專利名稱：激光照射設(shè)備和激光照射方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光照射設(shè)備(該設(shè)備包括激光器和引導(dǎo)激光器輸出 的激光束到照射物體的光學(xué)系統(tǒng))以及一種激光照射方法，例如用于 對半導(dǎo)體材料進(jìn)行有效和均勾地退火。
背景技術(shù)：
近年來，在基板上制造薄膜晶體管(此后稱為TFT)的技術(shù)得到 很大的發(fā)展，且它在有源矩陣顯示裝置中的應(yīng)用得到提高。具體而言， 因為使用多晶半導(dǎo)體薄膜的TFT比使用非晶半導(dǎo)體薄膜的常規(guī)TFT具
有更高的場效應(yīng)遷移率，可以實現(xiàn)高速操作。因此，試圖通過在和象 素相同的基板上形成驅(qū)動電路而控制象素，而驅(qū)動電路通常在基板外 提供。
隨著半導(dǎo)體器件需求的增加，需要在較短的時間以較低的溫度制
造半導(dǎo)體器件。在價格方面優(yōu)于石英基板的玻璃基板用作半導(dǎo)體器件 的基板。在玻璃基板上形成具有多晶半導(dǎo)體薄膜的TFT的情況下，盡
管玻璃基板對熱敏感且由于熱而容易變形，通過采用激光退火，半導(dǎo) 體薄膜容易在低溫結(jié)晶。
此外，和使用輻射熱或傳導(dǎo)熱的其他退火方法相比，激光退火具 有這樣的優(yōu)點，它可以極大地縮短處理時間，且基板上的半導(dǎo)體薄膜 可以,皮選擇性地和局部地加熱，從而不對基板構(gòu)成熱損害。
作為激光退火中使用的激光振蕩器，根據(jù)它們的振蕩方法，有脈 沖激光振蕩器和連續(xù)波(CW)激光振蕩器。準(zhǔn)分子激光器具有高輸出 功率和高重復(fù)頻率重復(fù)照射能力的優(yōu)點。而且，準(zhǔn)分子激光器發(fā)射的 激光束的優(yōu)點在于對于硅薄膜具有高吸收系數(shù)，硅薄膜通常用作半導(dǎo) 體薄膜。優(yōu)選地，以這種方式執(zhí)行激光照射通過光學(xué)系統(tǒng)，在照射表面上，激光束被轉(zhuǎn)換成矩形、線形或橢圓形狀，然后該光束相對于 照射表面在矩形、線形或橢圓形光束的短軸方向進(jìn)行掃描，因為這種 方法提供高產(chǎn)出率且是具有工業(yè)優(yōu)勢的。目前，通常通過在根據(jù)本技
術(shù)結(jié)晶的半導(dǎo)體薄膜上形成的TFT而制造液晶顯示器和EL (電致發(fā) 光)顯示器。
另一方面，當(dāng)從連續(xù)波激光器發(fā)射的激光束(此后該激光束稱為 CW激光束)被轉(zhuǎn)換成矩形、線形或橢圓形狀且基板在矩形、線形或 橢圓形狀的短軸方向上相對移動時，可以形成沿移動方向延伸的大晶 粒晶體。在根據(jù)大晶粒晶體的長軸方向制造TFT的情況下，該TFT比 使用準(zhǔn)分子激光器制造的TFT具有更高的遷移率。因為通過使用CW 激光束形成的TFT，可以高速地驅(qū)動電路，所以可以制造用于驅(qū)動顯 示器、CPU等的驅(qū)動電路。
通常，已知圖8所示的激光照射設(shè)備。該激光照射設(shè)備包括多個 柱面透鏡陣列等等。使用多個柱面透鏡陣列2~6，激光振蕩器1發(fā) 射的激光束被分割成多個光束并會聚。然后，在激光束在反射鏡7上 反射之后，使用兩個柱面透鏡組成的雙柱面透鏡(doublet cylindrical lens )，激光束會聚成一個矩形、線形或橢圓形激光束。 此后，激光束被垂直傳送到照射表面9。通過向照射表面?zhèn)魉途匦巍?線形或橢圓形光束，同時在線形光束的短軸方向相對移動光束，可以 對非晶半導(dǎo)體的整個表面進(jìn)行退火，從而使該非晶半導(dǎo)體結(jié)晶，其結(jié) 晶度提高，或雜質(zhì)元素被激活。
然而，因為常規(guī)激光照射設(shè)備需要使用多個昂貴的柱面透鏡陣列 且安置它們以形成如上所述所需的矩形、線形或橢圓形光束，設(shè)備在 尺寸上存在問題且其成本增加。而且，因為整形成矩形、線形或橢圓 形光點的激光束被垂直傳送到照射表面，即，基板上形成的半導(dǎo)體薄 膜的表面，從上面入射到半導(dǎo)體薄膜的光束穿過基板并被基板的底面 反射。然后，從上面入射的光束與在底面反射的光束干涉。這樣，有 時不能制造均勻結(jié)晶的半導(dǎo)體薄膜。
本申請?zhí)岢?一種克服常規(guī)激光照射設(shè)備問題的緊湊和便宜的激 光照射設(shè)備。該激光照射設(shè)備在圖9中示出。該激光照射設(shè)備使用凸 透鏡13,激光束斜著入射到該凸透鏡，使得激光束延伸，從而形成 矩形、線形或橢圓形光束14。然后，延伸的光束斜著照射到照射表面15。
也就是說，該激光照射設(shè)備包括激光振蕩器11、反射鏡12、凸 透鏡13等。激光振蕩器11發(fā)射的激光束在反射鏡12上反射并斜著 入射到凸透鏡13，從而激光束被整形成矩形、線形或橢圓形光束14。 光束14被傳送到照射表面15。利用這種結(jié)構(gòu)，設(shè)備可以做得很小，
考文獻(xiàn)1:日本專利申請?zhí)亻_No. 2003 - 257885 )。
