专利名称：束均化器，激光辐照设备，以及制造半导体器件的方法
技术领域：
本发明涉及到用来使被辐照表面特定区域内的激光束强度分布均匀的束均化器。此外，本发明涉及到用来将激光束辐照到被辐照表面的激光辐照设备。本发明还涉及到具有用激光辐照设备形成的结晶半导体膜的半导体器件的制造方法。
背景技术：
近年来，借助于将激光束辐照到形成在玻璃衬底上的非晶半导体膜而制造结晶半导体膜的方法，已经被广泛地使用(以下将此方法称为激光退火)。要指出的是，此处所用的术语“结晶半导体膜”意味着具有被晶化的区域的半导体膜，且包括在其整个表面上具有晶化区域的半导体膜。
玻璃衬底比人造石英衬底更便宜，因而具有能够容易地制造大衬底的优点。另一方面，玻璃衬底的缺点是其熔点低于人造石英的熔点。但当对形成在玻璃衬底上的半导体膜进行激光退火时，有可能仅仅对半导体膜提供高温而对玻璃衬底不造成任何热损伤。此外，与采用电炉的加热方法相比，激光退火提供了高得多的产率。
由于用激光退火方法制造的结晶半导体膜具有高的迁移率，故此结晶半导体膜被广泛地用作例如构成有源矩阵液晶显示器件的驱动电路的TFT的有源层。
从准分子激光器发射的激光束常常被用作此激光束。准分子激光器的优点是具有高的输出，能够以高的重复速率振荡激光束，以及通常被用作半导体膜的硅膜对从准分子激光束发射的激光束的吸收系数高。而且，以激光束通过光学系统被成形为在被辐照表面上具有矩形形状，以及矩形激光束的辐照位置相对于被辐照表面移动的方式，来执行激光辐照。由于这种方法提供了高的生产率，故在工业上是优异的。要指出的是，在本说明书中，在被辐照表面上具有矩形形状的激光束被称为矩形束。
由于从激光振荡器发射的激光束通常具有高斯强度分布，故为了进行均匀的激光退火，必须对被辐照表面上激光束的强度分布进行均化。近年来，为了均化强度分布，常常采用这样一种方法，其中，柱形透镜阵列被用来沿预定方向分裂激光束，然后将备个被分裂的激光束叠加在同一个表面上。根据此方法，矩形束能够被形成为沿长轴具有300mm或以上的长度而沿短轴具有1mm或以下的长度，因而有可能有效地对形成在大衬底上的半导体膜进行激光退火。
但当采用柱形透镜阵列时，各个柱形透镜的加工精度是一个问题。柱形透镜阵列由排列的多个柱形透镜组成，不可能将各个柱形透镜制造成具有相同的曲率半径和相同的表面精度。结果，由于被柱形透镜阵列分裂的各个束斑无法完全被叠加在相同的辐照表面中，故在矩形束中形成有强度分布被衰减的区域。当时半导体膜进行激光退火时就出现问题。当用具有这种不均匀强度分布的矩形束的激光退火形成的半导体膜被用来制造TFT时，尤其是当这种TFT被用来制造液晶或有机EL显示器时，就可能在显示器上出现条纹或颜色变化。
发明内容
考虑到上述问题而提出了本发明，本发明的目的是改善激光束的强度分布均匀性，并提供一种能够修正特别是由于柱形透镜阵列加工不精确性造成的激光束的强度变化的技术。
本发明结合用来形成矩形束的柱形透镜阵列而采用一种光波导，以便得到强度分布更均匀的矩形束。亦即，以激光束沿预定方向被柱形透镜阵列分裂之后，各个分裂的束被组合，激光束然后被引入到沿与预定方向相同的方向作用的光波导中的方式，来修正由于柱形透镜阵列加工不精确性造成的激光束强度分布的变化。
当在光波导中面对地提供一对反射平面时，预定方向就与要形成的矩形束的短轴方向一致。使光波导沿矩形束短轴方向作用的原因如下。通常用来对半导体膜进行激光退火的矩形束具有非常短的短轴，一般为1mm或以下。为了沿这种非常窄的矩形束的短轴方向均化激光束的强度分布，分裂的束斑必须以非常高的精度被叠加。正是光波导容易地使得这种叠加成为可能，分裂的束斑从而能够完全被叠加在同一个位置。
而且，当光波导沿长轴方面具有另一对面对地提供的反射平面时，矩形束能够沿其长轴和短轴方向具有均匀的强度分布。
为了解决上述问题，本发明提供了一种束均化器，它包括用来沿预定方向分裂激光束并组合分裂的激光束的光学系统以及用来沿预定方向均化激光束的强度分布的光波导，其中，激光束在透射通过光学系统之后，被入射到光波导中。
本发明公开的束均化器还包括用来沿垂直于预定方向的方向分裂激光束以及用来组合分裂的束的光学系统。
在本发明公开的束均化器中，光波导具有面对地提供的一对反射平面。
在本发明公开的束均化器中，光波导具有面对地提供的二对反射平面。
本发明公开了一种激光辐照设备，它包括激光振荡器和束均化器，其中，束均化器具有用来沿预定方向分裂激光束并组合分裂的激光束的光学系统以及用来沿预定方向均化激光束的强度分布的光波导，且其中，激光束在透射通过光学系统之后，被入射到光波导中。
本发明公开的激光辐照设备还包括用来沿垂直于预定方向的方向分裂激光束以及用来组合分裂的激光束的光学系统。
在本发明公开的激光辐照设备中，光波导具有面对地提供的一对反射平面。
在本发明公开的激光辐照设备中，光波导具有面对地提供的二对反射平面。
在本发明公开的激光辐照设备中，激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
在本发明公开的激光辐照设备中，激光振荡器是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
本发明公开的激光辐照设备还包括用来相对于激光束移动被辐照表面的移动台。
本发明公开的激光辐照设备还包括用来将辐照表面传送到移动台的传送装置。
