專利名稱：薄膜半導體的制造方法
技術領域：
本發明主要涉及薄膜半導體的制造方法。特別是涉及利用激光照射進行再結晶的技術。
背景技術：
在絕緣基板的表面上形成多晶硅膜作為半導體層，利用此半導體層代替現有的半導體基板的多晶硅薄膜晶體管已公知。在此種多晶硅薄膜晶體管中，由于硅的晶粒邊界限制了載流子的遷移度，所以優選是均勻地形成盡量大粒徑的多晶硅。然而，在通過對作為原材料的非晶態硅照射激光來加熱熔融并在冷卻時進行再結晶的所謂的激光再結晶方式中，對促進晶體生長的硅熔融部的溫度控制一直很困難。因此，一直很難均勻而穩定地形成大粒徑晶體。
對此，有在日本專利中請特開2000-286195號公報(專利文獻1)中公開的技術。在專利文獻1中，利用作為可見光激光的NdYAG2ω激光束，使激光束聚光成為具有在寬度方向上大致為高斯形狀的光強度分布的細線形狀，作為具有規定以上的能量密度梯度的激光束照射在非晶態硅上。在此技術中，采用在非晶態硅上的吸收系數低的可見光抑制膜厚方向的溫度梯度，同時，有意地在寬度方向上形成溫度梯度而在一維的橫向方向上生長。由此，可以得到具有大粒徑的結晶列的多晶硅膜。
專利文獻1日本專利申請特開2000-286195號公報發明內容在上述的專利文獻1中，由于使用光束形狀在寬度方向上具有高斯形狀的分布的可見光的激光束(以下稱其為“可見激光”)，在寬度方向上發生橫向生長。生長不是在膜厚方向上而是在橫向上，所以不受膜厚限制，可以獲得大粒徑。具體言之，與通常的激光再結晶一樣，在使聚光成為細線形狀進行照射的激光束在寬度方向上移動的同時順序進行結晶。通過這樣的掃描，對非晶態硅全部表面進行結晶化。然而，在一次一線(行)的掃描中，在掃描的區域之中，在與掃描方向平行的外緣部，在掃描方向上，即在細線形狀的照射區域的寬度方向上，不會形成清楚的溫度梯度，倒是在照射區域的縱向方向上會形成溫度梯度。因此，會混雜有在照射區域的縱向方向上橫向生長的結晶。這一結晶部分，在其后在相鄰的線受到掃描時，新舊照射區域之間重疊的部分即使是再次受到可見激光的照射，由于可見激光的吸收系數低，也不會熔融。就是說，在與縱向方向平行的外緣部之中，與在寬度方向上橫向生長的結晶不同的結晶部分仍然是在基板的掃描方向上排列。就是說，在作為薄膜半導體使用時，成為特性與其它部分不同的線狀缺陷。由于存在這種線狀缺陷，過去就一直存在，例如，在使用薄膜半導體的機器是顯示裝置時，在顯示中產生線狀缺陷的問題。
本發明的目的在于提供一種在掃描的各線的接縫處不會產生與其它部分不同的線狀缺陷的薄膜半導體的制造方法。
為達到上述目的，基于本發明的一種薄膜半導體的制造方法，包括為了在基板的表面上形成多晶硅膜，使具有可見光波長的第1脈沖激光在上述基板的表面中聚光成具有在寬度方向上大致為高斯形狀的強度分布的細線形狀，并以上述細線形狀在上述寬度方向上移動的方式進行照射的掃描照射工序；在一個位置上在一個方向進行了上述照射工序之后，對完成了該掃描照射的區域中的與上述寬度方向平行的外緣的端部區域照射具有紫外波長的第2脈沖激光的外緣處理工序；以及再次進行上述掃描照射工序，以覆蓋與被上述掃描照射工序覆蓋的區域相鄰、且與實施了上述外緣處理工序的上述端部區域的一部分重疊的區域的工序。
根據本發明，即使是為了使一個廣大的區域變成多晶硅而利用第1脈沖激光對多線重復掃描時，因為在對各線掃描之后，進行具有紫外波長的第2脈沖激光的照射作為外緣處理工序，可以使邊界部分非晶化并正常進行利用第1脈沖激光的晶體生長。其結果，可以防止在各線掃描的結合處產生線狀缺陷而在整個表面上形成均勻的多晶硅膜。
圖1為使用基于本發明的薄膜半導體的制造方法的半導體裝置的制造方法的第1工序的說明圖。
圖2為使用基于本發明的薄膜半導體的制造方法的半導體裝置的制造方法的第2工序的說明圖。
圖3為使用基于本發明的薄膜半導體的制造方法的半導體裝置的制造方法的第3工序的說明圖。
