半導體薄膜及其生產方法和設備、及生產單晶薄膜的方法

專利名稱：半導體薄膜及其生產方法和設備、及生產單晶薄膜的方法
背景技術：
本發明涉及一種適合用于液晶顯示、存儲器和其它電子器件的薄膜晶體管(TFTs)的半導體薄膜及其生產方法；一種用于生產單晶半導體薄膜的設備；以及一種生產單晶薄膜、單晶薄膜襯底和一種使用該襯底的半導體器件的方法。
作為半導體薄膜如形成在絕緣基片上的硅薄膜，已知有SOI(硅在絕緣體上)結構和非晶硅薄膜或形成在玻璃襯底上的多晶硅薄膜，其事實上已用于液晶顯示器。
SOI結構的形成往往要通過多種步驟，包括將單晶硅晶片彼此粘貼的步驟和將其拋光的步驟，由于SOI結構基本上采用單晶硅晶片，SOI結構的大體上理想的單晶部分通常能夠用作薄膜晶體管(TFT)的有源裝置的溝道部分。因此，由此制造的器件能夠顯示出良好的電子特性，例如，高遷移率。然而，生產SOI結構的方法需要多種步驟，例如，將單晶硅晶片彼此粘貼的步驟和將其拋光的步驟。由此帶來的缺點是步驟數量增加延長了生產時間，而且也提高了生產成本。
相反地，已知有一種形成結晶硅薄膜的方法，該方法依照低壓CVD法或等離子CVD法，將一種源氣沉積在襯底上，該源氣通過將氫和SiF4混合到硅烷氣中而得，以及一種通過在襯底上形成非晶硅薄膜作為前體和使該非晶硅薄膜結晶以形成結晶硅薄膜的方法。在前者的沉積法中，其中硅的結晶與硅薄膜的沉積一同進行，因為襯底的溫度需要保持在相對高的溫度，更準確地說，600℃或更高，襯底必須用能夠經受高溫的昂貴材料如石英(QUARTS)來制造。在該方法中，使用廉價的玻璃襯底會引起襯底由于其耐熱性差可能變形或扭曲的問題。關于后一種方法，如形成在襯底上的非晶硅薄膜的結晶方法，已知一種長時間(例如20小時)退火襯底的固相生長法，襯底上有非晶硅薄膜已經形成在其上。然而，這樣一種退火方法有一個問題，即由于它需要的時間長，實用性差而且生產成本也升高。為了解決這些問題，已經積極地研究和開發了一種通過由準分子激光器發射的激光束照射使非單晶薄膜結晶的方法。
這種激光放射法包括在襯底上形成非晶硅薄膜或多晶硅薄膜，以及由準分子激光器發射的激光束照射加熱薄膜，由此使薄膜結晶。例如，在使用XeCl準分子激光器的情況中，由于發射波長是308mm和吸收系數約為106cm-1，激光的能量被吸收在自非晶硅薄膜表面約10nm深的區域內，結果襯底溫度稍許升高，并且只有靠近非晶硅薄膜表面的部分結晶。
通過由準分子激光器發射的激光束照射熔化非單晶薄膜和再結晶被熔化薄膜的技術能夠在非晶硅薄膜或多晶硅薄膜中生長多晶硅晶粒。然而，穩定地控制以激光束發射次數為基礎而由此形成的薄膜的結晶質量是非常困難的，因此會引起作為成品的薄膜晶體管的臨界電壓的變化。
另外，在利用PECVD(等離子體增強CVD)系統在襯底上形成非晶半導體薄膜的情況中，薄膜含氫的量約為2-20原子％。在此情況中，其上已形成薄膜的襯底被放入電爐中經受脫氣處理，例如，在420℃約為2小時。通過脫氣處理在薄膜中的氫濃度降至小于2原子％。
為了排除包含在薄膜中的氫在電爐中的這種脫氣(退火)處理存在的問題是，由于襯底必須退火，例如在420℃約2小時，則生產率下降，而且，襯底由于脫氣處理產生的熱會變形及來自玻璃的污染物可以擴散在薄膜中。
發明概述本發明的一個目的是提供一種半導體薄膜，其具有的性能大大高于相關技術的多晶薄膜并且適合于生產具有穩定特性的器件以及其生產時間充分短，以及一種用于生產半導體薄膜的方法和設備。
本發明的另一個目的是提供一種利用這種具有高結晶質量的半導體薄膜生產的半導體器件和單晶薄膜襯底。
本發明更進一步的目的是提供一種生產半導體薄膜的方法，該方法能防止在生產步驟中薄膜爆裂和短時間內從薄膜中排除氫，以及提供一種生產單晶半導體薄膜的設備。
為了解決上述問題，本發明人已經認真研究，發現在多晶薄膜中妨礙晶粒尺寸增大的原因之一是取決于用激光束照射薄膜的方法，以及最終形成一種很不同于相關技術的多晶薄膜的創新的半導體薄膜及其制造。更確切地說，本發明人已經發現，結晶半導體薄膜可以這樣來形成通過在一定照射條件下的激光照射使非單晶薄膜結晶，以致排列成大致規則圖形的多晶晶粒形成在薄膜上，并且熱處理薄膜，其具有突起的表面狀態保持原樣，由此促進薄膜的結晶。
因此，為了解決上述技術問題，根據本發明的第一方面，提供一種生產單晶薄膜的方法，包括的步驟在絕緣基片上形成非單晶薄膜；使非單晶薄膜經受第一次熱處理，由此形成多晶薄膜，其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形；以及使多晶薄膜經受第2次熱處理，由此形成單晶薄膜，其中多晶晶粒彼此結合。
為了大量地生長其中多晶晶粒已經彼此結合的單晶區，可以優選鄰近的多晶晶粒處于容易彼此結合的狀態。從該觀點來看，根據本發明，由于多晶晶粒排列成近似規則的圖形，獲得多晶晶粒的共同結晶方向性是可能的，例如，共同結晶取向平面如在熱處理后再結晶時的(100)平面，并因此通過利用其有序達到多晶晶粒的光滑結合。因此，在熱處理時，將易于促進多晶晶粒的結合，致使多晶膜轉變成單晶膜。
根據本發明的第二方面，提供一種單晶薄膜的生產方法，包括的步驟為在絕緣基片上形成非單晶薄膜；以及用激光束照射非單晶薄膜，由此將非單晶薄膜轉變成單晶薄膜。
對該方案，通過用激光束照射非單晶薄膜，在非單晶薄膜中的晶體生長成單晶薄膜，由此，非單晶薄膜轉變成單晶薄膜。
根據本發明的第三方面，提供一種生產單晶薄膜的方法，包括的步驟為在絕緣基片上形成非單晶薄膜，使非單晶薄膜經受第一次熱處理，以引入一個共同邊界條件；將多晶薄膜經受第2次熱處理，由此，形成其中多晶晶粒結晶的單晶薄膜。
對該方案，由于通過第一次熱處理共同邊界條件被引入多晶晶粒中，所以有可能得到多晶晶粒的共同結晶方向性，例如，共同結晶取向平面如在第一次熱處理后再結晶時的(100)平面，并因此通過利用其有序達到多晶晶粒的光滑結合。因此，在第二次熱處理時，能夠易于促進多晶晶粒的結合，以使多晶膜轉變成單晶膜。
根據本發明的第4方面，提供一種單晶薄膜襯底包括一絕緣基片；和通過利用激光照射的單結晶作用形成在絕緣基片上的一單晶薄膜。具有這種結構，為形成單晶薄膜襯底的結晶作用是通過將多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似的規律的圖形，并熱處理該多晶薄膜來進行的。
根據本發明的第5方面，提供一種利用上述單晶薄膜襯底形成的半導體器件。
根據本發明的第6方面，提供一種形成在絕緣基片上的半導體薄膜，包括形成在半導體薄膜表面上的微凸起。
根據本發明在半導體薄膜上的微凸起是多晶薄膜中多晶晶粒的邊界部分，其在生產步驟中形成，互相抵觸和重疊。這樣的微凸起可以通過將在后面描述的顯微鏡照片中看到。每一個微凸起的高度可以在20nm或更小的范圍內，優選10nm或更小，更優選5nm或更小；每個微凸起的直徑可在0.1μm或更小的范圍內，優選0.05μm或更小；以及每個微凸起的曲率半徑可在60nm或更大的范圍內，優選180nm或更大，更優選250nm或更大。微凸起的密度是在1×1010個/cm2或更少，優選1×109個/cm2或更少，更優選5×108個/cm2或更少。單晶區的大小可在1×10-8cm-2的范圍內或更大，1×10-7cm-2或更大。單晶區不需要形成在絕緣基片上的整個表面上，但可以存在于部分多晶薄膜上。
根據本發明的第7方面，提出一種生產半導體薄膜的方法，包括的步驟為在絕緣基片上形成非單晶薄膜；使非單晶薄膜經受第1次熱處理，由此形成多晶薄膜，和使多晶薄膜經受第2次熱處理，由此形成結晶半導體薄膜；其中在結晶半導體薄膜表面上的凸起低于多晶薄膜表面上的凸起。
對于該方案，在第一次熱處理時，凸起形成在多晶薄膜的表面上。這種自表面向上的凸起是由多晶晶粒的邊界重疊形成的。用于在多晶表面上形成凸起的熱處理可通過由準分子激光器發射的激光束照射來舉例說明。在第二次熱處理時，在單晶薄膜表面上的凸起比多晶薄膜表面上的凸起低，以致至少部分處于邊界彼此重疊的區域基本上消失了。這使得到含有結晶質量極高的單晶區的薄膜成為可能。
根據本發明的第8方面，提供一種生產半導體薄膜的方法，包括的步驟為在絕緣基片上形成非單晶薄膜；使非單晶薄膜經受第一次熱處理，由此形成多晶薄膜；以及使多晶薄膜經受第二次熱處理，由此形成結晶半導體薄膜；其中在結晶半導體薄膜表面上的每個凸起的曲率半徑大于在多晶薄膜表面上每個凸起的曲率半徑。
對該方案而言，在第二次熱處理時，在結晶半導體薄膜表面上的每個凸起的曲率半徑大于在多晶薄膜表面上每個凸起的曲率半徑，結果至少部分處于邊界彼此重疊的邊界區域基本上消失了。這使獲得具有結晶質量極好的半導體薄膜成為可能。
根據本發明的第9方面，提供一種生產半導體薄膜的方法，包括的步驟為在絕緣基片上形成非單晶薄膜；使非單晶薄膜經受第一次熱處理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜；及使多晶薄膜經受第二次熱處理，由此形成半導體薄膜，其中每個微凸起都形成在至少3個或更多的多晶晶粒之間的邊界位置；其中每個微凸起的高度是在25nm或更小的范圍內或者每個每個微凸起的曲率半徑是在60nm或更大的范圍內。
對于該方案，通過第一次熱處理，其中多晶晶粒已經排列成近似規則的圖形的多晶薄膜然后再進行第二次熱處理。因此，至少部分處于邊界互相重疊的區域基本上消失了。這就使獲得具有極好結晶質量的結晶半導體薄膜成為可能。
根據本發明的第10方面，提供每個都利用上述具有微凸起作為部分結構的單晶薄膜的一種半導體器件和襯底。
根據本發明的第11方面，提供一種生產在基片上的半導體薄膜的方法，包括的步驟為形成含氫的非單晶半導體薄膜；使含氫半導體薄膜經受第一次熱處理，由此從中排除氫，接著使已經從其中排出了氫的非單晶薄膜經受第二次熱處理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶體膜。
對于該方案，由于其中多晶晶粒幾乎都被排成列的多晶膜是由第二次熱處理形成的，其中已經進行結晶的結晶半導體薄膜能夠形成，通過第一次熱處理排除氫后，多晶膜通過繼第一次熱處理后的第二次熱處理形成。因此，有可能去除使襯底露天的需要，并因此縮短了第一次和第二次熱處理需要的時間。而且，由于氫的排除在熱處理之前，所以，有可能防止膜的爆裂。
根據本發明的第12方面，提供一種生產在基片上的半導體薄膜的方法，包括的步驟為形成含氫的非單晶半導體薄膜；使含氫非單晶薄膜經受第一次熱處理，由此排除其中的氫，接著使已經排出氫的非單晶薄膜經受第二次熱處理，由此熔融并再結晶非單晶薄膜；以及將經過熔融和再結晶形成的多晶膜作第三次熱處理，由此，將多晶膜轉變成單晶膜。
對于該方案，非單晶薄膜熔融和再結晶后，進行第三次熱處理，通過熔融和再結晶將多晶膜轉變成單晶膜。除氫后接著進行第二次熱處理。因此，有可能去除使襯底露天的需要，并因此縮短了第一次和第二次熱處理所需的時間。而且，由于氫的排除是在熱處理之前進行，所以，有可能防止膜的爆裂。
根據本發明的第13方面，提供一種生產在基片上的單晶半導體薄膜的設備，包括用于在基片形成含氫非單晶薄膜的薄膜成型裝置；用于將含氫非單晶薄膜作第一次熱處理，由此排除其中的氫的第一次熱處理裝置；以及用于將已經除氫的非單晶薄膜繼續進行第二次熱處理的第二次熱處理裝置，由此熔融并再結晶非單晶薄膜。
根據本發明的第14方面，提供一種生產在基片上的單晶半導體薄膜的設備，包括用于形成在基片上的含氫非單晶薄膜的薄膜成型裝置；用于將含氫非單晶薄膜作第一次熱處理的第一次熱處理裝置，由此排除其中的氫；用于將已除氫的非單晶薄膜繼續進行第二次熱處理的第二次熱處理裝置，由此形成多晶膜；以及將多晶膜進行第三次熱處理的第三次熱處理裝置，由此將多晶膜轉變成單晶膜。
具有這種結構，除氫后，繼續進行第二次熱處理。因此，有可能去除使襯底暴露于空氣的需要，并因此縮短了第一次和第二次熱處理所需的時間。
附圖簡介

圖1是用于一種根據本發明生產單晶薄膜方法的準分子激光照射設備的簡圖；圖2是一個說明一個根據本發明生產單晶薄膜方法例子中的形成非晶半導體薄膜步驟的透視剖視圖；圖3是一個說明一個根據本發明的生產單晶薄膜方法例子中的形成多晶半導體薄膜步驟的透視剖視圖；圖4是一個說明一個根據本發明的生產單晶薄膜方法例子中的形成單晶薄膜步驟的透視剖視圖。
圖5是在一個根據本發明的生產單晶薄膜方法的例子中由非晶半導體薄膜轉變成的多晶半導體薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；圖6是在一個根據本發明的生產單晶薄膜方法的例子中由多晶半導體薄膜轉變成的單晶薄膜的SEM照片；
圖7是一個表示使用本發明的單晶薄膜生產的半導體器件的有源矩陣型顯示器的透視簡圖；圖8是一個表示本發明的半導體薄膜例子的剖視簡圖；圖9是一個表示本發明的半導體薄膜例子的透視剖視圖；圖10是一個用于根據本發明生產半導體薄膜方法的準分子激光照射設備的簡圖；圖11是一個說明根據本發明的生產半導體薄膜方法例子中的形成非晶半導體薄膜的步驟的透視剖視圖；圖12是一個說明根據本發明的生產半導體薄膜方法例子中的形成多晶半導體薄膜的步驟的透視剖視圖；圖13是一個說明根據本發明的生產半導體薄膜方法例子中的形成結晶半導體薄膜的步驟的透視剖視圖；圖14是一個在根據本發明生產半導體薄膜方法例子中由非晶半導體薄膜轉變成的多晶半導體薄膜的微凸起的SEM照片；圖15是一個根據本發明生產半導體薄膜方法例子中由多晶半導體薄膜轉變成的結晶半導體薄膜的微凸起的SEM照片；圖16是一個表示使用本發明的半導體薄膜生產的薄膜半導體器件的有源矩陣型顯示器的透視簡圖；圖17是表示根據本發明的第6實施例的生產半導體薄膜方法的流程圖；圖18是表示根據本發明的第7實施例的生產半導體薄膜方法的流程圖。
