雷射照射設備和雷射照射方法
2023-06-09 20:07:26
專利名稱：雷射照射設備和雷射照射方法
技術領域：
本發明涉及雷射照射設備(該設備包括雷射器和引導雷射器輸出的雷射束到照射物體的光學系統)以及一種雷射照射方法，例如用於對半導體材料進行有效和均勻地退火。
背景技術：
近年來，在基板上製造薄膜電晶體(此後稱為TFT)的技術得到很大的發展，且它在有源矩陣顯示裝置中的應用得到提高。具體而言，因為使用多晶半導體薄膜的TFT比使用非晶半導體薄膜的常規TFT具有更高的場效應遷移率，可以實現高速操作。因此，試圖通過在和象素相同的基板上形成驅動電路而控制象素，而驅動電路通常在基板外提供。
隨著半導體器件需求的增加，需要在較短的時間以較低的溫度製造半導體器件。在價格方面優於石英基板的玻璃基板用作半導體器件的基板。在玻璃基板上形成具有多晶半導體薄膜的TFT的情況下，儘管玻璃基板對熱敏感且由於熱而容易變形，通過採用雷射退火，半導體薄膜容易在低溫結晶。
此外，和使用輻射熱或傳導熱的其他退火方法相比，雷射退火具有這樣的優點，它可以極大地縮短處理時間，且基板上的半導體薄膜可以被選擇性地和局部地加熱，從而不對基板構成熱損害。
作為雷射退火中使用的雷射振蕩器，根據它們的振蕩方法，有脈衝雷射振蕩器和連續波(CW)雷射振蕩器。準分子雷射器具有高輸出功率和高重複頻率重複照射能力的優點。而且，準分子雷射器發射的雷射束的優點在於對於矽薄膜具有高吸收係數，矽薄膜通常用作半導體薄膜。優選地，以這種方式執行雷射照射通過光學系統，在照射表面上，雷射束被轉換成矩形、線形或橢圓形狀，然後該光束相對於照射表面在矩形、線形或橢圓形光束的短軸方向進行掃描，因為這種方法提供高產出率且是具有工業優勢的。目前，通常通過在根據本技術結晶的半導體薄膜上形成的TFT而製造液晶顯示器和EL(電致發光)顯示器。
另一方面，當從連續波雷射器發射的雷射束(此後該雷射束稱為CW雷射束)被轉換成矩形、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。在根據大晶粒晶體的長軸方向製造TFT的情況下，該TFT比使用準分子雷射器製造的TFT具有更高的遷移率。因為通過使用CW雷射束形成的TFT，可以高速地驅動電路，所以可以製造用於驅動顯示器、CPU等的驅動電路。
通常，已知圖8所示的雷射照射設備。該雷射照射設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，雷射振蕩器1發射的雷射束被分割成多個光束並會聚。然後，在雷射束在反射鏡7上反射之後，使用兩個柱面透鏡組成的雙柱面透鏡(doublet cylindricallens)，雷射束會聚成一個矩形、線形或橢圓形雷射束。此後，雷射束被垂直傳送到照射表面9。通過向照射表面傳送矩形、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，可以對非晶半導體的整個表面進行退火，從而使該非晶半導體結晶，其結晶度提高，或雜質元素被激活。
然而，因為常規雷射照射設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雷射束被垂直傳送到照射表面，即，基板上形成的半導體薄膜的表面，從上面入射到半導體薄膜的光束穿過基板並被基板的底面反射。然後，從上面入射的光束與在底面反射的光束幹涉。這樣，有時不能製造均勻結晶的半導體薄膜。
本申請提出一種克服常規雷射照射設備問題的緊湊和便宜的雷射照射設備。該雷射照射設備在圖9中示出。該雷射照射設備使用凸透鏡13，雷射束斜著入射到該凸透鏡，使得雷射束延伸，從而形成矩形、線形或橢圓形光束14。然後，延伸的光束斜著照射到照射表面15。
也就是說，該雷射照射設備包括雷射振蕩器11、反射鏡12、凸透鏡13等。雷射振蕩器11發射的雷射束在反射鏡12上反射並斜著入射到凸透鏡13，從而雷射束被整形成矩形、線形或橢圓形光束14。光束14被傳送到照射表面15。利用這種結構，設備可以做得很小，且可以避免由於基板的底面反射的光束導致的幹涉的負面效應(見參考文獻1日本專利申請特開No.2003-257885)。
然而，上述雷射照射設備仍具有以下問題。儘管使用CW雷射束執行雷射退火，例如使用長軸方向為300μm、短軸方向為10μm的矩形形狀在532nm處提供10W功率的CW雷射束，通過一次掃描形成的大晶粒晶體的寬度大約僅為200μm。因此，為了通過雷射退火使基板的整個表面有效結晶，雷射束需要來回掃描，同時將雷射束移動光束一次掃描形成的大晶粒晶體的寬度。此時，如果雷射束在短軸方向的強度分布沿著穿過光束短軸中心的平面(該平面垂至於基板且與光束的長軸平行)是不對稱的，在向後掃描和向前掃描之間雷射退火之後的結晶狀態可能不同。
