專利名稱：束均化器，激光輻照設備，以及制造半導體器件的方法
技術領域：
本發明涉及到用來使被輻照表面特定區域內的激光束強度分布均勻的束均化器。此外，本發明涉及到用來將激光束輻照到被輻照表面的激光輻照設備。本發明還涉及到具有用激光輻照設備形成的結晶半導體膜的半導體器件的制造方法。
背景技術：
近年來，借助于將激光束輻照到形成在玻璃襯底上的非晶半導體膜而制造結晶半導體膜的方法，已經被廣泛地使用(以下將此方法稱為激光退火)。要指出的是，此處所用的術語“結晶半導體膜”意味著具有被晶化的區域的半導體膜，且包括在其整個表面上具有晶化區域的半導體膜。
玻璃襯底比人造石英襯底更便宜，因而具有能夠容易地制造大襯底的優點。另一方面，玻璃襯底的缺點是其熔點低于人造石英的熔點。但當對形成在玻璃襯底上的半導體膜進行激光退火時，有可能僅僅對半導體膜提供高溫而對玻璃襯底不造成任何熱損傷。此外，與采用電爐的加熱方法相比，激光退火提供了高得多的產率。
由于用激光退火方法制造的結晶半導體膜具有高的遷移率，故此結晶半導體膜被廣泛地用作例如構成有源矩陣液晶顯示器件的驅動電路的TFT的有源層。
從準分子激光器發射的激光束常常被用作此激光束。準分子激光器的優點是具有高的輸出，能夠以高的重復速率振蕩激光束，以及通常被用作半導體膜的硅膜對從準分子激光束發射的激光束的吸收系數高。而且，以激光束通過光學系統被成形為在被輻照表面上具有矩形形狀，以及矩形激光束的輻照位置相對于被輻照表面移動的方式，來執行激光輻照。由于這種方法提供了高的生產率，故在工業上是優異的。要指出的是，在本說明書中，在被輻照表面上具有矩形形狀的激光束被稱為矩形束。
由于從激光振蕩器發射的激光束通常具有高斯強度分布，故為了進行均勻的激光退火，必須對被輻照表面上激光束的強度分布進行均化。近年來，為了均化強度分布，常常采用這樣一種方法，其中，柱形透鏡陣列被用來沿預定方向分裂激光束，然后將備個被分裂的激光束疊加在同一個表面上。根據此方法，矩形束能夠被形成為沿長軸具有300mm或以上的長度而沿短軸具有1mm或以下的長度，因而有可能有效地對形成在大襯底上的半導體膜進行激光退火。
但當采用柱形透鏡陣列時，各個柱形透鏡的加工精度是一個問題。柱形透鏡陣列由排列的多個柱形透鏡組成，不可能將各個柱形透鏡制造成具有相同的曲率半徑和相同的表面精度。結果，由于被柱形透鏡陣列分裂的各個束斑無法完全被疊加在相同的輻照表面中，故在矩形束中形成有強度分布被衰減的區域。當時半導體膜進行激光退火時就出現問題。當用具有這種不均勻強度分布的矩形束的激光退火形成的半導體膜被用來制造TFT時，尤其是當這種TFT被用來制造液晶或有機EL顯示器時，就可能在顯示器上出現條紋或顏色變化。
發明內容
考慮到上述問題而提出了本發明，本發明的目的是改善激光束的強度分布均勻性，并提供一種能夠修正特別是由于柱形透鏡陣列加工不精確性造成的激光束的強度變化的技術。
本發明結合用來形成矩形束的柱形透鏡陣列而采用一種光波導，以便得到強度分布更均勻的矩形束。亦即，以激光束沿預定方向被柱形透鏡陣列分裂之后，各個分裂的束被組合，激光束然后被引入到沿與預定方向相同的方向作用的光波導中的方式，來修正由于柱形透鏡陣列加工不精確性造成的激光束強度分布的變化。
當在光波導中面對地提供一對反射平面時，預定方向就與要形成的矩形束的短軸方向一致。使光波導沿矩形束短軸方向作用的原因如下。通常用來對半導體膜進行激光退火的矩形束具有非常短的短軸，一般為1mm或以下。為了沿這種非常窄的矩形束的短軸方向均化激光束的強度分布，分裂的束斑必須以非常高的精度被疊加。正是光波導容易地使得這種疊加成為可能，分裂的束斑從而能夠完全被疊加在同一個位置。
而且，當光波導沿長軸方面具有另一對面對地提供的反射平面時，矩形束能夠沿其長軸和短軸方向具有均勻的強度分布。
為了解決上述問題，本發明提供了一種束均化器，它包括用來沿預定方向分裂激光束并組合分裂的激光束的光學系統以及用來沿預定方向均化激光束的強度分布的光波導，其中，激光束在透射通過光學系統之后，被入射到光波導中。
本發明公開的束均化器還包括用來沿垂直于預定方向的方向分裂激光束以及用來組合分裂的束的光學系統。
在本發明公開的束均化器中，光波導具有面對地提供的一對反射平面。
在本發明公開的束均化器中，光波導具有面對地提供的二對反射平面。
本發明公開了一種激光輻照設備，它包括激光振蕩器和束均化器，其中，束均化器具有用來沿預定方向分裂激光束并組合分裂的激光束的光學系統以及用來沿預定方向均化激光束的強度分布的光波導，且其中，激光束在透射通過光學系統之后，被入射到光波導中。
本發明公開的激光輻照設備還包括用來沿垂直于預定方向的方向分裂激光束以及用來組合分裂的激光束的光學系統。
在本發明公開的激光輻照設備中，光波導具有面對地提供的一對反射平面。
在本發明公開的激光輻照設備中，光波導具有面對地提供的二對反射平面。
在本發明公開的激光輻照設備中，激光振蕩器是準分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
在本發明公開的激光輻照設備中，激光振蕩器是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
本發明公開的激光輻照設備還包括用來相對于激光束移動被輻照表面的移動臺。
本發明公開的激光輻照設備還包括用來將輻照表面傳送到移動臺的傳送裝置。