圖4為使用基于本發明的薄膜半導體的制造方法的半導體裝置的制造方法的第4工序的說明圖。
圖5為使用基于本發明的薄膜半導體的制造方法的半導體裝置的制造方法的第5工序的說明圖。
圖6為在基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法中使用的激光退火裝置的概念圖。
圖7為包含在基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法中的掃描照射工序的說明圖。
圖8為利用包含在基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法中的掃描照射工序生長的晶粒的說明圖。
圖9為基于本發明的實施方式1的激光照射的情況的說明圖。在此圖中(a)是表示在寬度方向上的能量密度分布的分布形狀的曲線圖；(b)是表示在被照射物中產生熔融部的情況的剖面圖；而(c)是表示在被照射物內部的溫度分布的曲線圖。
圖10為利用包含在基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法中的掃描照射工序在橫向方向上晶粒生長的情況的說明圖。
圖11為包含在基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法中的掃描照射工序結束時的晶體的情況的說明圖。
圖12為圖11的Z部的擴大圖。
圖13為包含在基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法中的外緣處理工序的說明圖。
圖14為示出波長和吸收系數的關系的曲線圖。
圖15為示出第2脈沖激光的照射能量密度和在照射后形成的結晶狀態的關系的曲線圖。
圖16為重復進行基于本發明的實施方式1的照射工序的情況的說明圖。
圖17為基于本發明的實施方式2的薄膜半導體的制造方法中的外緣處理工序的說明圖。
(附圖標記說明)1脈沖激光光源；2第1脈沖激光；8聚光照射光學系統；9被照射物；12折光鏡；13光束調整光學系統；14載臺；21聚光透鏡；22(聚光成為細線形狀的)第1脈沖激光；24(聚光后的第1脈沖激光的)分布形狀；26熔融部；27(聚光成為細線形狀的光束的)縱向方向；29晶粒；30(聚光成為細線形狀的光束的)寬度方向；31橫向生長晶體；32(表示晶體生長方向的)箭頭；33(第1脈沖激光的)照射區域；34(表示第1脈沖激光的照射區域相對地進行掃描的方向的)箭頭；35(表示基板移動方向的)箭頭；36(通過第1脈沖激光的照射成為多晶硅膜的)區域；37(在端部生成的)晶粒；38、41(第2脈沖激光的)照射區域；39(作為下一線的第1脈沖激光的照射區域已掃描了的)區域；40(表示第2脈沖激光的照射區域的掃描方向的)箭頭；201絕緣基板；202底膜；203非晶態硅膜；204(表示激光照射的)箭頭；206(構圖了的)多晶硅膜；207柵絕緣膜；208柵電極；209源電極；210漏電極；211層間絕緣膜
具體實施例方式
下面參照圖1～圖5對基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法在何種情況下使用進行說明。如圖1所示，利用CVD(化學汽相淀積)法在絕緣基板201的上表面上形成由氧化硅膜等構成的底膜202。底膜202用作防止絕緣基板201中的雜質擴散到要形成的多晶硅膜中的阻擋層。此外，還形成非晶態硅膜203將其覆蓋。
如圖2的箭頭204所示，以具有大于等于350nm的可見光區域的波長的激光作為照射用激光進行照射。此激光照射，加熱非晶態硅膜203使其熔融。在這樣熔融的硅被冷卻和固化時，形成多晶硅膜205。其后，利用光刻技術，如圖3所示，使多晶硅膜206的構圖成為島狀。
如圖4所示，形成氧化硅膜作為柵絕緣膜207，并形成柵電極208。如圖5所示，形成氧化硅膜或氮化硅膜作為層間絕緣膜211，并形成源電極209及漏電極210。這樣，就制成以多晶硅膜206為半導體層的薄膜晶體管。