圖19是說明根據本發明第7實施例生產半導體薄膜方法中形成非晶半導體薄膜步驟的透視剖視圖；圖20是說明根據本發明第7實施例生產半導體薄膜方法中形成多晶半導體薄膜步驟的透視剖視圖；圖21是說明根據本發明第7實施例生產半導體薄膜方法中形成單晶薄膜步驟的透視剖視圖；圖22是在根據本發明第7實施例生產半導體薄膜方法中由非晶半導體薄膜轉變成的多晶半導體薄膜的SEM照片；圖23是在根據本發明第7實施例子生產半導體薄膜方法中，由多晶半導體薄膜轉變成的單晶薄膜的SEM照片；
圖24是一個表示用于根據本發明第8實施例生產單晶半導體薄膜的設備結構的簡圖；圖25A-25F是說明根據本發明第8實施例的生產半導體薄膜步驟和在步驟中的生產設備狀態的剖視圖。其中圖25A表示CVD步驟；圖25B表示襯底運送步驟；圖25C表示脫氣步驟；圖25D表示將非晶膜轉變成多晶膜的步驟；圖25E表示將多晶膜轉變成單晶膜的步驟，以及圖25F表示卸下襯底的步驟；及圖26是表示使用本發明的單晶薄膜生產的半導體器件的有源矩陣型顯示器的透視簡圖。
優選實施例的詳細說明在下文，本發明的優選實施例將參考附圖描述。
首先，本發明的第1和第2實施例，其涉及一種生產單晶薄膜，單晶薄膜襯底，和利用該襯底作為其部分結構的半導體器件的生產方法，將參考附圖描述。
〔第1實施例〕一種根據本發明生產單晶薄膜的方法包括在絕緣基片上形成非單晶薄膜的步驟，將非單晶薄膜作第一次熱處理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜的步驟，以及將多晶薄膜作第二次熱處理，使多晶晶粒互相結合，由此形成單晶薄膜的步驟。
根據本發明生產單晶薄膜的方法，參考圖1-6將在下文中描述。圖1表示一個用于根據本發明生產半導體薄膜作為單晶薄膜方法的準分子激光器照射設備的例子。首先，將描述準分子激光器照射設備，其用于用準分子激光束照射形成在具有低耐熱性的絕緣基片21如玻璃基片上的半導體薄膜22。其上已形成半導體薄膜22的低耐熱性的絕緣基片21被安裝在室20中。準分子照射設備具有一激光諧振腔23、一衰減器24和一包括有均化器的光學系統25，其零部件全部都設置在室20的外面。在XY方向可移動的載物臺27設置在室20中。具有半導體薄膜22形成其上的絕緣基片21安裝在載物臺27上。激光諧振腔23包括準分子激光源，其間歇發射具有脈沖寬60納秒或更大的激光束26。包括均化器的光學系統25接受來自激光諧振腔23經過衰減器24發射的激光束，將激光束整形成具有四邊的每邊長10mm或更大的矩形斷面，以及用如此整形過的激光束照射半導體薄膜22。衰減器24調整來自激光諧振腔23發射的激光束能量。光學系統25不僅將激光束整形成矩形截面，而且也調整激光束，以使激光束能量均勻地分布在矩形斷面。室20的內部保持在惰性氣體氛圍如氮氣中。在激光束26照射時，載物臺27移動，以使激光束26的末端部分互相重疊。半導體薄膜22的表面用這種激光束26順序地間歇照射。形成在安置于準分子激光照射設備的室20內的絕緣基片21的主平面上的半導體薄膜22是通過等離子CVD系統形成的非晶硅膜。
在使半導體薄膜能夠形成具有微凸起的表面狀態的的范圍內，任何準分子激光器都可以用于激光諧振腔23。例如可使用選自KrF，XeCL，XeF和ArF激光器中的一個或幾個準分子激光器。
準分子激光器可以概括地分成兩種類型那些用于直線激光束照射的和那些用于矩形激光束照射的。用于直線激光束照射的準分子激光器發射的每束激光束是直線型。在用于直線激光束照射的準分子激光器照射具有特定分布的區域的情況中，襯底方面或激光源方面在特定方向移動，更確切地說，該區域是用直線激光束，通過在垂直于激光照射縱向的掃描方向重疊直線激光束照射而被照射的。用于矩形激光束照射的準分子激光器發射的各激光束是平面型。具有一種分布的區域的照射是用矩形激光束通過移動襯底方或激光源方，同時使被照射區的終端部分互相重疊。作為用于直線激光束照射的準分子激光器，通常可以采用具有能量密度為350mJ/cm2和脈沖寬度相對短的如約為20納秒的準分子激光器。這種準分子激光器是，例如Lambda Physik Gmbh出售的。另一方面，作為用于矩形激光束照射的準分子激光器，通常可以采用具有能量密度480mJ/cm2和脈沖寬度比較長的如約為150-200納秒的準分子激光器。這種準分子激光器是例如Sopra出售的。
根據本發明生產半導體薄膜方法的一個例子，下面將參考圖2-6描述。首先參見圖2，制備由玻璃、石英、陶瓷或藍寶石制造的絕緣基片31，及非晶半導體薄膜32被形成在絕緣基片31的主平面上，例如，用等離子增強CVD法。作為絕緣基片31，可以采用具有低耐熱性(低熔點)的所謂白玻璃，因為準分子激光器被用作光源。作為非晶半導體薄膜32，可以形成非晶硅膜，例如，通過等離子增強CVD法。非晶半導體薄膜32的厚度通常定為約50mm，根據待生產的半導體器件的特性可作適當調整。作為一個例子，非晶半導體薄膜32的厚度可設定在約500nm或更小的范圍內，一般在約為100nm或更小，優選80nm或更小，更優選60nm或更小的范圍內。
在非晶半導體薄膜32形成后，其上已形成非晶半導體薄膜32的絕緣基片31被安裝到圖1所示的準分子激光器照射設備中，然后進行準分子激光束照射作為第一次熱處理。激光照射是利用波長為308nm的XeCl準分子激光在能量強度確定在340mJ/cm2和掃描方向的重疊比定在95％的條件下進行。在這種激光照射下，非晶半導體薄膜32被熔融和再結晶，形成由基本上排列好的多晶晶粒構成的多晶半導體薄膜33。在多晶半導體薄膜33中的每個多晶晶粒的具有近似矩形的形狀，其對角線長度約0.2μm-0.6μm。晶粒的邊界也通過準分子激光束照射形成。在晶粒邊界部分，由于其互相碰撞晶體隆起產生的每個微凸起35存在于至少3個或更多的多晶晶粒之間的邊界位置。微凸起35高度約為50nm，并且一般是在25nm或更大的范圍內。
圖5是通過激光照射由非晶半導體薄膜32轉變成的多晶半導體薄膜33的SEM(掃描電子顯微鏡)照片。如該照片所示，顯影成鱷魚皮狀的多晶晶粒(多晶硅晶粒)在水平和垂直方向排列成近似規則的圖形，及許多微凸起各形成在至少3個或更多多晶晶粒中的邊界位置。多晶晶粒近似規則的圖形排列可以認為是發生在當賦予激光束強度周期性模式時。在直線激光束照射的情況中，這種周期性模式能夠通過直線激光束照射時在開口部分等的衍射現象賦予直線激光束，以及在平面激光束的照射情況中，周期性模式可以在矩形激光束照射時通過強度調變掩膜片如位相掩膜片的干涉或衍射現象賦予矩形激光束強度。更全面地，可以認為通過激光照射共同邊界條件被導入多晶晶粒。為了大量地生長其中多晶晶粒已經互相結合的單晶區，可以優選鄰近的多晶晶粒處于容易互相結合的狀態。根據該實施例子，為得到鄰近的多晶晶粒容易互相結合的狀態，作第一次熱處理以形成多晶晶粒排列成近似規則的圖形，并由此得到多晶晶粒的共同結晶方向性，例如，共同結晶取向平面如在熱處理后再結晶時的(100)平面。在第一次熱處理后排列近似規則的圖形的多晶晶粒因此將有序地在基片上互相光滑地結合。因此，在接著的第二次熱處理時，將容易促進多晶晶粒的相互結合，以使多晶薄膜轉變成單晶薄膜。
緊隨通過激光照射的第一次熱處理后，用準分子激光束的照射作第二次熱處理。激光照射是采用波長為308nm的XeCl準分子激光在能量強度定為300mJ/cm2和掃描方向的重疊比定為95％的條件下進行的。用于第二次熱處理的激光照射的準分子激光的能量強度低于第一次熱處理激光照射的準分子激光的能量強度，以使多晶半導體薄膜33的熱處理溫度低于第一次熱處理激光照射的熱處理溫度。應當注意到，多晶半導體薄膜33的熱處理溫度設定為低于多晶硅的熔點。
如圖4所示，多晶半導體薄膜33通過第二次熱處理的準分子激光束的照射轉變成單晶薄膜。更確切地說，通過第一次熱處理形成的多晶半導體薄膜33中的鄰近的多晶晶粒通過準分子激光束照射而互相結合，形成單晶薄膜34，其包括具有大小至少為1×10-9cm2或更大的單晶區，優選1×10-8cm2以及更優選其整個為單晶區構成。單晶薄膜34可以包括多晶半導體區或非晶半導體區。在第二次熱處理的準分子激光束照射后，微凸起36便出現在單晶薄膜34的表面上。微凸起36的高度小于在多晶半導體薄膜33表面上的微凸起35的高度。微凸起36的高度非常小，其值等于或小于5nm-20nm，且微凸起36的直徑小如0.1μm或更小。在單晶薄膜34表面上的每個微凸起36都是形成在與通過第一次熱處理而得的多晶晶粒的至少3個或更多的邊界位置相應的位置上，其由于其碰撞而隆起。因此，顯而易見，在多晶半導體薄膜33表面上的微凸起35變平及剩下的仍然隆起的凸起成為單晶薄膜表面上的微凸起36。
單晶薄膜34表面上的微凸起36的密度也減小，例如降至1×109/cm2或更小，微凸起36的曲率半徑大于多晶半導體薄膜33表面上微凸起35的曲率半徑，并且一般是在60nm或更大的范圍內，優選180nm或更大，更優選250nm或更大的范圍內。
圖6是由多晶半導體薄膜33轉變成的單晶薄膜34的SEM照片。從該照片顯而易見，在圖5照片中所示的顯影為鱷魚皮狀的多晶晶粒消失了并且許多微凸起也消失了，以及得到了具有大量單晶區的單晶薄膜34。單晶區的大小約為2μm，其大到足以形成薄膜晶體管的溝道區。
在以上的描述中，具有微凸起36的單晶薄膜34是通過用準分子激光束進行第一和第二次熱處理形成的；然而，本發明不限制于此。例如，第一和第二次熱處理可以通過由不同種類的激光器如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束照射進行，或者可以通過不同種類的能量束如X射線或電子束在假設不允許能量束穿過薄膜的情況下照射進行。又由于第二次熱處理是通過加熱的退火處理，這種熱處理不必通過激光照射進行，但是可以通過燈光退火，比較長時間的爐內退火，或利用電熱絲式加熱器進行。
不同于作為退火處理進行的第二次熱處理，優選進行第一次熱處理以在絕緣基片上形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜，以便形成微凸起。因此，第一次熱處理是用大能量的準分子激光束照射進行的。在這種情況中，為得到排列成近似規則的圖形的多晶晶粒，可以通過在開口部分等處直線激光束照射的衍射現象賦予激光束強度以周期性模式，或者強度調制掩膜片如位相掩膜片由矩形激光束照射的干涉或衍射現象賦予激光束強度以周期性模式。周期性模式賦予激光束強度對多晶晶粒核的生長有效，結果在絕緣基片上形成在其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜。
至少第一次熱處理或第二次熱處理二者之一可以大體上在真空中，惰性氣體氛圍中或非氧化氣體氛圍中完成。特別是，如果在非晶半導體薄膜最初形成在絕緣基片上后或第一和第二次熱處理之間，處理是通過保持同樣的常壓氣體或腔室沒有露天地由一個腔室變到另一個進行，則有可能去掉調節常壓氣體消耗的時間。
作為絕緣基片31，可以是各種襯底如有特定剛度和耐熱性的玻璃襯底，所謂白玻璃，塑料襯底，陶瓷襯底，石英襯底，硅晶片以及通過在半導體晶片上形成氧化膜或氮化膜而得的襯底。特別是，由于熱處理只進行非常短的時間，低耐熱性(例如600℃)的襯底可以足夠使用。另外，各種中間層和反射層，以及其它功能層可以設置在絕緣基片31的薄膜形成表面上。
形成在絕緣基片31上的單晶薄膜34是通過結晶非單晶硅膜如非晶硅膜或多晶硅膜形成的單晶薄膜。單晶薄膜34的厚度是例如定在約40nm-50nm的范圍內。結晶半導體薄膜是多晶薄膜處于熱處理前狀態的形式。在此情況中，多晶薄膜可處于理想的多晶晶粒排列成近似規則的圖形狀態。除硅外，SiGe和SiC可以用作形成單晶薄膜34的材料。
單晶薄膜34可以處于多晶區，其中多晶晶粒互相結合的單晶區以及非單晶區彼此混合的狀態。其中多晶晶粒互相結合的單晶區的大小一般在1×10-9cm2或更大的范圍內，優選1×10-8cm2，更優選16×10-8cm2或更大。當單晶薄膜中單晶區的尺寸變大時，結晶特性變得接近完美的單晶，并且相應地單晶薄膜的性能變得穩定。單晶薄膜34不需要形成在絕緣基片的整個表面上，但是可以部分存在于多晶薄膜上。單晶薄膜34中的單晶區優選結晶取向平面(110)，(111)和(110)平面之一。在這個實施例子中，準分子激光器掃描，但不是必須掃描。甚至在該例中，多晶晶粒排列成近似規則的圖形。在該實施例子中，第一和第二次熱處理是分別進行的；雖然，為提供共同邊界條件的第一次熱處理和為將多晶薄膜轉變成單晶薄膜的第二次熱處理可以幾乎同時進行。