本發明公開了一種用來制造半導體器件的方法，它包括在襯底上形成非單晶半導體膜的步驟以及對作為輻照表面的非單晶半導體膜進行激光退火的步驟，其中，激光退火包括用光學系統沿預定方向分裂激光束并組合各個分裂的束的步驟、用光波導沿預定方向均化激光束的強度分布的步驟、以及在將激光束相對于非單晶半導體膜移動的情況下輻照非單晶半導體膜的步驟。
在本發明公開的制造半導體器件的方法中，采用了用來沿垂直于預定方向的方向分裂激光束以及用來組合各個分裂的束的光學系統。
用于本發明公開的制造半導體器件的方法中的光波導具有面對地提供的一對反射平面。
用于本發明公開的制造半導體器件的方法中的光波導具有面對地提供的二對反射平面。
用于本發明公開的制造半導體器件的方法中的激光振蕩器，是準分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
用于本發明公開的制造半導體器件的方法中的激光振蕩器，是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
在本發明公開的制造半導體器件的方法中，采用了用來相對于激光束移動輻照表面的移動臺。
在本發明公開的制造半導體器件的方法中，采用了用來將輻照表面傳送到移動臺的傳送裝置。
根據本發明，利用用來分裂和組合激光束的光學系統，分裂的束被分別聚焦在不同的點，強度分布因而在各個焦點處被分散，而不形成強度非常高的點。而且，由于借助于調整光學系統的位置，能夠將焦點設定成離開光波導一定距離，故激光束不被聚焦在光波導內部。因此，光波導不太可能被損傷。由于如上所述強度分布在焦點處被分散，故即使當激光束由于例如激光束發散角的改變而被聚焦在光波導內部時，光波導也不太可能被損傷。以在強度分布被分散的同時激光束透過那里入射到光波導中并且各個分裂的激光束被疊加在同一個表面上的方式，激光束的強度分布被均化。在各個分裂的激光束被疊加于此的光波導出口處，激光束的強度分布被均化。由于激光束的強度分布被分散，故能夠使用透射型光波導，并能夠降低光導損失。
此外，由于激光束能夠具有均勻的強度分布，故有可能具有激光束功率的寬的裕度。圖7A和7B解釋了這一點。圖7A示出了強度分布不均勻的激光束的形狀。通常，激光束的功率不總是穩定的而有一定程度的變化。在用強度分布不均勻的激光束進行激光退火的情況下，當功率意外增大時，束分布的頂部超過適合于晶化的能量范圍。因此，當對作為被輻照目標的半導體膜進行激光退火時，半導體膜可能被燒蝕。相反，當功率降低時，原先能量低的束分布底部下降到低于適合于晶化的能量范圍。因此，可能由于能量不足而不進行晶化。另一方面，如圖7B所示，當采用強度分布均勻的激光束時，即使功率有一定程度的變化，激光束也不超過或低于適合于晶化的能量范圍。于是能夠穩定地進行均勻的晶化。因此，利用本發明形成的強度分布均勻的激光束，能夠在激光束功率的寬裕度內進行激光退火。
當利用本發明公開的包括束均化器的激光輻照設備來執行激光退火時，能夠在輻照表面處均化激光束的強度分布。因此，能夠提高襯底上結晶性的均勻性。當本發明被應用于TFT的大規模生產時，由于均勻的結晶性能夠減小電學特性的變化和提高可靠性，故有可能有效地制造具有高的工作特性的TFT。
借助于滿足這些優點，能夠提高以有源矩陣液晶顯示器件為典型的半導體器件的工作特性和可靠性。而且，半導體器件的制造工藝能夠具有寬的裕度來提高成品率。因此，能夠以更低的成本制造半導體器件。
圖1A和1B示出了本發明的實施方案模式；圖2A和2B示出了本發明的實施方案模式；圖3A和3B示出了本發明的實施方案模式；圖4A和4B示出了本發明的實施方案1；圖5A和5B示出了本發明的實施方案2；圖6A和6B示出了本發明的實施方案3；圖7A和7B示出了本發明的有利效應；圖8A和8B示出了本發明的實施方案2；圖9A-9D示出了本發明的實施方案4；圖10A-10D示出了本發明的實施方案4；圖11A和11B示出了本發明的實施方案4；圖12A-12H示出了本發明的實施方案5。
具體實施例方式
首先，參照圖1A-2B來解釋用本發明公開的束均化器均化激光束強度分布的方法。在圖1A的側視圖中，激光束沿箭頭所示方向傳播。柱形透鏡陣列101和柱形凸透鏡102被用作光學系統來分裂激光束和組合各個分裂的激光束。光波導103具有面對地提供的一對反射平面，具有由折射率為n(n＞1)的媒質占據其間的區域。因此，根據與光纖相同的原理，入射到光波導103中的激光束由于以臨界角或以上的角度入射到其中而被全反射。例如，借助于在空氣中提供由石英(折射率約為1.5)組成的光波導，能夠得到在光波導與空氣之間的界面處具有全反射平面的光波導。利用這種光波導，與激光束不被全反射的光波導相比，激光束的透射率變得高得多。于是，從激光振蕩器發射的激光束能夠更有效地傳播到被輻照表面。此外，光波導可以具有二對面對地提供的反射平面。而且，還可以使用空氣占據該對反射平面之間區域的光波導。
在圖1A的側視圖中，激光束被柱形透鏡陣列101分裂，且各個分裂的激光束被柱形凸透鏡102聚焦，然后，激光束被入射到光波導103中。此時，由于各個分裂的激光束不聚焦在一個點，而是分別聚焦在不同的點104，故強度分布被分散在各個焦點處。此外，借助于調整柱形透鏡陣列101和柱形凸透鏡102的位置，能夠將焦點104設定成離開光波導一定距離。因此，由于激光束不被聚焦在光波導內部，故光波導能夠保持安全。而且，即使當焦點104由于激光束發散角的稍許改變而移動到光波導103內部時，由于激光束不聚焦在一個點而是聚焦在激光束強度分布被分散的多個點，故也不太可能損傷光波導。于是，有可能安全地使用光波導，并在其出口處形成強度分布被均化了的激光束。