其中，本發明主要關心的是圖1至圖2的工序，即通過對非晶態硅膜203照射激光使其暫時熔融并冷卻和固化而形成多晶硅膜205的工序。以下對此工序進行詳細說明。
(實施方式1)參照圖6對在基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法中使用的激光退火裝置進行說明。此激光退火裝置具有脈沖激光光源1。脈沖激光光源1，用來產生具有屬于可見光區域的波長的第1脈沖激光2。第1脈沖激光2，具體言之，是振蕩波長532nm的NdYAG2ω脈沖激光。被照射物9是在表面上具有非晶態硅膜203的絕緣基板201，通過照射激光使非晶態硅膜203熔融、再結晶而形成多晶硅膜。
沿著從脈沖激光光源1到被照射物9的光路，順序配置用來使出射的第1脈沖激光2的行進方向彎曲90°的折光鏡12、光束調整光學系統13及作為用來將第1脈沖激光2聚光以照射被照射物9的聚光裝置的聚光照射光學系統8。被照射物9設置在載臺14上。載臺14可上下左右移動。
從脈沖激光光源1射出的第1脈沖激光2，由折光鏡12以直角彎曲，入射到聚光照射光學系統8。利用聚光照射光學系統8將第1脈沖激光2聚光成為線狀。此處，通過借助載臺14調整被照射物9的高度，可使第1脈沖激光2的聚光點位于被照射物9上。
下面參照圖7～圖16對基于本發明的實施方式1的薄膜半導體的制造方法進行說明。
此制造方法包含掃描照射工序。在掃描照射工序中，使從脈沖激光光源1發出的第1脈沖激光2，如圖7(a)所示，由聚光照射光學系統8的聚光透鏡21聚光成為細線形狀而成為第1脈沖激光22。整個圖7，示出第1脈沖激光22照射非晶態硅膜203使非晶態硅膜203熔融的情況的概念圖。
圖7(a)示出在非晶態硅膜203上照射區域33聚光成細線形狀進行照射的第1脈沖激光22的分布形狀24。分布形狀24，如圖7(a)所示，在照射區域33的縱向方向是均勻的，幾乎沒有變化的所謂的平頂形狀，在照射區域33的寬帶方向上大致為高斯分布形狀。
在利用具有這種分布形狀24的振蕩波長的Nd:YAG2ω脈沖激光進行熱處理時，由于非晶態硅對Nd:YAG2ω脈沖激光的吸收系數小，在非晶態硅膜203的膜厚方向上的加熱大致是均勻的。利用這種激光照射產生的硅膜內的橫向方向上的溫度梯度，只在細線形狀的照射區域33的寬帶方向上形成。所以，如圖7(b)所示，在非晶態硅膜203中，受到大于等于一定強度的光束照射的區域，在深度方向上整個熔融。就是說，在細線形狀的局部區域在深度方向上整個產生擴展的熔融部26。由于在深度方向及細線形狀的照射區域33(圖7(a))的縱向方向上溫度梯度小，晶體生長為在照射區域33的寬度方向上的一維橫向生長，形成晶粒直徑為數μm大小的晶粒。另外，因為晶體生長的取向是照射區域33的寬度方向，由于這一照射而形成的多晶硅膜的晶粒29，如圖8所示，與照射區域的寬度方向30一致。圖8為示出被照射物9的一部分的擴大示圖。在此掃描照射工序中，聚光的第1脈沖激光22，如圖8所示，在對在縱向方向27上延伸的照射區域一齊照射的同時，以細線形狀在寬度方向30上移動進行掃描。就是說，掃描是在箭頭34的方向上對非晶態硅膜203進行。
如上所述，利用以振蕩波長532nm的Nd:YAG2ω脈沖激光為代表的可見光激光，即波長大于等于350nm的激光進行熱處理的橫向生長的過程，對在硅膜內在橫向方向上形成的溫度分布影響很大。就是說，對于聚光成細線形狀進行照射的激光的寬度方向的能量密度分布影響很大。寬度方向的能量密度分布，如圖9的(a)所示，為分布形狀24，如圖9的(b)所示，在非晶態硅膜203上局部產生熔融部26。在此狀態下，非晶態硅膜203，成為如圖9的(c)所示的溫度分布。其結果，在非晶態硅膜203中只有超過熔點的部分熔融而成為如圖9所示的熔融部26。如圖9的(c)所示，由激光照射暫時引入到硅膜內的熱量，其后同樣地分散到被照射物9的其它部分。由于熱量的分散，硅膜內的橫向溫度分布曲線，如圖10的(b)所示，整體一樣降低。所以，如圖10的(b)的箭頭32所示，晶體生長是從溫度先降低到低于熔點的部分向著溫度后降低到低于熔點的部分橫向進行。這樣，如圖10的(a)所示，形成橫向生長晶體31。