如上所述其上已經形成單晶薄膜34的絕緣基片31可以用作生產半導體器件的半導體襯底。半導體器件可以應用作為薄膜晶體管或其它電子器件，具體地，如將在后面所述，作為薄膜晶體管用于液晶顯示器的同步電路。形成在絕緣基片上的單晶薄膜包含的單晶區能夠當絕緣基片用作半導體器件的半導體襯底時，使半導體器件的特性穩定，更確切地說，當絕緣基片用作薄膜晶體管的半導體襯底時，其能夠遏制臨界值的變動并提高遷移率，該遷移率使器件能跟上高速工作。
〔第2實施例〕有源矩陣型顯示器作為半導體器件的一個例子，其采用根據本發明生產單晶薄膜方法生產的薄膜晶體管，將參考圖7描述于下。在這個實施例中，半導體器件通過采用具有微凸起的薄膜作為溝道成形。參見圖7，該顯示器具有嵌板結構，包括一對絕緣基片51和52，以及電子光學材料53固定在其間。例如，液晶材料用作電子光學材料53。像素列陣部分54和同步電路部分集中地形成在下絕緣基片51上。同步電路部分分成垂直掃描器55和水平掃描器56，用于外部連接的接線端部57形成在絕緣基片51的周圍部分的上端。接線端部57通過接線58與垂直掃描器55連接和水平掃描器56連接，成排布置的選通電路線59和成柱狀布置的信號線路60形成在像素列陣部分54。像素電極61和用于驅動像素電極61的薄膜晶體管62形成在線路59和60二者的每個交叉點。薄膜晶體管62的選通電極與相應的選通線路59連接。薄膜晶體管62的漏極部位與相應的像素電極61相連接，及其源區與相應的信號線路60連接。選通線路59與垂直掃描器55連接，及信號線路60與水平掃描器56連接。每個用于切換地驅動像素電極61的薄膜晶體管62和包含在垂直掃描器55和水平掃描器56中的薄膜晶體管是根據第1實施例所述的方法生產的，以使薄膜的溝道部分具有微凸起的單晶區，其結晶特性接近于單晶。還有，除垂直掃描掃描器和水平掃描器外，視頻驅動器和定時發生器也集中地形成在絕緣基片51上。
接著將參考附圖描述第3、第4和第5實施例子，其涉及半導體薄膜及其生產方法，采用半導體薄膜作為部分結構的半導體器件，以及一種根據本發明的襯底。
〔第3實施例〕本實施例中的半導體薄膜成形為形成在絕緣基片上的半導體薄膜，其中微凸起形成在半導體薄膜的表面上。
本實施例中的半導體薄膜也成形為由其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜形成在絕緣基片上的半導體薄膜，其中每個微凸起形成在至少3個或更多多晶晶粒之間的邊界位置。
圖8是根據本發明的半導體薄膜的示意圖。參見圖8，結晶的薄膜102形成在絕緣基片101上作為絕緣基片，及大量微凸起103形成在結晶薄膜102的表面上。
作為絕緣基片101，可以有各種襯底如具有特定剛度和耐熱性的玻璃襯底、所謂白玻璃、塑料襯底、陶瓷襯底、石英襯底、硅晶片以及通過在半導體晶片上形成氧化膜或氮化膜而得的襯底。特別是，由于在本實施例中熱處理僅進行很短的時間，具有低耐熱性(例如600℃)的襯底可足夠使用。另外，各種中間層和反射層，以及其它功能層可以成型在絕緣基片101的薄膜形成表面上。
形成在絕緣基片101上的結晶薄膜102是由結晶非單晶硅膜如非晶硅膜或多晶硅膜形成的半導體薄膜。結晶薄膜102的厚度T1，例如，定在約40nm-50nm的范圍內。結晶半導體薄膜處于熱處理前狀態的多晶薄膜形式。在此情況中，多晶薄膜最好是處于多晶晶粒排列成近似規則的圖形的狀態。微凸起103形成在結晶薄膜102的表面上。
在本發明形成半導體薄膜的情況中，微凸起103是在熱處理時形成的。特別是通過利用準分子激光器進行第一次(最初的)熱處理，微凸起103以近似規律的形式形成在結晶薄膜102的表面上，例如，微凸起103以間距N1約為0.3μm排列。從上述來看，微凸起103形成在結晶薄膜102的表面上，同時排列成矩陣形式。微凸起103形成各種形狀，例如近似錐形、矩形及畸形。微凸起103是通過由于多晶晶粒的晶體邊界重疊或互相碰撞，多晶晶粒從表面上隆起的方法形成的。如后面將要描述的，在通過由第1準分子激光器發射的激光束照射和由第2準分子激光器發射的激光束照射形成結晶薄膜102的情況中，由于薄膜是通過具有近似矩形或諸如此類的多晶晶粒在由第1準分子激光器發射的激光束照射時聚集形成的，在近似矩形的四角的每個角和至少3個或更多多晶晶粒中間的每個邊界位置的表面上，多晶晶粒由于多晶晶粒的晶體邊界重疊和相互碰撞而隆起，以致形成大量微凸起103在水平和垂直方向排列成近似規律的形式，其取決于從第1準分子激光器發射的激光束的照射條件。
每個微凸起103的形狀將參考圖8描述于下。微凸起103的高度H1定義為結晶薄膜102的表面和微凸起103的頂部之間的距離，且在20nm或更小的范圍內，優選10nm或更小，更優選5nm或更小。特別是，在第二次熱處理時，由于進行結晶，微凸起103的高度H1變小，以致結晶薄膜102的表面變平成為整體。當結晶進行時，微凸起103的曲率半徑R1會變大，在60nm或更大范圍內，優選180nm或更大，更優選250nm或更大。微凸起103的直徑在0.1μm或更小的范圍內，優選0.05μm或更小。將注意到由于微凸起103不必形成為錐形，直徑D1更確切的意思是在水平面內微凸起103的大小。
微凸起103的排列間距N1等于相鄰兩個微凸起103之間的間隙，更確切地說相等于處于微凸起103存在于多晶晶粒聚集形成近似矩形狀態的每個多晶晶粒的直徑。每個多晶晶粒的直徑是，例如在0.1μm-4.0μm的范圍內。圖9是微凸起位于近似矩形的四角的每個角的示意圖。在圖9所示的例子中，微凸起103的間距N1是，例如定為約0.3μm。此時，微凸起103的密度在1×1010/cm2或更小的范圍內，優選1×109/cm2或更小，更優選5×108/cm2或更小。結晶薄膜102可以處在多晶區、其中多晶晶粒互相結合的單晶區及非單晶區互相混合的狀態。多晶晶粒互相結合的單晶區的大小通常是在1×10-8cm2或更大的范圍內，優選1×10-7cm2或更大。當結晶薄膜102的單晶區尺寸變大時，結晶的特性變得接近于完美的單晶；且相應地，結晶薄膜102的性能變得穩定。結晶薄膜102不需要形成在絕緣基片101的整個表面上，但是可以存在部分多晶薄膜中。結晶薄膜102中的單晶區優選結晶取向平面(110)，(111)和(110)平面之一。
如上所述其上已形成結晶薄膜102的絕緣基片101可以用作生產半導體器件的半導體襯底。半導體器件可以應用為薄膜晶體管或其它電子器件，特別是，作為薄膜晶體管用作液晶顯示器的同步電路，將在后面描述。形成在絕緣基片上的結晶薄膜102含有單晶區，其能夠在絕緣基片上用作半導體器件的半導體襯底時穩定半導體器件的特性，更確切地說，其能夠在絕緣基片用作薄膜晶體管的半導體襯底時，遏制臨界值的變動，并提高遷移率，該遷移率能使器件跟上高速工作。
〔第4實施例〕接下來，本發明的第4實施例，其涉及生產半導體薄膜的方法，將參考圖10-15描述。按照本實施例生產半導體薄膜的方法，包括在絕緣基片上形成非單晶薄膜的步驟，對非單晶薄膜作第一次熱處理的步驟，由此形成多晶薄膜，以及對多晶薄膜作第二次熱處理的步驟，由此形成結晶半導體薄膜，其中在結晶半導體薄膜表面上的凸起小于多晶薄膜表面上的凸起。
根據本實施例生產半導體薄膜的改進方法包括在絕緣基片上形成非單晶區薄膜的步驟，對非單晶薄膜作第一次熱處理的步驟，由此形成多晶薄膜，以及對多晶薄膜作第二次熱處理的步驟，由此形成結晶半導體薄膜，其中在結晶半導體薄膜表面上每個凸起的曲率半徑大于在多晶薄膜表面上每個凸起的曲率半徑。
根據本實施例生產半導體薄膜的另一種改進方法包括在絕緣基片上形成非單晶薄膜的步驟，對非單晶薄膜作第一次熱處理的步驟，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜的步驟，以及對多晶薄膜作第二次熱處理的步驟，由此形成結晶半導體薄膜，其中每個微凸起形成在至少3個或更多多晶晶粒之間的邊界位置，其中每個微凸起的高度在25nm或更小的范圍內，和每個微凸起的曲率半徑在60nm或更大的范圍內。
圖10表示用于根據本發明生產半導體薄膜方法的準分子激光器照射設備的一個例子。首先，將描述用于以準分子激光束來照射形成在低耐熱性絕緣基片21如玻璃襯底上的半導體薄膜22的準分子激光照射設備。其上已經形成半導體薄膜22的絕緣基片21安裝在室20中，準分子激光照射設備具有激光諧振腔23，衰減器24和包含均化器的光學系統25，其零部件全部安置在室20外。在XY方向可移動的載物臺27設置在室20內。其上形成有半導體薄膜22的絕緣基片21安放在載物臺27上。
準分子激光照射設備與參考圖1所述第1實施例中的準分子激光照射相同，并因此，相應于圖1所示的那些其它部件是用相同參考數字表示，并略去其重復的描述。
根據本發明生產半導體薄膜方法的一個例子將參考圖11-15描述于下。首先參見圖11，制備由玻璃、石英、陶瓷或藍寶石制造的絕緣基片131，將非晶半導體薄膜132形成在絕緣基片131的主平面上，例如，用等離子增強的CVD法。作為絕緣基片131，可以采用低耐熱性的所謂白玻璃，因為采用準分子激光作為光源，非晶薄膜132的厚度通常定在約50nm，并根據待生產半導體器件的特性可作適當調整。
非晶半導體薄膜132形成后，其上已經形成非晶半導體薄膜的絕緣基片131被安放到圖10所示的準分子激光照射設備，然后進行準分子激光束照射作為第一次熱處理。激光照射是采用波長為308nm的XeCl準分子激光在能量強度定為340mJ/cm2和掃描方向上的重疊比定為95％的條件下進行的。在此激光照射下，非晶半導體薄膜132被熔融和再結晶，以形成由基本上排列好的多晶晶粒構成的多晶半導體薄膜133。多晶半導體薄膜133中的每個多晶晶粒具有對角線長度約為0.2μm-0.6μm的近似矩形。晶粒邊界也通過準分子激光束照射形成。在晶粒邊界部分，如圖12所示，由于其互相碰撞存在于至少3個或更多多晶晶粒之間的邊界位置，使晶粒隆起而產生每個微凸起135。微凸起135最大高度約為50nm，并且一般是在25nm或更大的范圍內。
圖14是其中非晶硅轉變成多晶硅的薄膜的SEM照片。如照片中所示，許多微凸起(觀察到的是尺度3μm以內的約10塊白點)是排列好的，更確切地說，許多多晶晶粒在水平和垂直方向排列成近似規則的圖形，以及每個微凸起形成在至少3個或更多多晶晶粒中間的邊界位置。
緊隨用激光照射的第一次熱處理后，通過準分子激光束照射進行第二次熱處理。激光照射是用波長為308mJ/cm2的XeCl準分子激光在能量強度定為300mJ/cm2和在掃描方向的重疊比定為95％的條件下進行。用于第二次熱處理的激光照射的準分子激光的能量強度可以低于用于第一次熱處理激光照射的準分子激光的能量強度，以使多晶半導體薄膜133的熱處理溫度變得低于在第一次熱處理的激光照射時的熱處理溫度。應該注意到多晶半導體薄膜133的熱處理溫度設定為低于多晶硅的熔點。
如圖13所示，多晶半導體薄膜133通過第二次熱處理的準分子激光束的照射轉變成結晶半導體薄膜134。更確切地說，通過第一次形成的多晶半導體薄膜133中相鄰的多晶晶粒，通過準分子激光束的照射互相結合，以形成結晶半導體薄膜134，其包括大小至少為1×10-8cm2或更大的單晶區，并優選其整個由單晶組成。第二次熱處理的準分子激光束照射時多晶半導體薄膜133的熱處理溫度可以低于第一次熱處理的準分子激光束照射時的，并且也可以低于多晶硅的熔點。結晶半導體薄膜134可以包含有除單晶區外的多晶半導體區。在第二次熱處理的準分子激光束照射后，微凸起136出現在結晶半導體薄膜134的表面上，每個微凸起136的高度變得小于多晶半導體薄膜133表面上的每個微凸起135的高度，并且更確切地說，變得非常小，其值等于或小于5nm-20nm。微凸起136的直徑變得小如0.1μm或更小。在結晶半導體薄膜134表面上的每個微凸起136形成的位置相應于通過第一次熱處理而得的至少3個或更多多晶晶粒的邊界位置，由于其碰撞而隆起。因此，顯而易見，多晶半導體薄膜133表面上的微凸起135是平坦的及剩下的仍然隆起的凸起變成結晶半導體薄膜134表面上的微凸起136。
結晶半導體薄膜134表面上微凸起136的密度也降至，例如1×1010/cm2或更小，優選1×109/cm2或更小。微凸起136的曲率半徑大于多晶半導體薄膜133表面上的微凸起135的曲率半徑，一般在60nm或更大的范圍，優選180nm或更大，更優選250nm或更大。
圖15是由多晶半導體薄膜133轉變成的結晶半導體薄膜134的SEM照片。如該照片所示，許多微凸起136(其觀察到為白點)在3μm的尺度內。示于圖15中的白點是細輻射狀，且不清楚，不像圖14中顯示的白點。
在以上描述中，有微凸起136的結晶半導體薄膜134通過準分子激光束照射進行第一和第二次熱處理形成。然而，本發明不限制于此。例如，第一和第二次熱處理可以通過由不同種類的激光器如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束照射進行，或者可以通過不同種類的能量束如X射線或電子束在假設不允許能量束穿過薄膜情況下照射進行。還由于第二次熱處理是通過加熱的退火處理，這種熱處理不必用激光照射完成，但是可以用燈光退火，較長時間的爐內退火，或利用電熱絲式加熱器來加熱完成。