然而，當矩形、線形或橢圓形光束斜著傳送到照射表面且基板沿著雷射束的短軸方向移動時，根據如下所述的雷射束的掃描方向，傳送到非晶半導體薄膜的雷射束的狀態不同。這樣，很難執行均勻結晶。
發明內容
本發明是為了解決上述問題，具體而言，本發明的一個目的是提供一種雷射照射設備和雷射照射方法，通過根據向前和向後掃描方向改變照射光束的能量密度，該方法可以製造均勻結晶的薄膜。
為達到上述目的，本發明採用下述結構。應當注意這裡描述的雷射退火方法表示使非晶區域結晶或使由於向半導體基板或半導體薄膜添加離子而形成的受損區域結晶的技術，通過使用雷射束照射基板上形成的非晶半導體薄膜使半導體薄膜結晶的技術，在向半導體薄膜引入促進結晶的元素(例如鎳)之後通過雷射照射使不是單晶的半導體薄膜(上述不是單晶的半導體薄膜一般稱為非單晶半導體薄膜)結晶的技術等。而且，雷射退火包括應用於平面化或改變半導體基板或半導體薄膜表面的技術。
根據本說明書公開的本發明的一個方案，雷射照射設備包括雷射振蕩器、改變光束強度的裝置以及凸透鏡或衍射光學元件，其中雷射束入射到照射表面，其中雷射束相對於照射表面掃描，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。
根據本發明的另一方案，雷射照射設備包括雷射振蕩器、改變光束強度的裝置以及凸透鏡或衍射光學元件，其中光束入射到照射表面，其中光束相對於照射表面掃描，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，在雷射退火之後，照射表面處的結晶狀態都是均勻的。
上述構造中，雷射束可以斜著入射到照射表面。
根據本發明的另一方案，穿過凸透鏡或衍射光學元件的雷射束在照射表面上具有矩形、線形或橢圓形狀。
根據本發明的另一方案，改變光束強度的裝置是起偏振片。起偏振片的數量可以大於一個。
根據本發明的另一方案，雷射振蕩器是CW固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器，或脈衝固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器。作為固體雷射器，有YAG雷射器、YVO4雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、玻璃雷射器、紅寶石雷射器、變石雷射器、Ti藍寶石雷射器等。作為氣體雷射器，有Ar雷射器、Kr雷射器、CO2雷射器等。作為金屬雷射器，有銅蒸汽雷射器、金蒸汽雷射器等。作為脈衝雷射器，可以使用重複頻率等於或大於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器、YAG雷射器等。
根據本發明的另一方案，雷射振蕩器發射的雷射束通過非線性光學元件轉化為諧波。
根據本發明的另一方案，雷射束從雷射振蕩器發射，雷射束經過改變光束強度的裝置，該裝置根據光束掃描方向改變光束強度，雷射束經過凸透鏡或衍射光學元件，然後雷射束入射到照射表面。而且，通過相對於照射表面掃描雷射束，照射表面可以在所有掃描方向上均勻退火。雷射束可以斜著入射到照射表面。
根據本發明，因為雷射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幹涉，可以向照射表面傳送具有均勻能量分布的雷射束。這樣，基板上的非單晶半導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，起偏振片等是根據掃描方向改變光束強度的裝置。具體而言，雷射束在整個照射表面以單次往復繪製(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體薄膜可以均勻結晶。使用CW雷射器或重複頻率等於或大於10MHz的脈衝雷射器，可以製造大晶粒晶體；因此，可以製造具有高遷移率的TFT。
因此，電學特性的變化可以得到減小，且可靠性得到提高。通過將本發明應用於TFT的大規模生產線，可以有效地生產具有高工作特性的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，半導體器件的製造過程中，可以擴大容限，產量大為提高；因此可以降低半導體器件的製造成本。
附圖中圖1示意性地示出了根據本發明的雷射照射設備；圖2示意性地示出了根據本發明的另一雷射照射設備；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係；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；圖6是沿著圖5的A-A』線的剖面圖；圖7是沿著圖5的B-B』線的剖面圖；圖8示意性地示出了常規雷射照射設備；圖9示意性地示出了另一種常規雷射照射設備；圖10A到10D示意性地示出了根據本發明製造TFT的工藝；以及圖11A到11C示意性地示出了根據本發明的電子設備。
