專利名稱：薄膜半導(dǎo)體襯底及制造方法、薄膜半導(dǎo)體器件及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄膜半導(dǎo)體襯底、薄膜半導(dǎo)體襯底的制造方法、晶化方法、用于晶化的裝置、薄膜半導(dǎo)體器件、以及薄膜半導(dǎo)體器件的制造方法，這些可以應(yīng)用于例如有源矩陣平板顯示器。
背景技術(shù)：
對(duì)于在絕緣襯底上形成如薄膜晶體管(TFT薄膜晶體管)、接觸圖像傳感器以及光電轉(zhuǎn)換器件等的半導(dǎo)體器件，薄膜半導(dǎo)體技術(shù)很重要。薄膜晶體管為MOS(MIS)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并且應(yīng)用于如液晶顯示器等的平板顯示器(例如，參見(jiàn)非專利文獻(xiàn)1“(平板顯示器件96)FlatPanel Display 96”，174-176頁(yè))。
一般說(shuō)來(lái)，液晶顯示器的特點(diǎn)為薄、輕、低功耗以及易于彩色顯示。由于這些特點(diǎn)，液晶顯示器廣泛應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)或多種便攜信息終端的顯示器。在液晶顯示器是有源矩陣型的情況中，提供薄膜晶體管作為像素開(kāi)關(guān)元件。
薄膜晶體管的有源層(載流子漂移層)由例如硅半導(dǎo)體薄膜形成。硅半導(dǎo)體薄膜可以分成兩類非晶硅(α-Si)和具有晶相的多晶硅(非單晶晶體硅)。多晶體硅主要為多晶硅(poly-Si)。微晶硅(μc-Si)也稱做多晶體硅。除了硅之外，半導(dǎo)體薄膜材料的例子包括SiGe、SiO、CdSe、Te以及CdS。
多晶體硅的載流子遷移率比非晶硅的載流子遷移率大10倍到100倍。與開(kāi)關(guān)器件的半導(dǎo)體薄膜材料的特性相比，該特性很優(yōu)異。近些年來(lái)，更關(guān)注具有由多晶硅形成的有源層的薄膜晶體管，是由于它具有高的工作速度，并且為可以構(gòu)成如多米諾(domino)電路和CMOS傳輸門(mén)等各種邏輯電路的開(kāi)關(guān)器件。該邏輯電路需要形成液晶顯示器件和電致發(fā)光顯示器件中的驅(qū)動(dòng)電路、多路復(fù)用器、EPROM、EEPROM、CCD和RAM。
現(xiàn)在介紹制造多晶體硅半導(dǎo)體薄膜的典型常規(guī)工藝。在該工藝中，首先制備如玻璃的絕緣襯底。例如在絕緣襯底上形成的氧化硅膜(SiO2)作為其底部覆蓋層(或緩沖層)。具有約50mm厚度的非晶硅膜(α-Si)形成底部覆蓋層上的半導(dǎo)體薄膜。然后，進(jìn)行脫氫以降低非晶硅膜中的氫含量。隨后，例如通過(guò)受激準(zhǔn)分子層晶化法將非晶硅膜熔化和再結(jié)晶。具體地，將受激準(zhǔn)分子激光束施加到非晶硅膜，由此將非晶硅變成多晶硅。
目前，由此得到的多晶硅的半導(dǎo)體薄膜用做n溝道或p溝道薄膜晶體管的有源層。此時(shí)，薄膜晶體管的場(chǎng)效應(yīng)遷移率(由場(chǎng)效應(yīng)造成的電子或空穴遷移率)對(duì)于n溝道薄膜晶體管約為100到150cm2/Vsec，對(duì)于p溝道薄膜晶體管為100cm2/Vsec。使用這種薄膜晶體管可以得到集成了驅(qū)動(dòng)電路的顯示器件，其中如信號(hào)線驅(qū)動(dòng)電路和掃描線驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電路與像素開(kāi)關(guān)元件同時(shí)形成在相同的襯底上。由此降低了顯示器件的制造成本。
目前的薄膜晶體管的電特性不是很優(yōu)異，如用于將數(shù)字視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換器以及用于處理數(shù)字視頻數(shù)據(jù)的門(mén)陣列的信號(hào)處理電路集成在顯示器件的襯底上。為此，薄膜晶體管需要具有高于目前器件2到5倍的電流驅(qū)動(dòng)能力。而且，場(chǎng)效應(yīng)遷移率需要約300cm2/Vsec或更多。薄膜晶體管的電特性需要進(jìn)一步增強(qiáng)，以便增加顯示器件的功能特性并提高附加的價(jià)值。例如，在將包括薄膜晶體管的靜態(tài)存儲(chǔ)器添加到每個(gè)像素以便提供存儲(chǔ)功能時(shí)，薄膜晶體管需要具有基本上等同于單晶半導(dǎo)體的電特性。因此，提高半導(dǎo)體的特性是很重要的。
作為提高半導(dǎo)體薄膜特性的措施，例如，可以考慮將半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶性制得更接近于單晶。實(shí)際上，如果絕緣襯底上的整個(gè)半導(dǎo)體薄膜可以制成單晶，那么可以得到基本上等同于使用SOI襯底的器件的特性，而這種器件被認(rèn)為是下一代的LSI。最初在十幾年前作為3D器件的研究項(xiàng)目進(jìn)行了這種嘗試，但是將整個(gè)半導(dǎo)體薄膜制成單晶的技術(shù)仍然需要完善。即使在目前，仍然是抱有希望地期待半導(dǎo)體薄膜中的半導(dǎo)體晶粒為單晶。
在現(xiàn)有技術(shù)中，現(xiàn)已提出了在非晶半導(dǎo)體薄膜的晶化過(guò)程中將單晶半導(dǎo)體晶粒生長(zhǎng)為大尺寸的技術(shù)(例如，參見(jiàn)非專利文獻(xiàn)2(日本表面科學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)報(bào))Journal of the Surface Science Society of Japan，21卷，第5期，278-287頁(yè))。非專利文獻(xiàn)2作為Matsumura等人的積極持續(xù)的研究成果而出版。非專利文獻(xiàn)2公開(kāi)了相調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光晶化法，其中由移相器空間地強(qiáng)度調(diào)制的受激準(zhǔn)分子激光束施加到非晶硅薄膜，由此將非晶硅薄膜熔化并再結(jié)晶為多晶硅薄膜。在普通的激光晶化法中，使用稱做“束均化器”(beam homonizer)的光學(xué)系統(tǒng)使硅薄膜面上的受激準(zhǔn)分子激光強(qiáng)度均勻。另一方面，根據(jù)相調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光晶化法的方案，通過(guò)移相器將硅薄膜面上的受激準(zhǔn)分子激光束的強(qiáng)度改變?yōu)榫哂懈吆偷偷募?jí)別，在硅薄膜中提供對(duì)應(yīng)于所得強(qiáng)度分布的溫度梯度。溫度梯度促進(jìn)了單晶硅晶粒在平行于硅薄膜面的橫向方向中由低溫區(qū)生長(zhǎng)到高溫區(qū)。由此，與現(xiàn)有技術(shù)的激光晶化法相比，單晶硅晶粒可以生長(zhǎng)為更大的尺寸。具體地，單晶硅晶粒可以生長(zhǎng)為幾微米的尺寸，其中可以含有例如薄膜晶體管的有源器件。因此，認(rèn)為通過(guò)在該單晶硅晶粒中形成薄膜晶體管，就可以獲得電特性滿足上述要求的薄膜晶體管是合理的。
如上所述，相位調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光晶化法能有效地得到大尺寸的單晶硅晶粒。然而，如非專利文獻(xiàn)2中介紹的，大尺寸的單晶硅晶粒為由無(wú)數(shù)個(gè)小尺寸單晶硅晶粒的多晶硅或非晶硅環(huán)繞。如果形成的薄膜晶體管不具有大尺寸的單晶硅晶粒，那么薄膜晶體管的電特性將顯著降低。如果這種薄膜晶體管包含在如平板顯示器的產(chǎn)品中，那么顯示器將變得有缺陷。
在現(xiàn)有技術(shù)中，即使在用于晶化非晶硅薄膜的晶化工藝中，由非晶硅薄膜覆蓋的玻璃襯底放置在面向移相器的預(yù)定位置處，仍會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題。即，在晶化工藝之后的工藝中，將在硅薄膜中形成的薄膜晶體管不能準(zhǔn)確地定位在大尺寸單晶硅晶粒的范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種薄膜半導(dǎo)體襯底、薄膜半導(dǎo)體襯底的制造方法、晶化的方法、用于晶化的裝置、薄膜半導(dǎo)體器件、以及薄膜半導(dǎo)體器件的制造方法，當(dāng)在通過(guò)相位調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光晶化法中得到的這種大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的范圍中形成半導(dǎo)體有源器件時(shí)，該方法非常可靠。
根據(jù)本發(fā)明的第一方案，提供一種薄膜半導(dǎo)體襯底，其中包括絕緣襯底、在絕緣襯底上形成的非晶半導(dǎo)體薄膜、以及位于半導(dǎo)體薄膜上并指示晶化的參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。
根據(jù)本發(fā)明的第二方案，提供一種薄膜半導(dǎo)體襯底的制造方法，其中包括在絕緣襯底上形成非晶半導(dǎo)體薄膜；以及在半導(dǎo)體薄膜上提供多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，該對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記指示晶化的參考位置。
根據(jù)本發(fā)明的第三方案，提供一種晶化方法，其中包括形成具有絕緣襯底的薄膜半導(dǎo)體襯底、在絕緣襯底上形成的非晶半導(dǎo)體薄膜、以及位于半導(dǎo)體薄膜上并指示晶化的參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；以及通過(guò)與用于晶化的參考位置對(duì)準(zhǔn)的移相器，施加激光束以晶化半導(dǎo)體薄膜。
根據(jù)本發(fā)明的第四方案，提供一種晶化裝置，其中包括用于安裝薄膜半導(dǎo)體襯底的襯底臺(tái)，薄膜半導(dǎo)體襯底包括絕緣襯底、在絕緣襯底上形成的非晶半導(dǎo)體薄膜、以及位于半導(dǎo)體薄膜上并指示用于晶化的參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記；以及與用于晶化的參考位置對(duì)準(zhǔn)的移相器，通過(guò)該移相器施加激光束以晶化半導(dǎo)體薄膜的激光束照射部件。
根據(jù)本發(fā)明的第五方案，提供一種薄膜半導(dǎo)體器件，其中包括絕緣襯底、在絕緣襯底上形成的多晶半導(dǎo)體薄膜；以及半導(dǎo)體有源器件；其中多晶半導(dǎo)體薄膜包括沿著多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的至少一個(gè)單晶半導(dǎo)體晶粒，該多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相對(duì)于單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的位置關(guān)系，單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的晶粒尺寸以容納半導(dǎo)體有源器件，相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，半導(dǎo)體有源器件位于單晶半導(dǎo)體晶粒的范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的第六方案，提供一種薄膜半導(dǎo)體器件的制造方法，其中包括在絕緣襯底上形成多晶半導(dǎo)體薄膜，多晶半導(dǎo)體薄膜包括沿著多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的至少一個(gè)單晶半導(dǎo)體晶粒，所述多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相對(duì)于單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的位置關(guān)系；以及形成半導(dǎo)體有源器件；其中單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的晶粒尺寸以容納半導(dǎo)體有源器件，相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，半導(dǎo)體有源器件位于單晶半導(dǎo)體晶粒的范圍內(nèi)。