此橫向晶體生長，在溫度冷卻的過程中，由于自然成核而生長的微晶遮擋住其進行方向而停止。所以，為了使大粒徑的晶體生長成為橫向生長晶體31，優選是在到達自然成核的時間使晶體生長得盡量長。因此，要求晶體生長速度快。一般，在一微小區域中的晶體生長速度v以v＝kΔT/Δx表示。其中，k是速度常數，ΔT是微小區域的溫度差，Δx是微小區域的寬度。就是說，在硅膜內在橫向方向上存在溫度差時，如果溫度大于等于熔點的區域的溫度分布為陡峭的梯度時，晶體生長速度快，其結果就可以形成晶粒直徑大的多晶硅膜。考慮到這一點，硅膜內的橫向溫度分布的陡峭梯度可通過使對靶體表面的照射能量密度分布成為陡峭梯度而實現。為了使在基板表面上擴展的一定區域整個成為多晶硅膜，可以在一個方向上對被照射物9掃描照射。
圖11示出聚光后的第1脈沖激光22對照射區域33在一個方向上結束對基板的掃描時的晶體的情況。在對基板進行掃描時，只要相對地進行掃描即可，既可以是第1脈沖激光22移動，也可以是被照射物9移動，在本實施方式中是第1脈沖激光22不動，而使被照射物9在箭頭35的方向上移動。所以，對被照射物9的掃描是相對箭頭34的方向進行。圖12示出圖11的Z部的擴大圖。在照射區域33的縱向方向的兩端的分布形狀，溫度分布不會如上所述那樣成為完全的平頂形狀，在兩端會產生一定的溫度梯度。所以，如圖12所示，在照射區域的縱向方向的端部沿著縱向方向形成在橫向方向上生長的晶粒37。
這樣，在作為掃描照射工序的用第1脈沖激光22進行的一個方向上的基板掃描結束之后，進行以下所示的處理作為外緣處理工序。
使具有屬于紫外區域的波長的第2脈沖激光整形成為在寬度方向和縱向方向都具有平頂形狀的分布形狀的細長形狀的光束模式，如圖13所示，對用第1脈沖激光22結晶化了的區域36中的與細線形狀的照射區域33(參照圖7的(a))的寬度方向平行的外緣的端部，即包含區域36的外周的縱向方向的邊部的區域進行照射。在本實施方式中，第2脈沖激光，對區域36中的與細線形狀的照射區域33(參照圖7的(a))的寬度方向平行的外緣的完全覆蓋的縱向方向的照射區域38進行聚光照射。
如圖14所示，在紫外波長中，吸收系數對非晶態硅和結晶化硅大概相同，并且其絕對值與大于等于350nm的可見波長的光相比非常大。因此，因為不管被照射的硅膜的本質如何，在表面上吸收能量而在膜厚方向上產生很大的溫度梯度，不在橫向上生長。具有紫外波長的第2脈沖激光的照射能量密度和照射后形成的結晶狀態的關系示于圖15。此曲線圖中所示出的結晶狀態是分別利用光學顯微鏡觀察的結果。在此實驗中，是以超過約600mJ/cm2的照射能量密度得到的非晶態硅的結果，并且與照射前的硅膜的狀態無關。
如圖13所示，作為外緣處理工序，是在利用第2脈沖激光進行照射使區域36的縱向方向的邊部變成非晶態硅之后，如圖16所示，再次利用具有可見波長的第1脈沖激光進行基板掃描。此次新的基板掃描是對區域39進行。區域39，是相對于前次利用第1脈沖激光進行再結晶的區域36，與其端部區域的一部分重疊并相鄰的區域。
利用這種薄膜半導體的制造方法，在被照射物9的表面的非晶態硅膜203(參照圖1)中，除了區域36之外也可以使區域39(參照圖16)多晶硅化。此外，觀察區域36和區域39的邊界部分的結果，未能在邊界部分上確認過去發生的成為問題的線狀缺陷，可以在整個區域36、39上形成均勻的多晶硅膜。
在本實施方式中，作為外緣處理工序，因為是利用具有紫外波長的第2脈沖激光進行照射，使與下一線的邊界部分暫時非晶化。在利用第1脈沖激光對下一線進行掃描時，因為邊界部分已經非晶化而可以充分地吸收能量，所以結晶可以按照第1脈沖激光的能量在正確的方向上生長。