具體實施例方式圖1示出了雷射照射設備的一個實例。首先，準備形成有非單晶半導體薄膜106的基板107。基板107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後掃描。
該雷射照射設備包括雷射振蕩器101、兩個起偏振片102和103、反射鏡104以及凸透鏡105。雷射振蕩器101是CW雷射振蕩器。作為CW固體雷射器，有YAG雷射器、YVO4雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、變石雷射器以及Ti:藍寶石雷射器。作為CW氣體雷射器，有Ar雷射器、Kr雷射器、CO2雷射器。不僅可以使用CW雷射器，還可以使用脈衝雷射器。作為脈衝雷射器，可以使用重複頻率大於或等於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器、YAG雷射器等。
雷射振蕩器101發射的雷射束通過非線性光學元件理想地轉化成諧波。例如，已知YAG雷射器發射1065nm波長的雷射束。矽薄膜對該光束的吸收係數很低，使用這種雷射束技術上很難使非晶矽薄膜(一種半導體薄膜)結晶。然而，通過使用非線性光學元件，雷射束可以轉換成較短波長。作為諧波，給出二次諧波(532nm)、三次諧波(355nm)、四次諧波(266nm)和五次諧波(213nm)。因為非晶矽薄膜對這些諧波具有高吸收係數，這些諧波可用於使非晶矽薄膜結晶。
根據本發明，起偏振片102(103)對應於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，通過調整兩個起偏振片102和103透射軸之間的角度，雷射振蕩器101發射的雷射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，優選地使用偏振度為100∶1或更高的雷射束。這使得起偏振片可以在約0到99％的範圍內調節能量。
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可以在正方向或負方向自由旋轉。然後，通過將起偏振片103在正方向或負方向旋轉預定角度，透過兩個起偏振片102和103並傳輸到反射鏡104的雷射束的強度可以改變。通過按需要改變旋轉角度，雷射束的強度可以改變到任意強度。應當注意起偏振片的數目可以是一個，或兩個以上。
當雷射束斜著從上面進入凸透鏡105時，由於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。然後，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，可以對其進行選擇。然而，因為兩個聚焦線彼此相交，實踐者需要恰當地選擇。詳細情況參考文獻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。優選地，在其短軸方向上掃描光束120，因為這樣可以擴大雷射束一次掃描的區域，這提高了產出率。
下面描述使用該雷射照射設備對非單晶半導體薄膜106進行退火的過程。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。然後，從雷射振蕩器101發射CW雷射束，且CW雷射束的光束強度通過起偏振片102和103調節，使其儘可能地高，但處於不剝離薄膜(不燒蝕非單晶半導體薄膜)的範圍。調節後的近乎圓形形狀的光束在反射鏡104上反射，然後斜著進入凸透鏡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和垂直於該移動方向的方向上的長軸長度H。然後，光束斜著傳送到非單晶半導體薄膜106。
然後，X軸平臺108向前移動，這是與雷射束入射方向相同的方向，從而對非單晶半導體薄膜106進行退火。當到達向前方向的末端時，X軸平臺108停止移動，然後Y軸平臺109在Y軸方向移動大約對應於長軸長度H的長度。
接著，起偏振片102和103其中之一在正或負方向旋轉預定角度以減小光束強度。同時，X軸平臺108向後移動，這是朝向雷射束入射方向的方向，以對非單晶薄膜106進行退火。當到達向後方向末端時，X軸平臺108停止移動，然後Y平臺109在Y軸方向移動大約對應於長軸長度H的長度。
接著，起偏振片102和103其中之一在正或負方向旋轉預定角度，光束強度增加到原來的高光束強度。然後，X軸平臺108向前移動，這是與雷射束入射方向相同的方向。此後，通過重複上述操作，非單晶半導體薄膜106的整個表面可以以單次往復連續退火，使得非單晶半導體薄膜106結晶。儘管基板的整個表面可以通過在向前或向後方向之一上掃描光束而不改變光束強度進行退火，這種退火方法產出率低，因為這種方法的產出率是通過在向前和向後方向都掃描光束執行的退火方法的產出率的一半。
