激光处理装置、激光处理方法及半导体器件的制作方法

专利名称：激光处理装置、激光处理方法及半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光束的照射方法及进行这种照射用的激光处理装置。另外，本发明还涉及使用上述激光束照射的半导体器件的制作方法。
背景技术：
长期以来，通过照射激光束来执行各种加工的激光处理装置以及激光束的照射方法是众所周知的。
使用激光束是因为与使用辐射加热或传导加热的热处理相比可以选择性地仅对被照射激光束并吸收其能量的区域加热。例如，执行使用受激准分子激光振荡装置振荡波长400nm或更小的紫外光的激光处理以选择性地局部加热半导体膜，这样可以在几乎不给玻璃衬底带来热损伤的情况下，实现半导体膜的晶化或激活处理。
作为激光处理装置以及激光束的照射方法的例子，将参考图2说明通过使用线状激光束对形成在大型玻璃衬底上的半导体膜执行激光退火的方法。首先，使其射束点1004的长边方向的长度L为几百μm的线状激光束1003沿线状激光束的宽度方向(图2A的箭头方向)在形成在衬底1001上的半导体膜1002上扫描。于是，半导体膜1002中的几百μm区域被激光退火(图2A)。接着，使线状激光束1003的位置平行移动等于该线状激光束1003长边方向的长度L(图2B)，再使线状激光束1003沿宽度方向在半导体膜1002上扫描(图2C)。通过几百或几千次重复上述操作，能够对形成在大型衬底1001上的半导体膜1002的整个区域进行激光退火。
注意，虽然在图2中说明了使用线状激光束的例子，但是在将被转换为高次谐波的连续振荡激光束整形成线形时，为了获取足够能对半导体膜执行激光退火的能量密度，有必要缩短线状激光束的线条方向的长度，例如为几百μm。从而，当对形成在大型玻璃衬底(例如，单边为1m左右的玻璃衬底)上的半导体膜的整个区域进行激光退火时，有必要在能够左右上下移动的XY工件台等的移动台上设置衬底，然后使该安装有衬底的移动台来回移动几百或几千次以进行扫描。
另外，在本说明书中，线状激光束的长度长的轴方向称为线状激光束的长轴方向或长边方向，而且，长度短的轴方向称为线状激光束的短轴方向或宽度方向。
顺便提及，作为在执行激光退火时所发生的灾害可举出伤害或火灾等。特别是，当激光束照射到可燃性物质时，有因吸收激光束而发热引起发火的担忧，所以事前防火处理是非常重要的(参照专利文件1至4)。
专利文件1公开Hei 9-174264号公报专利文件2公开Hei 10-263866号公报专利文件3公开2001-18079号公报专利文件4公开2003-126977号公报本发明的目的是，为了当在激光退火处理中发生异常状态时也不导致灾害，对预定区域之外不照射激光，以实现安全地执行激光退火。
作为在进行激光退火时引起火灾等灾害的原因，可举出用于移动衬底的工件台(例如，XY工件台)的异常停止、因地震等引起的装置振动、异常气体或烟的发生、或因高温度而引起的光学系统比如反射镜的变动。
当激光退火处理时，在不预定的位置上工件台发生异常停止的情况下，由于从照射位置的正下方或不定位置发出来的反射光等，有引起周边物质起火的担忧，这是非常危险的。作为工件台停止在不预定位置上的原因，可举出系统控制用计算机(例如，个人计算机(PC))的冻结(freeze，异常停止)、PLC和PC之间的通讯异常、或由于来自外部的噪音等所产生的电子器件的异常工作等。
并且，在由于因地震等导致的装置振动，光学元件在比如反射镜被颠倒，反射角或入射角被改变的情况下，对与常规的激光束所照射的部分不同的部分上照射激光，因此有该部分起火的担忧。