另一方面，圖2A和2B示出了僅僅使用柱形凸透鏡來匯聚激光束以便激光束入射到光波導中的例子。在圖2A和2B中，激光束沿箭頭所示方向傳播。柱形凸透鏡201匯聚激光束，使激光束入射到光波導202中。與圖1A和1B所示光波導103一樣，光波導202由折射率為n(n＞1)的媒質組成。由于光波導的折射率大于空氣的折射率，故在以臨界角或以上的角度在光波導202與空氣之間的界面202a和202b處被全反射的情況下，激光束透射通過光波導202。激光束在光波導202中被反復反射，且備個激光束在光波導202的出口處被疊加。由于柱形凸透鏡201匯聚的激光束被聚焦在一個點(焦點203)，故激光束的強度在焦點203處被聚集。如圖2A和2B所示，當激光束的發散角稍許改變，從而將焦點203移動到光波導202內部時，在使用高輸出激光束的情況下，在激光束具有高強度的點處就產生強電場或等離子體，導致光波導損傷。
因此，在本實施方案膜式中，借助于用柱形透鏡陣列和柱形凸透鏡分裂焦點，激光束的強度分布被分散。于是，有可能使激光束入射到光波導中而不對光波導造成任何損傷。要指出的是，在圖1A和1B中，激光束僅僅能夠沿一個方向被均化。為了實際上將激光束成形為矩形，如圖3A和3B所示，可以增加具有旋轉90度的柱形透鏡陣列和柱形凸透鏡的光學系統。
接著，參照圖3A和3B來解釋采用上述束均化器來形成矩形束的光學系統。
首先解釋圖3A的側視圖。在圖3A中，垂直于紙面的方向是矩形束長軸的方向。從激光振蕩器301發射的激光束沿箭頭所示方向傳播。在激光束沿矩形束短軸方向被柱形透鏡陣列302分裂之后，各個分裂的束被柱形透鏡304匯聚，然后激光束被入射到光波導306中。光波導306具有一對面對地提供的反射平面，根據上述原因被設定為沿矩形束短軸方向作用。
于是，在光波導306的出口處形成了沿短軸方向具有均勻強度分布的激光束。而且，矩形束沿短軸方向的長度由柱形凸透鏡307決定，然后矩形激光束被輻照到輻照表面308。
接著來解釋圖3B的俯視圖。在圖3B中，從激光振蕩器301發射的激光束沿矩形束短軸方向被柱形透鏡陣列303分裂。而且，各個分裂的束被柱形凸透鏡305匯聚，以便決定矩形束沿長軸方向的長度，然后，矩形束被輻照到輻照表面308。于是，能夠在輻照表面308上形成沿長軸和短軸方向強度分布被均化了的矩形束。
以這種方式，能夠安全地使用光波導，并能夠形成沿長軸和短軸方向強度分布被均化了的激光束。利用這種激光束，能夠對輻照目標均勻地進行激光退火。例如，當半導體膜被用作輻照目標并對其進行激光退火時，有可能均勻地晶化半導體膜，有可能得到具有均勻結晶性的結晶半導體膜，并有可能激活雜質。
此外，當柱形透鏡陣列中的陣列數目增加時，被分裂的束的數目增加。因此，借助于分散激光束的強度分布而得到的有利效果也提高。
本實施方案參照圖4A和4B來解釋使用與實施方案模式所述不同的光波導的例子。
在圖4A和4B中，激光束沿箭頭所示方向傳播。用于本實施方案的光波導406具有面對地提供的一對反射平面。與圖3A和3B中解釋的由折射率為n(n＞1)的媒質組成的占據成對反射平面之間區域的光波導306相反，圖4A和4B中的光波導406在該對反射平面之間具有空氣填充的空的空間。光波導306與406的不同就在于此。此外，根據上述理由，光波導406的成對反射平面被排列成沿矩形束短軸方向作用。在圖4A的側視圖中，垂直于紙面的方向是形成在輻照表面308上的矩形束長軸的方向。
在圖4A的側視圖中，從激光振蕩器401發射的激光束沿矩形束短軸方向被柱形透鏡陣列402分裂。各個分裂的激光束被柱形凸透鏡404匯聚，使激光束入射到光波導406中。由于各個分裂的激光束此時被聚焦在不同的點，故激光束的強度被分散在各個焦點。這使得即使焦點意外地接觸到光學元件，也能夠防止光學元件被損傷。此激光束透射通過光波導406，且激光束的強度分布在光波導406的出口處沿矩形束短軸方向被均化。矩形束沿短軸方向的長度由柱形凸透鏡407確定，此矩形激光束被輻照到輻照表面408。
接著，在圖4B的俯視圖中，從激光振蕩器401發射的激光束沿矩形束長軸方向被柱形透鏡陣列403分裂。備個分裂的激光束被柱形凸透鏡405匯聚，以便確定其沿長軸方向的長度，然后被發射到輻照表面408。
于是，在輻照表面408處形成了強度分布沿長軸和短軸方向被均化了的矩形束。
本實施方案參照圖5A和5B來解釋與使用實施方案模式所述不同的光學系統和不同光波導的例子。在本實施方案中，蠅眼透鏡被用作透鏡陣列。蠅眼透鏡與柱形透鏡陣列不同之處在于多個球形透鏡在相對于激光束行進方向的垂直平面內被排列成矩陣。光波導504具有二對面對地提供的反射平面，其間的區域被人造石英占據。由于人造石英的折射率不同于空氣的折射率，故激光束在光波導504中被反復反射。具體地說，在此情況下，由于人造石英具有比空氣更高的折射率，故激光束在光波導504中以臨界角或更大的角度被反復地全反射，并到達出口。
在圖5A和5B中，激光束沿箭頭所示方向傳播。在圖5A和5B中，從激光振蕩器501發射的激光束被蠅眼透鏡502水平地和垂直地分裂，然后，各個分裂的激光束被球形透鏡503匯聚。與僅僅能夠沿一個方向匯聚激光束的柱形透鏡相反，球形凸透鏡能夠沿各個方向匯聚激光束，柱形透鏡陣列與蠅眼透鏡在這一點上是不同的。此時，由于激光束被蠅眼透鏡502分裂，故各個分裂的激光束不被聚焦在一點，而是分別聚焦在不同的點。由于激光束的強度分布被分散在這些焦點處，故不存在強度非常高的點。然后，激光束被入射到光波導504中。由于光波導504具有二對面對地提供的反射平面，故在光波導504出口處形成了強度分布被均化了的正方形激光束。在根據預期目的用球形透鏡505調整從光波導504發射的激光束的尺寸之后，激光束以均勻的強度被輻照到輻照表面506。如圖8B所示，在本實施方案中，以激光束被輻照在同一個點上受10次照射之后，輻照表面水平地或垂直地移動正方形束斑一個邊長的方式，激光束被輻照到形成在玻璃襯底上的作為被輻照表面的非單晶半導體膜，然后以同樣的方式進行激光退火。要指出的是，操作者可以根據要制造的器件而確定受照射的數目。