根據該過程對非單晶半導體薄膜106的整個表面進行退火，其整個表面可以均勻結晶。
接著，解釋為什麼必須通過起偏振片102(103)改變光束強度的原因。根據本發明人的實驗，已證實具有較高能量密度的雷射束可以製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雷射束能量密度的實驗結果。水平軸表示雷射束的能量密度的比例，此時假設燒蝕半導體薄膜時的能量密度閾值是100％，垂直軸表示製造的TFT的電子遷移率的平均值。從圖3可以理解，當使用閾值或更低值範圍內的具有較高能量密度的雷射束對半導體薄膜退火時，可以製造具有較高電子遷移率的TFT。
然而，使用圖1的雷射照射設備使用在向前方向和向後方向具有相同光束強度的雷射束進行退火時，有圖4所示的問題。圖4示出了使用圖1所示的雷射照射設備使用在前進方向和後退方向具有相同光束強度的雷射束退火的情況下的實驗結果。圖4中，水平軸表示矩形光束的長軸方向，而垂直軸示出了製造的TFT的電子遷移率。
該結果表明，在通過雷射照射設備使用雷射束斜著照射照射表面時，通過在向前方向掃描雷射束製造的TFT比在向後方向掃描雷射束製造的TFT的遷移率低大約30％。使用具有這種變化的半導體薄膜製造TFT不是優選的。
參考圖5到7描述圖4所示的結果的原因。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，它示出了向後掃描方向。如圖5所示，使用凸透鏡105形成併入射到非單晶半導體薄膜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體薄膜106。即使通過任何方法調整光學系統後，在照射處雷射束的強度分布沿著經過光束短軸的中心的平面(垂直於基板，平行於光束的長軸)也是不對稱的。換句話說，沿著該平面，短軸方向上雷射束的強度分布不對稱。因此，在向前和向後方向上，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10μm，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，更難在短軸方向調節雷射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，當利用在圖6和7所示的方向交替地掃描雷射束退火的半導體薄膜製造TFT時，整體遵循向前方向上遷移率低的TFT的特性。
因此，優選增加向前方向上雷射束的能量，使得TFT的電子遷移率儘可能地高，但薄膜不被燒蝕等，而優選降低向後方向上雷射束的能量使得薄膜不因過多能量而被燒蝕等。
也就是說，當在向前方向上掃描雷射束時，起偏振片102(103)在正或反方向旋轉以增加入射光束121的光束強度。同樣，當在向後方向上掃描雷射束時，起偏振片102(103)在正或反方向旋轉以減小入射光束121的光束強度。因此，非單晶半導體薄膜106的整個表面可以使用高能量均勻地晶化。
由此，通過在向前和向後方向掃描雷射束對非單晶半導體薄膜106進行退火的情況下，當光束在遷移率較低的方向上掃描時增加雷射束的能量，當光束在遷移率較高的方向上掃描時降低雷射束的能量。這樣，可以抑制結晶的變化。
入射到基板107的矩形光束120在長軸方向的尺寸大約為150～400μm，在短軸方向的尺寸大約為1～30μm。光束120的尺寸中，長軸方向的長度可以根據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30μm，而其下限約為1μm。此範圍之外，很難製造具有高特性的大晶粒晶體。實際上，在短軸方向長度約為10μm的10W的CW雷射束的情況下，其長軸方向的長度約為400μm。在短軸方向長度約為8μm的3W的CW雷射束的情況下，其長軸方向的長度約為150μm。
圖2示出了另一個雷射照射設備的實例。該雷射照射設備使用衍射光學元件110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，該雷射照射設備包括雷射振蕩器101，兩個起偏振片102和103、反射鏡104以及衍射光學元件110。雷射振蕩器101是CW雷射振蕩器，與圖1的CW雷射振蕩器相似。作為固體雷射器，可以使用YAG雷射器、YVO4雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、變石雷射器或Ti:藍寶石雷射器。作為氣體雷射器，可以使用Ar雷射器、Kr雷射器、CO2雷射器。除了CW雷射器，還可以使用脈衝雷射器。作為脈衝雷射器，可以使用重複頻率大於或等於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器、YAG雷射器等。