本发明公开了一种用来制造半导体器件的方法，它包括在衬底上形成非单晶半导体膜的步骤以及对作为辐照表面的非单晶半导体膜进行激光退火的步骤，其中，激光退火包括用光学系统沿预定方向分裂激光束并组合各个分裂的束的步骤、用光波导沿预定方向均化激光束的强度分布的步骤、以及在将激光束相对于非单晶半导体膜移动的情况下辐照非单晶半导体膜的步骤。
在本发明公开的制造半导体器件的方法中，采用了用来沿垂直于预定方向的方向分裂激光束以及用来组合各个分裂的束的光学系统。
用于本发明公开的制造半导体器件的方法中的光波导具有面对地提供的一对反射平面。
用于本发明公开的制造半导体器件的方法中的光波导具有面对地提供的二对反射平面。
用于本发明公开的制造半导体器件的方法中的激光振荡器，是准分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
用于本发明公开的制造半导体器件的方法中的激光振荡器，是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
在本发明公开的制造半导体器件的方法中，采用了用来相对于激光束移动辐照表面的移动台。
在本发明公开的制造半导体器件的方法中，采用了用来将辐照表面传送到移动台的传送装置。
根据本发明，利用用来分裂和组合激光束的光学系统，分裂的束被分别聚焦在不同的点，强度分布因而在各个焦点处被分散，而不形成强度非常高的点。而且，由于借助于调整光学系统的位置，能够将焦点设定成离开光波导一定距离，故激光束不被聚焦在光波导内部。因此，光波导不太可能被损伤。由于如上所述强度分布在焦点处被分散，故即使当激光束由于例如激光束发散角的改变而被聚焦在光波导内部时，光波导也不太可能被损伤。以在强度分布被分散的同时激光束透过那里入射到光波导中并且各个分裂的激光束被叠加在同一个表面上的方式，激光束的强度分布被均化。在各个分裂的激光束被叠加于此的光波导出口处，激光束的强度分布被均化。由于激光束的强度分布被分散，故能够使用透射型光波导，并能够降低光导损失。
此外，由于激光束能够具有均匀的强度分布，故有可能具有激光束功率的宽的裕度。图7A和7B解释了这一点。图7A示出了强度分布不均匀的激光束的形状。通常，激光束的功率不总是稳定的而有一定程度的变化。在用强度分布不均匀的激光束进行激光退火的情况下，当功率意外增大时，束分布的顶部超过适合于晶化的能量范围。因此，当对作为被辐照目标的半导体膜进行激光退火时，半导体膜可能被烧蚀。相反，当功率降低时，原先能量低的束分布底部下降到低于适合于晶化的能量范围。因此，可能由于能量不足而不进行晶化。另一方面，如图7B所示，当采用强度分布均匀的激光束时，即使功率有一定程度的变化，激光束也不超过或低于适合于晶化的能量范围。于是能够稳定地进行均匀的晶化。因此，利用本发明形成的强度分布均匀的激光束，能够在激光束功率的宽裕度内进行激光退火。
当利用本发明公开的包括束均化器的激光辐照设备来执行激光退火时，能够在辐照表面处均化激光束的强度分布。因此，能够提高衬底上结晶性的均匀性。当本发明被应用于TFT的大规模生产时，由于均匀的结晶性能够减小电学特性的变化和提高可靠性，故有可能有效地制造具有高的工作特性的TFT。
借助于满足这些优点，能够提高以有源矩阵液晶显示器件为典型的半导体器件的工作特性和可靠性。而且，半导体器件的制造工艺能够具有宽的裕度来提高成品率。因此，能够以更低的成本制造半导体器件。
图1A和1B示出了本发明的实施方案模式；图2A和2B示出了本发明的实施方案模式；图3A和3B示出了本发明的实施方案模式；图4A和4B示出了本发明的实施方案1；图5A和5B示出了本发明的实施方案2；图6A和6B示出了本发明的实施方案3；图7A和7B示出了本发明的有利效应；图8A和8B示出了本发明的实施方案2；图9A-9D示出了本发明的实施方案4；图10A-10D示出了本发明的实施方案4；图11A和11B示出了本发明的实施方案4；图12A-12H示出了本发明的实施方案5。
具体实施例方式
首先，参照图1A-2B来解释用本发明公开的束均化器均化激光束强度分布的方法。在图1A的侧视图中，激光束沿箭头所示方向传播。柱形透镜阵列101和柱形凸透镜102被用作光学系统来分裂激光束和组合各个分裂的激光束。光波导103具有面对地提供的一对反射平面，具有由折射率为n(n＞1)的媒质占据其间的区域。因此，根据与光纤相同的原理，入射到光波导103中的激光束由于以临界角或以上的角度入射到其中而被全反射。例如，借助于在空气中提供由石英(折射率约为1.5)组成的光波导，能够得到在光波导与空气之间的界面处具有全反射平面的光波导。利用这种光波导，与激光束不被全反射的光波导相比，激光束的透射率变得高得多。于是，从激光振荡器发射的激光束能够更有效地传播到被辐照表面。此外，光波导可以具有二对面对地提供的反射平面。而且，还可以使用空气占据该对反射平面之间区域的光波导。
在图1A的侧视图中，激光束被柱形透镜阵列101分裂，且各个分裂的激光束被柱形凸透镜102聚焦，然后，激光束被入射到光波导103中。此时，由于各个分裂的激光束不聚焦在一个点，而是分别聚焦在不同的点104，故强度分布被分散在各个焦点处。此外，借助于调整柱形透镜阵列101和柱形凸透镜102的位置，能够将焦点104设定成离开光波导一定距离。因此，由于激光束不被聚焦在光波导内部，故光波导能够保持安全。而且，即使当焦点104由于激光束发散角的稍许改变而移动到光波导103内部时，由于激光束不聚焦在一个点而是聚焦在激光束强度分布被分散的多个点，故也不太可能损伤光波导。于是，有可能安全地使用光波导，并在其出口处形成强度分布被均化了的激光束。
