晶體生長的終止部分的厚度，且晶體生長發(fā)生在其厚度梯度方向中。
17.一種用于制造半導(dǎo)體薄膜的制造設(shè)備，包括輻射裝置，通過向每一個(gè)設(shè)置在預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜與能量束輻射源之間的光屏蔽元件施加能量束，使晶體在期望方向上以預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜的光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)生長；其中所述輻射裝置具有4μm或更小分辨率的光學(xué)系統(tǒng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的制造設(shè)備，其中所述光屏蔽元件為通過在透明基板上形成光屏蔽圖形而獲得的光屏蔽掩模，且所述光屏蔽圖形的光屏蔽寬度L與所述光屏蔽圖形的節(jié)距P之間的比率(P/L)為1(一)或更高。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的制造設(shè)備，其中所述光屏蔽圖形的光屏蔽寬度為0.3μm或更大。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的制造設(shè)備，其中所述輻射裝置具有投影曝光單元，該單元能夠通過一次能量束輻射使熔化和再結(jié)晶在所述預(yù)先形成的半導(dǎo)體薄膜的所有表面上同時(shí)發(fā)生。
全文摘要
提供一種用于制造半導(dǎo)體薄膜的方法，其可以形成具有均勻晶體生長方向和大尺寸的晶粒，以及利用上述方法的制造設(shè)備，和用于制造薄膜晶體管的方法。在上述方法中，通過施加被光屏蔽元件部分截取的能量束，熔化和再結(jié)晶以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生。束輻射向硅薄膜的光屏蔽區(qū)提供能量，以便于熔化和再結(jié)晶以光屏蔽區(qū)為起始點(diǎn)發(fā)生，且以便于使光屏蔽區(qū)中的局部溫度梯度為1200℃/μm或更大。在制造方法中，用于提供能量束的光學(xué)系統(tǒng)的分辨率優(yōu)選為4μm或更小。
文檔編號(hào)H01L21/268GK1550863SQ20041006390
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月9日
發(fā)明者田邊浩 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社