衍射光學元件110也稱為DOE或衍射光學器件。該元件是為了使用光的衍射獲得所需能量，並通過在其表面形成凹槽用作會聚透鏡。使用該衍射光學元件110，從CW雷射振蕩器101發射的具有高斯能量分布的雷射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描述。
使用這種雷射照射設備，與圖1類似，通過來回掃描雷射束，同時改變光束強度，對非單晶半導體薄膜106進行退火，可以使非單晶半導體薄膜106均勻結晶。
本發明不限於上述實施例的構造，可以在本發明的範圍內進行適當修改。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整雷射束的強度。這種情況下，當分束器或ND濾光片對雷射敏感時，雷射束的光束直徑可以使用擴束器擴展以減小能量密度。在使用雷射振蕩器(其中通過改變雷射器的激勵光源的強度可以調節雷射束的輸出)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本發明雷射退火設備製造薄膜電晶體(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，可以使用由硼矽酸鋇玻璃或硼矽酸鋁玻璃製成的玻璃基板、石英基板、陶瓷基板、不鏽鋼基板等。儘管以塑料、丙烯酸等為代表的柔性材料製成的基板一般在耐熱性方面劣於上述基板，當基板可以承受製造工藝產生的熱量時，可以使用柔性材料製成的基板。
提供基底薄膜1001是為了防止包括在基板1000中的鹼土金屬或諸如Na的鹼金屬擴散到半導體薄膜內。當鹼土金屬或鹼金屬在半導體中時，該金屬對半導體元件的特性引起負面效應。因此，使用能夠抑制鹼土金屬和鹼金屬向半導體擴散內的絕緣材料，例如氧化矽、氮化矽或氮氧化矽(silicon nitride oxide)形成基底薄膜。而且，基底薄膜1001可以具有單層結構或多層結構。本實施例中，通過等離子體CVD(化學氣相澱積)方法形成厚度為10～400nm的氮氧化矽薄膜。
當基板1000是例如玻璃基板或塑料基板這樣的甚至包括少量鹼土金屬或鹼金屬的基板時，提供基底薄膜以防止雜質的擴散是有效的。當使用石英基板這樣的很難擴散雜質的基板時，並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25～100nm(優選地30～60nm)的非晶半導體薄膜1002。本實施例中，非晶半導體薄膜1002可以使用矽、矽鍺等形成，本實施例中使用矽。當使用矽鍺時，優選鍺的濃度為0.01～4.5原子百分比。
接著，如圖10B所示，使用本發明的雷射退火設備用雷射束照射非晶半導體薄膜1002以使該半導體薄膜結晶。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TEM00模式(單橫模)的Nd:YVO4雷射器執行照射。除了該雷射器，還可使用其它雷射器。作為連續波(CW)固體雷射器，有YAG雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、變石雷射器或Ti:藍寶石雷射器。作為CW氣體雷射器，有Ar雷射器、Kr雷射器或CO2雷射器。而且，還可以使用脈衝重複頻率大於或等於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器、YAG雷射器等。
通過在所有掃描方向均勻地對該半導體薄膜進行退火，電子設備的特性可以穩定在良好條件。然而，當使用在圖6和7所示方向上交替退火的半導體薄膜製造TFT時，TFT中的半導體薄膜的結晶狀態取決於向前方向和向後方向而改變。這對電子設備的特性產生顯著影響。
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體薄膜進行均勻退火。這裡，光束強度可以以這樣的方式調整，提前將布圖輸入到諸如計算機的控制裝置，該控制裝置用於控制移動起偏振片的電機，該控制裝置根據輸入的布圖發送控制電機的信號，接收該信號的電機移動起偏振片。
而且，通過使用狹縫，可以阻隔雷射束的低強度部分；因此，可以傳送等於或大於預定強度的線形、橢圓或矩形光束。
此後，如圖10C所示，通過雷射照射形成的結晶半導體薄膜1003被圖形化，從而形成島狀半導體薄膜1006。然後，形成柵極絕緣薄膜1007以覆蓋島狀半導體薄膜1006。通過等離子體CVD方法或濺射方法，可以使用氧化矽、氮化矽、氮氧化矽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115nm的氮氧化矽薄膜。