另一方面，图2A和2B示出了仅仅使用柱形凸透镜来汇聚激光束以便激光束入射到光波导中的例子。在图2A和2B中，激光束沿箭头所示方向传播。柱形凸透镜201汇聚激光束，使激光束入射到光波导202中。与图1A和1B所示光波导103一样，光波导202由折射率为n(n＞1)的媒质组成。由于光波导的折射率大于空气的折射率，故在以临界角或以上的角度在光波导202与空气之间的界面202a和202b处被全反射的情况下，激光束透射通过光波导202。激光束在光波导202中被反复反射，且备个激光束在光波导202的出口处被叠加。由于柱形凸透镜201汇聚的激光束被聚焦在一个点(焦点203)，故激光束的强度在焦点203处被聚集。如图2A和2B所示，当激光束的发散角稍许改变，从而将焦点203移动到光波导202内部时，在使用高输出激光束的情况下，在激光束具有高强度的点处就产生强电场或等离子体，导致光波导损伤。
因此，在本实施方案膜式中，借助于用柱形透镜阵列和柱形凸透镜分裂焦点，激光束的强度分布被分散。于是，有可能使激光束入射到光波导中而不对光波导造成任何损伤。要指出的是，在图1A和1B中，激光束仅仅能够沿一个方向被均化。为了实际上将激光束成形为矩形，如图3A和3B所示，可以增加具有旋转90度的柱形透镜阵列和柱形凸透镜的光学系统。
接着，参照图3A和3B来解释采用上述束均化器来形成矩形束的光学系统。
首先解释图3A的侧视图。在图3A中，垂直于纸面的方向是矩形束长轴的方向。从激光振荡器301发射的激光束沿箭头所示方向传播。在激光束沿矩形束短轴方向被柱形透镜阵列302分裂之后，各个分裂的束被柱形透镜304汇聚，然后激光束被入射到光波导306中。光波导306具有一对面对地提供的反射平面，根据上述原因被设定为沿矩形束短轴方向作用。
于是，在光波导306的出口处形成了沿短轴方向具有均匀强度分布的激光束。而且，矩形束沿短轴方向的长度由柱形凸透镜307决定，然后矩形激光束被辐照到辐照表面308。
接着来解释图3B的俯视图。在图3B中，从激光振荡器301发射的激光束沿矩形束短轴方向被柱形透镜阵列303分裂。而且，各个分裂的束被柱形凸透镜305汇聚，以便决定矩形束沿长轴方向的长度，然后，矩形束被辐照到辐照表面308。于是，能够在辐照表面308上形成沿长轴和短轴方向强度分布被均化了的矩形束。
以这种方式，能够安全地使用光波导，并能够形成沿长轴和短轴方向强度分布被均化了的激光束。利用这种激光束，能够对辐照目标均匀地进行激光退火。例如，当半导体膜被用作辐照目标并对其进行激光退火时，有可能均匀地晶化半导体膜，有可能得到具有均匀结晶性的结晶半导体膜，并有可能激活杂质。
此外，当柱形透镜阵列中的阵列数目增加时，被分裂的束的数目增加。因此，借助于分散激光束的强度分布而得到的有利效果也提高。
本实施方案参照图4A和4B来解释使用与实施方案模式所述不同的光波导的例子。
在图4A和4B中，激光束沿箭头所示方向传播。用于本实施方案的光波导406具有面对地提供的一对反射平面。与图3A和3B中解释的由折射率为n(n＞1)的媒质组成的占据成对反射平面之间区域的光波导306相反，图4A和4B中的光波导406在该对反射平面之间具有空气填充的空的空间。光波导306与406的不同就在于此。此外，根据上述理由，光波导406的成对反射平面被排列成沿矩形束短轴方向作用。在图4A的侧视图中，垂直于纸面的方向是形成在辐照表面308上的矩形束长轴的方向。
在图4A的侧视图中，从激光振荡器401发射的激光束沿矩形束短轴方向被柱形透镜阵列402分裂。各个分裂的激光束被柱形凸透镜404汇聚，使激光束入射到光波导406中。由于各个分裂的激光束此时被聚焦在不同的点，故激光束的强度被分散在各个焦点。这使得即使焦点意外地接触到光学元件，也能够防止光学元件被损伤。此激光束透射通过光波导406，且激光束的强度分布在光波导406的出口处沿矩形束短轴方向被均化。矩形束沿短轴方向的长度由柱形凸透镜407确定，此矩形激光束被辐照到辐照表面408。
接着，在图4B的俯视图中，从激光振荡器401发射的激光束沿矩形束长轴方向被柱形透镜阵列403分裂。备个分裂的激光束被柱形凸透镜405汇聚，以便确定其沿长轴方向的长度，然后被发射到辐照表面408。
于是，在辐照表面408处形成了强度分布沿长轴和短轴方向被均化了的矩形束。
本实施方案参照图5A和5B来解释与使用实施方案模式所述不同的光学系统和不同光波导的例子。在本实施方案中，蝇眼透镜被用作透镜阵列。蝇眼透镜与柱形透镜阵列不同之处在于多个球形透镜在相对于激光束行进方向的垂直平面内被排列成矩阵。光波导504具有二对面对地提供的反射平面，其间的区域被人造石英占据。由于人造石英的折射率不同于空气的折射率，故激光束在光波导504中被反复反射。具体地说，在此情况下，由于人造石英具有比空气更高的折射率，故激光束在光波导504中以临界角或更大的角度被反复地全反射，并到达出口。
在图5A和5B中，激光束沿箭头所示方向传播。在图5A和5B中，从激光振荡器501发射的激光束被蝇眼透镜502水平地和垂直地分裂，然后，各个分裂的激光束被球形透镜503汇聚。与仅仅能够沿一个方向汇聚激光束的柱形透镜相反，球形凸透镜能够沿各个方向汇聚激光束，柱形透镜阵列与蝇眼透镜在这一点上是不同的。此时，由于激光束被蝇眼透镜502分裂，故各个分裂的激光束不被聚焦在一点，而是分别聚焦在不同的点。由于激光束的强度分布被分散在这些焦点处，故不存在强度非常高的点。然后，激光束被入射到光波导504中。由于光波导504具有二对面对地提供的反射平面，故在光波导504出口处形成了强度分布被均化了的正方形激光束。在根据预期目的用球形透镜505调整从光波导504发射的激光束的尺寸之后，激光束以均匀的强度被辐照到辐照表面506。如图8B所示，在本实施方案中，以激光束被辐照在同一个点上受10次照射之后，辐照表面水平地或垂直地移动正方形束斑一个边长的方式，激光束被辐照到形成在玻璃衬底上的作为被辐照表面的非单晶半导体膜，然后以同样的方式进行激光退火。要指出的是，操作者可以根据要制造的器件而确定受照射的数目。