根據本發明，有可能形成具有尖銳邊沿的強度分布的矩形束。在本實施方案中，有可能在輻照表面506上形成具有尖銳邊沿的強度分布的正方形束。圖8A示出了被不具有尖銳邊沿的強度分布的激光束退火過的襯底的例子，而圖8B示出了被具有尖銳邊沿的強度分布的激光束退火過的襯底的例子。在圖8A中，由于激光束不具有尖銳邊沿的強度分布，故各個束斑中被均勻退火的區域小，意味著能夠被使用的區域小。另一方面，在圖8B所示的本實施方案中，各個正方形束斑中能夠被使用的區域大。因此，在TFT被制造在對其執行激光退火之后的襯底上的情況下，能夠制造更多的TFT。而且，如放大圖所示，能夠以與束斑中相同的間距，跨越各個束斑之間的邊界來制造TFT。于是，例如當用這種襯底制造液晶屏時，有可能制造沒有不均勻性的液晶屏。
雖然在本實施方案中形成了正方形束，但借助于改變光波導沿垂直或水平方向的寬度，也能夠形成矩形束。
本實施方案參照圖6A和6B來解釋使用實施方案模式所述的不同光波導的例子。在圖6A和6B中，柱形透鏡陣列602被用作透鏡陣列。光波導606具有二對面對地提供的反射平面，其間的區域被人造石英占據。由于人造石英的折射率大于空氣的折射率，故入射到光波導606中的激光束被反復地全反射并到達出口。
在圖6A和6B中，從激光振蕩器601發射的激光束沿箭頭所示方向傳播。首先來解釋圖6A的側視圖。在圖6A的側視圖中，垂直于紙面的方向是矩形束長軸的方向。激光束被入射到柱形透鏡陣列602中，并沿矩形束的短軸被分裂。然后，激光束被柱形凸透鏡604匯聚。此時，由于激光束被柱形透鏡陣列602分裂，故各個分裂的束分別被聚焦在不同的點。因此，激光束的強度分布在各個焦點被分散，從而不存在強度非常高的點。然后，激光束被入射到光波導606中。激光束在光波導606中被反復地反射，且矩形束的強度分布在光波導606的出口處沿矩形激光束的短軸方向被均化。然后，矩形束的長度由柱形凸透鏡607確定，且矩形激光束被輻照到輻照表面609。
接著來解釋圖6B的俯視圖。從激光振蕩器601發射的激光束被柱形透鏡陣列603沿矩形束的長軸方向分裂，然后被柱形凸透鏡605匯聚。然后，被入射到光波導606中。此時，由于激光束被聚焦在多個點，故強度分布被分散而不形成任何強度非常高的點。于是能夠安全地使用光波導。而且，由于光波導606具有二對面對地提供的反射平面，故強度分布不僅能夠沿短軸方向被均化，而且還能夠沿長軸方向被均化。于是，能夠在光波導606的出口處形成強度分布沿長軸和短軸方向被均化了的矩形束。而且，其沿長軸方向的長度由柱形凸透鏡608確定，然后，矩形激光束被輻照到輻照表面609。
于是，利用柱形透鏡陣列和具有面對地提供的二對反射平面的光波導，能夠形成強度分布沿長軸和短軸方向被均化了的矩形激光束。在本發明中，借助于用柱形透鏡陣列分裂激光束，能夠分散激光束的強度分布。因此，光波導不太可能被損傷，從而更安全地執行激光退火。
本實施方案參照圖9-11來解釋本發明的激光輻照設備被用來形成結晶半導體膜并進一步制造半導體器件的例子。
一開始，如圖9A所示，基底絕緣膜1101a和1101b被形成在襯底1100上。諸如玻璃襯底、石英襯底、或結晶玻璃襯底之類的絕緣襯底、陶瓷襯底、不銹鋼襯底、金屬襯底(例如鉭、鎢、鉬等)、半導體襯底、塑料襯底(例如聚酰亞胺、丙烯酸類、聚乙烯、對苯二酸酯、聚碳酸酯、聚芳基化合物、聚醚砜等)，能夠被用作襯底1100。此襯底由至少能夠抗工藝中產生的熱的材料組成。在本實施方案中，采用了玻璃襯底。
基底絕緣膜1101a和1101b由氧化硅膜、氮化硅膜、氮氧化硅膜之類的單層結構或二個層或更多個層的疊層結構組成。用諸如濺射方法、減壓CVD方法、或等離子體CVD方法之類的熟知方法來形成這些膜。雖然在本實施方案中形成了二層結構的基底絕緣膜，但也可以形成單層結構或3個層或更多個層的疊層結構的基底絕緣膜。在本實施方案中，形成了厚度為50nm的氧氮化硅膜作為第一基底絕緣膜1101a，且形成了厚度為100nm的氮氧化硅膜作為第二基底絕緣膜1101b。要指出的是，氧氮化硅膜和氮氧化硅膜在氮和氧之間的比例方面是不同的。氧氮化硅膜包含的氮多于氧，而氮氧化硅膜包含的氧多于氮。
接著，形成非晶半導體膜1102。可以用諸如濺射方法、減壓CVD方法、或等離子體CVD方法之類的熟知方法，用厚度為25-80nm的硅或硅基材料(例如SixGe1-x)來形成非晶半導體膜。在本實施方案中，形成了厚度為66nm的非晶硅。
隨后，非晶硅被晶化。在本實施方案中，激光退火方法被用于晶化。
本發明的激光輻照設備被用于激光退火工藝。準分子激光器、YAG激光器、玻璃激光器、YVO4激光器、YLF激光器、Ar激光器等，可以被用作激光輻照設備中的激光振蕩器。
如圖9B所示，用本發明的激光輻照設備來執行激光退火，以便晶化非晶硅。更具體地說，可以用實施方案1-3中任何一個所述的方法來執行激光退火。例如，在能量密度被設定為200-1000mJ/cm2且受照射數目被設定為10-50的條件下執行激光退火。