進行第一次熱處理，不同于作為退火處理的第二次熱處理，優選在絕緣基片上形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜，以形成微凸起。因此，第一次熱處理是通過具有大能量的準分子激光束的照射完成。在此情況中，為得到排列成近似規則的圖形的多晶晶粒，周期性模式能夠通過直線激光束照射在開口部分等的衍射現象賦予激光束強度，或者周期性模式能夠通過強度調制掩膜片如位相掩膜片由矩形激光束照射的干涉或衍射現象賦予激光束強度。周期性模式賦予激光束強度對多晶晶粒核的生長有效，結果其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜形成在絕緣基片上。
至少第一次熱處理或第二次熱處理二者之一能夠基本上在真空中，惰性氣體氛圍中或非氧化氣體氛圍中完成。特別是，如果在非晶半導體薄膜最初形成在絕緣基片上后或第一和第二次熱處理之間后，處理是通過保持同樣的常壓氣體或不使腔室露天地從一個腔室改變到另一個腔室進行，則有可能去掉常壓氣體調節耗費的生產時間。
〔第5實施例〕作為半導體器件的有源矩陣型顯示器的一個例子，其采用根據本發明生產的薄膜晶體管，將參考圖16描述如下，在該實施例中，半導體器件是采用具有微凸起的薄膜作為溝道成形。如圖16所示，該顯示器具有嵌板結構包括一對絕緣基片151和152，和電子光學材料153固定其間。例如，液晶材料用作電子光學材料153。像素列陣部分154和同步電路電路部分集中地形成在下絕緣基片151上。同步電路部分分成垂直掃描器155和水平掃描器156。用于外連接的接線端部157形成在絕緣基片151周圍部分的上端。接線端部157通過接線158與垂直掃描器155和水平掃描器156連接。成排布置的選通電路159和成柱狀布置的信號電路160成形在像素列陣部分154。像素電極161和驅動像素電極161的薄膜晶體管162形成在線路159和160二者的每個交叉處。薄膜晶體管162的選通電極與相應的選通電路159相連接。薄膜晶體管162的漏極部位與相應的像素電極161相連接，以及其源區與相應的信號電路160連接。選通電路159與垂直掃描器155連接，信號電路160與水平掃描器156連接。每個用于切換地驅動像素電極161的薄膜晶體管162和包含在垂直掃描器155及水平掃描器156中的薄膜晶體管是根據第4實施例所述的方法生產的，以使薄膜的溝道部分為具有微凸起的單晶區，其結晶特性接近于單晶。而且，除垂直掃描器155和水平掃描器156外，視頻驅動器和定時發生器也可以總體地形成在絕緣基片151中，此外，單晶薄膜或接近于單晶薄膜的結晶薄膜可以用于同步電路部分，多晶薄膜或非單晶薄膜可以用于像素部分。
下面，第6、第7和第8實施例，其涉及一種生產半導體薄膜的方法和一種根據本發明生產可用于上述生產方法的單晶半導體薄膜的設備，將參考附圖描述。
按照第6、第7和第8實施例，一種生產在基片上的半導體薄膜的方法，包括形成含氫非單晶半導體薄膜的步驟，將含氫非單晶薄膜作第一次熱處理的步驟，由此排除氫；以及繼續將已除氫的非單晶薄膜進行第二次熱處理的步驟，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜。按照第6、第7和第8實施例，生產在基片上的半導體薄膜的另一種方法，包括形成含氫非單晶半導體薄膜的步驟，將含氫非單晶薄膜作第一次熱處理的步驟，由此排除氫；繼續將已經除氫的非單晶薄膜進行第二次熱處理的步驟，由此熔融和再結晶非單晶薄膜；以及將熔融和再結晶的多晶膜作第三次熱處理，由此將多晶薄膜轉變成單晶薄膜。
〔第6實施例〕按照本實施例生產在基片上半導體薄膜的方法，包括形成含氫非單晶半導體薄膜的步驟，將含氫非單晶薄膜作第一次熱處理的步驟，由此排除氫及繼續將已經除氫的非單晶薄膜進行第二次熱處理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜。
圖17是表示按照本實施例生產半導體薄膜方法的流程圖，按照本實施例生產半導體薄膜的連續步驟將描述如下。在步驟S1中，由非晶硅制成的非單晶膜形成在基片如絕緣基片上。這種非單晶膜的形成沒有特別的限制，但是可以通過各種方法完成，例如，等離子CVD法、低壓CVD法、大氣壓CVD法、催化劑輔助CVD法、光輔助CVD法及激光CVD法，然而，由于形成非單晶膜步驟繼之以除氫步驟，優選采用等離子CVD法。將注意到在該步驟形成的非單晶膜可含氫。
在步驟S2中，進行第一次熱處理以除氫，例如通過準分子激光束的照射完成。激光照射可以用脈沖寬60納秒或更大的XeCl來完成。在這種準分子激光束照射下，可以從非單晶膜中排除氫，以致氫含量可以降至能夠防止薄膜短時間內爆裂的水平。作為進行第一次熱處理的方法，可以使用由準分子激光器發射的直線或矩形激光束照射，或由其它種類如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束照射。然而，最好是采用脈沖寬60納秒的激光器發射的激光束照射，其能使膜的內部熔融而不熔融襯底。
在用于除氫的第一次熱處理后，在步驟S3中，第二次熱處理是通過準分子激光束照射完成的。該激光照射是采用例如波長為308nm的XeCl準分子激光完成的。在這種準分子激光束照射下，排列成近似規則的圖形的多晶晶粒根據照射條件形成在薄膜的表面上。換句話說，進行準分子激光束照射是用于將共同邊界條件引入多晶晶粒，因此，在能夠將這樣的共同邊界條件引入多晶晶粒的范圍內，可以采用任何照射方法。更確切地說，任何激光照射方法，例如一種準分子激光器發射的直線或矩形激光束照射，或者其它種類激光器如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束照射，在能夠形成排列成近似規則的圖形的多晶晶粒在薄膜表面上的范圍內，都可以用于第二次熱處理。在下一步驟中，理想的是進一步在固相中生長排列成近似規則的圖形的多晶晶粒，以便減少多晶晶粒的邊界。
第一次和第二次熱處理分別在步驟S2和S3中完成，然而能夠利用同一腔室連續進行，或它們能夠通過彼此分開或改變在第一次和第二次熱處理時用激光束照射的區域同時進行。
按照第6實施例形成的多晶膜，就臨界電壓和遷移率的穩定性二者而言，比單晶薄膜差，然而，多晶薄膜的優點是由于氫被充分地排除，大量多晶晶粒生長在固相中。結果，如果多晶薄膜被應用為半導體器件，則有可能提高半導體器件的性能。多晶膜還有另一優點，即由于排除氫在短時間內充分地進行，所以有可能防止多晶膜的爆裂。
〔第7實施例〕按照本實施例生產在基片上的半導體薄膜的方法，包括形成含氫非單晶半導體薄膜的步驟，將含氫非單晶薄膜作第一次熱處理的步驟，由此排除氫，繼續將已除氫的非單晶薄膜進行第二次熱處理的步驟，由此熔融和再結晶非單晶薄膜，以及將熔融和再結晶的多晶膜作第三次熱處理的步驟，由此將多晶薄膜轉變成單晶薄膜。
圖18是表示按照本實施例生產半導體薄膜方法的流程圖。本實施例不同于第6實施例，其中增加了第三次熱處理以將多晶膜轉變成單晶膜。按照本實施例生產半導體薄膜的連續步驟將描述如下。如第6實施例一樣，在步驟S11中，由非晶硅制造的非單晶膜形成在基片如絕緣基片上。這種非單晶膜的形成沒有特別的限制，但是可以各種方法完成，例如，等離子CVD法、低壓CVD法、大氣壓CVD法、催化劑輔助CVD法、光輔助CVD法及激光CVD法，但是，由于形成單晶膜繼之以除氫步驟，優選采用等離子CVD法。將注意到在該步驟形成的非單晶膜可以含氫。
在步驟S12中，用于除氫的第一次熱處理通過例如準分子激光束照射來完成。激光照射可以利用脈沖寬60納秒或更大的XeCl進行。在這種準分子激光束照射下，氫從非單晶膜中排除，以使氫含量可降至能夠防止薄膜爆裂的水平。作為實施第一次熱處理的方法，可以采用由準分子激光器發射的直線或矩形激光束照射，或由其它種類的激光器如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束照射。然而，理想的是用具有脈沖寬60納秒的激光器發射的激光束照射，其使薄膜內部熔融而不熔融襯底。
在除氫的第一次熱處理后，如實施例6一樣，在步驟S13中，第二次熱處理是通過準分子激光束照射完成的。該激光照射是采用在第6實施例中使用的相同準分子激光器進行的。在這種準分子激光束照射下，排列成近似規則的圖形的多晶晶粒根據照射條件形成在薄膜的表面上。換句話說，進行準分子激光束照射以將共同邊界條件引入多晶晶粒，并因此，在能夠將這樣的共同邊界條件引入多晶晶粒的范圍內，可以采用任何照射方法。更確切地說，任何激光照射方法，例如由準分子激光器發射的直線或矩形激光束照射，或者從其它種類激光器如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束的照射，在能夠形成排列成近似規則的圖形的多晶晶粒在薄膜表面上的范圍內，都可以用于第二次熱處理。
第二次熱處理后，在步驟S14中，進行第三次熱處理，以使排列成近似規則的圖形的多晶晶粒互相結合，使多晶晶粒中的邊界消失，由此，形成單晶半導體薄膜。由此所得的多晶半導體薄膜很不同于由多晶膜通過結晶方法擴大多晶晶粒尺寸而得的相關技術的薄膜。即是說，按照本實施例的單晶半導體薄膜具有同等或類似于完美單晶的結晶質量，并且特別是可有效地用作薄膜晶體管的溝道部分。任何工藝方法，在能夠將多晶薄膜轉變成單晶薄膜的范圍內都可以用于進行第三次熱處理；然而，如第一次和第二次熱處理，照射方法可以采用例如直線或矩形激光束照射，或者由不同種類的激光器如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束照射。
第一次、第二次和第三次熱處理分別在步驟S12、S13和S14中完成，然而，它們可以使用同一腔室連續進行，或者它們可以通過彼此分開或改變在第一次、第二次和第三次熱處理中用激光束照射的區域同時進行。
雖然，按照本實施例生產半導體薄膜的方法在流程圖基礎上已經描述，參考圖19-23將更充分地描述。首先參見圖19，制備由玻璃、石英、陶瓷或藍寶石制造的一種絕緣基片231，且非晶半導體薄膜232形成在絕緣基片231的主平面上，例如，通過等離子增強CVD法。作為絕緣基片231可以采用低耐熱性(低熔點)的所謂白玻璃，因為采用準分子激光器作為光源。作為非晶半導體薄膜232，非晶硅膜可以通過例如等離子增強CVD法形成。非晶半導體薄膜232的厚度通常定在約50nm，并根據待生產的半導體器件特性可作適當調整。作為一個例子，非晶硅半導體薄膜232的厚度可以定在約100nm或更小的范圍內，優選80nm或更小，更優選60nm或更小。
非晶半導體薄膜232形成后，用準分子激光束照射非晶半導體薄膜的一部分，以從其中除去氫。激光束的脈沖寬定在60納秒或更大的范圍內，優選60-300納秒，更優選100-250納秒，最優選120-230納秒。準分子激光束照射可以通過能量強度為350mJ/cm2的幾次發射重復，并可通過能量強度為300mJ/cm2的約50次發射重復。用脈沖寬60納秒或更大的準分子激光束照射使從非晶半導體薄膜232中除去氫成為可能。即使非晶半導體薄膜232形成為含氫量10原子％或更少的薄膜，通過準分子激光束照射也能從該薄膜中除去這樣的氫，以致在照射區域的揮發性氣體濃度肯定降低。對于非晶硅膜，通過將膜中的含氫濃度抑制在8％或更小的范圍內，有可能防止由于氫從非晶硅膜中釋放而發生磨耗。在將非晶膜轉變成多晶硅膜的情況中，理想的是將氫含量控制在2-5％的范圍內。
準分子激光束的照射可以通過移動在脫氣裝置的腔室中的載物臺的重復方法步驟進行，以這種方法使激光束端部彼此重疊，由此用激光束按順序間歇地照射半導體薄膜表面，或通過掃描直線束來完成。準分子激光束方面可以在載物臺固定，或者載物臺和激光束兩者都可以移動下來掃描。在此方法中，準分子激光照射使從薄膜的照射區除去氫成為可能，即肯定降低了氫濃度等，并因此形成非晶半導體薄膜232含氫的濃度，例如，在小于2原子％的范圍內。
將其上已形成非晶半導體薄膜232的絕緣基片231裝入準分子激光照射設備中，經受準分子激光束照射作為第二次熱處理。激光照射是采用波長為308nm的XeCl準分子激光在能量強度定在340mJ/cm2和在掃描方向的重疊比定在95％的條件下完成的。此外，激光照射是振據線性激光照射法完成的。在這種激光照射下，非晶半導體薄膜232被熔融和再結晶，以形成如圖20所示由基本上排列成好的多晶晶粒構成的多晶半導體薄膜233。多晶半導體薄膜233中的每個多晶晶粒具有其對角線長度約為0.2μm-0.6μm的近似矩形形狀。結晶晶粒的邊界也是通過準分子激光束照射形成。在晶粒的邊界部分，由于其相互碰撞存在于至少3個或更多多晶晶粒中間的邊界位置而晶粒隆起產生每一個微凸起235。微凸起235的高度最大約為50nm，且通常在25nm或更大的范圍內。每個多晶晶粒的大小可以通過改變激光束脈沖數來控制。例如，通過增加激光束脈沖到20射次或更大。則每個多晶晶粒的大小可以增加到3μm或更大。此外，在本實施例中選擇的能量強度使得非單晶硅熔融和再結晶；然而，能量強度可以選擇到一個不使多晶硅熔融的值。在這種情況中，有可能在周相中生長多晶硅。