根据本发明，有可能形成具有尖锐边沿的强度分布的矩形束。在本实施方案中，有可能在辐照表面506上形成具有尖锐边沿的强度分布的正方形束。图8A示出了被不具有尖锐边沿的强度分布的激光束退火过的衬底的例子，而图8B示出了被具有尖锐边沿的强度分布的激光束退火过的衬底的例子。在图8A中，由于激光束不具有尖锐边沿的强度分布，故各个束斑中被均匀退火的区域小，意味着能够被使用的区域小。另一方面，在图8B所示的本实施方案中，各个正方形束斑中能够被使用的区域大。因此，在TFT被制造在对其执行激光退火之后的衬底上的情况下，能够制造更多的TFT。而且，如放大图所示，能够以与束斑中相同的间距，跨越各个束斑之间的边界来制造TFT。于是，例如当用这种衬底制造液晶屏时，有可能制造没有不均匀性的液晶屏。
虽然在本实施方案中形成了正方形束，但借助于改变光波导沿垂直或水平方向的宽度，也能够形成矩形束。
本实施方案参照图6A和6B来解释使用实施方案模式所述的不同光波导的例子。在图6A和6B中，柱形透镜阵列602被用作透镜阵列。光波导606具有二对面对地提供的反射平面，其间的区域被人造石英占据。由于人造石英的折射率大于空气的折射率，故入射到光波导606中的激光束被反复地全反射并到达出口。
在图6A和6B中，从激光振荡器601发射的激光束沿箭头所示方向传播。首先来解释图6A的侧视图。在图6A的侧视图中，垂直于纸面的方向是矩形束长轴的方向。激光束被入射到柱形透镜阵列602中，并沿矩形束的短轴被分裂。然后，激光束被柱形凸透镜604汇聚。此时，由于激光束被柱形透镜阵列602分裂，故各个分裂的束分别被聚焦在不同的点。因此，激光束的强度分布在各个焦点被分散，从而不存在强度非常高的点。然后，激光束被入射到光波导606中。激光束在光波导606中被反复地反射，且矩形束的强度分布在光波导606的出口处沿矩形激光束的短轴方向被均化。然后，矩形束的长度由柱形凸透镜607确定，且矩形激光束被辐照到辐照表面609。
接着来解释图6B的俯视图。从激光振荡器601发射的激光束被柱形透镜阵列603沿矩形束的长轴方向分裂，然后被柱形凸透镜605汇聚。然后，被入射到光波导606中。此时，由于激光束被聚焦在多个点，故强度分布被分散而不形成任何强度非常高的点。于是能够安全地使用光波导。而且，由于光波导606具有二对面对地提供的反射平面，故强度分布不仅能够沿短轴方向被均化，而且还能够沿长轴方向被均化。于是，能够在光波导606的出口处形成强度分布沿长轴和短轴方向被均化了的矩形束。而且，其沿长轴方向的长度由柱形凸透镜608确定，然后，矩形激光束被辐照到辐照表面609。
于是，利用柱形透镜阵列和具有面对地提供的二对反射平面的光波导，能够形成强度分布沿长轴和短轴方向被均化了的矩形激光束。在本发明中，借助于用柱形透镜阵列分裂激光束，能够分散激光束的强度分布。因此，光波导不太可能被损伤，从而更安全地执行激光退火。
本实施方案参照图9-11来解释本发明的激光辐照设备被用来形成结晶半导体膜并进一步制造半导体器件的例子。
一开始，如图9A所示，基底绝缘膜1101a和1101b被形成在衬底1100上。诸如玻璃衬底、石英衬底、或结晶玻璃衬底之类的绝缘衬底、陶瓷衬底、不锈钢衬底、金属衬底(例如钽、钨、钼等)、半导体衬底、塑料衬底(例如聚酰亚胺、丙烯酸类、聚乙烯、对苯二酸酯、聚碳酸酯、聚芳基化合物、聚醚砜等)，能够被用作衬底1100。此衬底由至少能够抗工艺中产生的热的材料组成。在本实施方案中，采用了玻璃衬底。
基底绝缘膜1101a和1101b由氧化硅膜、氮化硅膜、氮氧化硅膜之类的单层结构或二个层或更多个层的叠层结构组成。用诸如溅射方法、减压CVD方法、或等离子体CVD方法之类的熟知方法来形成这些膜。虽然在本实施方案中形成了二层结构的基底绝缘膜，但也可以形成单层结构或3个层或更多个层的叠层结构的基底绝缘膜。在本实施方案中，形成了厚度为50nm的氧氮化硅膜作为第一基底绝缘膜1101a，且形成了厚度为100nm的氮氧化硅膜作为第二基底绝缘膜1101b。要指出的是，氧氮化硅膜和氮氧化硅膜在氮和氧之间的比例方面是不同的。氧氮化硅膜包含的氮多于氧，而氮氧化硅膜包含的氧多于氮。
接着，形成非晶半导体膜1102。可以用诸如溅射方法、减压CVD方法、或等离子体CVD方法之类的熟知方法，用厚度为25-80nm的硅或硅基材料(例如SixGe1-x)来形成非晶半导体膜。在本实施方案中，形成了厚度为66nm的非晶硅。
随后，非晶硅被晶化。在本实施方案中，激光退火方法被用于晶化。
本发明的激光辐照设备被用于激光退火工艺。准分子激光器、YAG激光器、玻璃激光器、YVO4激光器、YLF激光器、Ar激光器等，可以被用作激光辐照设备中的激光振荡器。
如图9B所示，用本发明的激光辐照设备来执行激光退火，以便晶化非晶硅。更具体地说，可以用实施方案1-3中任何一个所述的方法来执行激光退火。例如，在能量密度被设定为200-1000mJ/cm2且受照射数目被设定为10-50的条件下执行激光退火。