接著，在柵極絕緣薄膜1007上形成導電薄膜並對其圖形化以形成柵電極1008。此後，使用柵電極1008或圖形化的抗蝕劑作為掩模，通過向島狀半導體薄膜1006添加提供n型或p型電導率的雜質形成源極區域1009、漏極區域1010、LDD區域1011等。根據上述步驟，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的保護薄膜。使用氮化矽或氮氧化矽形成厚度100～200nm的單層或多層結構的絕緣薄膜1015。本實施例中，通過等離子體CVD方法形成厚度為100nm的氧氮化矽薄膜。使用絕緣薄膜1015，可以獲得防止空氣中的氧和溼氣以及各種離子雜質進入的阻隔效果。
接著，形成絕緣薄膜1016。本實施例中，可以使用諸如聚醯亞胺、聚醯胺、BCB(苯並環丁烯)、丙烯酸或矽氧烷這樣的有機樹脂薄膜，TOF薄膜，無機層間絕緣薄膜(諸如氮化矽或氧化矽這樣的包括矽的絕緣薄膜)，低k(低介電常數)材料等。矽氧烷是這樣一種材料，它具有用-Si-O-Si-表示的矽和氧的鍵(矽氧鍵)作為基本單元，且具有矽與氟、脂肪族烴或芳(族)烴相結合的結構。因為形成絕緣薄膜1016的主要目的是緩和和平整化由於玻璃基板上形成的TFT導致的不平整，優選地使用具有優良平整度的薄膜。
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雜質區域的接觸孔。
接著，使用導電材料形成導電薄膜，通過圖形化該導電薄膜形成布線1017。此後，當形成絕緣薄膜1018作為保護膜時，完成了圖10D所示的半導體器件。應當注意使用本發明的雷射退火方法製造半導體器件的方法不限於上述製造TFT的方法。
在雷射結晶步驟之前，可以提供使用催化劑元素的結晶步驟。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)。
與僅通過雷射照射使半導體薄膜結晶的情況相比，當在使用催化劑元素的結晶步驟之後執行雷射照射結晶步驟時，可以進一步提高半導體薄膜的結晶度，並在雷射結晶之後減小半導體薄膜表面的粗糙度。因此，可以進一步減小此後要形成的以TFT為代表的半導體元件的特性變化，並且可以抑制關斷電流。
應當注意可以以這種方式執行結晶在添加催化劑元素之後，執行熱處理以促進結晶，然後執行雷射照射。或者，省略熱處理。而且，可以在熱處理之後在保持溫度的同時執行雷射處理。
儘管本實施例示出了本發明的雷射照射方法用於結晶半導體薄膜的實例，該雷射照射方法可以應用於激活半導體薄膜中摻雜的雜質元素。而且，本發明的製造半導體器件的方法可用於製造集成電路和半導體顯示裝置的方法。
用於例如驅動器或CPU(中央處理單元)這樣的功能電路的電晶體優選地具有LDD結構或LDD與柵電極交疊的結構。希望微型化電晶體以增加速度。因為根據本實施例完成的電晶體具有LDD結構，優選地該電晶體用於需要高速操作的驅動電路。
根據本發明，使用薄膜電晶體可以完成各種電子設備。參考圖11A到11C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中採用圖10A到10D所示的製造方法形成的薄膜電晶體製造該顯示裝置。應當注意該顯示裝置包括液晶顯示裝置和發光裝置，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、外部連接埠1114、指針滑鼠1115等。通過採用圖10A到10D所示的製造方法，可以製造顯示部分1112和其它電路。而且，本發明可以應用到主體內部的其它半導體器件，例如CPU和存儲器。
圖11C示出了行動電話，它是移動終端的典型實例。該行動電話包括機殼1121、操作鍵1122、顯示部分1123等。除了行動電話，因為諸如PDA(個人數字助理)、數位相機以及小型遊戲機這樣的電子設備都是移動終端，它們的顯示屏很小。因此，通過使用圖10A到10D所示的小電晶體形成諸如CPU和存儲器這樣的功能電路，可以獲得更小和更輕的設備。
本實施例中製造的薄膜電晶體可以用作ID晶片。例如，通過圖10A到10D所示的製造方法，電晶體可以用作ID晶片中的集成電路和存儲器或用作ID標籤。當電晶體用作存儲器時，可以記錄產品的流通過程和生產步驟工藝，例如產地、製造商、生產日期以及加工方法。對於批發商、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標籤的情況下，通過使用ID標籤代替常規條形碼，可以簡化產品結算和編目工作。而且，通過在結算處將已經完成結算輸入到ID標籤，並通過在出口提供的檢查裝置檢查ID標籤是否結算，可以防止忘記結算和行竊。
如上所述，根據本發明製造的半導體器件可以在很大範圍得到應用，且根據本發明製造的半導體器件可以應用於各個領域中的各種電子設備。
權利要求
1.一種雷射照射方法，包括向半導體層傳送雷射束；使用第一強度的雷射束向第一方向掃描半導體層；以及使用第二強度的雷射束向第二方向掃描半導體層，其中第一強度大於第二強度。
2.根據權利要求1的雷射照射方法，其中雷射束斜著傳送到半導體層。
3.根據權利要求1的雷射照射方法，其中第一方向和第二方向是相反的方向。