然而，上述激光照射設(shè)備仍具有以下問題。盡管使用CW激光束 執(zhí)行激光退火，例如使用長軸方向為300jum、短軸方向為10jum的 矩形形狀在532 nm處提供IOW功率的CW激光束，通過一次掃描形成 的大晶粒晶體的寬度大約僅為200 pm。因此，為了通過激光退火使 基板的整個表面有效結(jié)晶，激光束需要來回掃描，同時將激光束移動 光束一次掃描形成的大晶粒晶體的寬度。此時，如果激光束在短軸方 向的強度分布沿著穿過光束短軸中心的平面(該平面垂至于基板且與 光束的長軸平行)是不對稱的，在向后掃描和向前掃描之間激光退火 之后的結(jié)晶狀態(tài)可能不同。
然而，當(dāng)矩形、線形或橢圓形光束斜著傳送到照射表面且基板沿 著激光束的短軸方向移動時，根據(jù)如下所述的激光束的掃描方向，傳 送到非晶半導(dǎo)體薄膜的激光束的狀態(tài)不同。這樣，很難執(zhí)行均勻結(jié)晶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決上述問題，具體而言，本發(fā)明的一個目的是提 供一種激光照射設(shè)備和激光照射方法，通過根據(jù)向前和向后掃描方向 改變照射光束的能量密度，該方法可以制造均勻結(jié)晶的薄膜。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)注意這里描述的激 光退火方法表示使非晶區(qū)域結(jié)晶或使由于向半導(dǎo)體基板或半導(dǎo)體薄 膜添加離子而形成的受損區(qū)域結(jié)晶的技術(shù)，通過使用激光束照射基板 上形成的非晶半導(dǎo)體薄膜使半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶的技術(shù)，在向半導(dǎo)體薄膜 引入促進(jìn)結(jié)晶的元素(例如鎳)之后通過激光照射使不是單晶的半導(dǎo) 體薄膜(上述不是單晶的半導(dǎo)體薄膜一般稱為非單晶半導(dǎo)體薄膜)結(jié) 晶的技術(shù)等。而且，激光退火包括應(yīng)用于平面化或改變半導(dǎo)體基板或 半導(dǎo)體薄膜表面的技術(shù)。根據(jù)本說明書公開的本發(fā)明的 一 個方案，激光照射設(shè)備包括激光 振蕩器、改變光束強度的裝置以及凸透鏡或衍射光學(xué)元件，其中激光 束入射到照射表面，其中激光束相對于照射表面掃描，且其中改變光 束強度的裝置在每個掃描方向上改變光束強度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，激光照射設(shè)備包括激光振蕩器、改變光 束強度的裝置以及凸透鏡或衍射光學(xué)元件，其中光束入射到照射表 面，其中光束相對于照射表面掃描，其中改變光束強度的裝置在每個 掃描方向改變光束強度，且其中在所有掃描方向上，在激光退火之后， 照射表面處的結(jié)晶狀態(tài)都是均勻的。
上述構(gòu)造中，激光束可以斜著入射到照射表面。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，穿過凸透鏡或衍射光學(xué)元件的激光束在 照射表面上具有矩形、線形或橢圓形狀。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，改變光束強度的裝置是起偏振片。起偏 振片的數(shù)量可以大于一個。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，激光振蕩器是cw固體激光器、氣體激
光器或金屬激光器，或脈沖固體激光器、氣體激光器或金屬激光器。
作為固體激光器，有YAG激光器、YV0r激光器、YLF激光器、YA103 激光器、GdV(V激光器、丫203激光器、玻璃激光器、紅寶石激光器、變 石激光器、Ti:藍(lán)寶石激光器等。作為氣體激光器，有Ar激光器、Kr 激光器、C02激光器等。作為金屬激光器，有銅蒸汽激光器、金蒸汽 激光器等。作為脈沖激光器，可以使用重復(fù)頻率等于或大于10 MHz 的YV(V激光器、GdV04激光器、YAG激光器等。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方案，激光振蕩器發(fā)射的激光束通過非線性光 學(xué)元件轉(zhuǎn)化為諧波。
根據(jù)本發(fā)明的另一方案，激光束從激光振蕩器發(fā)射，激光束經(jīng)過 改變光束強度的裝置，該裝置根據(jù)光束掃描方向改變光束強度，激光 束經(jīng)過凸透鏡或衍射光學(xué)元件，然后激光束入射到照射表面。而且， 通過相對于照射表面掃描激光束，照射表面可以在所有掃描方向上均 勻退火。激光束可以斜著入射到照射表面。
根據(jù)本發(fā)明，因為激光束斜著傳送到照射表面，可以抑制入射光 束和從基板的底面反射的光束的干涉，可以向照射表面?zhèn)魉途哂芯鶆?能量分布的激光束。這樣，基板上的非單晶半導(dǎo)體薄膜可以被均勻退火。
接著，通過起偏振片等改變光束強度，起偏振片等是根據(jù)掃描方 向改變光束強度的裝置。具體而言，激光束在整個照射表面以單次往