接著，結晶半導體膜被腐蝕，以便形成圖9C所示的所希望的島狀的結晶半導體膜1102a-1102d。然后，用低壓CVD方法、等離子體CVD方法、濺射方法等，用包括硅的絕緣膜，形成厚度約為115nm的柵絕緣膜1103。在本實施方案中形成了氧化硅膜。在此情況下，用等離子體CVD方法，在TEOS(原硅酸四乙酯)和O2被混合，反應壓力被設定為40Pa，襯底溫度被設定為300-400℃，以及在高頻(13.56MHz)下以0.5-0.8W/cm2的電密度放電的條件下，形成了氧化硅膜。利用隨后在400-500℃的溫度下的熱處理，這樣制造的氧化硅膜獲得了良好的柵絕緣膜特性。
當用本發明的激光輻照設備晶化半導體膜時，有可能抑制束斑不均勻的強度分布所造成的結晶性的不均勻性，從而有可能得到特性優異而均勻的結晶半導體膜。
接著，在柵絕緣膜上形成厚度為30nm的氮化鉭(TaN)膜作為第一導電層，并在其上形成厚度為370nm的鎢(W)膜作為第二導電層。可以用濺射方法用Ta作為靶，在氮氣氛中形成此TaN膜。并可以用濺射方法用W作為靶形成W膜。為了將它們用作柵電極，它們必須具有低的電阻，且最后使W膜的電阻率為20μΩcm或以下。因此，最好用濺射方法，用高純W(純度為99.99％)作為靶來形成W膜，而且，當形成W膜時，必須非常小心不要使雜質混入到其中。這樣就有可能使其電阻率為9-20μΩcm。
雖然本實施方案用厚度為30nm的TaN形成第一導電層，并用厚度為370nm的W形成第二導電層，但這些導電層的材料不局限于此。第一和第二導電層二者都可以由選自Ta、W、Ti、Mo、Al、Cu、Cr、Nd的元素組成，或由包括上述元素作為其主要成分的化合物材料或合金材料組成。此外，也可以采用摻有諸如磷之類雜質的典型為結晶硅膜的半導體膜。而且，還可以使用AgPdCu合金。還可以采用這些材料的組合。第一導電層的厚度最好為20-100nm，而第二導電層的厚度最好為100-400nm。雖然本實施方案示出了二層結構，但導電層可以被形成為單層結構或3個層或更多個層的疊層結構。
接著，根據光刻方法，通過曝光工藝形成抗蝕劑掩模1201。然后，借助于用抗蝕劑掩模1201對導電層進行腐蝕，來形成電極和布線。在第一和第二腐蝕條件下執行第一腐蝕工藝。用抗蝕劑掩模來執行腐蝕，以便形成柵電極和布線。腐蝕條件被適當地選擇。
在本實施方案中，ICP(感應耦合等離子體)腐蝕方法被用作第一腐蝕工藝。此腐蝕工藝在第一腐蝕條件下進行，其中，氣體流速分別為25/25/10sccm的CF4、Cl2、O2被用作腐蝕氣體，借助于在1.0Pa的壓力下將500W的RF(13.56MHz)電功率施加到線圈狀電極，來產生等離子體。還將150W的RF(13.56MHz)電功率施加到襯底側(樣品臺)，并施加基本上負的自偏置電壓。W膜在第一腐蝕條件下被腐蝕，并使第一導電層的邊沿部分成錐形。在第一腐蝕條件下，W膜在每分鐘200nm的腐蝕速率下被腐蝕，而TaN膜以每分鐘80nm的腐蝕速率被腐蝕，且W對TaN的選擇比約為2.5。根據第一腐蝕條件，W膜的錐角約為26度。
接著，在第二腐蝕條件下執行腐蝕工藝。在第二腐蝕條件下，氣體流速分別為30/30sccm的CF4和Cl2被用作腐蝕氣體，借助于在1.0Pa的壓力下對線圈狀電極施加500W的RF(13.56MHz)功率，來產生等離子體。然后執行大約15秒鐘腐蝕工藝。還將20W的RF(13.56MHz)功率施加到襯底側(樣品臺)，并從而施加基本上負的自偏置電壓。在采用CF4和Cl2混合氣體的第二腐蝕條件下，W膜和TaN膜都被腐蝕到相同的程度。
在第二腐蝕條件下，W膜在每分鐘59nm的腐蝕速率下被腐蝕，而TaN膜以每分鐘66nm的腐蝕速率被腐蝕，要指出的是，為了執行腐蝕工藝而不在柵絕緣膜上留下殘留物，可以增加大約10-20％的腐蝕時間。在第一腐蝕工藝中，未被電極覆蓋的柵絕緣膜被腐蝕大約20-50nm。
在第一腐蝕工藝中，由于施加到襯底側的偏置電壓的作用而使第一和第二導電層的邊沿部分成為錐狀。
接著，執行第二腐蝕工藝而不清除抗蝕劑掩模1201。在氣體流速分別為24/12/24sccm的SF6、Cl2、O2被用作腐蝕氣體，且借助于在1.3Pa的壓力下將700W的RF(13.56MHz)功率施加到線圈狀電極來產生等離子體的條件下，來執行第二腐蝕工藝。這樣，腐蝕被進行大約25秒鐘。還將10W的RF(13.56MHz)功率施加到襯底側，從而施加基本上負的自偏置電壓。在此腐蝕條件下，W膜被選擇性地腐蝕，并形成第二導電層。另一方面，第一導電層則很少被腐蝕。第一和第二腐蝕工藝形成了圖10A所示的包括第一導電層1104a-1104d和第二導電層1105a-1105d的柵電極。
然后，如圖10B所示，執行第一摻雜工藝而不清除抗蝕劑掩模1201。提供n型的雜質元素通過第一摻雜工藝以低的濃度被摻雜在結晶半導體層中。可以用離子摻雜方法或離子注入方法來執行第一摻雜工藝。在劑量為每平方厘米1×1013離子至每平方厘米5×1014離子，且加速電壓為40-80kV的條件下，執行離子摻雜方法。在本實施方案中，加速電壓被設定為50kV。周期表中第15元素，典型為磷(P)或砷(As)，可以被用作提供n型的雜質元素。在本實施方案中使用了磷(P)。此時，第一導電層被用作掩模來形成第一雜質區(N--區)1111a-1114a，其中，低濃度雜質以自對準方式被加入。
接著，清除抗蝕劑掩模1201，然后重新形成抗蝕劑掩模1202。如圖10C所示，在比第一摻雜工藝更高的加速電壓下，執行第二摻雜工藝。在第二摻雜工藝中也加入提供n型的雜質。在劑量被設定為每平方厘米1×1013離子至每平方厘米3×1015離子，且加速電壓被設定為60-120kV的條件下，執行離子摻雜方法。在本實施方案中，劑量被設定為每平方厘米3.0×1015離子，而加速電壓被設定為65kV。在第二摻雜工藝中，第二導電層被用作雜質元素的掩模，并執行摻雜工藝，使雜質元素也被加入在位于第一導電層下方的半導體層中。