圖22是通過激光照射非晶半導體薄膜轉變成的多晶半導體薄膜SEM照片。如照片中所示，顯影為類似鱷魚皮狀的多晶晶粒(多晶硅晶粒)，在水平和垂直方向排列成近似規則的圖形，及許多微凸起各形成在至少3個或更多的多晶晶粒中間的邊界位置。多晶晶粒的近似規則的圖形排列可以認為在以周期性模式賦予激光束強度時發生。在直線激光束照射的情況中，這種周期性模式可以通過直線激光束照射時在開口部分等的衍射現象賦予直線激光束強度；以及在平面激光束照射情況中，周期性模式可以通過矩形激光束照射時強度調制掩膜片如位相掩膜片的干涉或衍射觀象賦予矩形激光束強度。更全面地，可以認為通過激光照射將一個共同邊界條件引入多晶晶粒。為了大量生長其中多晶晶粒已相互結合的單晶區，可以優選鄰近的多晶晶粒處于容易互相結合的狀態。為得到這種相鄰的多晶晶粒易于互相結合的狀態，根據該實施例，進行第一次熱處理以形成多晶晶粒排列成近似規則的圖形，并由此得到多晶晶粒的共同結晶方向性，例如，共同結晶取向平面如熱處理后再結晶時的(100)平面。第一次熱處理后排列成近似規則的圖形的多晶晶粒，將由此根據其次序互相光滑地結合。因此，在下面的第三次熱處理時，將容易促進多晶晶粒的互相結合，以將多晶半導體薄膜轉變成單晶薄膜。
跟著激光照射的第二次熱處理，用準分子激光束照射作第三次熱處理。激光照射是采用波長為308nm的XeCl準分子激光在能量強度定為300mJ/cm2和掃描方向的重疊比定為95％的條件下進行。用于第三次熱處理激光照射的準分子激光的能量強度低于用于第二次熱處理激光照射的準分子激光的能量強度，以致多晶半導體薄膜233的熱處理溫度變得低于在第二次熱處理激光照射時的熱處理溫度。可以認為，通過在這樣的低溫進行退火處理，從前形成的多晶硅生長在固相中，并由此相鄰的晶粒互相結合。該熱處理溫度設定在低于形成多晶半導體薄膜233的材料多晶硅的熔點。而且，第三次熱處理總照射能量(脈沖能量×脈沖數)設定為大于第二次熱處理的，目的是有效地將多晶半導體薄膜轉變成單晶薄膜。
如圖21所示，多晶半導體薄膜233是通過作為第三次熱處理的準分子激光束照射轉變成單晶薄膜234，更確切地說，通過第二次熱處理形成的多晶半導體薄膜233中的相鄰多晶晶粒由于準分子激光束照射互相結合，形成單晶薄膜234，其包含有大小至少在9×10-8cm2或更大的單晶區，并優選整個都由單晶構成。單晶薄膜234可以含有多晶半導體區或非晶半導體區。
在第三次熱處理的準分子激光束照射后，微凸起236呈現在單晶薄膜234的表面上。微凸起236的高度小于多晶半導體薄膜233表面上的微凸起235的高度，微凸起236的高度非常小，其值等于或小于5nm-20nm。微凸起236的直徑是小如0.1μm或更小。微凸起236的密度在1×10-4個/cm2或更少的范圍內。在單晶薄膜234表面上的每個微凸起236形成的位置相應于通過第二次熱處理而得的至少3個或更多多晶晶粒的的邊界位置，由于其相互碰撞而隆起。即是說，多晶半導體薄膜233表面上的微凸起235是平坦的，且剩下的仍隆起的凸起變成單晶薄膜234表面上的微凸起236。一些微凸起235完全消失。
圖23是由多晶半導體薄膜233轉變成的單晶薄膜234的SEM照片。從照片上顯而易見，在圖22照片中所示顯影為類似鱷魚皮狀的多晶晶粒消失了以及許多微凸起也幾乎消失了，并且得到具有大單晶區的單晶薄膜234。單晶區的大小約為2μm，其大到足以形成薄膜晶體管的溝道區。
如上所述，具有微凸起236的單晶薄膜234是通過由準分子激光束照射進行的第二次和第三次熱處理形成，然而，本發明不限于此。例如，第二次和第三次熱處理可以用不同種類的激光器如稀有氣體激光器或YAG激光器發射的激光束照射進行，或者可以用不同種類的能量束如X射線或電子束在假設不允許能量束穿透薄膜的情況下照射進行。還有由于第三次熱處理是通過加熱的退火處理，這種熱處理不必通過激光照射完成，但是可以用燈光退火，較長時間的爐內退火，或利用電熱絲式加熱器的碳加熱器退火。在用爐內退火進行第三次熱處理的情況中，理想的是具有耐熱性的石英用作襯底及熱處理在溫度400-1000℃進行30min或更長。甚至在用燈光退火作第三次熱處理的情況中，可取的是具有耐熱性的石英用作襯底和熱處理在溫度400-1000℃時進行。
第二次熱處理，不同于作為退火處理的第三次熱處理，優選在絕緣基片上形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜。因此，第二次熱處理是用具有大能量的準分子激光束照射完成。在此情況中，為得到排列成近似規律晶體點陣的多晶晶粒，周期性模式可以通過在開口部分等由直線激光束照射的衍射現象賦予激光束強度，或者周期性模式可以通過強度調制掩膜片如位相掩膜片由矩形激光束照射的干涉或衍射現象賦予激光束強度。賦予激光束強度以周期性模式對多晶晶粒核的生長有效，結果其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜形成在絕緣基片上。
至少第一次、第二次和第三次熱處理之一，能夠基本上在真空中，惰性氣體氛圍中或非氧化氣體氛圍中完成。特別是，如果處理是在非晶半導體薄膜最初形成在絕緣基片上后，第一和第二次熱處理之間或第二次和第三次熱處理之間，通過保持同樣的常壓氣體或不使腔室露天地從一個腔室改變為另一個進行，則有可能去掉調節常壓氣體消耗的時間。由于腔室不露天，則有可能消除氧化作用。
作為絕緣基片231，可能有各種襯底如具有特定剛度和耐熱性的的玻璃襯底、所謂白玻璃、塑料襯底、陶瓷襯底、石英襯底、硅晶片以及通過在半導體晶片上形成氧化膜或氮化膜而得的襯底。特別是，由于熱處理僅在很短的時間內進行，具有低耐熱性(例如600℃)的襯底可足夠使用。另外，各種中間層和反射層，以及其它功能層可以設置在絕緣基片231的薄膜形成表面上。
形成在絕緣基片231上的單晶薄膜234是通過結晶非單晶硅膜如非晶硅膜或多晶硅膜形成的單晶薄膜。單晶薄膜234的厚度定為，例如約40mm-50nm的范圍內。結晶半導體薄膜是處于熱處理前狀態的多晶薄膜形式。在此情況中，多晶薄膜理想的是處于多晶晶粒排列成近似規則的圖形狀態。除硅外，SiGe和SiC可以用作形成單晶薄膜234的材料。
單晶薄膜234可以處于多晶區，其中多晶晶粒互相結合的單晶區和非單晶區彼此混合的狀態。其中多晶晶粒互相結合的單晶區的大小通常在9×10-8cm2或更大的范圍內，優選16×10-8cm2或更大。當單晶薄膜中單晶區的尺寸變大時，結晶特性就變得接近于完美的單晶，并相應地單晶薄膜的性能變得穩定。單晶薄膜234不需要形成在絕緣基片的整個表面上，但是可以部分存在于多晶薄膜中。單晶薄膜234中的單晶區優選具有結晶取向平面(100)，(111)和(110)平面之一。主結晶取向平面是(100)平面，但是也存在結晶取向平面(111)和(110)。
如上所述的其上已形成單晶薄膜234的絕緣基片231可以用作生產半導體器件的半導體襯底。該半導體器件可以用作薄膜晶體管或其它電子器件，特別是，用作將在后面描述的液晶顯示器驅動電路的薄膜晶體管。形成在絕緣基片上的單晶薄膜含有單晶區，其能夠在絕緣基片用作半導體器件的半導體襯底時，穩定半導體器件的特性，且更確切地說，其能夠在絕緣基片用作薄膜晶體管的半導體襯底時，遏制臨界值的變動，并提高遷移率，該遷移率使器件能跟得上高速工作。
〔第8實施例〕本發明的第8實施例，其涉及生產單晶半導體薄膜的設備，將參考圖24和圖25A-25F描述。
首先，生產單晶半導體薄膜的設備將參考圖24描述。圖24是表示本實施例中一個生產半導體薄膜設備例子的剖視簡圖。該生產設備基本上包括CVD室259、激光照射室265和用于將室259和265兩者互相連接的輸送室264。
CVD室259是用于在放置于樣品載物臺262上的襯底上通過CVD法形成薄膜的加工室。膜形成氣體261是通過形成在CVD室259上部的氣體入口260引入，以在襯底上形成薄膜。輸送室264構成輸送通道，通過它在CVD室259中已加工的襯底輸送到激光照射室265中而腔室不露天。特別是，閘門263設置在CVD室259和輸送室264之間。例如，在薄膜用CVD法形成期間，閘門263保持關閉以阻止CVD室259和輸送室264之間氣體交通。激光照射室265是用于通過激光照射進行脫氣處理和用于再結晶的退火處理的加工室。激光照射室265有樣品載物臺275，其上放置有從輸送室264輸送來的襯底。允許激光束穿過的石英窗266設置在激光照射腔室265的上部。由準分子激光器267發射的激光束穿過石英窗266，以照射在激光照射腔室265中的襯底的上表面。用于將在激光照射室265中的空氣改變成特定的氣氛如氮氣氛圍的氣體人口268設置在激光照射腔室265的上部。用于已經進行激光照射的襯底卸料的出料口269，設置在激光照射室265的后壁。
配置在激光照射室265之上的準分子激光器267是具有脈沖寬為60納秒或更大的脈沖寬度的激光器。在該例子中，除氫和通過退火再結晶是通過改變準分子激光激的輻射能量密度完成的。準分子激光器267最初位于面對樣品載物臺275上襯底的一個端部的位置以照射端部，并由此水平移動。
生產半導體薄膜的方法包括采用圖24所示的生產半導體薄膜的設備進行脫氣和再結晶的步驟，將參考圖25A-25F描述。
首先參見圖25A，襯底251是安放在CVD室259中的樣品載物臺262上，并且閘門263關閉以通過CVD法進行薄膜的形成。通過CVD形成薄膜進行如下就是，作為用于形成非晶硅膜的CVD氣體的硅烷和氫氣通過氣體人口260被引入CVD室259，并同時在CVD室259中進行等離子放電，從而非晶硅(a-Si)膜252沉積在襯底251上，在這種通過等離子體增強CVD形成非晶硅膜252的情況中，在非晶硅膜252必然含有氫。
薄膜形成后，停止等離子放電以及停止供應CVD氣體，并且CVD室259內部排空。在CVD室259內部排空后，輸送室264和照射室265也被排空。然后打開閘門，在CVD室259中其上已形成薄膜的襯底251以圖25B所示方向輸送。襯底251通過輸送室264并到達激光照射室265。在激光照射室265中其上已形成薄膜的襯底251被放置在樣品載物臺275上。在輸送室264和CVD室259之間形成的閘門263在襯底251通過閘門263后關閉。具有這種結構，由于襯底周圍氣體251在其中襯底251從CVD室259輸送到激光照射室265期間是不露天的，這就有可能短時間加工襯底251并減少襯底251被無用的雜質污染的可能性。
在將其上含氫非晶硅膜252已形成的襯底251放置在激光照射室265中的樣品載物臺275上后，如圖25C所示，非晶硅膜252用激光束272照射以除氫。激光束272的照射是采用準分子激光器267(脈沖寬度60納秒或更大)進行的，激光束272的能量密度確定在不使非晶硅膜252熔融和結晶的值，例如約300mJ/cm2。由于由準分子激光器267發射的激光束272不是立刻影響襯底251上的非晶硅膜252的整個表面，準分子激光器267沿著襯底251的主平面以圖中的方向271移動以在含氫非晶硅膜252的整個表面上進行脫氣。此外，可以采取另外的結構，即激光照射室265的大小制成襯底251兩倍的大小和樣品載物臺275構造成XY平臺，其中樣品載物臺275在水平方向移動，而準分子激光器267固定，以通過準分子激光器267發射的激光束272照射非晶硅膜252的整個表面。另外，準分子激光器267發射的激光束272和樣品載物臺275兩者都能夠移動。在這樣的激光束272照射下脫氣，非晶硅膜252中的含氫量降低。例如，有可能達到脫氣氫量為2原子％或更少，其比得上用電爐退火完成的。
緊接脫氣處理，非晶硅膜252結晶通過利用同樣的準分子激光器267完成。通過利用準分子激光器267的用于結晶的激光照射進行為兩個步驟從準分子激光器267發射的激光束273照射用于多晶晶粒排列成近似規則的圖形和從準分子激光器267發射的激光束274照射以將多晶薄膜轉變成單晶膜。自準分子激光器267發射的激光束273的能量密度是，例如約340mJ/cm2。由于脫氣處理包括通過由準分子激光器267發射的激光束272完成除氫，則有可能防止由準分子激光器267發射的激光束273照射期間膜爆裂。在這種從準分子激光器267發射的激光束273照射下，非晶硅膜首先是多晶化，然后多晶晶粒排列成近似規則的圖形(見圖22)。更確切地說，由準分子激光器267發射的激光束273照射以將非晶膜轉變成多晶膜可以通過將準分子激光器267按照圖25D中箭頭271所示的方向移動來完成。結果，襯底251上的非晶硅膜252可以全部多晶化。如用于脫氫的激光照射一樣，樣品載物臺275可以構造成XY平臺。在這種情況中，自準分子激光器267發射的激光束273的全部照射可以通過在水平面內移動樣品載物臺275，同時固定準分子激光器267達到。準分子激光器267發射的激光束273和樣品載物臺275兩者均可移動。
在通過由準分子激光器267發射的激光束273照射多晶晶粒排列成近似規則的圖形后，如圖25E所示，進行由準分子激光器267發射的激光束274的照射以將多晶膜轉變成單晶膜。在激光束274的這種照射下，在多晶硅膜中的相鄰多晶晶粒互相結合以致多晶硅膜轉變成單晶硅膜252S。更確切地說，由準分子激光器267發射的激光束274照射以將多晶膜轉變成單晶膜可以通過按照圖25E中箭頭271所示的方向移動準分子激光器267來完成，由此，在襯底251上的多晶硅膜可以全部轉變成單晶硅膜。如用于脫氫的激光照射一樣，樣品載物臺275可以構造成XY-平臺。在這種情況中，自準分子激光器267發射的激光束274的全部照射可以通過沿水平面內移動樣品載物臺275同時固定準分子激光器267達到。準分子激光器267發射的激光束274和樣品載物臺275兩者均可移動。