對(duì)于以上介紹的薄膜半導(dǎo)體襯底、薄膜半導(dǎo)體襯底的制造方法、晶化方法、用于晶化的裝置、薄膜半導(dǎo)體器件、以及薄膜半導(dǎo)體器件的制造方法，在半導(dǎo)體薄膜上提供的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記在晶化半導(dǎo)體薄膜時(shí)作為確定掩模位置的參考位置，或者在半導(dǎo)體薄膜中形成半導(dǎo)體有源器件時(shí)作為掩模位置。因此，在通過(guò)晶化半導(dǎo)體薄膜得到的大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的范圍內(nèi)，可以很可靠地形成半導(dǎo)體有源器件。
本發(fā)明的附加目的和優(yōu)點(diǎn)在下面的說(shuō)明中進(jìn)行陳述，部分從說(shuō)明書(shū)中明顯可知，或者可以通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而理解。借助下文中特別指出的手段和組合，可以實(shí)現(xiàn)和獲得本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。
附圖簡(jiǎn)述引入并構(gòu)成本說(shuō)明書(shū)一部分的附圖示出了本發(fā)明的各實(shí)施例，和上面給出的總體說(shuō)明以及下面各實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明一起解釋了本發(fā)明的原則。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例為薄膜半導(dǎo)體器件的多晶硅TFT的制造步驟的剖面圖；圖2示出了圖1所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖3示出了圖2所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖4示出了圖3所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖5示出了圖4所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖6示出了圖5所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖7示出了圖6所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖8示出了圖7所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖9示出了圖8所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；
圖10示出了圖9所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖11示出了圖10所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖12示出了圖11所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖13示出了圖12所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖14示出了圖13所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖15示出了圖14所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖16示出了圖15所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖17示出了圖16所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖18示出了圖17所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖19示出了圖18所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖20示出了圖19所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖21示出了圖20所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖22示出了圖21所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖23示出了圖22所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖24示出了在圖6的步驟中使用的移相器的移相圖形與使用該移相圖形形成的單晶硅晶粒之間的位置關(guān)系圖；圖25示出了在步驟23中完成的多晶硅TFT的平面結(jié)構(gòu)圖；圖26示出了圖25所示的多晶硅TFT的整個(gè)有源層位于大尺寸單晶硅晶粒內(nèi)的一個(gè)配置的例子；圖27示出了圖25所示的多晶硅TFT由大尺寸單晶硅晶粒取代的配置的第一例；圖28示出了圖25所示的多晶硅TFT由大尺寸單晶硅晶粒取代的配置的第二例；圖29示出了圖25所示的多晶硅TFT由大尺寸單晶硅晶粒取代的配置的第三例；圖30示出了包括多個(gè)多晶硅TFT的反相器電路(inverter circuit)的一個(gè)例子；圖31示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例為薄膜半導(dǎo)體器件的多晶硅TFT的一個(gè)制造步驟圖；圖32示出了圖31所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；
圖33示出了圖32所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖34示出了圖33所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖35示出了圖34所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖36示出了圖35所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖37示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例為薄膜半導(dǎo)體器件的多晶硅TFT的一個(gè)制造步驟圖；圖38示出了圖37所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖39示出了圖38所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖40示出了圖39所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖41示出了圖40所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖42示出了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例為薄膜半導(dǎo)體器件的多晶硅TFT的一個(gè)制造步驟圖；圖43示出了圖42所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖44示出了圖43所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖45示出了圖44所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖46示出了根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例為薄膜半導(dǎo)體器件的多晶硅TFT的一個(gè)制造步驟圖；圖47示出了圖46所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖48示出了圖47所示的步驟之后多晶硅TFT的制造步驟圖；圖49示出了根據(jù)圖48的步驟中得到的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，在光掩模上提供的刻線(reticle)圖形；圖50示出了根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例將薄膜半導(dǎo)體襯底傳入和傳出激光晶化裝置的傳送機(jī)器手的示意結(jié)構(gòu)；圖51示出了在圖50所示的退火室內(nèi)容納的激光晶化裝置的結(jié)構(gòu)；圖52示出了圖51所示的工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)單元的操作圖；圖53示出了根據(jù)本發(fā)明的第七實(shí)施例在激光晶化裝置中提供的一對(duì)激光處理單元的配置的平面圖；圖54示出了根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例的激光晶化裝置的結(jié)構(gòu)；圖55示出了在薄膜半導(dǎo)體襯底包括例如九個(gè)分區(qū)的情況中使用的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的布局和形狀；圖56示出了圖55所示的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的布局和形狀的改型；圖57示出了在用于晶化的移相器或用于光刻的光掩模上提供的刻線圖形或標(biāo)記圖形的形狀和布局的第一例；圖58示出了在用于晶化的移相器或用于光刻的光掩模上提供的刻線圖形或標(biāo)記圖形的形狀和布局的第二例；圖59示出了在襯底工作臺(tái)和掩模工作臺(tái)中埋置的多個(gè)位置傳感器；圖60示出了投影型激光晶化裝置的一個(gè)例子；圖61示出了在圖60所示的激光晶化裝置中使用的移相器；圖62示出了使用圖61所示的移相器確定襯底工作臺(tái)位置的方法的示圖；以及圖63示出了可用的投影型激光晶化裝置的示圖，而并非圖60中所示的裝置。
發(fā)明詳述現(xiàn)在參考


根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件。該薄膜半導(dǎo)體器件為薄膜晶體管(TFT)，薄膜晶體管為構(gòu)成有源矩陣液晶顯示器件的半導(dǎo)體有源器件，例如像素開(kāi)關(guān)元件陣列、驅(qū)動(dòng)電路、D/A(數(shù)字到模擬)轉(zhuǎn)換器等。圖1到圖23示出了制造例如多晶硅TFT的連續(xù)制造步驟。圖1到6中的部分(A)為局部剖面圖，圖1到6中的部分(B)為局部平面圖。
在圖1的部分(A)和(B)所示的步驟中，制備例如石英或無(wú)堿玻璃(no-alkali glass)的絕緣襯底10。對(duì)絕緣襯底10進(jìn)行如洗滌或浸泡在氫氟酸中的預(yù)處理。在本例中，絕緣襯底10由康寧#1737玻璃形成。
在圖2的部分(A)和(B)所示的步驟中，抗蝕劑材料涂覆在絕緣襯底10上。使用光掩模有選擇性地露出抗蝕劑材料。露出的部分被除去并顯影成抗蝕劑圖形11，該圖形留在絕緣襯底10上?？刮g劑圖形11具有多個(gè)開(kāi)口OP，每個(gè)具有例如圖2的部分(B)中所示的“+”形狀。絕緣襯底10暴露在開(kāi)口OP中。在圖2的部分(A)和(B)中，僅示出了其中一個(gè)開(kāi)口OP。
在圖3的部分(A)和(B)所示的步驟中，使用抗蝕劑圖形11作為掩模對(duì)絕緣襯底10進(jìn)行反應(yīng)離子蝕刻(PiE)。在該蝕刻工藝中，對(duì)應(yīng)于抗蝕劑圖形11中的開(kāi)口OP的絕緣襯底10的露出部分被蝕刻掉例如約100nm的深度。由此，圖3的部分(B)中所示的“+”槽GV在絕緣襯底10中形成。