接着，结晶半导体膜被腐蚀，以便形成图9C所示的所希望的岛状的结晶半导体膜1102a-1102d。然后，用低压CVD方法、等离子体CVD方法、溅射方法等，用包括硅的绝缘膜，形成厚度约为115nm的栅绝缘膜1103。在本实施方案中形成了氧化硅膜。在此情况下，用等离子体CVD方法，在TEOS(原硅酸四乙酯)和O2被混合，反应压力被设定为40Pa，衬底温度被设定为300-400℃，以及在高频(13.56MHz)下以0.5-0.8W/cm2的电密度放电的条件下，形成了氧化硅膜。利用随后在400-500℃的温度下的热处理，这样制造的氧化硅膜获得了良好的栅绝缘膜特性。
当用本发明的激光辐照设备晶化半导体膜时，有可能抑制束斑不均匀的强度分布所造成的结晶性的不均匀性，从而有可能得到特性优异而均匀的结晶半导体膜。
接着，在栅绝缘膜上形成厚度为30nm的氮化钽(TaN)膜作为第一导电层，并在其上形成厚度为370nm的钨(W)膜作为第二导电层。可以用溅射方法用Ta作为靶，在氮气氛中形成此TaN膜。并可以用溅射方法用W作为靶形成W膜。为了将它们用作栅电极，它们必须具有低的电阻，且最后使W膜的电阻率为20μΩcm或以下。因此，最好用溅射方法，用高纯W(纯度为99.99％)作为靶来形成W膜，而且，当形成W膜时，必须非常小心不要使杂质混入到其中。这样就有可能使其电阻率为9-20μΩcm。
虽然本实施方案用厚度为30nm的TaN形成第一导电层，并用厚度为370nm的W形成第二导电层，但这些导电层的材料不局限于此。第一和第二导电层二者都可以由选自Ta、W、Ti、Mo、Al、Cu、Cr、Nd的元素组成，或由包括上述元素作为其主要成分的化合物材料或合金材料组成。此外，也可以采用掺有诸如磷之类杂质的典型为结晶硅膜的半导体膜。而且，还可以使用AgPdCu合金。还可以采用这些材料的组合。第一导电层的厚度最好为20-100nm，而第二导电层的厚度最好为100-400nm。虽然本实施方案示出了二层结构，但导电层可以被形成为单层结构或3个层或更多个层的叠层结构。
接着，根据光刻方法，通过曝光工艺形成抗蚀剂掩模1201。然后，借助于用抗蚀剂掩模1201对导电层进行腐蚀，来形成电极和布线。在第一和第二腐蚀条件下执行第一腐蚀工艺。用抗蚀剂掩模来执行腐蚀，以便形成栅电极和布线。腐蚀条件被适当地选择。
在本实施方案中，ICP(感应耦合等离子体)腐蚀方法被用作第一腐蚀工艺。此腐蚀工艺在第一腐蚀条件下进行，其中，气体流速分别为25/25/10sccm的CF4、Cl2、O2被用作腐蚀气体，借助于在1.0Pa的压力下将500W的RF(13.56MHz)电功率施加到线圈状电极，来产生等离子体。还将150W的RF(13.56MHz)电功率施加到衬底侧(样品台)，并施加基本上负的自偏置电压。W膜在第一腐蚀条件下被腐蚀，并使第一导电层的边沿部分成锥形。在第一腐蚀条件下，W膜在每分钟200nm的腐蚀速率下被腐蚀，而TaN膜以每分钟80nm的腐蚀速率被腐蚀，且W对TaN的选择比约为2.5。根据第一腐蚀条件，W膜的锥角约为26度。
接着，在第二腐蚀条件下执行腐蚀工艺。在第二腐蚀条件下，气体流速分别为30/30sccm的CF4和Cl2被用作腐蚀气体，借助于在1.0Pa的压力下对线圈状电极施加500W的RF(13.56MHz)功率，来产生等离子体。然后执行大约15秒钟腐蚀工艺。还将20W的RF(13.56MHz)功率施加到衬底侧(样品台)，并从而施加基本上负的自偏置电压。在采用CF4和Cl2混合气体的第二腐蚀条件下，W膜和TaN膜都被腐蚀到相同的程度。
在第二腐蚀条件下，W膜在每分钟59nm的腐蚀速率下被腐蚀，而TaN膜以每分钟66nm的腐蚀速率被腐蚀，要指出的是，为了执行腐蚀工艺而不在栅绝缘膜上留下残留物，可以增加大约10-20％的腐蚀时间。在第一腐蚀工艺中，未被电极覆盖的栅绝缘膜被腐蚀大约20-50nm。
在第一腐蚀工艺中，由于施加到衬底侧的偏置电压的作用而使第一和第二导电层的边沿部分成为锥状。
接着，执行第二腐蚀工艺而不清除抗蚀剂掩模1201。在气体流速分别为24/12/24sccm的SF6、Cl2、O2被用作腐蚀气体，且借助于在1.3Pa的压力下将700W的RF(13.56MHz)功率施加到线圈状电极来产生等离子体的条件下，来执行第二腐蚀工艺。这样，腐蚀被进行大约25秒钟。还将10W的RF(13.56MHz)功率施加到衬底侧，从而施加基本上负的自偏置电压。在此腐蚀条件下，W膜被选择性地腐蚀，并形成第二导电层。另一方面，第一导电层则很少被腐蚀。第一和第二腐蚀工艺形成了图10A所示的包括第一导电层1104a-1104d和第二导电层1105a-1105d的栅电极。
然后，如图10B所示，执行第一掺杂工艺而不清除抗蚀剂掩模1201。提供n型的杂质元素通过第一掺杂工艺以低的浓度被掺杂在结晶半导体层中。可以用离子掺杂方法或离子注入方法来执行第一掺杂工艺。在剂量为每平方厘米1×1013离子至每平方厘米5×1014离子，且加速电压为40-80kV的条件下，执行离子掺杂方法。在本实施方案中，加速电压被设定为50kV。周期表中第15元素，典型为磷(P)或砷(As)，可以被用作提供n型的杂质元素。在本实施方案中使用了磷(P)。此时，第一导电层被用作掩模来形成第一杂质区(N--区)1111a-1114a，其中，低浓度杂质以自对准方式被加入。