復(fù)繪制(single-stroke drawing )，同時在正向或反向改變掃描方向。 這樣，基板上整個非單晶半導(dǎo)體薄膜可以均勻結(jié)晶。使用CW激光器 或重復(fù)頻率等于或大于10匪z的脈沖激光器，可以制造大晶粒晶體； 因此，可以制造具有高遷移率的TFT。
因此，電學(xué)特性的變化可以得到減小，且可靠性得到提高。通過 將本發(fā)明應(yīng)用于TFT的大規(guī)模生產(chǎn)線，可以有效地生產(chǎn)具有高工作特 性的TFT。因此，可以獲得具有高工作特性和高可靠性的半導(dǎo)體器件， 代表性地是有源矩陣類型液晶顯示裝置和有源矩陣EL顯示裝置。而 且，半導(dǎo)體器件的制造過程中，可以擴(kuò)大容限，產(chǎn)量大為提高；因此 可以降低半導(dǎo)體器件的制造成本。


附圖中
圖1示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的激光照射設(shè)備；
圖2示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的另一激光照射設(shè)備；
圖3的曲線圖示出了能量密度和TFT的電子遷移率之間的關(guān)系；
圖4的曲線圖示出了 TFT的電子遷移率的分布；
圖5示出了基板的平面的狀態(tài)；
圖6是沿著圖5的A-A，線的剖面圖7是沿著圖5的B-B，線的剖面圖8示意性地示出了常規(guī)激光照射設(shè)備；
圖9示意性地示出了另 一種常規(guī)激光照射設(shè)備；
圖10A到10D示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明制造TFT的工藝；以及
圖11A到11C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的電子設(shè)備。
具體實施方式
[實施例1]
圖1示出了激光照射設(shè)備的一個實例。首先，準(zhǔn)備形成有非單晶 半導(dǎo)體薄膜106的基板107?；?07放置在X軸平臺108和Y軸平臺109上。通過未示出的電機分別沿箭頭所示的方向移動X軸平臺 108和Y軸平臺109，可以自由地在X軸方向和Y軸方向移動基板107。 X軸平臺108可以如箭頭所示地向前和向后掃描。
該激光照射設(shè)備包括激光振蕩器101、兩個起偏振片102和103、 反射鏡104以及凸透鏡105。激光振蕩器101是CW激光振蕩器。作 為CW固體激光器，有YAG激光器、YV(h激光器、YLF激光器、YA103 激光器、GdV(V激光器、丫203激光器、變石激光器以及Ti:藍(lán)寶石激光 器。作為CW氣體激光器，有Ar激光器、Kr激光器、C02激光器。不 僅可以使用CW激光器，還可以使用脈沖激光器。作為脈沖激光器， 可以使用重復(fù)頻率大于或等于10 MHz的YV04激光器、GdV04激光器、 YAG激光器等。
激光振蕩器101發(fā)射的激光束通過非線性光學(xué)元件理想地轉(zhuǎn)化 成諧波。例如，已知YAG激光器發(fā)射1065 nm波長的激光束。硅薄膜 對該光束的吸收系數(shù)很低，使用這種激光束技術(shù)上很難使非晶硅薄膜 (一種半導(dǎo)體薄膜)結(jié)晶。然而，通過使用非線性光學(xué)元件，激光束 可以轉(zhuǎn)換成較短波長。作為諧波，給出二次諧波(532 nm)、三次諧 波(355 nm)、四次諧波(266 nm )和五次諧波(213 nm )。因為非晶 硅薄膜對這些諧波具有高吸收系數(shù)，這些諧波可用于使非晶硅薄膜結(jié) 晶。
根據(jù)本發(fā)明，起偏振片102 ( 103 )對應(yīng)于改變光束強度的裝置。 起偏振片是一種部件，僅透過在360。的所有方向上光振動中在特定 方向振動的光，阻隔特定方向之外的其它方向上振動的光。具體而言， 通過調(diào)整兩個起偏振片102和103透射軸之間的角度，激光振蕩器 101發(fā)射的激光束的強度可以如所希望地改變。在使用這種裝置改變 光束強度的情況下，優(yōu)選地使用偏振度為100: l或更高的激光束。 這使得起偏振片可以在約0到99%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)能量。
例如，具體而言，起偏振片102固定，安置起偏振片103使得起 偏振片103可以在正方向或負(fù)方向自由旋轉(zhuǎn)。然后，通過將起偏振片 103在正方向或負(fù)方向旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度，透過兩個起偏振片102和103 并傳輸?shù)椒瓷溏R104的激光束的強度可以改變。通過按需要改變旋轉(zhuǎn) 角度，激光束的強度可以改變到任意強度。應(yīng)當(dāng)注意起偏振片的數(shù)目 可以是一個，或兩個以上。