在圖4的部分(A)和(B)所示的步驟中，除去了抗蝕劑圖形11，用厚度例如為50nm的氮化硅膜(SiNx)12覆蓋。氮化硅膜12覆蓋有厚度例如100nm的氧化硅膜(SiOx)13。氧化硅膜13覆蓋有厚度例如為200nm的非晶半導(dǎo)體薄膜14。例如通過(guò)低溫等離子體CVD(化學(xué)汽相沉積)，在絕緣襯底10上形成氮化硅膜12。例如通過(guò)低溫等離子體CVD在氮化硅膜12上形成氧化硅膜13。半導(dǎo)體薄膜14為例如通過(guò)低溫CVD沉積在氧化硅膜13上的非晶硅膜13(α-Si)。在半導(dǎo)體薄膜14形成之后，通過(guò)離子噴射(shower)摻雜，將硼(B)添加到半導(dǎo)體薄膜14，由此控制了為有源器件的多晶硅TFT的閾值。除B之外還可以使用BF2作為摻雜劑。
半導(dǎo)體薄膜14、氧化硅膜13以及氮化硅膜12凹陷，與絕緣襯底10中形成的凹槽GV一致。由此，將多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK添加到半導(dǎo)體薄膜14，每個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記具有由兩個(gè)相互垂直的直線限定的“+”形，并且指示出用于晶化的參考位置。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK由相對(duì)于它的周邊區(qū)反射系數(shù)的差異來(lái)辨別。
由此完成了用于晶化半導(dǎo)體薄膜14的薄膜半導(dǎo)體襯底。
在圖5的部分(A)和(B)所示的步驟中，薄膜半導(dǎo)體襯底放置在可在水平的兩維平面移動(dòng)的襯底臺(tái)上，而且薄膜半導(dǎo)體襯底與移相器PS對(duì)準(zhǔn)。移相器PS包括由光屏蔽材料形成的多個(gè)刻線圖形RP、由透光材料形成的移相圖形SP，以及支撐刻線圖形RP和移相圖形SP的例如為透明玻璃的移相器襯底PL。
例如通過(guò)有選擇性地蝕刻移相器襯底PL并在厚度方向中提供具有階梯狀部分(stepped portion)的襯底PL以形成移相圖形SP?；蛘撸ㄟ^(guò)在移相器襯底PL上形成透光膜并且在透光膜中構(gòu)圖以得到移相圖形SP。
每個(gè)刻線圖形RP具有例如圖5的部分(B)中所示的形狀。通過(guò)排列刻線圖形RP，將其分配到在半導(dǎo)體薄膜14上添加的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK的位置上。移相器PS和薄膜半導(dǎo)體襯底關(guān)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK對(duì)準(zhǔn)。薄膜半導(dǎo)體襯底與襯底工作臺(tái)一起移動(dòng)。
在圖6的部分(A)和(B)所示的步驟中，移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK，并在將其移動(dòng)到相關(guān)的刻線圖形RP中心的狀態(tài)下，如圖6的部分(B)所示，通過(guò)相位調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光晶化法進(jìn)行激光退火工藝。例如，通過(guò)移相器PS，將具有λ＝248nm波長(zhǎng)的KrF受激準(zhǔn)分子激光束施加到薄膜半導(dǎo)體襯底。具有500mJ/cm2能量密度的受激準(zhǔn)分子激光束僅施加到移相圖形SP的區(qū)域。移相圖形SP使受激準(zhǔn)分子激光束衍射，以改變薄膜半導(dǎo)體襯底側(cè)上半導(dǎo)體薄膜14上受激準(zhǔn)分子激光束的強(qiáng)度(“高級(jí)別”和“低級(jí)別”)。具體地，通過(guò)移相圖形SP強(qiáng)度調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光束并入射在半導(dǎo)體薄膜14上，由此將半導(dǎo)體薄膜14的非晶硅熔化并再結(jié)晶。在熔化/再結(jié)晶的過(guò)程中，將半導(dǎo)體薄膜14設(shè)置為具有對(duì)應(yīng)于受激準(zhǔn)分子激光束強(qiáng)度分布的溫度梯度。多個(gè)單晶硅晶粒在由低溫區(qū)到高溫區(qū)的橫向方向中生長(zhǎng)。由此，每個(gè)單晶硅晶粒具有例如約5到10μm的大晶粒的尺寸，以能夠含有如多晶硅TFT的半導(dǎo)體有源器件。移相圖形SP形成條狀，以便對(duì)準(zhǔn)單晶硅晶粒的方向。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK的形狀由兩條相互垂直的直線限定。兩條直線中的一條設(shè)置為平行于單晶硅晶粒的生長(zhǎng)方向，即，移相圖形SP的條狀的對(duì)準(zhǔn)方向。
作為激光退火工藝的結(jié)果，將半導(dǎo)體薄膜14制成多晶硅膜，其中多個(gè)大尺寸的單晶硅晶粒規(guī)則地排列并被多晶硅或非晶硅的無(wú)數(shù)小尺寸的單晶硅晶粒所環(huán)繞。由于可以在激光退火步驟后重復(fù)的光刻步驟中作為參考位置標(biāo)記，所以可以保留對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK直到完成最后一個(gè)光刻步驟。對(duì)應(yīng)于移相器PS的移相圖形SP的那部分薄膜半導(dǎo)體襯底具有圖7所示的剖面結(jié)構(gòu)。
在圖7所示的步驟中，抗蝕劑材料涂覆在半導(dǎo)體薄膜14上。使用光掩模MESA，有選擇性地露出抗蝕劑材料15。光掩模MESA具有設(shè)置為限定多個(gè)多晶硅TFT的有源層區(qū)的遮光圖形。薄膜半導(dǎo)體襯底和光掩模MESA相對(duì)于薄膜半導(dǎo)體襯底上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK對(duì)準(zhǔn)。
在圖8的步驟中，進(jìn)行顯影工藝以除去抗蝕劑材料15的露出部分。由此，在半導(dǎo)體薄膜14上形成抗蝕劑圖形。
在圖9的步驟中，使用抗蝕劑圖形作為掩模通過(guò)例如干蝕刻在半導(dǎo)體薄膜14上蝕刻圖形。例如使用CF4和O2作為蝕刻氣體。通過(guò)構(gòu)圖，半導(dǎo)體薄膜14成為作為多個(gè)多晶硅TFT的有源層區(qū)。這些有源層區(qū)為相互隔開(kāi)的島區(qū)(insular)并以矩陣排列。相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK以預(yù)定的位置關(guān)系排列有源層區(qū)。
在圖10的步驟中，從半導(dǎo)體薄膜14上除去抗蝕劑材料15的抗蝕劑圖形，并形成柵極絕緣膜16以覆蓋絕緣襯底10和半導(dǎo)體薄膜14。柵極絕緣膜16為例如由LP-CVD形成的氧化硅膜。
在圖11的步驟中，電極層17形成在柵極絕緣膜16上，抗蝕劑材料18涂覆在電極層17上。電極層17為例如通過(guò)濺射形成在柵極絕緣膜16上的鋁層。使用光掩模GM有選擇性地露出抗蝕劑材料18。光掩模GM具有定義了多個(gè)多晶硅TFT的柵極區(qū)的遮光圖形。與光掩模MESA類似，薄膜半導(dǎo)體襯底和光掩模GM相對(duì)于薄膜半導(dǎo)體襯底14上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK對(duì)準(zhǔn)。
在圖12的隨后步驟中，除去抗蝕劑材料18露出的部分，由此抗蝕劑材料18顯影為留在電極層17上的抗蝕劑圖形。
在圖13的隨后步驟中，使用抗蝕劑圖形作為掩模，通過(guò)干蝕刻在電極層17上形成圖形。由此，電極層17成為柵極絕緣膜16上的柵電極19。在干蝕刻工藝中，例如用BCl3和CH4為蝕刻氣體。
在圖14示出的步驟中，從柵電極19上除去抗蝕劑材料18的抗蝕劑圖形。
在圖15的步驟中，使用柵電極19作為掩模在半導(dǎo)體薄膜14中摻雜雜質(zhì)。在將形成的多晶硅TFT為n溝道型的情況中，磷離子注入在半導(dǎo)體薄膜14中。在將形成的多晶硅TFT為p溝道型的情況中，硼離子注入在半導(dǎo)體薄膜14中。例如，如CMOS反相器的邏輯電路由n溝道多晶硅TFT和p溝道多晶硅TFT的組合所組成。由此，在其它多晶硅TFT的半導(dǎo)體薄膜14由如抗蝕劑的掩模覆蓋以防止不希望的離子注入的情況中，進(jìn)行p溝道多晶硅TFT和n溝道多晶硅TFT離子注入中的一種。在雜質(zhì)離子注入n溝道多晶硅TFT和p溝道多晶硅TFT的每個(gè)之中后，通過(guò)退火激活半導(dǎo)體薄膜14。退火在氮?dú)饪諝庵羞M(jìn)行。由此，具有高雜質(zhì)濃度的源區(qū)20和漏區(qū)21在柵電極19兩側(cè)的半導(dǎo)體薄膜中形成。
在圖16的步驟中，層間絕緣膜22在柵電極19和柵極絕緣膜16上形成。層間絕緣膜22為例如通過(guò)等離子體CVD沉積在柵電極19和柵極絕緣膜16上的氧化硅膜。
在圖17的步驟中，抗蝕劑材料涂覆在層間絕緣膜22上。通過(guò)光掩模有選擇性地露出抗蝕劑材料，相對(duì)于添加到半導(dǎo)體薄膜14的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK排列光掩模。除去抗蝕劑材料露出的部分后，抗蝕劑材料顯影為留在層間絕緣膜22上的抗蝕劑圖形23。
在圖18的步驟中，使用抗蝕劑圖形23作為掩模通過(guò)干蝕刻在層間絕緣膜22和柵極絕緣膜16形成圖形。由此，形成接觸孔部分露出柵電極19、源區(qū)20和漏區(qū)21。在干蝕刻中，例如用CHF3作為蝕刻氣體。
在圖19的步驟中，從層間絕緣膜22除去抗蝕劑圖形23。
在圖20的步驟中，在層間絕緣膜22上形成電極層24以接觸柵電極19、源區(qū)20和漏區(qū)21。電極層24為例如通過(guò)濺射沉積在層間絕緣膜22上的鋁層。
在圖21的步驟中，抗蝕劑材料涂覆在電極層24上。使用相對(duì)于薄膜半導(dǎo)體襯底上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記對(duì)準(zhǔn)的光掩模有選擇性地露出抗蝕劑材料。除去抗蝕劑材料的露出部分，抗蝕劑材料被顯影為電極層24上的抗蝕劑圖形25。
在圖22的步驟中，使用抗蝕劑圖形25作為掩模，通過(guò)干蝕刻在電極層23上形成圖形。形成圖形的電極層23在層間絕緣膜22上成為上柵電極19A、源電極26以及漏電極27。在干蝕刻工藝中，例如使用BCl3和CH4作為蝕刻氣體。
在圖23的步驟中，從上柵電極18A、源電極26以及漏電極27上除去抗蝕劑材料25的抗蝕劑圖形，這樣就完成了多晶硅TFT。
下面介紹從圖6的部分(A)和(B)中示出的步驟得到的單晶硅晶粒與從圖23的步驟中得到的多晶硅TFT之間的位置關(guān)系。在激光退火工藝中，通過(guò)移相器PS施加受激準(zhǔn)分子激光束，移相器PS具有例如圖24的部分(A)中所示的剖面。然后，在圖24的部分(B)所示的半導(dǎo)體薄膜14的平面上，相對(duì)于邊界CL對(duì)稱地設(shè)置大尺寸的單晶晶粒14A，邊界CL沿移相器PS的移相圖形SP中限定的臺(tái)階部分延伸，移相器位于圖24部分(B)所示的半導(dǎo)體薄膜14的平面上。此外，設(shè)置小尺寸的單晶硅晶粒14b和非晶硅以環(huán)繞大尺寸的單晶硅晶粒14A。
圖25示出了在圖23的步驟中完成的多晶硅TFT的平面結(jié)構(gòu)。多晶硅TFT具有圖25中在被包圍區(qū)域中的有源層。因此，多晶硅TFT的電特性主要取決于半導(dǎo)體薄膜14的島區(qū)的結(jié)晶性，半導(dǎo)體薄膜14成為多晶硅TFT的有源層。在圖26中所示的情況中，多晶硅TFT的整個(gè)有源層設(shè)置在大尺寸單晶硅晶粒14A內(nèi)，多晶硅TFT具有優(yōu)良的電特性。圖27、圖28以及圖29示出了未將多晶硅TFT設(shè)置在大尺寸單晶晶粒14A內(nèi)的例子。此時(shí)，形成的島區(qū)包含環(huán)繞大尺寸單晶晶粒的不均勻的晶體硅。由此，多晶硅TFT不能提供有良好的電特性。
圖30示出了包括多個(gè)多晶硅TFT的反相器電路的一個(gè)例子。多晶硅TFT在精確地設(shè)置在規(guī)則排列的相關(guān)大尺寸單晶硅晶粒內(nèi)的狀態(tài)中互連。因此，與賦予多晶硅TFT的優(yōu)良電特性一致，反相器電路的電特性提高。
圖26到30為介紹相對(duì)于半導(dǎo)體薄膜14中的單晶硅晶粒14A設(shè)置多晶硅TFT的示意圖。將半導(dǎo)體薄膜14分成圖9所示步驟中提到的島區(qū)。由此，實(shí)際上，當(dāng)完成了多晶硅TFT的制造時(shí)，大尺寸硅晶粒14A不存在圖中所示的這種形狀。