接着，清除抗蚀剂掩模1201，然后重新形成抗蚀剂掩模1202。如图10C所示，在比第一掺杂工艺更高的加速电压下，执行第二掺杂工艺。在第二掺杂工艺中也加入提供n型的杂质。在剂量被设定为每平方厘米1×1013离子至每平方厘米3×1015离子，且加速电压被设定为60-120kV的条件下，执行离子掺杂方法。在本实施方案中，剂量被设定为每平方厘米3.0×1015离子，而加速电压被设定为65kV。在第二掺杂工艺中，第二导电层被用作杂质元素的掩模，并执行掺杂工艺，使杂质元素也被加入在位于第一导电层下方的半导体层中。
在第二掺杂工艺中，第二杂质区(N-区，Lov区)1111b和1114b被形成在未与第二导电层重叠或未被掩模覆盖但与第一导电层重叠的结晶半导体层部分中。提供n型的杂质以每立方厘米1×1018原子至每平方厘米5×1018原子的浓度被加入在第二杂质区中。此外，提供n型的杂质以每立方厘米1×1019原子至每平方厘米5×1021原子的高浓度被加入在暴露的未被第一导电层和掩模覆盖的结晶半导体膜部分(此部分是第三杂质区1111c、1113c、以及1114cN+区)。而且，此N+区存在于半导体层中，并部分地被掩模1202覆盖。在此被掩模1202覆盖的部分中提供n型的杂质的浓度与执行第一掺杂工艺时的浓度相同，因此，此部分仍然被称为第一杂质区(N--区)。
虽然在本实施方案中借助于执行二次掺杂工艺而形成各个杂质区，但本发明不局限于此，而是可以借助于在适当确定的条件下执行一次或多次掺杂工艺来形成具有所希望的杂质浓度的各个杂质区。
接着，在清除抗蚀剂掩模1202之后，如图10D所示，重新形成抗蚀剂1203，以便执行第三掺杂工艺。第三掺杂工艺形成第四杂质区(P+区)1112d和1114d以及第五杂质区(P-区)1112e和1114e，其中，提供与第一和第二导电类型相反的导电类型杂质元素被加入到半导体层，以便形成p沟道TFT。
在第三掺杂工艺中，第四杂质区(P+区)1113d和1114d被形成在未被抗蚀剂掩模1203覆盖和未与第一导电层重叠的结晶半导体层部分中。且第五杂质区(P-区)1113e和1114e被形成在未被抗蚀剂掩模1203覆盖和未与第二导电层重叠但与第一导电层重叠的部分中。诸如硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)之类的周期表第13元素已知是提供p型的杂质元素。
在本实施方案中，硼(B)被用作提供p型的杂质元素来形成第四杂质区1113d和1114d以及第五杂质区1113e和1114e，并在剂量被设定为每平方厘米1×1016离子，且加速电压被设定为80kV的条件下，用双硼烷(B2H6)来执行离子掺杂方法。
要指出的是，贯穿第三掺杂工艺，形成n沟道TFT的半导体层被抗蚀剂掩模1202覆盖。
此处，利用第一和第二掺杂工艺，磷以不同的浓度分别被加入在第四杂质区(P+区)1113d和1114d以及第五杂质区(P-区)1113e和1114e中。但第三掺杂工艺被执行，使第四杂质区(P+区)1113d和1114d以及第五杂质区(P-区)1113e和1114e中提供p型的杂质元素的浓度为每立方厘米1×1019原子至每平方厘米5×1021原子。因此，第四杂质区(P+区)1113d和1114d以及第五杂质区(P-区)1113e和1114e用作p沟道TFT的源区和漏区毫无问题。
虽然本发明借助于执行一次第三掺杂工艺而形成了第四杂质区(P+区)1113d和1114d以及第五杂质区(P-区)1113e和1114e，但本发明不局限于此。也可以借助于根据掺杂工艺中的条件适当地执行多次掺杂工艺来形成第四杂质区(P+区)以及第五杂质区(P-区)。
这些掺杂工艺形成了第一杂质区(N--区)1112a、第二杂质区(N-区，Lov区)1111b、第三杂质区(N+区)1111c和1113c、第四杂质区(P+区)1113d和1114d、以及第五杂质区(P-区)1113e和1114e。
接着，如图11A所示，清除抗蚀剂掩模1203，并形成第一钝化膜1120。包括硅的厚度为100-200nm的绝缘膜被形成作为第一钝化膜。等离子体CVD方法或溅射方法可以被用作成膜方法。在本实施方案中，用等离子体CVD方法形成了厚度为100nm的氮氧化硅膜。可以用等离子体CVD方法，用SiH4、N2O以及NH3，或用SiH4和N2O来形成此氮氧化硅膜。这些膜在反应压力被设定为20-200Pa、衬底温度被设定为300-400℃、以及高频(60MHz)功率密度被设定为每平方厘米0.1-1.0W的条件下被制造。此外，用SiH4、N2O以及H2制造的氢化氮氧化硅膜可以被用作第一钝化膜。当然，第一钝化膜1120不仅可以如本实施方案所示用氮氧化硅膜被形成为单层结构，而且可以用包括硅的其它绝缘膜形成单层结构或叠层结构。
然后，用本发明的激光辐照设备执行激光退火，以便恢复半导体层的结晶性并激活加入到半导体层中的杂质。例如，在能量密度被设定为100-1000mJ/cm2和受照射数目被设定为10-50的条件下，执行激光退火。不仅能够使用激光退火，而且也能够使用热处理或快速热退火(RTA)。
当在形成第一钝化膜1120之后执行热处理时，可以在激活的同时执行半导体层的氢化。氢化是为了用包括在第一钝化膜中的氢来终止半导体层的悬挂键。
作为变通，可以在形成钝化膜1120之前执行热处理。但当第一导电层1104a-1104d和第二导电层1105a-1105d的材料不具有足够的抗热性时，最好如本实施方案所示在形成第一钝化膜1120之后执行热处理，以便保护布线。当在形成第一钝化膜1120之前执行热处理时，由于在热处理中不存在钝化膜，故无法执行利用包括在钝化膜中的氢的氢化。
在此情况下，利用等离子体激发的氢来执行氢化(等离子体氢化)，或借助于在300-450℃的温度下在包括3-100％的氢的气氛中进行1-12小时加热而执行氢化。