在第二摻雜工藝中，第二雜質區(N-區，Lov區)1111b和1114b被形成在未與第二導電層重疊或未被掩模覆蓋但與第一導電層重疊的結晶半導體層部分中。提供n型的雜質以每立方厘米1×1018原子至每平方厘米5×1018原子的濃度被加入在第二雜質區中。此外，提供n型的雜質以每立方厘米1×1019原子至每平方厘米5×1021原子的高濃度被加入在暴露的未被第一導電層和掩模覆蓋的結晶半導體膜部分(此部分是第三雜質區1111c、1113c、以及1114cN+區)。而且，此N+區存在于半導體層中，并部分地被掩模1202覆蓋。在此被掩模1202覆蓋的部分中提供n型的雜質的濃度與執行第一摻雜工藝時的濃度相同，因此，此部分仍然被稱為第一雜質區(N--區)。
雖然在本實施方案中借助于執行二次摻雜工藝而形成各個雜質區，但本發明不局限于此，而是可以借助于在適當確定的條件下執行一次或多次摻雜工藝來形成具有所希望的雜質濃度的各個雜質區。
接著，在清除抗蝕劑掩模1202之后，如圖10D所示，重新形成抗蝕劑1203，以便執行第三摻雜工藝。第三摻雜工藝形成第四雜質區(P+區)1112d和1114d以及第五雜質區(P-區)1112e和1114e，其中，提供與第一和第二導電類型相反的導電類型雜質元素被加入到半導體層，以便形成p溝道TFT。
在第三摻雜工藝中，第四雜質區(P+區)1113d和1114d被形成在未被抗蝕劑掩模1203覆蓋和未與第一導電層重疊的結晶半導體層部分中。且第五雜質區(P-區)1113e和1114e被形成在未被抗蝕劑掩模1203覆蓋和未與第二導電層重疊但與第一導電層重疊的部分中。諸如硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)之類的周期表第13元素已知是提供p型的雜質元素。
在本實施方案中，硼(B)被用作提供p型的雜質元素來形成第四雜質區1113d和1114d以及第五雜質區1113e和1114e，并在劑量被設定為每平方厘米1×1016離子，且加速電壓被設定為80kV的條件下，用雙硼烷(B2H6)來執行離子摻雜方法。
要指出的是，貫穿第三摻雜工藝，形成n溝道TFT的半導體層被抗蝕劑掩模1202覆蓋。
此處，利用第一和第二摻雜工藝，磷以不同的濃度分別被加入在第四雜質區(P+區)1113d和1114d以及第五雜質區(P-區)1113e和1114e中。但第三摻雜工藝被執行，使第四雜質區(P+區)1113d和1114d以及第五雜質區(P-區)1113e和1114e中提供p型的雜質元素的濃度為每立方厘米1×1019原子至每平方厘米5×1021原子。因此，第四雜質區(P+區)1113d和1114d以及第五雜質區(P-區)1113e和1114e用作p溝道TFT的源區和漏區毫無問題。
雖然本發明借助于執行一次第三摻雜工藝而形成了第四雜質區(P+區)1113d和1114d以及第五雜質區(P-區)1113e和1114e，但本發明不局限于此。也可以借助于根據摻雜工藝中的條件適當地執行多次摻雜工藝來形成第四雜質區(P+區)以及第五雜質區(P-區)。
這些摻雜工藝形成了第一雜質區(N--區)1112a、第二雜質區(N-區，Lov區)1111b、第三雜質區(N+區)1111c和1113c、第四雜質區(P+區)1113d和1114d、以及第五雜質區(P-區)1113e和1114e。
接著，如圖11A所示，清除抗蝕劑掩模1203，并形成第一鈍化膜1120。包括硅的厚度為100-200nm的絕緣膜被形成作為第一鈍化膜。等離子體CVD方法或濺射方法可以被用作成膜方法。在本實施方案中，用等離子體CVD方法形成了厚度為100nm的氮氧化硅膜。可以用等離子體CVD方法，用SiH4、N2O以及NH3，或用SiH4和N2O來形成此氮氧化硅膜。這些膜在反應壓力被設定為20-200Pa、襯底溫度被設定為300-400℃、以及高頻(60MHz)功率密度被設定為每平方厘米0.1-1.0W的條件下被制造。此外，用SiH4、N2O以及H2制造的氫化氮氧化硅膜可以被用作第一鈍化膜。當然，第一鈍化膜1120不僅可以如本實施方案所示用氮氧化硅膜被形成為單層結構，而且可以用包括硅的其它絕緣膜形成單層結構或疊層結構。
然后，用本發明的激光輻照設備執行激光退火，以便恢復半導體層的結晶性并激活加入到半導體層中的雜質。例如，在能量密度被設定為100-1000mJ/cm2和受照射數目被設定為10-50的條件下，執行激光退火。不僅能夠使用激光退火，而且也能夠使用熱處理或快速熱退火(RTA)。
當在形成第一鈍化膜1120之后執行熱處理時，可以在激活的同時執行半導體層的氫化。氫化是為了用包括在第一鈍化膜中的氫來終止半導體層的懸掛鍵。
作為變通，可以在形成鈍化膜1120之前執行熱處理。但當第一導電層1104a-1104d和第二導電層1105a-1105d的材料不具有足夠的抗熱性時，最好如本實施方案所示在形成第一鈍化膜1120之后執行熱處理，以便保護布線。當在形成第一鈍化膜1120之前執行熱處理時，由于在熱處理中不存在鈍化膜，故無法執行利用包括在鈍化膜中的氫的氫化。
在此情況下，利用等離子體激發的氫來執行氫化(等離子體氫化)，或借助于在300-450℃的溫度下在包括3-100％的氫的氣氛中進行1-12小時加熱而執行氫化。