在根據(jù)本實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件中，為了晶化半導(dǎo)體薄膜14，多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK與半導(dǎo)體薄膜14一體形成。這些對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK可以用于在晶化半導(dǎo)體薄膜14的步驟中確定掩模位置的參考位置，或者用于在半導(dǎo)體薄膜14中形成如多晶硅TFT的半導(dǎo)體有源器件的步驟中確定掩模位置的參考位置。因此，可以在通過(guò)晶化半導(dǎo)體薄膜14得到的大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒14A的區(qū)域內(nèi)高度可靠地形成半導(dǎo)體有源器件。此外，由于在移相器PS的設(shè)計(jì)階段可以確定橫向生長(zhǎng)的方向，因此可以確定對(duì)應(yīng)于多晶硅TFT電流方向的硅的表面取向。
在通過(guò)以上介紹的相調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光器晶化方法在橫向方向中生長(zhǎng)單晶硅晶粒的情況中，對(duì)應(yīng)于硅的低指數(shù)(index)表面的生長(zhǎng)方向?yàn)?110)或(001)方向。因此，通過(guò)形成具有這種形狀以指示生長(zhǎng)方向的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK可以顯示出最佳取向?，F(xiàn)已公知，根據(jù)電流方向的取向改變晶體硅的遷移率。使用以上介紹的結(jié)構(gòu)，可以在確定的取向中形成半導(dǎo)體有源器件。
在以上介紹的實(shí)施例中，可以通過(guò)激光照射制成在圖3所示的絕緣襯底10上提供的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK不僅位于絕緣襯底10上，而且位于半導(dǎo)體薄膜上或作為半導(dǎo)體薄膜底層形成的絕緣膜上。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK的可能圖形包括如溝槽或缺口的凹槽圖形，以及如晶化部分或形成的膜的突起圖形。在以上介紹的實(shí)施例中，形成的晶化區(qū)和功能器件與在襯底上提供的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK對(duì)準(zhǔn)。
現(xiàn)在參考附圖介紹根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件。除了通過(guò)圖31到36示出的步驟形成的薄膜半導(dǎo)體襯底之外，以與第一實(shí)施例類似的方式制造作為薄膜半導(dǎo)體器件的多晶硅TFT。在圖31到36中，與第一實(shí)施例中的相同部件用同樣的標(biāo)號(hào)表示，因此省略或簡(jiǎn)化其介紹。
圖31到圖36示出了制造多晶硅TFT的連續(xù)制造步驟。圖31到36中的部分(A)為局部剖視圖，而圖31到36中的部分(B)為局部平面圖。
在圖31的部分(A)和(B)所示的步驟中，制備例如石英或無(wú)堿玻璃的絕緣襯底10。對(duì)絕緣襯底10進(jìn)行如洗滌或浸泡在氫氟酸中的預(yù)處理。在本例中，絕緣襯底10由康寧#1737玻璃形成。絕緣襯底10涂覆有厚度例如為50nm的氮化硅膜(SiNx)12。氮化硅膜12覆蓋有厚度例如100nm的氧化硅膜(SiOx)13。例如通過(guò)低溫等離子體CVD，使氮化硅膜12形成在絕緣襯底10上。例如通過(guò)低溫等離子體CVD，使氧化硅膜13形成在氮化硅膜12上。
在圖32的部分(A)和(B)所示的步驟中，抗蝕劑材料涂覆在氧化硅膜13上。使用光掩模有選擇性地露出抗蝕劑材料。露出的部分被除去并由此將抗蝕劑材料顯影成氧化硅膜13上的抗蝕劑圖形11?？刮g劑材料11具有多個(gè)缺口OP，每個(gè)都具有例如圖32的部分(B)中所示的“+”形狀。在缺口OP中暴露絕緣襯底10。在圖32的部分(A)和(B)中，僅示出了其中一個(gè)缺口OP。
在圖33的部分(A)和(B)所示的步驟中，使用抗蝕劑圖形11作為掩模對(duì)氧化硅膜13和氮化硅膜12進(jìn)行活性離子蝕刻(RIE)。在該蝕刻工藝中，對(duì)應(yīng)于抗蝕劑圖形11中的缺口OP的氧化硅膜13和氮化硅膜12的露出部分被蝕刻掉。由此，形成圖33的部分(B)中所示的“+”槽GV2。
在圖34的部分(A)和(B)所示的步驟中，除去抗蝕劑圖形11，具有例如200nm厚度的非晶半導(dǎo)體薄膜14形成在氧化硅膜13上以覆蓋槽GV2。半導(dǎo)體薄膜14為例如通過(guò)低溫CVD(化學(xué)汽相沉積)沉積在氧化硅膜13上的非晶硅膜(α-Si)。形成半導(dǎo)體薄膜14之后，通過(guò)離子噴射摻雜(ion shower doping)，將硼(B)添加到半導(dǎo)體薄膜14，由此控制了作為有源器件的多晶硅TFT的閾值。除B之外的摻雜劑可以使用BF2。
半導(dǎo)體薄膜14的凹陷，與氧化硅膜13和氮化硅膜12中形成的凹槽GV一致。由此，將多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK添加到半導(dǎo)體薄膜14，每個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記具有“+”形并指示了用于晶化的參考位置。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK由相對(duì)于其周邊區(qū)反射系數(shù)的差異來(lái)辨別。
由此完成了用于晶化半導(dǎo)體薄膜14使用的薄膜半導(dǎo)體襯底。
在圖35的部分(A)和(B)所示的步驟中，薄膜半導(dǎo)體襯底放置在水平的兩維平面可移動(dòng)的襯底臺(tái)上，薄膜半導(dǎo)體襯底與移相器PS對(duì)準(zhǔn)。移相器PS包括多個(gè)刻線圖形RP、移相圖形SP以及移相器襯底PL，與第一實(shí)施例中的相同。移相器PS和薄膜半導(dǎo)體襯底關(guān)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK對(duì)準(zhǔn)。沿襯底臺(tái)移動(dòng)薄膜半導(dǎo)體襯底。
在圖36的部分(A)和(B)所示的步驟中，如圖36的部分(B)所示，將對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK移動(dòng)和設(shè)置到相關(guān)的刻線圖形RP的中心的狀態(tài)中通過(guò)相位調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光器晶化方法進(jìn)行激光退火工藝。例如，將具有λ＝248nm波長(zhǎng)的KrF受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)移相器PS施加到薄膜半導(dǎo)體襯底。500mJ/cm2能量密度的受激準(zhǔn)分子激光束僅施加到移相圖形SP的區(qū)域。移相圖形SP使受激準(zhǔn)分子激光束衍射，以改變薄膜半導(dǎo)體襯底側(cè)上半導(dǎo)體薄膜14上受激準(zhǔn)分子激光束的強(qiáng)度變化(“高級(jí)別”和“低級(jí)別”)。具體地，通過(guò)移相圖形SP強(qiáng)度調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光束并入射在半導(dǎo)體薄膜14上，由此將半導(dǎo)體薄膜14的非晶硅熔化并再結(jié)晶。
激光退火工藝的結(jié)果，將半導(dǎo)體薄膜14制成多晶硅膜，其中多個(gè)大尺寸的單晶硅晶粒規(guī)則地排列并由多晶硅或非晶硅的無(wú)數(shù)小尺寸的單晶硅晶粒所環(huán)繞?？梢员Ａ魧?duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK直到完成最后一個(gè)光刻步驟，是由于它們可以用做激光退火步驟中重復(fù)的光刻步驟中的參考位置標(biāo)記。
在本實(shí)施例中，多個(gè)凹槽形成與半導(dǎo)體薄膜14制成一體的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。因此，類似第一實(shí)施例，可以在通過(guò)晶化半導(dǎo)體薄膜14得到的大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的區(qū)域內(nèi)高度可靠地形成多晶硅TFT。
現(xiàn)在參考附圖介紹根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件。除了通過(guò)圖37到41示出的步驟形成的薄膜半導(dǎo)體襯底之外，與第一實(shí)施例類似的方式制造作為薄膜半導(dǎo)體器件的多晶硅TFT。在圖37到41中，與第一實(shí)施例中的相同部件用相同的標(biāo)號(hào)表示，因此省略或簡(jiǎn)化了介紹。
圖37到圖41示出了制造多晶硅TFT的連續(xù)制造步驟。圖37到41中的部分(A)為局部剖面圖，而圖37到41中的部分(B)為局部平面圖。
在圖37的部分(A)和(B)所示的步驟中，制備例如石英或無(wú)堿玻璃的絕緣襯底10。對(duì)絕緣襯底10進(jìn)行如洗滌或浸泡在氫氟酸中的預(yù)處理。在本例中，絕緣襯底10由康寧#1737玻璃形成。絕緣襯底10涂覆有厚度例如為50nm的氮化硅膜(SiNx)12。氮化硅膜12覆蓋有厚度例如100nm的氧化硅膜(SiOx)13。氧化硅膜13涂覆有厚度例如為200nm的非晶半導(dǎo)體薄膜14。例如通過(guò)低溫等離子體CVD，將氮化硅膜12形成在絕緣襯底10上。例如通過(guò)低溫等離子體CVD，將氧化硅膜13形成在氮化硅膜12上。半導(dǎo)體薄膜14為例如通過(guò)低溫CVD(化學(xué)汽相沉積)沉積在氧化硅膜13上的非晶硅膜13(α-Si)。形成半導(dǎo)體薄膜14之后，通過(guò)離子噴射摻雜，將硼(B)添加到半導(dǎo)體薄膜14，由此控制了為有源器件的多晶硅TFT的閾值。除B之外的摻雜劑可以使用BF2。
在圖38的部分(A)和(B)所示的步驟中，抗蝕劑材料涂覆在半導(dǎo)體薄膜14上。使用光掩模有選擇性地露出抗蝕劑材料。露出的部分被除去并將抗蝕劑材料顯影成絕緣襯底10上的抗蝕劑圖形11?？刮g劑圖形11具有多個(gè)缺口OP，每個(gè)具有例如圖38的部分(B)中所示的“+”形狀。絕緣襯底10暴露在缺口OP中。在圖38的部分(A)和(B)中，僅示出了其中一個(gè)缺口OP。
在圖39的部分(A)和(B)所示的步驟中，使用抗蝕劑圖形11作為掩模對(duì)半導(dǎo)體薄膜14進(jìn)行活性離子蝕刻(RIE)。在該蝕刻工藝中，對(duì)應(yīng)于抗蝕劑圖形11中的缺口OP的半導(dǎo)體薄膜14的部分被蝕刻掉。由此，形成圖39的部分(B)中所示的“+”缺口。多個(gè)缺口由此形成在半導(dǎo)體薄膜14中。缺口作為指示用于晶化的參考位置的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK可由相對(duì)于它的周邊區(qū)反射系數(shù)的差異來(lái)辨別。
由此完成了用于晶化半導(dǎo)體薄膜14使用的薄膜半導(dǎo)體襯底。
在圖40的部分(A)和(B)所示的步驟中，薄膜半導(dǎo)體襯底放置在水平的兩維平面可移動(dòng)的襯底臺(tái)上，薄膜半導(dǎo)體襯底與移相器PS對(duì)準(zhǔn)。移相器PS包括由多個(gè)刻線圖形RP、移相圖形SP以及移相器襯底PL，與第一實(shí)施例中的相同。移相器PS和薄膜半導(dǎo)體襯底對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK對(duì)準(zhǔn)。沿襯底臺(tái)移動(dòng)薄膜半導(dǎo)體襯底。