接着，在第一钝化膜1120上形成第一层间绝缘膜1121。无机绝缘膜或有机绝缘膜可以被用作第一层间绝缘膜。用CVD方法形成的氧化硅膜或用SOG(旋涂玻璃)方法涂敷的氧化硅膜可以被用作无机绝缘膜。聚酰亚胺、聚酰胺、BCB(苯并环丁烯)、丙烯酸类、正性光敏有机树脂、负性光敏有机树脂等组成的膜，能够被用作有机绝缘膜。也可以采用丙烯酸类膜和氮氧化硅膜的叠层膜。
此外，层间绝缘膜可以由框架结构由硅(Si)和氧(O)键组成且包括至少替位氢的材料组成。而且，层间绝缘膜可以由具有至少替位氟、烷基、芳基碳氢化合物之一的材料组成。硅氧烷聚合物可以作为这种材料的典型例子。
根据结构，硅氧烷聚合物可以被分类成硅石玻璃、烷基硅氧烷聚合物、烷基倍半硅氧烷聚合物、倍半硅氧烷氢化物聚合物、烷基倍半硅氧烷氢化物聚合物等。
或者，可以用包括具有Si-N键的聚合物(聚硅氨烷polysilazane)的材料来形成层间绝缘膜。
虽然膜被形成得如此薄，但利用上述材料，层间绝缘膜能够保持其足够平整性和高度绝缘特性。而且，由于上述材料具有高的抗热性，故能够得到在多层布线中能抗回流工艺的层间绝缘膜。而且，由于具有低的吸潮特性，故有可能形成具有较小脱水体积的层间绝缘膜。
在本实施方案中，非光敏丙烯酸膜被形成为1.6微米厚。第一层间绝缘膜能够降低和整平形成在衬底上的TFT所造成的凹凸。由于为了整平的目的而特别形成第一层间绝缘膜，故最好采用由能够被容易地整平的材料组成的绝缘膜。
然后，在第一层间绝缘膜上，用氧氮化硅膜形成第二钝化膜。膜厚度最好约为10-200nm，第二钝化膜防止潮气渗透到第一层间绝缘膜中。不仅能够采用氧氮化硅膜，而且还能够采用氮化硅膜、氮化铝膜、氮氧化铝膜、类金刚石碳(DLC)膜或氮化碳(CN)膜。
用RF溅射方法形成的膜是一种高度致密的膜，其势垒特性优异。在例如形成氮氧化硅膜的情况下，在Si被用作靶，N2、Ar、N2O以31∶5∶4的气体流速比流动，压力被设定为0.4Pa，以及功率被设定为3000W的条件下，执行RF溅射。在形成氮化硅膜的情况下，例如，Si被用作靶，N2和Ar以1∶1的气体流速比在工作室中流动，压力被设定为0.8Pa，功率被设定为3000W，成膜温度被设定为215℃。在本实施方案中，RF溅射被用来形成厚度为70nm的氮氧化硅膜。
随后，时第二钝化膜、第一层间绝缘膜、以及第一钝化膜进行腐蚀，以便形成与第三和第四杂质区相接触的接触孔。
接着，如图11B所示，形成与各个杂质区电连接的布线1122-1128。要指出的是，借助于对厚度为50nm的Ti膜和厚度为500nm的合金膜(Al和Ti)的叠层膜进行图形化，来形成这些布线。当然，此布线不仅可以被形成为二层结构，而且还可以被形成为单层结构或3个层或更多个层的叠层结构。此外，布线材料不局限于Al和Ti。例如，可以借助于对其中Al膜或Cu膜被形成在TaN膜上，然后在其上进一步形成Ti膜的叠层膜进行图形化，来形成此布线。
用实施方案1-3所示激光辐照设备制造的半导体器件(特别是显示器件(液晶显示器件和EL显示器件等))，能够被用于各种电子装置，有电视装置、摄象机、数码相机、风镜式显示器(头戴式显示器)、导航系统、放声装置(汽车音响、音响元件系统等)、个人计算机、游戏机、个人数字助理(移动计算机、移动电话、移动游戏机、电子记事本等)、配备有记录媒质的放像装置(具体为配备有能够播放诸如数字万能碟盘(DVD)之类的记录媒质并能够显示图象的显示器的装置)等。图12A-12H示出了这些电子装置的例子。
图12A示出了一种电视装置，它包括机壳13001、支座13002、显示部分13003、扬声器部分13004、视频输入端子13005等。实施方案1-3所示激光辐照设备能够被用来制造显示部分13003等，从而能够完成此电视装置。EL显示器或液晶显示器能够被用作显示部分13003。要指出的是，此电视装置包括用于计算机、电视广播接收、广告等的所有电视装置。
图12B示出了一种数码相机，它包括主体13101、显示部分13102、图象接收部分13103、操作键13104、外部连接端口13105、快门13106等。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来制造显示部分13102等，从而能够完成此数码相机。
图12C示出了一种计算机，它包括主体13201、机壳13202、显示部分13203、键盘13204、外部连接端口13205、鼠标13206等。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来制造显示部分13203等，从而能够完成此计算机。
图12D示出了一种移动计算机，它包括主体13301、显示部分13302、开关13303、操作键13304、红外线端口13305等。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来制造显示部分13302等，从而能够完成此移动计算机。
图12E示出了一种配备有记录媒质的放像装置(此装置具体为DVD播放机)，它包括主体13401、机壳13402、显示部分A 13403、显示部分B 23404、记录媒质(例如DVD)读出器13405、操作键13406、扬声器部分13407等。显示部分A 13403主要显示图象信息，而显示部分B 13404主要显示文本信息。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来制造显示部分A 13403和显示部分B 23404等，从而能够完成此放像装置。要指出的是，配备有记录媒质的放像装置包括游戏机等。