采用這種制造方法時，即使是多次反復進行基板掃描以使對通過一次基板掃描不能覆蓋的廣大區域多晶硅化，也可以防止其接縫部分成為線狀缺陷，從而可以在整個表面上形成均勻的多晶硅膜。
特別是，如本實施方式那樣，作為外緣處理工序，在使第2脈沖激光聚光為區域36中的與細線形狀的照射區域33(參照圖7的(a))的寬度方向平行的外緣完全覆蓋的細長形狀進行照射時，因為第2脈沖激光的照射可以同時在短時間內進行，所以可以迅速開始第1脈沖激光對下一線的掃描。
(實施方式2)參照圖17對基于本發明的實施方式2的薄膜半導體的制造方法進行說明。此制造方法基本上與在實施方式1中說明的相同，但在外緣處理工序的第2脈沖激光的照射方法上不同。在實施方式1中，是將第2脈沖激光聚光為將與區域36的照射區域33的寬度方向平行的外緣完全覆蓋的細長形狀，而在本實施方式2中，是將第2脈沖激光整形成縱橫都是分布形狀的平頂形狀的矩形形狀的光束模式，并利用此矩形形狀的照射區域41進行掃描。利用第2脈沖激光的照射區域41的掃描，是在與區域36的照射區域33的寬度方向平行的外緣的全長上按照箭頭40所示進行的。
其它工序與實施方式1相同。
此時，因為將第2脈沖激光整形為矩形形狀的光束模式對基板進行掃描，第2脈沖激光的光束剖面面積可以減小。因為利用這一制造方法還可以在整個邊界部分進行非晶化，所以在對下一線進行掃描時可以防止在邊界部分產生線狀缺陷。在本實施方式中，在進行外緣處理工序時，可以使用小輸出功率的紫外波長的激光，所以可以以低成本穩定地在基板的整個要求區域形成均勻的多晶硅膜。
另外，此處公開的上述實施方式的各點都是示例性而不是限制性的。本發明的范圍是由權利要求的范圍而不是上述說明示出，且包含與權利要求等效的意思及一切變更。
本發明可應用于薄膜半導體的制造。
權利要求
1.一種薄膜半導體的制造方法，包括為了在基板(9)的表面上形成多晶硅膜，使具有可見光波長的第1脈沖激光(22)在上述基板的表面上聚光成具有在寬度方向上大致為高斯形狀的強度分布的細線形狀(33)，并以上述細線形狀在上述寬度方向上移動的方式進行照射的掃描照射工序；在一個位置上在一個方向進行了上述掃描照射工序之后，對完成了該掃描照射的區域(36)中的與上述寬度方向平行的外緣的端部區域照射具有紫外波長的第2脈沖激光的外緣處理工序；以及再次進行上述掃描照射工序，以覆蓋與被上述掃描照射工序覆蓋的區域(36)相鄰、且與實施了上述外緣處理工序的上述端部區域的一部分重疊的區域(39)的工序。
2.如權利要求1所述的薄膜半導體的制造方法，其中上述外緣處理工序是將上述第2脈沖激光聚光成完全覆蓋上述外緣的細長形狀(38)并進行照射。
3.如權利要求1所述的薄膜半導體的制造方法，其中上述外緣處理工序是將上述第2脈沖激光聚光成矩形形狀(41)并沿著上述外緣進行掃描。
全文摘要
一種薄膜半導體的制造方法，包括為了在基板(9)的表面上形成多晶硅膜，使具有可見光波長的第1脈沖激光(22)在上述基板的表面上聚光成具有在寬度方向上大致為高斯形狀的強度分布的細線形狀(33)，并以上述細線形狀在上述寬度方向上移動的方式進行照射的掃描照射工序；在一個位置上在一個方向進行了上述掃描照射工序之后，對完成了該掃描照射的區域(36)中的與上述寬度方向平行的外緣的端部區域照射具有紫外波長的第2脈沖激光的外緣處理工序；以及再次進行上述掃描照射工序，以覆蓋與被上述掃描照射工序覆蓋的區域(36)相鄰、且與實施了上述外緣處理工序的上述端部區域的一部分重疊的區域(39)的工序。
文檔編號H01L21/20GK1706029SQ20048000124
公開日2005年12月7日 申請日期2004年8月17日 優先權日2003年8月22日
發明者井上滿夫, 時岡秀忠, 由良信介 申請人:三菱電機株式會社