在圖41的部分(A)和(B)所示的步驟中，如圖41的部分(B)所示，將對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK移動(dòng)和設(shè)置到相關(guān)的刻線圖形RP的中心的狀態(tài)中通過(guò)相位調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光器晶化方法進(jìn)行激光退火工藝。例如，將具有λ＝248nm波長(zhǎng)的KrF受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)移相器PS施加到薄膜半導(dǎo)體襯底。將500mJ/cm2能量密度的受激準(zhǔn)分子激光束僅施加到移相圖形SP的區(qū)域。移相圖形SP使受激準(zhǔn)分子激光束衍射，以改變薄膜半導(dǎo)體襯底側(cè)上半導(dǎo)體薄膜14上受激準(zhǔn)分子激光束的強(qiáng)度變化(“高級(jí)別”和“低級(jí)別”)。具體地，通過(guò)移相圖形SP強(qiáng)度調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光束并入射在半導(dǎo)體薄膜14上，由此將半導(dǎo)體薄膜14的非晶硅熔化并再結(jié)晶。
激光退火工藝的結(jié)果，將半導(dǎo)體薄膜14制成多晶硅膜，其中多個(gè)大尺寸的單晶硅晶粒規(guī)則地排列并被多晶硅或非晶硅的無(wú)數(shù)小尺寸單晶硅晶粒所環(huán)繞?？梢员Ａ魧?duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK直到完成最后一個(gè)光刻步驟，是由于它們可以用做激光退火步驟中重復(fù)的光刻步驟中的參考位置標(biāo)記。
在本實(shí)施例中，多個(gè)開(kāi)口形成與半導(dǎo)體薄膜14制成一體的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。因此，類似第一實(shí)施例，可以在通過(guò)晶化半導(dǎo)體薄膜14得到的大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的區(qū)域內(nèi)高度可靠地形成多晶硅TFT。
現(xiàn)在參考附圖介紹根據(jù)本發(fā)明第四實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件。除了通過(guò)圖42到45示出的步驟形成的薄膜半導(dǎo)體襯底之外，通過(guò)與第一實(shí)施例類似的方式制造該薄膜半導(dǎo)體器件。在圖42到45中，與第一實(shí)施例中的相同部件用相同的標(biāo)號(hào)表示，因此省略或簡(jiǎn)化了介紹。
圖42到圖45示出了制造多晶硅TFT的連續(xù)制造步驟。圖42到43中的部分(A)為局部剖視圖，而圖42到43中的部分(B)為局部平面圖。
在圖42的部分(A)和(B)所示的步驟中，制備例如石英或無(wú)堿玻璃的絕緣襯底10。對(duì)絕緣襯底10進(jìn)行如洗滌或浸泡在氫氟酸中的預(yù)處理。在本例中，絕緣襯底10由康寧#1737玻璃形成。絕緣襯底10涂覆有厚度例如為50nm的氮化硅膜(SiNx)12。氮化硅膜12覆蓋有厚度例如100nm的氧化硅膜(SiOx)13。氧化硅膜13涂覆有厚度例如為200nm的非晶半導(dǎo)體薄膜14。例如通過(guò)低溫等離子體CVD，將氮化硅膜12形成在絕緣襯底10上。例如通過(guò)低溫等離子體CVD(化學(xué)汽相沉積)，將氧化硅膜13形成在氮化硅膜12上。半導(dǎo)體薄膜14為例如通過(guò)低溫CVD沉積在氧化硅膜13上的非晶硅膜13(α-Si)。形成半導(dǎo)體薄膜14之后，通過(guò)離子噴射摻雜，將硼(B)添加到半導(dǎo)體薄膜14，由此控制了為有源器件的多晶硅TFT的閾值。除B之外的摻雜劑可以使用BF2。
由此完成了用于晶化半導(dǎo)體薄膜14使用的薄膜半導(dǎo)體襯底。
在圖43的部分(A)和(B)所示的步驟中，薄膜半導(dǎo)體襯底放置在水平的兩維平面可移動(dòng)的襯底臺(tái)上，薄膜半導(dǎo)體襯底粗略地放在與移相器PS相對(duì)的位置。移相器PS包括由多個(gè)光屏蔽材料形成的標(biāo)記圖形MP、由透光材料形成的移相圖形SP以及支撐標(biāo)記圖形MP和移相圖形SP例如由透明玻璃形成的移相器襯底PL。每個(gè)標(biāo)記圖形MP具有圖43的部分(B)所示的“+”缺口。與第一實(shí)施例類似地形成移相圖形SP。
在圖44所示的步驟中，在如上所述薄膜半導(dǎo)體襯底與移相器相對(duì)的狀態(tài)中進(jìn)行激光微調(diào)(trimming)工藝。在激光微調(diào)工藝中，采用用于微調(diào)的能量密度的激光束僅施加到標(biāo)記圖形MP的區(qū)域。通過(guò)標(biāo)記圖形MP的缺口，激光束入射到半導(dǎo)體薄膜14上。由此根據(jù)標(biāo)記圖形MP的缺口形狀在氧化硅膜13上對(duì)半導(dǎo)體薄膜14進(jìn)行部分微調(diào)。由此，“+”缺口形成在半導(dǎo)體薄膜14中并且起到指示用于晶化的參考位置的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK的作用。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK由相對(duì)于其周邊區(qū)域反射系數(shù)的差異來(lái)辨別。在圖43的部分(A)和(B)中，僅示出了一個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。
在圖45所示的步驟中，通過(guò)相位調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光晶化法進(jìn)行激光退火工藝。在激光退火工藝中，將對(duì)薄膜半導(dǎo)體襯底進(jìn)行微調(diào)工藝的位置處用做參考位置，例如具有λ＝248nm波長(zhǎng)的KrF受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)移相器PS施加到薄膜半導(dǎo)體襯底。具有500mJ/cm2能量密度的激光束僅施加到移相圖形SP的區(qū)域。移相圖形SP起衍射受激準(zhǔn)分子激光束的作用，以改變薄膜半導(dǎo)體襯底側(cè)上半導(dǎo)體薄膜14上受激準(zhǔn)分子激光束的強(qiáng)度變化(“高級(jí)別”和“低級(jí)別”)。具體地，通過(guò)移相圖形SP強(qiáng)度調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光束并入射在半導(dǎo)體薄膜14上，由此將半導(dǎo)體薄膜14的非晶硅熔化并再結(jié)晶。
激光退火工藝的結(jié)果，將半導(dǎo)體薄膜14制成多晶硅膜，其中多個(gè)大尺寸的單晶硅晶粒規(guī)則地排列并被多晶硅或非晶硅的無(wú)數(shù)小尺寸的單晶硅晶粒所環(huán)繞。
將對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK留下直到完成最后的光刻步驟，是由于它們可以用做激光退火步驟之后重復(fù)的光刻步驟中的參考位置標(biāo)記。
在本實(shí)施例中，通過(guò)激光微調(diào)形成多個(gè)缺口作為與半導(dǎo)體薄膜14制成一體的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。在粗略地定位薄膜半導(dǎo)體襯底以面向移相器PS的狀態(tài)中進(jìn)行激光微調(diào)工藝。進(jìn)行隨后的激光退火工藝，同時(shí)保持用于激光微調(diào)工藝而設(shè)置的薄膜半導(dǎo)體襯底的位置。由此，不需要薄膜半導(dǎo)體襯底和移相器PS之間的精確對(duì)準(zhǔn)以保持對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK和大尺寸單晶硅晶粒之間預(yù)定的位置關(guān)系，它們?cè)诩す馔嘶鸸に囍行纬稍诎雽?dǎo)體薄膜14中。而且，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK用做激光退火步驟之后重復(fù)的光刻步驟中的用于對(duì)準(zhǔn)的參考位置標(biāo)記。因此，與第一實(shí)施例類似，可以在大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的區(qū)域內(nèi)高度可靠地形成多晶硅TFT。
下面參考附圖介紹根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件。除了通過(guò)圖46到48示出的步驟形成的薄膜半導(dǎo)體襯底之外，與第一實(shí)施例類似的方式制造該薄膜半導(dǎo)體器件。在圖46到48中，與第一實(shí)施例中的相同部件用相同的標(biāo)號(hào)表示，因此省略或簡(jiǎn)化了介紹。
圖46到圖48為示出了制造多晶硅TFT的連續(xù)制造步驟的局部剖面圖。
在圖46所示的步驟中，制備例如石英或無(wú)堿玻璃的絕緣襯底10。對(duì)絕緣襯底10進(jìn)行如洗滌或浸泡在氫氟酸中的預(yù)處理。在本例中，絕緣襯底10由康寧#1737玻璃形成。絕緣襯底10涂覆有厚度例如為50nm的氮化硅膜(SiNx)12。氮化硅膜12覆蓋有厚度例如100nm的氧化硅膜(SiOx)13。氧化硅膜13涂覆有具有例如200nm厚度的非晶半導(dǎo)體薄膜14。例如通過(guò)低溫等離子體CVD，將氮化硅膜12形成在絕緣襯底10上。例如通過(guò)低溫等離子體CVD，將氧化硅膜13形成在氮化硅膜12上。半導(dǎo)體薄膜14為例如通過(guò)低溫CVD(化學(xué)汽相沉積)沉積在氧化硅膜13上的非晶硅膜13(α-Si)。形成半導(dǎo)體薄膜14之后，通過(guò)離子噴射摻雜，將硼(B)添加到半導(dǎo)體薄膜14，由此控制了作為有源器件的多晶硅TFT的閾值。除B之外的摻雜劑可以使用BF2。
由此完成了用于晶化半導(dǎo)體薄膜14使用的薄膜半導(dǎo)體襯底。
在圖47所示的步驟中，薄膜半導(dǎo)體襯底放置在水平的兩維平面可移動(dòng)的襯底臺(tái)上，將薄膜半導(dǎo)體襯底粗略地放置在與移相器PS面對(duì)的位置。移相器PS包括由多個(gè)光屏蔽材料形成的標(biāo)記圖形MP、由透光材料形成的移相圖形SP以及支撐標(biāo)記圖形MP和移相圖形SP例如為透明玻璃形成的移相器襯底PL。每個(gè)標(biāo)記圖形MP都具有狹縫缺口。與第一實(shí)施例類似地形成移相圖形SP。
在圖48所示的步驟中，通過(guò)相位調(diào)制受激準(zhǔn)分子激光晶化法進(jìn)行激光退火工藝。在激光退火工藝中，薄膜半導(dǎo)體襯底保持在其面對(duì)移相器的位置，將例如具有λ＝248nm波長(zhǎng)的KrF受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)移相器PS施加到薄膜半導(dǎo)體襯底。具有500mJ/cm2能量密度的激光束施加到整個(gè)移相器PS上。一方面，受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)標(biāo)記圖形MP入射在半導(dǎo)體薄膜14上，另一方面，通過(guò)移相圖形SP調(diào)制并入射在半導(dǎo)體薄膜14上，由此將半導(dǎo)體薄膜14的非晶硅熔化和再晶化。
激光退火工藝的結(jié)果，將半導(dǎo)體薄膜14制成多晶硅膜，其中在對(duì)應(yīng)移相圖形SP的區(qū)域中，多個(gè)大尺寸的單晶硅晶粒規(guī)則地排列并被多晶硅或非晶硅的無(wú)數(shù)小尺寸的單晶硅晶粒所環(huán)繞。在對(duì)應(yīng)于標(biāo)記圖形MP的區(qū)域中，如圖48中所示的放大尺寸的平面結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK形成在半導(dǎo)體薄膜14中。每個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK由線性地延伸的多晶硅膜形成并被非晶硅環(huán)繞。當(dāng)照射半導(dǎo)體薄膜14時(shí)，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK的多晶硅膜看起來(lái)為黃色而環(huán)繞的非晶硅看起來(lái)為紅色。由此，通過(guò)顏色差可辨別對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。將對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK留下直到完成最后的光刻步驟，是由于它們可以用做激光退火步驟之后重復(fù)的光刻步驟中的參考位置標(biāo)記。當(dāng)在光刻中進(jìn)行薄膜半導(dǎo)體襯底和光掩模之間的對(duì)準(zhǔn)時(shí)，刻線圖形RP提供在圖49所示的光掩模上。調(diào)節(jié)薄膜半導(dǎo)體襯底和光掩模的位置以使對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK放置在相關(guān)的刻線圖形RP的中心。