最后，如圖25F所示，形成在激光照射室265側部的卸料口269打開，已經過脫氣處理和結晶處理兩者的襯底251通過卸料口269移出激光照射室265。
如上所述，襯底251上的非晶硅膜252用同樣的準分子激光器267進行脫氣處理和結晶處理兩者。按照相關技術的生產方法，由于用電爐進行脫氣處理，從用CVD系統完成CVD步驟到用激光退火裝置進行激光退火步驟，進行這些步驟需要2小時，并且還需要使襯底251露天。相反地，按照本實施例，由于從CVD步驟經過脫氣步驟到結晶步驟可以用同樣的半導體薄膜生產設備進行，則有可能提高生產率。此外，由于結晶前進行了充分的脫氣，則有可能防止非晶硅膜252的爆裂，并因此生產出質量好的半導體薄膜。
〔第9實施例〕一個有源矩陣型顯示器作為半導體器件的例子，其采用根據本發明生產的薄膜晶體管，將參考圖26描述如下。在本實施例中，生產薄膜是通過形成非單晶膜，用脈沖寬60納秒或更大的準分子激光器除去包含在膜中的氫，將非單晶膜轉變成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜，以及通過多晶晶粒互相結合將多晶膜轉變成單晶膜，以及該薄膜被用作半導體器件的溝道。參見圖26，這種顯示器具有嵌版結果包括一對絕緣基片281和282，及固定其間的光電材料283。例如，液晶顯示材料用作光電材料283。像素列陣部分284和同步電路部分集中地形成在下絕緣基片281上。同步電路部分分成垂直掃描器285和水平掃描器286。用于外連接的接線端部287形成在絕緣基片281周邊部分的上端。接線端部287通過接線288與垂直掃描器285和水平掃描器286相連接。成排布置的選通電路289和布置成柱狀的信號線路290形成在像素列陣部分284中。像素電極291和用以驅動像素電極291的薄膜晶體管292形成在線路289和290二者的每個交叉點處。薄膜晶體管292的選通電極與相應的選通線路289相連接。薄膜晶體管292的漏極部位與相應的像素電極291相連接，及其源區與相應的信號線路290連接。選通線路289與垂直掃描器285連接，及信號線路290與水平掃描器286連接。每個用于切換地驅動像素電極291和包含在垂直掃描器285及水平掃描器286中的薄膜晶體管是用第8實施例的方法生產的，采用準分子激光器，其中得到薄膜的溝道部分是通過形成非單晶膜，除去膜中的氫，將非單晶膜轉變成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜，以及通過多晶晶粒互相結合將多晶膜轉變成單晶膜。此外，除垂直掃描器和水平掃描器外，視頻驅動器和定時發生器也可集體地形成在絕緣基片281中。
如上所述，根據本發明生產單晶薄膜的方法，通過第一次熱處理多晶晶粒排列成近似規則的圖形；及通過第二次熱處理促進結晶作用以形成單晶薄膜，結果，在利用這種單晶薄膜生產半導體器件的情況中，有可能由于高遷移率實現器件的高速工作和有可能遏制器件臨界電壓的變動。此外，由于采用準分子激光器熱處理能夠短時間內完成，有可能顯著地降低生產步驟所需要的時間。
根據本發明的半導體薄膜及其生產方法，一種通過第一次和第二次熱處理形成的具有微凸起的結晶半導體薄膜表現出接近于單晶的特性，其很不同于有關技術的多晶薄膜。結果，在采用這種單晶薄膜生產半導體器件的情況中，有可能由于高遷移率實現器件的高速工作和有可能遏制器件臨界電壓的變動。此外，由于采用準分子激光器熱處理能夠在短時間內完成，有可能顯著地降低生產步驟所需要的時間，并因此降低生產成本。
根據本發明的生產半導體薄膜方法和生產單晶半導體薄膜方法，由于可利用激光照射熱處理短時間內排除氫，則有可能生產一種半導體薄膜，同時防止薄膜爆裂，并因此生產出一種薄膜毛病和損害少的半導體器件。
根據本發明的生產半導體薄膜方法和生產單晶半導體薄膜的設備，由于單晶膜可以通過激光照射形成在絕緣基片上，則有可能易于生產一種單晶半導體薄膜，其性能大大高于有關技術的多晶薄膜并適于生產具有穩定特性的器件以及其能夠短時間內生產。
根據本發明的生產半導體薄膜方法和生產單晶半導體薄膜的設備，由于襯底能夠在熱處理期間襯底不露天的情況下進行熱處理，則有可能防止膜的部分氧化和防止加工由一種氣氛變到另一種而拖延。
雖然本發明的優選實施例已用特定的術語描述，但是這種描述僅僅用于說明目的，并且當然，在不違背下列權利要求的精神和范圍的情況下可以作改變和變化。
權利要求
1.一種生產單晶薄膜的方法，包括步驟在絕緣基片上形成非單晶薄膜；將非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜；及將多晶薄膜進行第二次熱處理，由此形成其中多晶晶粒互相結合的單晶薄膜。
2.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理的至少二者之一是通過激光束照射完成的。
3.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理通過激光束照射完成，并且在所述第二次熱處理的激光束強度低于在所述第一次熱處理的激光束強度。
4.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜方法，其中所述第二次熱處理是在溫度低于多晶薄膜的熔點下完成的。
5.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜方法，其中至少所述第一次熱處理或第二次熱處理中之一是通過從準分子激光器發射的激光束照射完成的。
6.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜方法，其中所述第一次熱處理或第二次熱處理中至少二者之一是通過直線激光束照射完成的。
7.一種根據權利要求6的生產單晶薄膜方法，其中所述直線激光束照射是通過在垂直于直線激光束照射縱向的掃描方向重疊激光束完成的。
8.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過矩形激光束照射完成的。
9.一種根據權利要求8的生產單晶薄膜方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片進行的。
10.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是爐內退火、燈光退火或電熱絲式加熱器退火。
11.一種根據權利要求1的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或第二次熱處理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
12.一種生產單晶薄膜的方法，包括步驟在絕緣基片上形成非單晶薄膜；及用激光束照射非單晶薄膜，由此，將非單晶薄膜轉變成單晶薄膜。
13.一種根據權利要求12的生產單晶薄膜的方法，其中激光束是準分子激光束。
14.一種根據權利要求12的生產單晶薄膜的方法，其中所述激光照射進行分兩個步驟第一次激光照射和第二次激光照射。
15.一種根據權利要求14的生產單晶薄膜的方法，其中所述第二次激光照射的能量密度低于所述第一次激光照射的能量密度。
16.一種根據權利要求14的生產單晶薄膜的方法，其中通過第二次激光照射的照射區的溫度低于非單晶薄膜的熔點。
17.一種根據權利要求14的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次激光照射和所述第二次激光照射中至少二者之一是直線激光束照射。
18.一種根據權利要求17的生產單晶薄膜的方法，其中所述直線激光束照射是通過在垂直于直線激光束照射縱向的掃描方向重疊激光束完成的。
19.一種根據權利要求14的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次激光照射或所述第二次激光照射中至少二者之一是通過矩形激光束照射完成的。
20.一種根據權利要求19的生產單晶薄膜的方法，其中所述矩形激光束照射是利用掩膜片進行的。
21.一種根據權利要求12的生產單晶薄膜的方法，其中所述激光照射基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
22.一種根據權利要求12的生產單晶薄膜的方法，其中所述激光照射后繼之以熱處理。
23.一種根據權利要求22的生產單晶薄膜的方法，其中所述熱處理是爐內退火、燈光退火或電熱絲式加熱器退火。
24.一種根據權利要求22的生產單晶薄膜的方法，其中所述激光照射和熱處理基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
25.一種生產單晶薄膜的方法，包括步驟在絕緣基片上形成非單晶薄膜；將非單晶薄膜進行第一次熱處理，以引入共同邊界條件，由此形成多晶薄膜；及將多晶薄膜進行第二次熱處理，由此形成其中多晶晶粒結晶的單晶薄膜。
26.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和所述第二次熱處理中至少二者之一是通過激光束照射完成的。
27.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理是通過激光束照射完成的，在所述第二次熱處理的激光束強度低于在所述第一次熱處理的激光束強度。
28.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是在溫度低于多晶薄膜的熔點下進行的。
29.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過從準分子激光器發射的激光束照射完成的。
30.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或第二次熱處理中至少二者之一是通過直線激光束照射完成的。
31.一種根據權利要求30所要求的生產單晶薄膜的方法，其中所述直線激光束的照射是通過在垂直于直線激光束照射縱向的掃描方向重疊激光束完成的。
32.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過矩形激光束照射完成的。
33.一種根據權利要求32的生產單晶薄膜的方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片進行的。
34.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是爐內退火、燈光退火或電熱絲式加熱器退火。
35.一種根據權利要求25的生產單晶薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
36.一種單晶薄膜襯底包括一種絕緣基片；及采用激光照射通過單結晶作用形成在所述絕緣基片上的一種單晶薄膜。
37.一種根據權利要求36的單晶薄膜襯底，其中所述單晶薄膜厚度為500nm或更小。
38.一種根據權利要求36的單晶薄膜襯底，其中所述絕緣基片是由玻璃、石英或陶瓷制成。
39.一種根據權利要求36的單晶薄膜襯底，其中所述單晶薄膜是由Si，SiGe或SiC制成。
40.一種根據權利要求36的單晶薄膜襯底，其中所述用于形成單晶薄膜的單結晶作用是通過將在多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似規則的圖形并將多晶薄膜熱處理完成的。
41.一種單晶薄膜襯底包括一種絕緣基片；及采用激光照射通過結晶作用形成在所述絕緣基片上的一種半導體薄膜；其中所述半導體薄膜至少含有一個單晶區。
42.一種根據權利要求41的單晶薄膜襯底，其中所述半導體薄膜是其中所述單晶區與多晶半導體區和非晶半導體區混合的薄膜.
43.一種根據權利要求41的單晶薄膜襯底，其中所述半導體薄膜厚度為500nm或更小。
44.一種根據權利要求41的單晶薄膜襯底，其中所述絕緣基片是由玻璃、石英或陶瓷制成。
45.一種根據權利要求41的單晶薄膜襯底，其中所述半導體薄膜是由Si，SiGe或SiC制成。
46.一種根據權利要求41的單晶薄膜襯底，其中用于形成所述半導體薄膜的所述單結晶作用是通過將多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似規則的圖形并將所述多晶薄膜熱處理完成的。
47.一種半導體器件包括一種絕緣基片；一種形成在所述基片上的半導體薄膜，其中至少部分所述半導體薄膜是采用激光照射通過單結晶作用形成的；及一種形成在所述單晶薄膜上的絕緣膜。