9當(dāng)激光束斜著從上面進(jìn)入凸透鏡105時，由于形成聚焦線的位置 處透鏡的散光，具有近乎圓形形狀的入射光束在與箭頭所示的方向垂 直的方向上伸長，箭頭所示方向是X軸臺架108的移動方向。然后， 照射表面上的光束120具有矩形、線形或橢圓形狀，短軸長為W，長 軸長為H。因為聚焦線可以在兩個位置形成，可以對其進(jìn)行選擇。然 而，因為兩個聚焦線彼此相交，實踐者需要恰當(dāng)?shù)剡x擇。詳細(xì)情況參 考文獻(xiàn)1。
這種情況下，通過縮短短軸光束長度W可以延長長軸光束長度H。 優(yōu)選地，在其短軸方向上掃描光束120，因為這樣可以擴(kuò)大激光束一 次掃描的區(qū)域，這提高了產(chǎn)出率。
下面描述使用該激光照射設(shè)備對非單晶半導(dǎo)體薄膜106進(jìn)行退 火的過程。首先，通過移動X軸平臺108和Y軸平臺109，基板107 移動到退火開始的位置。然后，從激光振蕩器101發(fā)射CW激光束， 且CW激光束的光束強度通過起偏振片102和103調(diào)節(jié)，使其盡可能 地高，但處于不剝離薄膜(不燒蝕非單晶半導(dǎo)體薄膜)的范圍。調(diào)節(jié) 后的近乎圓形形狀的光束在反射鏡104上反射，然后斜著進(jìn)入凸透鏡 105的頂點。光束被凸透鏡105延長，使得光束具有矩形、線性或橢 圓形狀，具有X軸平臺108的箭頭所示的移動方向上的短軸長度W 和垂直于該移動方向的方向上的長軸長度H。然后，光束斜著傳送到 非單晶半導(dǎo)體薄膜106。
然后，X軸平臺108向前移動，這是與激光束入射方向相同的方 向，從而對非單晶半導(dǎo)體薄膜106進(jìn)行退火。當(dāng)?shù)竭_(dá)向前方向的末端 時，X軸平臺108停止移動，然后Y軸平臺109在Y軸方向移動大約 對應(yīng)于長軸長度H的長度。
接著，起偏振片102和103其中之一在正或負(fù)方向旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度 以減小光束強度。同時，X軸平臺108向后移動，這是朝向激光束入 射方向的方向，以對非單晶薄膜106進(jìn)行退火。當(dāng)?shù)竭_(dá)向后方向末端 時，X軸平臺108停止移動，然后Y平臺109在Y軸方向移動大約對 應(yīng)于長軸長度H的長度。
接著，起偏振片102和103其中之一在正或負(fù)方向旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度， 光束強度增加到原來的高光束強度。然后，X軸平臺108向前移動， 這是與激光束入射方向相同的方向。此后，通過重復(fù)上述操作，非單晶半導(dǎo)體薄膜106的整個表面可以以單次往復(fù)連續(xù)退火，使得非單晶 半導(dǎo)體薄膜106結(jié)晶。盡管基板的整個表面可以通過在向前或向后方 向之一上掃描光束而不改變光束強度進(jìn)行退火，這種退火方法產(chǎn)出率 低，因為這種方法的產(chǎn)出率是通過在向前和向后方向都掃描光束執(zhí)行 的退火方法的產(chǎn)出率的一半。
根據(jù)該過程對非單晶半導(dǎo)體薄膜106的整個表面進(jìn)行退火，其整 個表面可以均勻結(jié)晶。
接著，解釋為什么必須通過起偏振片102 ( 103 )改變光束強度 的原因。根據(jù)本發(fā)明人的實驗，已證實具有較高能量密度的激光束可 以制造具有較高遷移率的TFT。圖3示出了 n溝道TFT的電子遷移率 的平均值與激光束能量密度的實驗結(jié)果。水平軸表示激光束的能量密 度的比例，此時假設(shè)燒蝕半導(dǎo)體薄膜時的能量密度閾值是100%,垂 直軸表示制造的TFT的電子遷移率的平均值。從圖3可以理解，當(dāng)使 用閾值或更低值范圍內(nèi)的具有較高能量密度的激光束對半導(dǎo)體薄膜 退火時，可以制造具有較高電子遷移率的TFT。
然而，使用圖1的激光照射設(shè)備使用在向前方向和向后方向具有 相同光束強度的激光束進(jìn)行退火時，有圖4所示的問題。圖4示出了 使用圖1所示的激光照射設(shè)備使用在前進(jìn)方向和后退方向具有相同 光束強度的激光束退火的情況下的實驗結(jié)果。圖4中，水平軸表示矩 形光束的長軸方向，而垂直軸示出了制造的TFT的電子遷移率。
該結(jié)果表明，在通過激光照射設(shè)備使用激光束斜著照射照射表面 時，通過在向前方向掃描激光束制造的TFT比在向后方向掃描激光束 制造的TFT的遷移率低大約30%。使用具有這種變化的半導(dǎo)體薄膜 制造TFT不是優(yōu)選的。
參考圖5到7描述圖4所示的結(jié)果的原因。圖5是從上面看基板 的平面圖。圖6是沿著A-A，線的剖面圖，它示出了向前掃描方向。 圖7是沿著B-B'的剖面圖，它示出了向后掃描方向。如圖5所示， 使用凸透鏡105形成并入射到非單晶半導(dǎo)體薄膜106上的具有矩形、 線形或橢圓形狀的入射光束121，作為具有短軸長度W和長軸長度H 的矩形、線形、橢圓光束120,在非晶半導(dǎo)體薄膜上從位置(1)掃 描到位置(2)。該實施例中，光束120具有矩形形狀。
如圖6和7所示，該光束被傳送到非單晶半導(dǎo)體薄膜106。即使系統(tǒng)后，在照射處激光束的強度分布沿著經(jīng)過 光束短軸的中心的平面(垂直于基板，平行于光束的長軸)也是不對 稱的。換句話說，沿著該平面，短軸方向上激光束的強度分布不對稱。 因此，在向前和向后方向上，照射表面不能以相同的方式退火。因為