在本實(shí)施例中，標(biāo)記圖形MP與移相圖形SP一起形成在移相器PS上。使用移相器PS進(jìn)行激光退火工藝。由此，可以通過(guò)很簡(jiǎn)單的方法形成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。如果對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK用做激光退火步驟之后重復(fù)的光刻步驟中的用于對(duì)準(zhǔn)的參考位置標(biāo)記，那么與第一實(shí)施例類似，可以在大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的區(qū)域內(nèi)高度可靠地形成多晶硅TFT。在與激光退火工藝無(wú)關(guān)的步驟中沒(méi)有形成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。這使得不需要對(duì)準(zhǔn)薄膜半導(dǎo)體襯底和移相器PS，而這在進(jìn)行第一實(shí)施例中的激光退火工藝中則需要。因此，可以減少制造步驟的數(shù)量和制造時(shí)間，并且可以降低制造成本。
現(xiàn)在參考附圖介紹根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的激光晶化裝置。激光晶化裝置用于在根據(jù)第一、第二和第三實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件的制造期間得到的薄膜半導(dǎo)體襯底上進(jìn)行激光退火工藝。
圖50示出了將薄膜半導(dǎo)體襯底傳入和傳出激光晶化裝置的傳送機(jī)器人的示意結(jié)構(gòu)。傳送機(jī)器人包括容納激光晶化裝置的主要部分的退火室31、安裝含有預(yù)處理的薄膜半導(dǎo)體襯底的盒的裝載器32、用于安裝含有處理后的薄膜半導(dǎo)體襯底的盒的卸載器33、以及將預(yù)處理的薄膜半導(dǎo)體襯底由裝載器傳入激光晶化裝置內(nèi)并將處理后的薄膜半導(dǎo)體襯底由激光晶化裝置傳入卸載器33內(nèi)的傳送臂34。
圖51示出了激光晶化裝置的結(jié)構(gòu)。激光晶化裝置包括受激準(zhǔn)分子激光器光源35、襯底工作臺(tái)36、掩模工作臺(tái)37、工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38、掃描光學(xué)系統(tǒng)39、用于對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)單元40、襯底檢測(cè)部件41和控制單元42。受激準(zhǔn)分子激光器光源35設(shè)置在退火室31外部并產(chǎn)生波長(zhǎng)λ＝248nm的KrF受激準(zhǔn)分子激光束。受激準(zhǔn)分子激光束由受激準(zhǔn)分子激光器光源35導(dǎo)向退火室31內(nèi)部。在退火室31中，在水平兩維平面中可以移動(dòng)的襯底工作臺(tái)36上安裝有薄膜半導(dǎo)體襯底14S。掩模工作臺(tái)37設(shè)置在襯底工作臺(tái)36上。在掩模工作臺(tái)37上，安裝有移相器PS。掩模工作臺(tái)37可以在水平兩維平面中移動(dòng)。掩模工作臺(tái)37的結(jié)構(gòu)使其僅接觸移相器PS的外部邊緣以便不遮蔽穿過(guò)移相器PS的受激準(zhǔn)分子激光束。工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38調(diào)節(jié)襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37的位置并在薄膜半導(dǎo)體襯底14S的長(zhǎng)度方向中移動(dòng)(sweep)襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37。掃描光學(xué)系統(tǒng)39借助鏡子39A改變來(lái)自受激準(zhǔn)分子激光器光源35的受激準(zhǔn)分子激光束的輻射方向，并使光束穿過(guò)移相器PS的移相圖形SP入射到薄膜半導(dǎo)體襯底14S。通過(guò)來(lái)自掃描光學(xué)系統(tǒng)39的受激準(zhǔn)分子激光束在薄膜半導(dǎo)體襯底14S的寬度方向中對(duì)其掃描。用于對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)單元40為檢測(cè)移相器PS側(cè)上刻線圖形RP和薄膜半導(dǎo)體襯底側(cè)上對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK之間的對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)的光學(xué)區(qū)域傳感器。襯底檢測(cè)部件41包括埋置在襯底工作臺(tái)36中的多個(gè)光學(xué)傳感器，在表面露出上以便檢測(cè)通過(guò)傳送臂34放置在襯底工作臺(tái)36上的薄膜半導(dǎo)體襯底14S的狀態(tài)。根據(jù)來(lái)自襯底檢測(cè)部件41和用于對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)單元40的信號(hào)，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38、掃描光學(xué)系統(tǒng)39以及受激準(zhǔn)分子激光器光源35。雖然圖51中沒(méi)有示出，但襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37包括與控制單元42的控制一致的，通過(guò)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38驅(qū)動(dòng)的傾斜調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并將薄膜半導(dǎo)體襯底14S和移相器PS放置在基本水平的位置上。
接下來(lái)，介紹激光晶化裝置的操作。如果薄膜半導(dǎo)體襯底14S通過(guò)傳送臂34安裝在襯底工作臺(tái)36上，則薄膜半導(dǎo)體襯底14S的安裝狀態(tài)由襯底檢測(cè)部件41通知控制單元42。因此，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38。通過(guò)該控制，工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38移動(dòng)襯底工作臺(tái)36以使薄膜半導(dǎo)體襯底14S基本上與移相器PS相對(duì)。在這種情況中，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38，并且工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38在薄膜半導(dǎo)體襯底14S的長(zhǎng)度方向中移動(dòng)襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37，以穿越用于對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)單元40。在此期間，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38，查詢對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK和刻線圖形RP之間對(duì)準(zhǔn)的狀態(tài)，該狀態(tài)由用于對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)單元40所檢測(cè)。在該控制之中，如圖52所示，工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38調(diào)節(jié)襯底工作臺(tái)36的位置，以使對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK移動(dòng)到相關(guān)的刻線圖形RP的中心。如果對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK或刻線圖形RP變形，傾斜調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)則校正薄膜半導(dǎo)體襯底14S或移相器PS的傾斜。如果移相器PS和薄膜半導(dǎo)體襯底14S之間對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)的調(diào)節(jié)完成，則控制單元42控制受激準(zhǔn)分子激光器光源35和掃描光學(xué)系統(tǒng)39。由此，受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)移相器PS的移相圖形SP施加到薄膜半導(dǎo)體襯底14S的半導(dǎo)體薄膜14上。此外，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38，由此在薄膜半導(dǎo)體襯底14S的長(zhǎng)度方向中移動(dòng)襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37，以穿越掃描光學(xué)系統(tǒng)39。由此，如結(jié)合以前的實(shí)施例介紹的，將半導(dǎo)體薄膜14晶化。
在本實(shí)施例的激光晶化裝置中，受激準(zhǔn)分子激光器光源35和掃描光學(xué)系統(tǒng)39構(gòu)成了通過(guò)移相器PS將激光束施加到半導(dǎo)體薄膜14的激光照射部件，移相器PS固定在由對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記指示出的用于晶化的參考位置處。因此，與第六實(shí)施例類似，在晶化中，相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK以預(yù)定的位置關(guān)系放置的大尺寸單晶半導(dǎo)體晶?？梢孕纬稍诎雽?dǎo)體薄膜14中。因此，可以使用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK以便高度可靠地在大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的區(qū)域內(nèi)形成如多晶硅TFT的半導(dǎo)體有源器件。
現(xiàn)在參考附圖介紹根據(jù)本發(fā)明第七實(shí)施例的激光晶化裝置。激光晶化裝置用于在根據(jù)第四實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件的制造期間得到的薄膜半導(dǎo)體襯底14S上進(jìn)行激光退火工藝。除了圖51所示用于對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)單元40用圖53中所示的一對(duì)激光處理單元43代替并且改變了控制單元42的結(jié)構(gòu)之外，第七實(shí)施例與第六實(shí)施例類似。在圖53中，與第六實(shí)施例中共同的部分由類似的標(biāo)號(hào)表示，并且省略或簡(jiǎn)化了介紹。
如圖44所示，在移相器PS的寬度方向中排列成對(duì)的激光處理單元43，以使其臨近掃描光學(xué)系統(tǒng)39。激光處理單元43將用于微調(diào)的激光束施加到設(shè)置在移相器PS端部附近的標(biāo)記圖形MK。改變控制單元42的結(jié)構(gòu)以執(zhí)行下面介紹的控制。