4.根據權利要求1的雷射照射方法，其中當向第一方向掃描半導體層時，半導體層向第一方向的反方向移動。
5.根據權利要求1的雷射照射方法，其中當向第二方向掃描半導體層時，半導體層向第二方向的反方向移動。
6.一種雷射照射方法，包括發射第一雷射束；通過改變光束強度的裝置將第一雷射束變成第二雷射束，所述裝置能夠根據掃描方向改變光束強度；將第二雷射束變成第三雷射束；向照射表面傳送第三雷射束；以及使用第三雷射束掃描照射表面。
7.根據權利要求6的雷射照射方法，其中第三雷射束斜著傳送到照射表面。
8.根據權利要求6的雷射照射方法，其中第一雷射束從雷射振蕩器發射。
9.根據權利要求6的雷射照射方法，其中改變光束強度的裝置包括至少起偏振片和ND濾光片之一。
10.根據權利要求6的雷射照射方法，其中通過至少凸透鏡和衍射光學元件之一將第二雷射束變成第三雷射束。
11.根據權利要求6的雷射照射方法，其中當使用第三雷射束掃描照射表面時，照射表面向掃描方向的反方向移動。
12.根據權利要求6的雷射照射方法，其中照射表面是半導體層的表面。
13.一種雷射照射設備，包括雷射振蕩器；改變光束強度的裝置；以及凸透鏡；其中雷射束入射到照射表面，其中使用雷射束掃描照射表面，並且其中利用改變光束強度的裝置，在每個掃描方向上改變光束強度。
14.根據權利要求13的雷射照射設備，其中穿過凸透鏡或衍射光學元件的雷射束在照射表面上具有矩形、線形或橢圓形狀。
15.根據權利要求13的雷射照射設備，其中改變光束強度的裝置包括至少起偏振片和ND濾光片之一。
16.根據權利要求15的雷射照射設備，其中起偏振片的數目大於一個。
17.根據權利要求13的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是連續波固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器，或脈衝固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器。
18.根據權利要求13的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是從一組雷射器選擇的一種，該組包括連續波或脈衝YAG雷射器、YVO4雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、玻璃雷射器、紅寶石雷射器、變石雷射器以及Ti藍寶石雷射器。
19.根據權利要求13的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是從一組雷射器選擇的一種，該組包括Ar雷射器、Kr雷射器和CO2雷射器。
20.根據權利要求13的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是選自一組雷射器中的一種，該組包括重複頻率等於或大於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器和YAG雷射器。
21.根據權利要求13的雷射照射設備，其中從雷射振蕩器發射的雷射束通過非線性光學元件轉換成諧波。
22.一種雷射照射設備，包括雷射振蕩器；改變光束強度的裝置；以及衍射光學元件；其中雷射束入射到照射表面，其中使用雷射束掃描照射表面，並且其中利用改變光束強度的裝置，在每個掃描方向上改變光束強度。
23.根據權利要求22的雷射照射設備，其中穿過凸透鏡或衍射光學元件的雷射束在照射表面上具有矩形、線形或橢圓形狀。
24.根據權利要求22的雷射照射設備，其中改變光束強度的裝置包括至少起偏振片和ND濾光片之一。
25.根據權利要求24的雷射照射設備，其中起偏振片的數目大於一個。
26.根據權利要求22的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是連續波固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器，或脈衝固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器。
27.根據權利要求22的雷射照射設備，其中雷射振蕩器為選自下面的組中的一種，該組包括連續波或脈衝YAG雷射器、YVO4雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、玻璃雷射器、紅寶石雷射器、變石雷射器以及Ti藍寶石雷射器。
28.根據權利要求22的雷射照射設備，其中雷射振蕩器為選自包括Ar雷射器、Kr雷射器和CO2雷射器的組中的一種。
29.根據權利要求22的雷射照射設備，其中雷射振蕩器為選自下面的組中的一種，該組包括重複頻率等於或大於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器和YAG雷射器。