接著，在第一鈍化膜1120上形成第一層間絕緣膜1121。無機絕緣膜或有機絕緣膜可以被用作第一層間絕緣膜。用CVD方法形成的氧化硅膜或用SOG(旋涂玻璃)方法涂敷的氧化硅膜可以被用作無機絕緣膜。聚酰亞胺、聚酰胺、BCB(苯并環丁烯)、丙烯酸類、正性光敏有機樹脂、負性光敏有機樹脂等組成的膜，能夠被用作有機絕緣膜。也可以采用丙烯酸類膜和氮氧化硅膜的疊層膜。
此外，層間絕緣膜可以由框架結構由硅(Si)和氧(O)鍵組成且包括至少替位氫的材料組成。而且，層間絕緣膜可以由具有至少替位氟、烷基、芳基碳氫化合物之一的材料組成。硅氧烷聚合物可以作為這種材料的典型例子。
根據結構，硅氧烷聚合物可以被分類成硅石玻璃、烷基硅氧烷聚合物、烷基倍半硅氧烷聚合物、倍半硅氧烷氫化物聚合物、烷基倍半硅氧烷氫化物聚合物等。
或者，可以用包括具有Si-N鍵的聚合物(聚硅氨烷polysilazane)的材料來形成層間絕緣膜。
雖然膜被形成得如此薄，但利用上述材料，層間絕緣膜能夠保持其足夠平整性和高度絕緣特性。而且，由于上述材料具有高的抗熱性，故能夠得到在多層布線中能抗回流工藝的層間絕緣膜。而且，由于具有低的吸潮特性，故有可能形成具有較小脫水體積的層間絕緣膜。
在本實施方案中，非光敏丙烯酸膜被形成為1.6微米厚。第一層間絕緣膜能夠降低和整平形成在襯底上的TFT所造成的凹凸。由于為了整平的目的而特別形成第一層間絕緣膜，故最好采用由能夠被容易地整平的材料組成的絕緣膜。
然后，在第一層間絕緣膜上，用氧氮化硅膜形成第二鈍化膜。膜厚度最好約為10-200nm，第二鈍化膜防止潮氣滲透到第一層間絕緣膜中。不僅能夠采用氧氮化硅膜，而且還能夠采用氮化硅膜、氮化鋁膜、氮氧化鋁膜、類金剛石碳(DLC)膜或氮化碳(CN)膜。
用RF濺射方法形成的膜是一種高度致密的膜，其勢壘特性優異。在例如形成氮氧化硅膜的情況下，在Si被用作靶，N2、Ar、N2O以31∶5∶4的氣體流速比流動，壓力被設定為0.4Pa，以及功率被設定為3000W的條件下，執行RF濺射。在形成氮化硅膜的情況下，例如，Si被用作靶，N2和Ar以1∶1的氣體流速比在工作室中流動，壓力被設定為0.8Pa，功率被設定為3000W，成膜溫度被設定為215℃。在本實施方案中，RF濺射被用來形成厚度為70nm的氮氧化硅膜。
隨后，時第二鈍化膜、第一層間絕緣膜、以及第一鈍化膜進行腐蝕，以便形成與第三和第四雜質區相接觸的接觸孔。
接著，如圖11B所示，形成與各個雜質區電連接的布線1122-1128。要指出的是，借助于對厚度為50nm的Ti膜和厚度為500nm的合金膜(Al和Ti)的疊層膜進行圖形化，來形成這些布線。當然，此布線不僅可以被形成為二層結構，而且還可以被形成為單層結構或3個層或更多個層的疊層結構。此外，布線材料不局限于Al和Ti。例如，可以借助于對其中Al膜或Cu膜被形成在TaN膜上，然后在其上進一步形成Ti膜的疊層膜進行圖形化，來形成此布線。
用實施方案1-3所示激光輻照設備制造的半導體器件(特別是顯示器件(液晶顯示器件和EL顯示器件等))，能夠被用于各種電子裝置，有電視裝置、攝象機、數碼相機、風鏡式顯示器(頭戴式顯示器)、導航系統、放聲裝置(汽車音響、音響元件系統等)、個人計算機、游戲機、個人數字助理(移動計算機、移動電話、移動游戲機、電子記事本等)、配備有記錄媒質的放像裝置(具體為配備有能夠播放諸如數字萬能碟盤(DVD)之類的記錄媒質并能夠顯示圖象的顯示器的裝置)等。圖12A-12H示出了這些電子裝置的例子。
圖12A示出了一種電視裝置，它包括機殼13001、支座13002、顯示部分13003、揚聲器部分13004、視頻輸入端子13005等。實施方案1-3所示激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分13003等，從而能夠完成此電視裝置。EL顯示器或液晶顯示器能夠被用作顯示部分13003。要指出的是，此電視裝置包括用于計算機、電視廣播接收、廣告等的所有電視裝置。
圖12B示出了一種數碼相機，它包括主體13101、顯示部分13102、圖象接收部分13103、操作鍵13104、外部連接端口13105、快門13106等。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分13102等，從而能夠完成此數碼相機。
圖12C示出了一種計算機，它包括主體13201、機殼13202、顯示部分13203、鍵盤13204、外部連接端口13205、鼠標13206等。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分13203等，從而能夠完成此計算機。
圖12D示出了一種移動計算機，它包括主體13301、顯示部分13302、開關13303、操作鍵13304、紅外線端口13305等。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分13302等，從而能夠完成此移動計算機。
圖12E示出了一種配備有記錄媒質的放像裝置(此裝置具體為DVD播放機)，它包括主體13401、機殼13402、顯示部分A 13403、顯示部分B 23404、記錄媒質(例如DVD)讀出器13405、操作鍵13406、揚聲器部分13407等。顯示部分A 13403主要顯示圖象信息，而顯示部分B 13404主要顯示文本信息。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分A 13403和顯示部分B 23404等，從而能夠完成此放像裝置。要指出的是，配備有記錄媒質的放像裝置包括游戲機等。