光束的短軸短至約為lOjam，很難測量短軸方向上光束的強度分布， 不管強度分布沿該平面是否對稱。而且，更難在短軸方向調(diào)節(jié)激光束 的強度分布以使其沿該平面對稱。
電路的特性遵循包括在電路中的TFT中的具有最低遷移率的 TFT。因此，當(dāng)利用在圖6和7所示的方向交替地掃描激光束退火的 半導(dǎo)體薄膜制造TFT時，整體遵循向前方向上遷移率低的TFT的特性。
因此，優(yōu)選增加向前方向上激光束的能量，使得TFT的電子遷移 率盡可能地高，但薄膜不被燒蝕等，而優(yōu)選降低向后方向上激光束的 能量使得薄膜不因過多能量而被燒蝕等。
也就是說，當(dāng)在向前方向上掃描激光束時，起偏振片102 ( 103 ) 在正或反方向旋轉(zhuǎn)以增加入射光束121的光束強度。同樣，當(dāng)在向后 方向上掃描激光束時，起偏振片102 ( 103 )在正或反方向旋轉(zhuǎn)以減 小入射光束121的光束強度。因此，非單晶半導(dǎo)體薄膜106的整個表 面可以使用高能量均勻地晶化。
由此，通過在向前和向后方向掃描激光束對非單晶半導(dǎo)體薄膜 106進(jìn)行退火的情況下，當(dāng)光束在遷移率較低的方向上掃描時增加激 光束的能量，當(dāng)光束在遷移率較高的方向上掃描時降低激光束的能 量。這樣，可以抑制結(jié)晶的變化。
入射到基板107的矩形光束120在長軸方向的尺寸大約為150~ 400 pm，在短軸方向的尺寸大約為1~ 30pm。光束120的尺寸中， 長軸方向的長度可以根據(jù)短軸方向的長度確定，以便可以提供足夠的 能量密度。短軸方向的長度的上限約為30pm，而其下限約為ljam。 此范圍之外，很難制造具有高特性的大晶粒晶體。實際上，在短軸方 向長度約為10nm的IOW的CW激光束的情況下，其長軸方向的長度 約為400jim。在短軸方向長度約為8nm的3W的CW激光束的情況下， 其長軸方向的長度約為150pm。
圖2示出了另一個激光照射設(shè)備的實例。該激光照射設(shè)備使用衍 射光學(xué)元件IIO代替圖1中的凸透鏡105以將光束整形成矩形、線形或橢圓形光束。
也就是說，該激光照射設(shè)備包括激光振蕩器101，兩個起偏振片 102和103、反射鏡104以及衍射光學(xué)元件110。激光振蕩器101是 CW激光振蕩器，與圖1的CW激光振蕩器相似。作為固體激光器，可 以使用YAG激光器、YV04激光器、YLF激光器、YA103激光器、GdV04 激光器、丫203激光器、變石激光器或Ti:藍(lán)寶石激光器。作為氣體激 光器，可以使用Ar激光器、Kr激光器、C(V激光器。除了 CW激光器， 還可以使用脈沖激光器。作為脈沖激光器，可以使用重復(fù)頻率大于或 等于10 MHz的YV04激光器、GdV(h激光器、YAG激光器等。
衍射光學(xué)元件110也稱為DOE或衍射光學(xué)器件。該元件是為了使 用光的衍射獲得所需能量，并通過在其表面形成凹槽用作會聚透鏡。 使用該衍射光學(xué)元件110，從CW激光振蕩器101發(fā)射的具有高斯能 量分布的激光束可以整形成具有均勻能量分布的矩形、線形或橢圓形 光束。除了衍射光學(xué)元件110之外的其它元件與圖1中的相同；因此 此處省略其詳細(xì)描述。
使用這種激光照射設(shè)備，與圖l類似，通過來回掃描激光束，同 時改變光束強度，對非單晶半導(dǎo)體薄膜106進(jìn)行退火，可以使非單晶 半導(dǎo)體薄膜106均勻結(jié)晶。
本發(fā)明不限于上述實施例的構(gòu)造，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進(jìn)行適 當(dāng)修改。例如，分束器或ND濾光片(中性密度濾光片)可以代替起 偏振片等，作為改變光束強度的裝置以調(diào)整激光束的強度。這種情況 下，當(dāng)分束器或ND濾光片對激光敏感時，激光束的光束直徑可以使 用擴(kuò)束器擴(kuò)展以減小能量密度。在使用激光振蕩器(其中通過改變激 光器的激勵光源的強度可以調(diào)節(jié)激光束的輸出)的情況下，可以改變 激勵光源的強度。
本實施例描述了使用根據(jù)本發(fā)明激光退火設(shè)備制造薄膜晶體管 (TFT)的工藝。
如圖10A所示，在具有絕緣表面的基板1000上形成基底薄膜 1001。本實施例中玻璃基板用作基板1000。作為此處使用的基板， 可以使用由硼珪酸鋇玻璃或硼硅酸鋁玻璃制成的玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、不銹鋼基板等。盡管以塑料、丙烯酸等為代表的柔性 材料制成的基板一般在耐熱性方面劣于上述基板，當(dāng)基板可以承受制 造工藝產(chǎn)生的熱量時，可以使用柔性材料制成的基板。