30.根據權利要求22的雷射照射設備，其中從雷射振蕩器發射的雷射束通過非線性光學元件轉換成諧波。
31.一種雷射照射設備，包括雷射振蕩器；改變光束強度的裝置；以及凸透鏡；其中雷射束斜著入射到照射表面，其中使用雷射束掃描照射表面，且其中利用改變光束強度的裝置，在每個掃描方向上改變光束強度。
32.根據權利要求31的雷射照射設備，其中穿過凸透鏡或衍射光學元件的雷射束在照射表面上具有矩形、線形或橢圓形狀。
33.根據權利要求31的雷射照射設備，其中改變光束強度的裝置包括至少起偏振片和ND濾光片之一。
34.根據權利要求33的雷射照射設備，其中起偏振片的數目大於一個。
35.根據權利要求31的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是連續波固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器，或脈衝固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器。
36.根據權利要求31的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是選自下面的組中的一種，該組包括連續波或脈衝YAG雷射器、YVO4雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、玻璃雷射器、紅寶石雷射器、變石雷射器以及Ti藍寶石雷射器。
37.根據權利要求31的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是選自包括Ar雷射器、Kr雷射器和CO2雷射器的組中的一種。
38.根據權利要求31的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是選自下面的組中的一種，該組包括重複頻率等於或大於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器和YAG雷射器。
39.根據權利要求31的雷射照射設備，其中從雷射振蕩器發射的雷射束通過非線性光學元件轉換成諧波。
40.一種雷射照射設備，包括雷射振蕩器；改變光束強度的裝置；以及衍射光學元件；其中雷射束斜著入射到照射表面，其中使用雷射束掃描照射表面，且其中利用改變光束強度的裝置，在每個掃描方向上改變光束強度。
41.根據權利要求40的雷射照射設備，其中穿過凸透鏡或衍射光學元件的雷射束在照射表面上具有矩形、線形或橢圓形狀。
42.根據權利要求40的雷射照射設備，其中改變光束強度的裝置包括至少起偏振片和ND濾光片之一。
43.根據權利要求42的雷射照射設備，其中起偏振片的數目大於一個。
44.根據權利要求40的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是連續波固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器，或脈衝固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器。
45.根據權利要求40的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是選自下面的組中的一種，該組包括連續波或脈衝YAG雷射器、YVO4雷射器、YLF雷射器、YAlO3雷射器、GdVO4雷射器、Y2O3雷射器、玻璃雷射器、紅寶石雷射器、變石雷射器以及Ti藍寶石雷射器。
46.根據權利要求40的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是選自包括Ar雷射器、Kr雷射器和CO2雷射器的組中的一種。
47.根據權利要求40的雷射照射設備，其中雷射振蕩器是選自下面的組中的一種，該組包括重複頻率等於或大於10MHz的YVO4雷射器、GdVO4雷射器和YAG雷射器。
48.根據權利要求40的雷射照射設備，其中從雷射振蕩器發射的雷射束通過非線性光學元件轉換成諧波。
全文摘要
本發明的目的是提供一種雷射照射設備，它能通過改變向前和向後方向照射中照射光束的能量強度來製造均勻結晶的薄膜。本發明的雷射照射設備包括雷射振蕩器和改變光束強度的裝置，其中雷射束斜著入射到照射表面，相對於照射表面掃描雷射束，且光束強度根據掃描方向變化。而且，雷射振蕩器是連續波固體雷射器、氣體雷射器或金屬雷射器。也可使用重複頻率大於或等於10MHz的脈衝雷射器。
文檔編號H01L21/336GK1969377SQ20058002002
公開日2007年5月23日 申請日期2005年6月15日 優先權日2004年6月18日
發明者田中幸一郎, 山本良明 申請人:株式會社半導體能源研究所