如果通過(guò)傳送臂34將薄膜半導(dǎo)體襯底14S安裝在襯底工作臺(tái)36上，則薄膜半導(dǎo)體襯底14S的安裝狀態(tài)由襯底檢測(cè)部件41通知控制單元42。因此，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38。通過(guò)該控制，工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38移動(dòng)襯底工作臺(tái)36以使薄膜半導(dǎo)體襯底14S基本上與移相器PS相對(duì)。然后，控制單元42控制激光處理單元43，由此通過(guò)移相器PS的標(biāo)記圖形MP，將用于微調(diào)的激光束施加到薄膜半導(dǎo)體襯底14S的半導(dǎo)體薄膜14上。此外，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38，由此在薄膜半導(dǎo)體襯底14S的長(zhǎng)度方向中移動(dòng)襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37，以穿過(guò)激光處理單元43。由此，形成了圖45所示的標(biāo)記圖形MK。
此后，保持薄膜半導(dǎo)體襯底14S與移相器PS之間的位置關(guān)系，控制部件42控制受激準(zhǔn)分子激光器光源35和掃描光學(xué)系統(tǒng)39。由此，受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)移相器PS的移相圖形SP，將受激準(zhǔn)分子激光束施加到薄膜半導(dǎo)體襯底14S的半導(dǎo)體薄膜14上。此外，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38，由此在薄膜半導(dǎo)體襯底14S的長(zhǎng)度方向中移動(dòng)襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37，以橫穿掃描光學(xué)系統(tǒng)39。由此，如結(jié)合第四實(shí)施例中介紹的，將半導(dǎo)體薄膜14晶化。
在本實(shí)施例的激光晶化裝置中，受激準(zhǔn)分子激光器光源35和掃描光學(xué)系統(tǒng)39構(gòu)成了通過(guò)移相器PS將激光束施加到半導(dǎo)體薄膜14的激光照射部件，移相器PS固定在用于晶化的參考位置處。因此，與第六實(shí)施例類似，在晶化中，相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK以預(yù)定的位置關(guān)系放置的大尺寸單晶半導(dǎo)體晶?？梢孕纬稍诎雽?dǎo)體薄膜14中。因此，可以使用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK以便高度可靠地在大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的區(qū)域內(nèi)形成如多晶硅TFT的半導(dǎo)體有源器件。
特別是，在本實(shí)施例中，通過(guò)移相器PS的標(biāo)記圖形MP，將用于微調(diào)的激光束從激光處理單元43施加到半導(dǎo)體薄膜14上。此外，在激光退火工藝中，通過(guò)移相器PS的移相圖形SP，將受激準(zhǔn)分子激光束由激光照射部件施加到半導(dǎo)體薄膜14上。由于在移相器PS上以預(yù)定的位置關(guān)系固定移相圖形SP和標(biāo)記圖形MP，通過(guò)粗略定位，設(shè)置薄膜半導(dǎo)體襯底14S以面對(duì)移相器PS。保持該狀態(tài)，進(jìn)行激光微調(diào)工藝和激光退火工藝。簡(jiǎn)而言之，保持對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK和形成在半導(dǎo)體薄膜14中的大尺寸單晶硅晶粒之間的預(yù)定位置關(guān)系，薄膜半導(dǎo)體襯底14S和移相器PS之間不需要精確的對(duì)準(zhǔn)。
現(xiàn)在參考附圖介紹根據(jù)本發(fā)明第八實(shí)施例的激光晶化裝置。激光晶化裝置用于在根據(jù)第五實(shí)施例的薄膜半導(dǎo)體器件的制造期間得到的薄膜半導(dǎo)體襯底14S上進(jìn)行激光退火工藝。如圖54所示，除去免除了(dispensed with)圖51所示用于對(duì)準(zhǔn)的檢測(cè)單元40并且改變了控制單元42的結(jié)構(gòu)之外，第八實(shí)施例的結(jié)構(gòu)與第六實(shí)施例的結(jié)構(gòu)類似。在圖54中，與第六實(shí)施例中共同的部分由相同的標(biāo)號(hào)表示，并且省略或簡(jiǎn)化了介紹。
改變控制單元42的結(jié)構(gòu)以執(zhí)行下面的控制。如果通過(guò)傳送臂34將薄膜半導(dǎo)體襯底14S安裝在襯底工作臺(tái)36上，則薄膜半導(dǎo)體襯底14S的安裝狀態(tài)由襯底檢測(cè)部件41通知控制單元42。因此，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38。通過(guò)該控制，工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38移動(dòng)襯底工作臺(tái)36以使薄膜半導(dǎo)體襯底14S基本上與移相器PS相對(duì)。
此后，保持薄膜半導(dǎo)體襯底14S與移相器之間的位置關(guān)系，控制單元42控制受激準(zhǔn)分子激光器光源35和掃描光學(xué)系統(tǒng)39。由此，通過(guò)標(biāo)記圖形MP移相器PS的移相圖形SP將受激準(zhǔn)分子激光束施加到薄膜半導(dǎo)體襯底14S的半導(dǎo)體薄膜14上。此外，控制單元42控制工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)裝置38，由此在薄膜半導(dǎo)體襯底14S的長(zhǎng)度方向中移動(dòng)襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37，以穿過(guò)掃描光學(xué)系統(tǒng)39。由此，如結(jié)合第五實(shí)施例介紹的，將半導(dǎo)體薄膜14晶化并形成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。
在本實(shí)施例的激光晶化裝置中，受激準(zhǔn)分子激光器光源35和掃描光學(xué)系統(tǒng)39構(gòu)成了通過(guò)移相器PS將激光束施加到半導(dǎo)體薄膜14的激光照射部件，移相器PS固定在用于晶化的參考位置處。因此，與第六實(shí)施例類似，在晶化中，相對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK以預(yù)定的位置關(guān)系放置的大尺寸單晶半導(dǎo)體晶?？梢孕纬稍诎雽?dǎo)體薄膜14中。因此，可以使用對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK以便高度可靠地在大尺寸單晶半導(dǎo)體晶粒的區(qū)域內(nèi)形成如多晶硅TFT的半導(dǎo)體有源器件。
特別是，在本實(shí)施例中，在激光退火工藝中，通過(guò)標(biāo)記圖形MP和移相器PS的移相圖形SP，激光束由激光照射部件施加到半導(dǎo)體薄膜14上。由于在移相器PS上以預(yù)定的位置關(guān)系固定移相圖形SP和標(biāo)記圖形MP，通過(guò)粗略定位，設(shè)置薄膜半導(dǎo)體襯底14S以面對(duì)移相器PS。保持該狀態(tài)，進(jìn)行激光退火工藝。簡(jiǎn)而言之，保持對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK和大尺寸單晶硅晶粒之間的預(yù)定位置關(guān)系，薄膜半導(dǎo)體襯底14S和移相器PS之間不需要精確的對(duì)準(zhǔn)，大尺寸單晶硅晶粒形成在半導(dǎo)體薄膜14中。此時(shí)，使用第七實(shí)施例中的激光處理單元43進(jìn)行的激光微調(diào)工藝則是不必要的。
本發(fā)明不限于以上介紹的實(shí)施例，可以不脫離本發(fā)明的精神制成多種修改。
在以上介紹的實(shí)施例中，激光晶化裝置為掃描型。然而，本發(fā)明同樣適用于步進(jìn)型激光晶化裝置，例如在單個(gè)薄膜半導(dǎo)體襯底14S上形成有源矩陣液晶顯示時(shí)，通常使用這種激光晶化裝置。此時(shí)，通過(guò)移相器PS的移相圖形SP或者通過(guò)移相器PS的整個(gè)移相圖形SP和標(biāo)記圖形MP，將受激準(zhǔn)分子激光束施加到部分薄膜半導(dǎo)體襯底14S上，薄膜半導(dǎo)體襯底14S部分的劃分根據(jù)液晶顯示器件的數(shù)量而定。
假設(shè)掃描型激光晶化裝置或步進(jìn)型激光晶化裝置用于晶化例如包含四個(gè)分區(qū)的薄膜半導(dǎo)體襯底14S。此時(shí)，如圖55的部分(A)所示，排列例如9個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。如果每個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK具有圖55的部分(B)所示的形狀，則圖55的部分(C)所示的刻線圖形RP與對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK重疊，由此確定了在晶化半導(dǎo)體薄膜14時(shí)的掩模位置或者在半導(dǎo)體薄膜14中形成半導(dǎo)體有源器件時(shí)的掩模位置。
或者，可以將18個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK排列在包括9個(gè)分區(qū)的薄膜半導(dǎo)體襯底14S上，如圖56的部分(A)所示。此時(shí)，在圖56的部分(B)和(C)指示的方向中的每個(gè)分區(qū)上設(shè)置兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK。
如圖55所示排列多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK時(shí)，刻線圖形RP或標(biāo)記圖形可以按照?qǐng)D57所示的形狀和排列。而且，如果在用于將半導(dǎo)體薄膜14中形成半導(dǎo)體有源器件的光刻中使用的光掩模上提供相同的刻線圖形，可以對(duì)于對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)光掩模和薄膜半導(dǎo)體襯底14S。
或者，可以按照?qǐng)D58所示成形和排列刻線圖形RP或標(biāo)記圖形MP。
圖57和58中所示的刻線圖形RP或標(biāo)記圖形MP同樣可以用于檢測(cè)掩模工作臺(tái)37和移相器PS之間的位置關(guān)系，移相器PS可以用于晶化半導(dǎo)體薄膜14的激光退火工藝，或者用于在形成半導(dǎo)體薄膜14中的半導(dǎo)體有源器件的光刻中使用的光掩模。
在以上介紹的實(shí)施例中，調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)以使對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK設(shè)置在相關(guān)的刻線圖形RP的中心。或者，如圖59所示，例如，多個(gè)位置傳感器44可以埋置在襯底工作臺(tái)36和掩模工作臺(tái)37中。紫外線光可以照射在包括對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK和刻線圖形RP的預(yù)定范圍，由此獨(dú)立地檢測(cè)了對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記MK和刻線圖形RP的位置。由此可以調(diào)節(jié)對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)。此外，如果例如在來(lái)自位置傳感器44的信號(hào)的基礎(chǔ)上得到的坐標(biāo)位置，根據(jù)最小平方方法，控制單元42進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算，則可以確認(rèn)薄膜半導(dǎo)體襯底14S的位置或者移相器PS或光掩模的確切位置。