48.一種根據權利要求47的半導體器件，其中所述半導體薄膜是一種其中單晶區與多晶半導體區和非晶半導體區混合的薄膜，
49.種根據權利要求47的半導體器件，其中所述半導體薄膜厚度為500nm或更小。
50.一種根據權利要求47的半導體器件，其中所述絕緣基片由玻璃、石英或陶瓷制成。
51.一種根據權利要求47的半導體器件，其中所述半導體薄膜是由Si、SiGe或SiC制成。
52.一種根據權利要求47的半導體器件，其中所述用于形成所述半導體薄膜的結晶作用是通過將多晶薄膜中的多晶晶粒排列成近似規則的圖形并將所述多晶薄膜熱處理完成的。
53.一種形成在絕緣基片上的半導體薄膜，其包括形成在所述半導體薄膜表面上的微凸起。
54.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述微凸起是排列成近似規律圖形的形式。
55.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中每個所述微凸起的高度是在20nm或更小的范圍內。
56.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中每個所述微凸起的直徑是在0.1μm或更小的范圍內。
57.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述微凸起每個的曲率半徑是在60nm或更大的范圍內。
58.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述微凸起的密度是在1×1010個/cm2或更小的范圍內。
59.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述半導體薄膜的厚度在50nm或更小的范圍內。
60.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述微凸起是由所述半導體薄膜中的多晶晶粒之間的邊界部分隆起而形成的。
61.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述半導體薄膜是由非單晶、單晶或其組合制造。
62.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述半導體薄膜包含有尺寸為1×10-8cm2或更大的單晶區。
63.一種根據權利要求53的半導體薄膜，其中所述半導體薄膜包含具有取向晶面為(100)、(111)和(110)晶面中之一的單晶區。
64.一種半導體器件包括一種絕緣基片；一種形成在所述絕緣基片上的半導體薄膜，及一種形成在所述半導體薄膜上的絕緣膜；其中在所述半導體薄膜的表面上形成有微凸起
65.一種根據權利要求64的半導體器件，其中所述微凸起是排列成近似規律的圖形。
66.一種根據權利要求64的半導體器件，其中每個所述微凸起的高度是在20nm或更小的范圍內。
67.一種根據權利要求64的半導體器件，其中每個所述微凸起的直徑是在0.1μm或更小的范圍內。
68.一種根據權利要求64的半導體器件，其中每個所述微凸起的曲率半徑是在60nm或更大的范圍內。
69.一種根據權利要求64的半導體器件，其中所述微凸起的密度是在1×1010個/cm2或更小的范圍內。
70.一種根據權利要求64的半導體器件，其中所述絕緣膜的厚度在5μm或更小的范圍內。
71.一種根據權利要求64的半導體器件，其中所述半導體薄膜的厚度在50nm或更小的范圍內。
72.一種根據權利要求64的半導體器件，其中所述半導體薄膜是由非單晶、單晶或其組合制造。
73.一種根據權利要求64的半導體器件，其中所述半導體薄膜包含有尺寸為1×10-8cm2或更大的單晶區。
74.一種根據權利要求64的半導體器件，其中所述半導體薄膜包含具有取向晶面是(100)、(111)和(110)晶面中之一的單晶區。
75.一種襯底包括；一種其表面上有微凸起的半導體薄膜。
76.一種根據權利要求75的襯底，其中所述微凸起排列成近似規律的圖形。
77.一種根據權利要求75的襯底，其中所述每個微凸起的高度是在20nm或更小的范圍內。
78.一種根據權利要求75的襯底，其中每個所述微凸起的直徑是在0.1μm或更小的范圍內。
79.一種根據權利要求75的襯底，其中每個所述微凸起的曲率半徑是在60nm或更大的范圍內。
80.一種根據權利要求75的襯底，其中所述微凸起的密度是在1×1010個/cm2或更小的范圍內。
81.一種根據權利要求75的襯底，其中所述半導體薄膜的厚度在50nm或更小的范圍內。
82.一種根據權利要求75的襯底，其中所述半導體薄膜是由非單晶、單晶或其組合制造。
83.一種根據權利要求75的襯底，其中所述半導體薄膜包含有大小為1×10-8cm2或更大的單晶區。
84.一種根據權利要求75的襯底，其中所述半導體薄膜包含具有取向晶面是(100)、(111)和(110)晶面中之一的單晶區。
85.一種生產半導體薄膜的方法，包括步驟在絕緣基片上形成非單晶薄膜；將非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此形成多晶薄膜；及將多晶薄膜進行第二次熱處理，由此形成結晶半導體薄膜；其中在結晶半導體薄膜表面上的凸起低于多晶薄膜表面上的凸起。
86.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜方法，其中所述多晶薄膜凸起在其表面上的每個凸起高度為25nm或更大。
87.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述結晶半導體薄膜具有凸起在其表面上，每個凸起高度為20nm或更小。
88.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理的至少二者之一是通過激光束照射完成的。
89.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理是通過激光束照射完成的，及所述第二次熱處理的激光束強度低于所述第一次熱處理的激光束強度。
90.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理在低于多晶薄膜熔點的溫度進行。
91.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過從準分子激光器發射的激光束照射完成的。
92.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過直線激光束照射完成的。
93.一種根據權利要求92的生產半導體薄膜的方法，其中所述直線激光束照射是通過在垂直于直線激光束照射縱向的掃描方向重疊激光束完成的。
94.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過矩形激光束照射完成的。
95.一種根據權利要求94的生產半導體薄膜的方法，其中所述矩形激光束照射是利用掩膜片進行。
96.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是爐內退火。
97.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是燈光退火。
98.一種根據權利要求85的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
99.一種生產半導體薄膜的方法，包括步驟在絕緣基片上形成非單晶薄膜；將非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此形成多晶薄膜；及將多晶薄膜進行第二次熱處理，由此形成結晶半導體薄膜；其中在結晶半導體薄膜表面上的每個凸起的曲率半徑大于多晶薄膜表面上每個凸起的曲率半徑。
100.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述多晶薄膜具有凸起在其表面上，每個凸起的曲率半徑為60nm或更小。
101.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述結晶半導體薄膜具有凸起在其表面上，每個凸起的曲率半徑為60nm或更大。
102.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和所述第二次熱處理的至少二者之一是通過激光束照射完成的。
103.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和所述第二次熱處理是通過激光束照射完成的，及所述第二次熱處理的激光束強度是低于所述第一次熱處理的激光束強度。
104.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是在溫度低于多晶薄膜的熔點下完成的。
105.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過從準分子激光器發射的激光束照射完成的。
106.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或第二次熱處理中至少二者之一是通過直線激光束照射完成的。
107.一種根據權利要求106的生產半導體薄膜的方法，其中所述直線激光束的照射是通過在垂直于直線激光束照射縱向的掃描方向重疊激光束完成的。
108.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過矩形激光束照射完成的。
109.一種根據權利要求108的生產半導體薄膜的方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片完成的。
110.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是爐內退火。
111.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是燈光退火。
112.一種根據權利要求99的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或第二次熱處理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
113.一種生產半導體薄膜的方法，包括步驟在絕緣基片上形成非單晶薄膜；將非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜；及將多晶薄膜進行第二次熱處理，由此形成半導體薄膜，其中每個微凸起形成在至少3個或更多多晶晶粒之間的邊界位置；其中每個微凸起的高度在25nm或更小的范圍內，或每個微凸起的曲率半徑在60nm或更大的范圍內。
114.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和所述第二次熱處理至少二者之一是通過激光束照射完成的。
115.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理是通過激光束照射完成的，及所述第二次熱處理的激光束強度是低于所述第一次熱處理的激光束強度。
116.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是在溫度低于多晶薄膜的熔點下完成的。
117.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過從準分子激光器發射的激光束照射完成的。
118.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或第二次熱處理中至少二者之一是通過直線激光束照射完成的。
119.一種根據權利要求118的生產半導體薄膜的方法，其中所述直線激光束的照射是通過在垂直于直線激光束照射縱向的掃描方向重疊激光束完成的。
120.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一是通過矩形激光束照射完成的。
121.一種根據權利要求120的生產半導體薄膜的方法，其中所述矩形激光束的照射是利用掩膜片完成的。
122.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是爐內退火。
123.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是燈光退火。
124.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理或所述第二次熱處理中至少二者之一基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