提供基底薄膜1001是為了防止包括在基板1000中的堿土金屬或 諸如Na的堿金屬擴(kuò)散到半導(dǎo)體薄膜內(nèi)。當(dāng)堿土金屬或堿金屬在半導(dǎo) 體中時，該金屬對半導(dǎo)體元件的特性引起負(fù)面效應(yīng)。因此，使用能夠 抑制堿土金屬和堿金屬向半導(dǎo)體擴(kuò)散內(nèi)的絕緣材料，例如氧化硅、氮 化珪或氮氧化硅(silicon nitride oxide)形成基底薄膜。而且， 基底薄膜1001可以具有單層結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。本實施例中，通過等 離子體CVD (化學(xué)氣相淀積)方法形成厚度為10 ~ 400 nm的氮氧化 硅薄膜。
當(dāng)基板1000是例如玻璃基板或塑料基板這樣的甚至包括少量堿 土金屬或堿金屬的基板時，提供基底薄膜以防止雜質(zhì)的擴(kuò)散是有效 的。當(dāng)使用石英基板這樣的很難擴(kuò)散雜質(zhì)的基板時，并不總需要提供 基底薄膜1001。
接著，通過已知方法(濺射方法、LPCVD方法、等離子體CVD方 法等)在基底薄膜1001上形成厚度為25~ lOOnm(優(yōu)選地30~ "nm) 的非晶半導(dǎo)體薄膜1002。本實施例中，非晶半導(dǎo)體薄膜1002可以使 用硅、硅鍺等形成，本實施例中使用硅。當(dāng)使用硅鍺時，優(yōu)選鍺的濃 度為0. 01~4. 5原子百分比。
接著，如圖IOB所示，使用本發(fā)明的激光退火設(shè)備用激光束照射 非晶半導(dǎo)體薄膜1002以使該半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶。本實施例中，使用凸 透鏡1005和提供10W的二次諧波且空間分布為TEM。。模式(單橫模) 的Nd: YV04激光器執(zhí)行照射。除了該激光器，還可使用其它激光器。 作為連續(xù)波(CW)固體激光器，有YAG激光器、YLF激光器、YA103 激光器、GdV04激光器、丫203激光器、變石激光器或Ti:藍(lán)寶石激光器。 作為CW氣體激光器，有Ar激光器、Kr激光器或C02激光器。而且， 還可以使用脈沖重復(fù)頻率大于或等于10 MHz的YV04激光器、GdV04 激光器、YAG激光器等。
通過在所有掃描方向均勻地對該半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行退火，電子設(shè)備 的特性可以穩(wěn)定在良好條件。然而，當(dāng)使用在圖6和7所示方向上交 替退火的半導(dǎo)體薄膜制造TFT時，TFT中的半導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶狀態(tài)取決于向前方向和向后方向而改變。這對電子設(shè)備的特性產(chǎn)生顯著影 響。
本實施例中，使用起偏振片作為改變光束強度的裝置，在所有掃 描方向上對半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行均勻退火。這里，光束強度可以以這樣的 方式調(diào)整，提前將布圖輸入到諸如計算機的控制裝置，該控制裝置用 于控制移動起偏振片的電機，該控制裝置根據(jù)輸入的布圖發(fā)送控制電 機的信號，接收該信號的電機移動起偏振片。
而且，通過使用狹縫，可以阻隔激光束的低強度部分；因此，可 以傳送等于或大于預(yù)定強度的線形、橢圓或矩形光束。
此后，如圖10C所示，通過激光照射形成的結(jié)晶半導(dǎo)體薄膜1003 被圖形化，從而形成島狀半導(dǎo)體薄膜1006。然后，形成柵極絕緣薄 膜1007以覆蓋島狀半導(dǎo)體薄膜1006。通過等離子體CVD方法或濺射 方法，可以使用氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等形成柵極絕緣薄膜1007。 本實施例中，通過等離子體CVD方法形成厚度為115 nm的氮氧化硅 薄膜。
接著，在柵極絕緣薄膜1007上形成導(dǎo)電薄膜并對其圖形化以形 成柵電極1008。此后，使用柵電極1008或圖形化的抗蝕劑作為掩模， 通過向島狀半導(dǎo)體薄膜1006添加提供n型或p型電導(dǎo)率的雜質(zhì)形成 源極區(qū)域1009、漏極區(qū)域IOIO、 LDD區(qū)域1011等。根據(jù)上述步驟， 可在相同的基板上形成N溝道TFT 1012和1014以及P溝道TFT 1013。
接著，如圖10D所示，形成絕緣薄膜1015作為這些TFT的保護(hù) 薄膜。使用氮化硅或氮氧化硅形成厚度100~ 200認(rèn)的單層或多層結(jié) 構(gòu)的絕緣薄膜1015。本實施例中，通過等離子體CVD方法形成厚度 為100 nm的氧氮化硅薄膜。使用絕緣薄膜1015，可以獲得防止空氣 中的氧和濕氣以及各種離子雜質(zhì)進(jìn)入的阻隔效果。
接著，形成絕緣薄膜1016。本實施例中，可以使用諸如聚酰亞 胺、聚酰胺、BCB(苯并環(huán)丁烯)、丙烯酸或硅氧烷這樣的有機樹脂薄 膜，TOF薄膜，無機層間絕緣薄膜(諸如氮化硅或氧化硅這樣的包括 硅的絕緣薄膜)，低k (低介電常數(shù))材料等。硅氧烷是這樣一種材 料，它具有用-Si-O-Si-表示的硅和氧的鍵(硅氧鍵)作為基本 單元，且具有硅與氟、脂肪族烴或芳(族)烴相結(jié)合的結(jié)構(gòu)。因為形成 絕緣薄膜1016的主要目的是緩和和平整化由于玻璃基板上形成的TFT導(dǎo)致的不平整，優(yōu)選地使用具有優(yōu)良平整度的薄膜。