圖12F示出了一種風鏡式顯示器(頭戴式顯示器)，它包括主體13501、顯示部分13502、以及鏡臂部分13503。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分13502等，從而能夠完成此風鏡式顯示器。
圖12G示出了一種攝象機，它包括主體13601、顯示部分13602、機殼13603、外部連接端口13604、遙控接收機13605、圖象接收機13606、電池13607、聲音輸入部分13608、操作鍵13609、目鏡部分13610等。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分13602等，從而能夠完成此攝象機。
圖12H示出了一種移動電話，它包括主體13701、機殼13702、顯示部分13703、聲音輸入部分13704、聲音輸出部分13705、操作鍵13706、外部連接端口13707、天線13708等。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來制造顯示部分13703等，從而能夠完成此移動電話。當顯示部分13703在黑色背景上顯示白色字母時，移動電話消耗的功率較少。
用于這些電子裝置顯示部分的顯示器件，具有用來驅動象素的薄膜晶體管。實施方案1-3所示的激光輻照設備能夠被用來晶化用于薄膜晶體管的半導體膜。在如EL顯示器件那樣用于電子裝置顯示部分的顯示器件要求高的精度和高的結晶性的情況下，有可能制造具有其顯示不均勻性借助于利用實施方案1-3所示的激光輻照設備對半導體膜進行晶化而進一步降低了的顯示部分的電子裝置。
如上所述，用本發明的激光輻照設備制造的半導體器件的應用范圍是極為廣闊的，此半導體器件能夠被應用于所有領域的電子裝置。
權利要求
1.一種束均化器，它包含用來沿預定方向分裂和組合激光束的光學系統，以及用來沿該預定方向均化激光束的強度分布的光波導。
2.根據權利要求1的束均化器，還包含用來沿垂直于該預定方向的方向分裂和組合激光束的光學系統。
3.根據權利要求1的束均化器，其中，光波導具有面對地提供的一對反射平面。
4.根據權利要求1的束均化器，其中，光波導具有面對地提供的二對反射平面。
5.一種激光輻照設備，它包含激光振蕩器，以及束均化器，其中，束均化器包括用來沿預定方向分裂和組合激光束的光學系統，以及用來沿該預定方向均化激光束的強度分布的光波導；且其中，激光束在透射通過光學系統之后，被入射到光波導中。
6.根據權利要求5的激光輻照設備，還包含用來沿垂直于該預定方向的方向分裂和組合激光束的光學系統。
7.根據權利要求5的激光輻照設備，其中，光波導具有面對地提供的一對反射平面。
8.根據權利要求5的激光輻照設備，其中，光波導具有面對地提供的二對反射平面。
9.根據權利要求5的激光輻照設備，其中，激光振蕩器是準分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
10.根據權利要求5的激光輻照設備，其中，激光振蕩器是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
11.根據權利要求5的激光輻照設備，還包含用來相對于激光束移動被輻照表面的移動臺。
12.根據權利要求11的激光輻照設備，還包含用來將被輻照表面傳送到移動臺的傳送裝置。
13.一種制造半導體器件的方法，它包含下列步驟在襯底上形成非單晶半導體膜，以及對作為被輻照表面的非單晶半導體膜執行激光退火工藝，其中，激光退火工藝包括下列步驟用光學系統沿預定方向分裂和組合激光束，用光波導沿預定方向均化激光束的強度分布，以及在相對于非單晶半導體膜移動激光束的同時，對非單晶半導體膜進行輻照。
14.根據權利要求13的制造半導體器件的方法，其中，采用了用來沿垂直于預定方向的方向分裂和組合激光束的光學系統。
15.根據權利要求13的制造半導體器件的方法，其中，光波導具有面對地提供的一對反射平面。
16.根據權利要求13的制造半導體器件的方法，其中，光波導具有面對地提供的二對反射平面。
17.根據權利要求13的制造半導體器件的方法，其中，激光振蕩器是準分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
18.根據權利要求13的制造半導體器件的方法，其中，激光振蕩器是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
19.根據權利要求13的制造半導體器件的方法，其中，采用了用來相對于激光束移動被輻照表面的移動臺。
20.根據權利要求19的制造半導體器件的方法，其中，采用了用來將被輻照表面傳送到移動臺的傳送裝置。
全文摘要
柱形透鏡陣列無法被制造成各個柱形透鏡具有相同的曲率半徑和相同的表面精度。因此，當用柱形透鏡陣列來執行激光退火時，被柱形透鏡陣列分裂的各個束斑無法在相同的表面內被完全地疊加。結果，就形成了矩形束邊沿部分能量被衰減了的區域，激光束的強度分布從而變得不均勻。在本發明中，柱形透鏡陣列結合光波導被使用。在激光束沿預定方向被柱形透鏡陣列分裂之后，各個分裂的束被組合，然后激光束被入射到沿與預定方向相同的方向作用的光波導中。這能夠修正由柱形透鏡陣列加工不精確所造成的激光束強度的變化。
文檔編號B23K26/073GK1580865SQ20041005583
公開日2005年2月16日 申請日期2004年8月4日 優先權日2003年8月4日
發明者田中幸一郎 申請人:株式會社半導體能源研究所