图12F示出了一种风镜式显示器(头戴式显示器)，它包括主体13501、显示部分13502、以及镜臂部分13503。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来制造显示部分13502等，从而能够完成此风镜式显示器。
图12G示出了一种摄象机，它包括主体13601、显示部分13602、机壳13603、外部连接端口13604、遥控接收机13605、图象接收机13606、电池13607、声音输入部分13608、操作键13609、目镜部分13610等。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来制造显示部分13602等，从而能够完成此摄象机。
图12H示出了一种移动电话，它包括主体13701、机壳13702、显示部分13703、声音输入部分13704、声音输出部分13705、操作键13706、外部连接端口13707、天线13708等。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来制造显示部分13703等，从而能够完成此移动电话。当显示部分13703在黑色背景上显示白色字母时，移动电话消耗的功率较少。
用于这些电子装置显示部分的显示器件，具有用来驱动象素的薄膜晶体管。实施方案1-3所示的激光辐照设备能够被用来晶化用于薄膜晶体管的半导体膜。在如EL显示器件那样用于电子装置显示部分的显示器件要求高的精度和高的结晶性的情况下，有可能制造具有其显示不均匀性借助于利用实施方案1-3所示的激光辐照设备对半导体膜进行晶化而进一步降低了的显示部分的电子装置。
如上所述，用本发明的激光辐照设备制造的半导体器件的应用范围是极为广阔的，此半导体器件能够被应用于所有领域的电子装置。
权利要求
1.一种束均化器，它包含用来沿预定方向分裂和组合激光束的光学系统，以及用来沿该预定方向均化激光束的强度分布的光波导。
2.根据权利要求1的束均化器，还包含用来沿垂直于该预定方向的方向分裂和组合激光束的光学系统。
3.根据权利要求1的束均化器，其中，光波导具有面对地提供的一对反射平面。
4.根据权利要求1的束均化器，其中，光波导具有面对地提供的二对反射平面。
5.一种激光辐照设备，它包含激光振荡器，以及束均化器，其中，束均化器包括用来沿预定方向分裂和组合激光束的光学系统，以及用来沿该预定方向均化激光束的强度分布的光波导；且其中，激光束在透射通过光学系统之后，被入射到光波导中。
6.根据权利要求5的激光辐照设备，还包含用来沿垂直于该预定方向的方向分裂和组合激光束的光学系统。
7.根据权利要求5的激光辐照设备，其中，光波导具有面对地提供的一对反射平面。
8.根据权利要求5的激光辐照设备，其中，光波导具有面对地提供的二对反射平面。
9.根据权利要求5的激光辐照设备，其中，激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
10.根据权利要求5的激光辐照设备，其中，激光振荡器是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
11.根据权利要求5的激光辐照设备，还包含用来相对于激光束移动被辐照表面的移动台。
12.根据权利要求11的激光辐照设备，还包含用来将被辐照表面传送到移动台的传送装置。
13.一种制造半导体器件的方法，它包含下列步骤在衬底上形成非单晶半导体膜，以及对作为被辐照表面的非单晶半导体膜执行激光退火工艺，其中，激光退火工艺包括下列步骤用光学系统沿预定方向分裂和组合激光束，用光波导沿预定方向均化激光束的强度分布，以及在相对于非单晶半导体膜移动激光束的同时，对非单晶半导体膜进行辐照。
14.根据权利要求13的制造半导体器件的方法，其中，采用了用来沿垂直于预定方向的方向分裂和组合激光束的光学系统。
15.根据权利要求13的制造半导体器件的方法，其中，光波导具有面对地提供的一对反射平面。
16.根据权利要求13的制造半导体器件的方法，其中，光波导具有面对地提供的二对反射平面。
17.根据权利要求13的制造半导体器件的方法，其中，激光振荡器是准分子激光器、YAG激光器、或玻璃激光器。
18.根据权利要求13的制造半导体器件的方法，其中，激光振荡器是YVO4激光器、YLF激光器、或Ar激光器。
19.根据权利要求13的制造半导体器件的方法，其中，采用了用来相对于激光束移动被辐照表面的移动台。
20.根据权利要求19的制造半导体器件的方法，其中，采用了用来将被辐照表面传送到移动台的传送装置。
全文摘要
柱形透镜阵列无法被制造成各个柱形透镜具有相同的曲率半径和相同的表面精度。因此，当用柱形透镜阵列来执行激光退火时，被柱形透镜阵列分裂的各个束斑无法在相同的表面内被完全地叠加。结果，就形成了矩形束边沿部分能量被衰减了的区域，激光束的强度分布从而变得不均匀。在本发明中，柱形透镜阵列结合光波导被使用。在激光束沿预定方向被柱形透镜阵列分裂之后，各个分裂的束被组合，然后激光束被入射到沿与预定方向相同的方向作用的光波导中。这能够修正由柱形透镜阵列加工不精确所造成的激光束强度的变化。
文档编号B23K26/073GK1580865SQ20041005583
公开日2005年2月16日 申请日期2004年8月4日 优先权日2003年8月4日
发明者田中幸一郎 申请人:株式会社半导体能源研究所