而且，通過光刻方法圖形化絕緣薄膜和有機絕緣薄膜以形成到達(dá) 雜質(zhì)區(qū)域的接觸孔。
接著，使用導(dǎo)電材料形成導(dǎo)電薄膜，通過圖形化該導(dǎo)電薄膜形成 布線1017。此后，當(dāng)形成絕緣薄膜1018作為保護(hù)膜時，完成了圖10D 所示的半導(dǎo)體器件。應(yīng)當(dāng)注意使用本發(fā)明的激光退火方法制造半導(dǎo)體 器件的方法不限于上述制造TFT的方法。
在激光結(jié)晶步驟之前，可以提供使用催化劑元素的結(jié)晶步驟。作 為催化劑元素，可以使用鎳(Ni)、鍺(Ge)、鐵(Fe)、鈀(Pd )、錫 (Sn)、鉛(Pb)、鈷(Co)、鉑(Pt)、銅(Cu)或金(Au)。
與僅通過激光照射使半導(dǎo)體薄膜結(jié)晶的情況相比，當(dāng)在使用催化 劑元素的結(jié)晶步驟之后執(zhí)行激光照射結(jié)晶步驟時，可以進(jìn)一步提高半 導(dǎo)體薄膜的結(jié)晶度，并在激光結(jié)晶之后減小半導(dǎo)體薄膜表面的粗糙 度。因此，可以進(jìn)一步減小此后要形成的以TFT為代表的半導(dǎo)體元件
的特性變化，并且可以抑制關(guān)斷電流。
應(yīng)當(dāng)注意可以以這種方式執(zhí)行結(jié)晶在添加催化劑元素之后，執(zhí) 行熱處理以促進(jìn)結(jié)晶，然后執(zhí)行激光照射?；蛘?，省略熱處理。而且， 可以在熱處理之后在保持溫度的同時執(zhí)行激光處理。
盡管本實施例示出了本發(fā)明的激光照射方法用于結(jié)晶半導(dǎo)體薄 膜的實例，該激光照射方法可以應(yīng)用于激活半導(dǎo)體薄膜中摻雜的雜質(zhì) 元素。而且，本發(fā)明的制造半導(dǎo)體器件的方法可用于制造集成電路和 半導(dǎo)體顯示裝置的方法。
用于例如驅(qū)動器或CPU (中央處理單元)這樣的功能電路的晶體 管優(yōu)選地具有LDD結(jié)構(gòu)或LDD與柵電極交疊的結(jié)構(gòu)。希望微型化晶體 管以增加速度。因為根據(jù)本實施例完成的晶體管具有LDD結(jié)構(gòu)，優(yōu)選 地該晶體管用于需要高速操作的驅(qū)動電路。
根據(jù)本發(fā)明，使用薄膜晶體管可以完成各種電子設(shè)備。參考圖 11A到IIC描述特定實例。
圖11A示出了一種顯示裝置，包括機殼1101、支撐架1102、顯 示部分1103、揚聲器部分1104、視頻輸入端子1105等。通過在顯示部分1103中采用圖10A到10D所示的制造方法形成的薄膜晶體管制 造該顯示裝置。應(yīng)當(dāng)注意該顯示裝置包括液晶顯示裝置和發(fā)光裝置， 具體而言，為計算機、電視接收機、廣告等顯示信息的各種顯示裝置。
圖11B示出了一種計算機，包括機殼1111、顯示部分1112、鍵 盤1113、外部連接端口 1114、指針鼠標(biāo)1115等。通過采用圖10A 到10D所示的制造方法，可以制造顯示部分1112和其它電路。而且， 本發(fā)明可以應(yīng)用到主體內(nèi)部的其它半導(dǎo)體器件，例如CPU和存儲器。
圖IIC示出了移動電話，它是移動終端的典型實例。該移動電話 包括機殼1121、操作鍵1122、顯示部分1123等。除了移動電話，因 為諸如PDA(個人數(shù)字助理)、數(shù)碼相機以及小型游戲機這樣的電子 設(shè)備都是移動終端，它們的顯示屏很小。因此，通過使用圖10A到 10D所示的小晶體管形成諸如CPU和存儲器這樣的功能電路，可以獲
得更小和更輕的設(shè)備。
本實施例中制造的薄膜晶體管可以用作ID芯片。例如，通過圖
10A到10D所示的制造方法，晶體管可以用作ID芯片中的集成電路 和存儲器或用作ID標(biāo)簽。當(dāng)晶體管用作存儲器時，可以記錄產(chǎn)品的 流通過程和生產(chǎn)步驟工藝，例如產(chǎn)地、制造商、生產(chǎn)日期以及加工方 法。對于4^商、零售商和消費者，知道這些信息變得容易。
而且，在TFT用作安裝了射頻功能的ID標(biāo)簽的情況下，通過使
用ID標(biāo)簽代替常規(guī)條形碼，可以簡化產(chǎn)品結(jié)算和編目工作。而且， 通過在結(jié)算處將已經(jīng)完成結(jié)算輸入到ID標(biāo)簽，并通過在出口提供的 檢查裝置檢查ID標(biāo)簽是否結(jié)算，可以防止忘記結(jié)算和行竊。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明制造的半導(dǎo)體器件可以在很大范圍得到應(yīng) 用，且根據(jù)本發(fā)明制造的半導(dǎo)體器件可以應(yīng)用于各個領(lǐng)域中的各種電 子設(shè)備。附圖標(biāo)記說明
