[发明专利]激光辐照装置、激光辐照方法、以及半导体器件制造方法

说明书

本申请是申请日为2002年8月2日、申请号为02128212.9、发明名称为“激光辐照装置、激光辐照方法、以及半导体器件制造方法”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及到用激光束对半导体膜进行退火的激光辐照方法以及用来执行激光退火的激光辐照装置(包含激光器和用来将激光器输出的激光束引导到被加工的元件的光学系统的装置)。本发明还涉及到用包括激光退火步骤的各个步骤制造的半导体器件以及半导体器件的制造方法。注意，本说明书指出的半导体器件包括诸如液晶显示器件或发光器件之类的电光器件以及包括电光器件作为其组成部分的电子器件。

背景技术

近年来，在对制作于诸如玻璃衬底之类的绝缘衬底上的半导体膜进行激光退火，以便对半导体膜进行晶化或改善其结晶性的技术方面，已经进行了广泛的研究。硅被广泛地用作这种半导体膜。在本说明书中，利用激光束来晶化半导体膜以获得结晶半导体膜的方法，被称为激光晶化。

与已经被广泛地使用的合成石英玻璃衬底相比，玻璃衬底的优点是价廉和富有可加工性，并容易制造大面积的衬底。这就是已经进行了广泛研究的理由。激光器被择优用于晶化的理由是玻璃衬底的熔点低。激光器能够将高的能量提供给半导体膜而不会大幅度提高衬底的温度。此外，与采用电炉的加热方法相比，激光器的产率明显地高。

结晶半导体由多个晶粒组成，也被称为多晶半导体膜。由于利用激光退火形成的结晶半导体膜具有高的迁移率，故结晶的硅膜被用来制作薄膜晶体管(TFT)。例如，薄膜晶体管被广泛地用于有源矩阵型液晶显示器件，其中的象素驱动TFT和驱动电路TFT被制造在一个玻璃衬底上。

然而，用激光退火方法制造的结晶半导体膜由多个晶粒组成，且各个晶粒的位置和尺寸是随机的。借助于用小岛状图形化将结晶半导体膜分隔开，而形成制造在玻璃衬底上的TFT，以便实现元件隔离。在此情况下，无法按规定的晶粒位置和尺寸来形成结晶半导体膜。存在着大量来自非晶结构的复合中心和捕获中心和与晶粒内部相比存在于晶粒界面(晶粒边界)处的晶体缺陷等。众所周知，当载流子被捕获在捕获中心中时，晶粒边界的电位上升，成为载流子的势垒，从而降低载流子的输运性质。沟道形成区中的半导体膜的结晶性对TFT的特性具有很大的影响。但由没有晶粒边界影响的单晶硅膜来形成沟道形成区是不太可能的。

为了用没有晶粒边界影响的单晶硅膜来形成沟道形成区，在激光退火方法中进行了各种尝试来形成位置受到控制的大晶粒。首先来解释接受激光束辐照的半导体膜的结晶过程。

在已经被激光束辐照完全熔化了的液体半导体膜中发生固相成核，需要一些时间。在完全被熔化的区域内出现并生长无数均匀(或不均匀)的成核，从而完成液体半导体膜的结晶过程。这种情况下得到的晶粒在位置和尺寸上是随机的。

而且，在半导体膜不被激光束辐照完全熔化而仍然部分保持固相半导体区的情况下，激光束辐照之后立即在固相半导体区处开始晶体生长。如上所述，在完全被熔化的区域中出现成核之前需要一些时间。于是，是为晶体生长前锋的固液界面就沿水平方向(以下称为横向)移动到达半导体膜表面，直至在完全被熔化的区域中出现成核，生长的晶粒从而为膜厚度的几十倍。当在完全倍熔化的区域中出现无数均匀(或不均匀)的成核时，这一生长就结束。这种现象以下被称为超横向生长。

在非晶半导体膜或多晶半导体膜中，存在着实现超横向生长的激光束能量区。但上述的能量区非常窄，且无法控制得到大晶粒的位置。而且，大晶粒区域以外的区域是出现大量成核的微晶区或非晶区。

如上所述，若能够在半导体膜被完全熔化的激光束能量区中控制横向温度梯度(使沿横向出现热流)，则能够控制晶粒的生长位置和生长方向。为了实现此方法，进行了各种各样的尝试。

例如，R.Ishihara和A.Burtsev(见AM-LCD’98，pp.153-156，1998)报道了一种激光退火方法，其中他们制作了衬底与氧化硅基底膜之间的高熔点金属膜，并在此高熔点金属膜上制作了非晶硅膜，然后从衬底的顶部表面侧(在本说明书中定义为其上制作薄膜的表面)和从衬底的底部表面侧(在本说明书中定义为其上制作薄膜的表面的反侧表面)辐照准分子激光束。从衬底顶部表面辐照的激光束被硅膜吸收，其能量被转变成热。另一方面，从底部表面辐照的激光束被高熔点金属膜吸收，其能量被转变成热；高熔点金属膜被加热到高温。被加热的高熔点金属膜与硅膜之间的氧化硅膜起热积累层的作用，从而能够降低被熔化的硅膜的冷却速度。根据报道，借助于在任何位置形成高熔点金属膜，最大直径为6.4μm的晶粒能够处于任何位置。