125.一種根據權利要求113的生產半導體薄膜的方法，其中每個多晶晶粒的大小在0.1μm-4.0μm的范圍內。
126.一種半導體薄膜，包括一種絕緣基片；和形成在該基片上的一種多晶薄膜，其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形，其中在至少3個或更多多晶晶粒之間的邊界位置形成有微凸起；
127.一種根據權利要求126的半導體薄膜，其中所述微凸起排列成近似規律的形式。
128.一種根據權利要求126的半導體薄膜，其中所述半導體薄膜的厚度在50nm或更小的范圍內。
129.一種根據權利要求126的半導體薄膜，其中每個多晶晶粒的大小在0.1μm-4.0μm的范圍內。
130.一種生產在基片上的半導體薄膜的方法，包括步驟形成含氫非單晶半導體薄膜；將含氫非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此除去其中的氫；將已除氫的非單晶薄膜繼續進行第二次熱處理，由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜。
131.一種根據權利要求130的生產半導體薄膜的方法，其中排列成近似規則的圖形的多晶晶粒通過所述第二次熱處理在固相中生長，以減少多晶晶粒之間的邊界。
132.一種根據權利要求130的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理是通過激光束照射完成的。
133.一種根據權利要求130的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理是通過矩形激光束照射完成的。
134.一種根據權利要求130的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理是通過從準分子激光器發射的激光束照射完成，且激光束的脈寬在60ns或更大的范圍內。
135.一種根據權利要求130的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理中是通過直線激光束照射完成的。
136.一種根據權利要求130的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理和第二次熱處理是在同一室中完成的。
137.一種生產在基片上的半導體薄膜的方法，包括的步驟有成形含氫非單晶半導體薄膜；將含氫非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此除去其中的氫；將已除氫的非單晶薄膜繼續進行第二次熱處理，由此熔融和再結晶非單晶薄膜；及將熔融和再結晶形成的多晶膜進行第三次熱處理，由此將多晶膜轉變成單晶膜。
138.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中在通過所述第二次熱處理熔融和再結晶非單晶薄膜的步驟中，將非單晶薄膜轉變成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜。
139.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次熱處理是通過激光束照射完成的。
140.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理是通過矩形激光束照射完成的。
141.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次熱處理是通過從準分子激光器發射的激光束照射完成的，且激光束的脈寬在60ns或更大的范圍內。
142.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理中是通過直線激光束照射完成的。
143.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次熱處理是在同一室完成的。
144.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第三次熱處理時的總照射能量低于所述第二次熱處理的總照射能量。
145.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第三次熱處理的溫度低于所述第二次熱處理的溫度。
146.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第三次熱處理的溫度等于或低于多晶膜的熔點。
147.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第二次熱處理是通過矩形激光束利用掩膜片完成的。
148.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第三次熱處理是爐內退火。
149.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第三次熱處理是燈光退火。
150.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次熱處理中至少之一基本上是在真空中、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中完成的。
151.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次、第二次和第三次熱處理是在氣密氛圍中連續進行的。
152.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中多晶膜中每個多晶晶粒的大小在0.2μm-0.6μm的范圍內。
153.一種根據權利要求137的生產半導體薄膜的方法，其中所述第一次和第三次熱處理是用同一激光系統完成的。
154.一種生產在基片上的單晶半導體薄膜的設備，包括薄膜形成裝置，用于在基片上形成含氫非單晶薄膜；第一次熱處理裝置，用于將含氫非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此除去其中的氫；第二次熱處理裝置，用于將已除氫的非單晶薄膜繼續進行第二次熱處理，由此熔融和再結晶非單晶薄膜。
155.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中通過所述用于熔融和再結晶非單晶薄膜的第二次熱處理將非單晶薄膜轉變成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜。
156.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一和第二次熱處理裝置是激光束照射裝置。
157.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一次熱處理裝置是矩形激光束照射裝置。
158.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一次熱處理裝置是從準分子激光器發射的激光束照射裝置，且激光束的脈寬在60ns或更大的范圍內。
159.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第二次熱處理裝置是直線激光束照射裝置。
160.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一和第二次熱處理裝置是處于同一室中。
161.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第二次熱處理裝置是采用掩膜片的矩形激光束照射裝置。
162.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一和第二次熱處理裝置至少二者之一是基本上保持在真空、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中。
163.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一和第二次熱處理裝置是連續設置的。
164.一種根據權利要求154的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一和第二次熱處理裝置是連續地、氣密地設置的。
165.一種生產在基片上的單晶半導體薄膜的設備，包括薄膜形成裝置，用于在基片上形成含氫非單晶薄膜；第一次熱處理裝置，用于將含氫非單晶薄膜進行第一次熱處理，由此除去其中的氫；及第二次熱處理裝置，用于將已除氫的非單晶薄膜繼續進行第二次熱處理，由此形成多晶膜；和第三次熱處理裝置，用于將多晶膜進行第三次熱處理，由此將多晶膜轉變成單晶膜。
166.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中通過所述用于熔融和再結晶非單晶薄膜的第二次熱處理，將非單晶薄膜轉變成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶膜。
167.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一和第二、和第三次熱處理裝置是激光束照射裝置。
168.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一次熱處理裝置是矩形激光束照射裝置。
169.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一次熱處理裝置是從準分子激光器發射的激光束照射裝置，且激光束的脈寬在60ns或更大的范圍內。
170.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第二次熱處理裝置是直線激光束照射裝射置。
171.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一、第二和第三次熱處理裝置是在同一室布置的。
172.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第三次熱處理時的總照射能量大于所述第二次熱處理的總照射能量。
173.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第三次熱處理的熱處理溫度低于所述第二次熱處理的溫度。
174.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第三次熱處理的熱處理溫度等于或低于多晶膜的熔點。
175.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第二次熱處理裝置是一個采用掩膜片的矩形激光束照射系統。
176.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第三次熱處理裝置是一種電阻加熱爐。
177.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第三次熱處理裝置是紅外線燈、氙燈或氪燈。
178.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一、第二和第三次熱處理裝置中至少之一是基本上保持在真空、惰性氣體氣氛或非氧化氣體氣氛中。
179.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一和第二次熱處理裝置是同一激光系統。
180.一種根據權利要求165的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一、第二和第三次熱處理裝置是連續設置的。
181.一種根據權利要求180的生產單晶半導體薄膜的設備，其中所述第一、第二和第三次熱處理裝置是氣密性配置的。
全文摘要
一種生產單晶薄膜的方法,包括的步驟有:在絕緣基片上形成非單晶薄膜;將非單晶薄膜進行第一次熱處理,由此形成其中多晶晶粒排列成近似規則的圖形的多晶薄膜;及將多晶薄膜進行第二次熱處理,由此形成其中多晶晶粒互相結合的單晶薄膜。在本方法中,第一次熱處理或第二次熱處理二者之一可以通過激光束,優選從準分子激光器發射的激光束照射完成。用該生產方法形成的單晶薄膜具有比現有技術的多晶薄膜好很多的性能,并適合于生產具有穩定特性的器件。該單晶薄膜能夠采用激光照射作為熱處理在短時間內完成。
文檔編號H01L21/02GK1354495SQ01145068
公開日2002年6月19日 申請日期2001年9月5日 優先權日2000年9月5日
發明者佐藤淳一, 碓井節夫, 坂本安弘, 森芳文, 中嶋英晴 申請人:索尼株式會社