1:激光振蕩器，2:柱面透鏡陣列，3:柱面透鏡陣列， 4:柱面透鏡陣列，5:柱面透鏡陣列，6:柱面透鏡陣列， 7:反射鏡，8:雙柱面透鏡，9:照射表面，11:激光振蕩 器，12:反射鏡，13:凸透鏡，14:光束，15:照射表面， 101:激光振蕩器，102:起偏振片，103:起偏振片，104: 反射鏡，105:凸透鏡，106:非單晶半導(dǎo)體薄膜，107:基 板，108: X軸平臺，109:Y軸平臺，110:衍射光學(xué)元件， 120:光束，121:入射光束，1000:基板，1001:基底薄 膜，1002:非晶半導(dǎo)體膜，1003:晶體半導(dǎo)體膜，1005: 凸透鏡，1006:半導(dǎo)體薄膜，1007:柵極絕緣膜，1008: 柵電極，1009:源區(qū)，1010:漏區(qū)，1011: LDD區(qū)，1012: N溝道TFT, 1013: P溝道TFT， 1014: N溝道TFT, 1015: 絕緣膜，1016:絕緣膜，1017:布線，1018:絕緣膜，1101: 機殼，1102:支撐架，1103:顯示部分，1104:揚聲器部 分，1105:視頻榆入端，1111:機殼，1112:顯示部分，1113: 鍵盤，1114:外部連接端口， 1115:指針鼠標(biāo)，1121:機殼， 1122:操作鍵，1123:顯示部分
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括使用第一強度的第一激光束向第一方向掃描半導(dǎo)體層；以及使用第二強度的第二激光束向第二方向掃描所述半導(dǎo)體層，其中所述第一強度大于所述第二強度，其中所述第一方向是向前的方向，并且其中所述第二方向是向后的方向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中所述第 一和第二激光束被斜著傳送到所述半導(dǎo)體層。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中所述第一方 向和所述第二方向是相反的方向。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法， 其中當(dāng)向第一方向掃描所述半導(dǎo)體層時，所述半導(dǎo)體層向所述第一方向的反方向移動。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法， 其中當(dāng)向笫二方向掃描所述半導(dǎo)體層時，所述半導(dǎo)體層向所述第二方向的反方向移動。
6. —種半導(dǎo)體裝置的制造方法，包括 發(fā)射第一激光束；通過改變光束強度的裝置將所述第一激光束變成第二激光束，所述 裝置能夠改變光束強度；將所迷第二激光束變成第三激光束； 向照射表面?zhèn)魉退龅谌す馐?；以?使用所述第三激光束掃描所述照射表面， 其中在第一周期中所述第三激光束以向前的方向被掃描， 其中在第二周期中所述第三激光束以向后的方向被掃描，其中所述第二激光束在所述第一周期的光束強度大于在第二周期的 光束強度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法， 其中所述第三激光束被斜著傳送到所述照射表面。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法， 其中所述第 一激光束從激光振蕩器發(fā)射。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中改變光束強度的裝置至少包括起偏振片和ND濾光片之一。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法， 其中至少通過凸透鏡和衍射光學(xué)元件之一將所述第二激光束變成第三激光束。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法，其中當(dāng)使用所述第三激光束掃描所述照射表面時，所述照射表面向 掃描方向的反方向移動。
12. 根據(jù)權(quán)利要求6的所述半導(dǎo)體裝置的制造方法， 其中所述照射表面是半導(dǎo)體層的表面。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供一種激光照射設(shè)備，它能通過改變向前和向后方向照射中照射光束的能量強度來制造均勻結(jié)晶的薄膜。本發(fā)明的激光照射設(shè)備包括激光振蕩器和改變光束強度的裝置，其中激光束斜著入射到半導(dǎo)體層的表面，相對于半導(dǎo)體層的表面掃描激光束，且光束強度根據(jù)掃描方向變化。而且，激光振蕩器是連續(xù)波固體激光器、氣體激光器或金屬激光器。也可使用重復(fù)頻率大于或等于10MHz的脈沖激光器。
文檔編號H01L21/336GK101599427SQ20091015056
公開日2009年12月9日 申請日期2005年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者山本良明, 田中幸一郎 申請人:株式會社半導(dǎo)體能源研究所