在激光晶化裝置為例如圖60中所示的投影型時(shí)，例如，則將移相器PS設(shè)置在鏡子39A和受激準(zhǔn)分子激光光源35之間。此時(shí)，如圖61所示，將工作臺(tái)位置確定圖形STP添加到移相器PS。光接收部件45設(shè)置在工作臺(tái)36上，光束傳感器46固定到光接收部件45的背面。光束傳感器46連接到光束強(qiáng)度測(cè)量裝置47。在該結(jié)構(gòu)中，預(yù)先通過(guò)位置傳感器44測(cè)量薄膜半導(dǎo)體襯底14S的二維坐標(biāo)位置(x，y)。隨后，將受激準(zhǔn)分子激光束通過(guò)工作臺(tái)位置確定圖形STP施加到光接收部件45。在光束傳感器46得到的信號(hào)的基礎(chǔ)上，光束強(qiáng)度測(cè)量裝置47測(cè)量工作臺(tái)位置確定圖形STP的兩維坐標(biāo)位置(a，b)。在坐標(biāo)位置(a，b)和坐標(biāo)位置(x，y)之間的位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，圖51或54中所示的控制單元42確定了襯底工作臺(tái)36的位置。
在以上介紹的實(shí)施例中，KrF受激準(zhǔn)分子激光束(λ＝248nm)用做能量束?；蛘?，例如，可以使用XeCl(λ＝308nm)、XeF(λ＝351nm)或ArF(λ＝193nm)。
在以上介紹的實(shí)施例中，使用半導(dǎo)體薄膜14形成多晶硅TFT?；蛘撸梢允褂冒雽?dǎo)體薄膜14形成除多晶硅TFT之外的半導(dǎo)體有源器件，例如MIS器件、雙極晶體管以及二極管。
此外，激光晶化裝置可以具有圖63中所示的結(jié)構(gòu)。在該裝置中，光學(xué)成像系統(tǒng)39B設(shè)置在移相器PS和薄膜半導(dǎo)體襯底14S之間，以在光學(xué)地共軛位置處設(shè)置移相器PS和薄膜半導(dǎo)體襯底14S。即，薄膜半導(dǎo)體襯底14S放置在與移相器PS光學(xué)地共軛的平面中(光學(xué)成像系統(tǒng)的成像面)?？讖焦怅@(aperture diaphragm)單元39BA設(shè)置在光學(xué)成像系統(tǒng)39B的光闌平面(iris plane)中?？讖焦怅@單元39BA包括孔徑尺寸相互不同的多個(gè)孔徑光闌(透光部分)，相對(duì)于光學(xué)路徑可以改變這些光闌孔徑。相反，光闌孔徑單元39BA可以由可以連續(xù)改變尺寸的孔徑的光圈形成。在任何一種情況中，設(shè)置光闌孔徑單元39BA(光學(xué)成像系統(tǒng)39B的成像側(cè)上的數(shù)值孔徑NA)的孔徑尺寸以得到薄膜半導(dǎo)體襯底14S的半導(dǎo)體薄膜14上反向峰值圖形需要的光強(qiáng)度分布。此外，光學(xué)成像系統(tǒng)39B可以是折射光學(xué)系統(tǒng)、反射光學(xué)系統(tǒng)、或者折射和反射光學(xué)系統(tǒng)。
對(duì)于本領(lǐng)域中的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)容易想到附加的優(yōu)點(diǎn)和修改。因此，廣義來(lái)說(shuō)，本發(fā)明不限于這里示出和介紹的具體細(xì)節(jié)和代表性的實(shí)施例。因此，可以不脫離由附帶的權(quán)利要求書(shū)及其等效限定的基本創(chuàng)造性概念的精神或范圍可以進(jìn)行各種修改。
權(quán)利要求
1.一種薄膜半導(dǎo)體襯底，其特征在于包括絕緣襯底(10)；形成在該絕緣襯底(10)上的非晶半導(dǎo)體薄膜(14)；以及位于所述半導(dǎo)體薄膜(14)上并指示晶化的參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)。
2.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導(dǎo)體襯底，其特征在于每個(gè)所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)為位于所述半導(dǎo)體薄膜(14)內(nèi)的凹槽。
3.如權(quán)利要求2所述的薄膜半導(dǎo)體襯底，其特征在于由形成所述半導(dǎo)體薄膜(14)的底層的絕緣膜(12，13)中的溝限定所述凹槽。
4.如權(quán)利要求3所述的薄膜半導(dǎo)體襯底，其特征在于所述溝疊置在所述絕緣襯底(10)中形成的溝上。
5.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導(dǎo)體襯底，其特征在于每個(gè)所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)為在所述半導(dǎo)體薄膜(14)內(nèi)形成的缺口。
6.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導(dǎo)體襯底，其特征在于每個(gè)所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)為在所述半導(dǎo)體薄膜(14)中形成的晶化部分并且在顏色上可以與非晶化部分區(qū)分。
7.如權(quán)利要求1所述的薄膜半導(dǎo)體襯底，其特征在于每個(gè)所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)包括相互垂直的多條直線。
8.一種薄膜半導(dǎo)體襯底的制造方法，其特征在于包括在絕緣襯底(10)上形成非晶半導(dǎo)體薄膜(14)；以及在所述半導(dǎo)體薄膜(14)上提供多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)，該對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)指示晶化的參考位置。
9.一種晶化方法，其特征在于包括形成薄膜半導(dǎo)體襯底(14S)，薄膜半導(dǎo)體襯底包括絕緣襯底(10)、形成在所述絕緣襯底(10)上的非晶半導(dǎo)體薄膜(14)、以及位于所述半導(dǎo)體薄膜(14)上并指示晶化的參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)；以及通過(guò)與晶化的參考位置對(duì)準(zhǔn)的移相器(PS)，將用于晶化的激光束施加到所述半導(dǎo)體薄膜(14)上。
10.如權(quán)利要求9所述的晶化方法，其特征在于穿過(guò)設(shè)置在所述移相器(PS)上的標(biāo)記圖形(MP)和用于晶化的激光束穿過(guò)的所述移相圖形(SP)，將用于微調(diào)的激光束施加到所述半導(dǎo)體薄膜(14)形成作為所述半導(dǎo)體薄膜(14)中缺口的所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)。
11.如權(quán)利要求9所述的晶化方法，其特征在于穿過(guò)設(shè)置在所述移相器(PS)上的標(biāo)記圖形(MP)和用于晶化的激光束穿過(guò)的所述移相圖形(SP)，將用于晶化的激光束施加到所述半導(dǎo)體薄膜(14)形成作為所述半導(dǎo)體薄膜(14)中晶化部分的所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)。
12.一種晶化裝置，其特征在于包括用于安裝薄膜半導(dǎo)體襯底(14S)的襯底臺(tái)，該薄膜半導(dǎo)體襯底(14S)包括絕緣襯底(10)、形成在所述絕緣襯底(10)上的非晶半導(dǎo)體薄膜(14)、以及位于所述半導(dǎo)體薄膜(14)上并指示晶化參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)；以及通過(guò)與晶化參考位置對(duì)準(zhǔn)的移相器(PS)，將用于晶化的激光束施加到所述半導(dǎo)體薄膜(14)上的激光束照射部件。
13.一種晶化裝置，其特征在于包括用于安裝薄膜半導(dǎo)體襯底(14S)的襯底臺(tái)，該薄膜半導(dǎo)體襯底(14S)包括絕緣襯底(10)、以及形成在所述絕緣襯底(10)上的非晶半導(dǎo)體薄膜(14)；激光處理單元(43)，穿過(guò)提供在移相器(PS)上的標(biāo)記圖形(MP)，通過(guò)將用于微調(diào)的激光束施加到所述半導(dǎo)體薄膜(14)上，在所述半導(dǎo)體薄膜(14)中形成缺口作為指示晶化參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)；以及激光束照射部件(35，39)，通過(guò)所述移相器(PS)上的移相圖形(SP)以及標(biāo)記圖形(MP)，將用于晶化的激光束施加到所述半導(dǎo)體薄膜(14)上。
14.一種晶化裝置，其特征在于包括用于安裝薄膜半導(dǎo)體襯底(14S)的襯底臺(tái)，該薄膜半導(dǎo)體襯底(14S)包括絕緣襯底(10)、和形成在所述絕緣襯底(10)上的非晶半導(dǎo)體薄膜(14)；以及激光束照射部件(35，39)，通過(guò)移相器(PS)上的標(biāo)記圖形(MP)以及一并提供的移相圖形(SP)，將用于晶化的激光束施加到所述半導(dǎo)體薄膜(14)上，獲得的晶化部分作為指示出晶化參考位置的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)。
15.一種薄膜半導(dǎo)體器件，其特征在于包括絕緣襯底(10)；形成在所述絕緣襯底(10)上的多晶半導(dǎo)體薄膜(14)；以及半導(dǎo)體有源器件；其中所述多晶半導(dǎo)體薄膜包括多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)和至少一個(gè)單晶半導(dǎo)體晶粒，所述多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相對(duì)于所述單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的位置關(guān)系，所述單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的晶粒尺寸以所述容納所述半導(dǎo)體有源器件，以及對(duì)于所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)，所述半導(dǎo)體有源器件位于所述單晶半導(dǎo)體晶粒的范圍內(nèi)。
16.一種薄膜半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于包括在絕緣襯底(10)上形成多晶半導(dǎo)體薄膜(14)，該多晶半導(dǎo)體薄膜包括多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)以及至少一個(gè)單晶半導(dǎo)體晶粒，所述多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記相對(duì)于所述單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的位置關(guān)系；以及形成半導(dǎo)體有源器件；其中所述單晶半導(dǎo)體晶粒具有預(yù)定的晶粒尺寸以容納所述半導(dǎo)體有源器件，對(duì)于所述對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)，所述半導(dǎo)體有源器件位于所述單晶半導(dǎo)體晶粒的范圍內(nèi)。
全文摘要
一種薄膜半導(dǎo)體襯底，包括絕緣襯底(10)、形成在絕緣襯底(10)上的非晶半導(dǎo)體薄膜(14)、以及位于半導(dǎo)體薄膜(14)上并指示晶化參考位置的多個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(MK)。
文檔編號(hào)H01L23/544GK1577895SQ20041007161
公開(kāi)日2005年2月9日 申請(qǐng)日期2004年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月16日
發(fā)明者平松雅人, 木村嘉伸, 小川裕之, 十文字正之, 松村正清 申請(qǐng)人:株式會(huì)社液晶先端技術(shù)開(kāi)發(fā)中心