发明内容
本发明的目的是提供即使在发生异常停止或异常工作的情形中，也可以防止发生火灾等灾害的激光处理装置或激光处理方法。
本发明是一种通过综合多个系统而成的系统以及装置，该被综合的系统包括由某种理由在进行激光退火中的工件台异常停止时，通过使用PC停止激光输出的系统；当与此同样工件台异常停止且进行激光退火中的PC冻结(异常停止)时，不通过该PC而使用另外系统停止激光输出的系统；以及，在因地震等引起装置振动时，停止激光输出的系统。
本发明的激光处理装置，包括激光振荡器；提供在所述激光振荡器中的第一联锁器；按一定工作周期移动的移动台；计时器；提供在所述计时器中的第二联锁器；以及能够检测所述移动台的移动状态的传感器，其中，所述计时器在当所述传感器检测出所述移动台的通过时开始测量时间，并且，在所述工作周期之后所述移动台还不通过所述传感器的情况下，提供在所述计时器中的第二联锁器的接点之间的电流被阻断，因此所述激光振荡器的所述第一联锁器开始运转，从而激光束不照射到在所述移动台上的衬底上。
本发明的激光处理方法，包括以下步骤使用激光处理装置，其包括激光振荡器；提供在所述激光振荡器中的第一联锁器；按一定工作周期移动的移动台；计时器；提供在所述计时器中的第二联锁器；以及能够检测所述移动台的移动状态的传感器，在所述移动台上设置衬底；通过使用所述激光束对形成在所述衬底上的半导体膜执行退火；所述计时器在当所述传感器检测出所述移动台的通过时开始测量时间；以及在所述工作周期之后所述移动台还不通过所述传感器的情况下，提供在所述计时器中的第二联锁器的接点之间的电流被阻断，因此所述激光振荡器的所述第一联锁器开始运转，从而所述激光束不照射到在所述移动台上的衬底上。
本发明的半导体器件的制造方法，包括以下步骤在所述衬底上形成基底膜；在所述基底膜上形成所述半导体膜；通过将使用所述激光处理装置形成的所述线状激光束照射在所述半导体膜上，晶化所述半导体膜而形成晶体半导体膜；对所述晶体半导体膜构图，形成岛状半导体膜；在所述岛状半导体膜上形成栅绝缘膜和栅电极；向所述岛状半导体膜中掺入赋予一种导电性的杂质，以形成源区、漏区以及沟道形成区。
在本发明中，所述激光处理装置中设有可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller(PLC))。
该可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller(以下称为PLC))被用于控制XY工件台的位置。PLC具有给用于产生为了移动XY工件台所需的电信号的驱动器传输命令以便使其输出电信号的功能。工件台的工作命令从计算机比如个人计算机(PersonalComputer，下文中称作PC)通过通讯被传输到PLC。
另外，关于控制激光振荡器的输出功率的方法，在激光振荡器本身中大都具有与PC通讯的功能，所以可以适用PC。因此，本发明可以采用联动激光振荡器和PC以执行结晶化的方法。
本发明的所述线状激光束是连续振荡的激光束。
本发明的所述线状激光束是频率为10MHz或更高的脉冲振荡的激光束。
本发明的所述线状激光束是频率为80MHz或更高的脉冲振荡的激光束。
本发明的所述连续振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器和氦镉激光器中的某一种。
本发明的所述脉冲振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器中的某一种。
本发明的所述衬底是玻璃衬底、石英衬底、不锈钢衬底和由合成树脂构成的衬底的某一种。
而且，在本说明书中，半导体器件意味着能够利用半导体特性起作用的所有器件，例如电光器件、电气器件、半导体电路和电子器件都包括在半导体器件中。
另外，本发明可以适用于在激光加工技术领域中的任何激光处理装置以及激光照射方法。
通过使用本发明，在激光处理装置的工件台发生异常停止时，或在因地震等引起装置振动时，可以自动停止激光输出，从而可以防止火灾等灾害。另外，在用于控制工件台的工作和激光输出的PC冻结(异常停止)时，也可以获得和上述情况相同的效果。


图1是表示本发明的激光处理装置的图；图2A至2C是表示常规的激光处理装置的图；图3是表示本发明的激光处理装置的图；图4A至4D是表示本发明的半导体器件的制造步骤的图；图5A至5C是表示本发明的半导体器件的制造步骤的图；图6A至6C是表示本发明的半导体器件的制造步骤的图；图7A和7B是表示本发明的激光处理装置的图；图8是表示本发明的激光处理装置的图；图9是表示本发明的激光处理装置的工作方法的流程图。
具体实施例方式
实施方式1将参考图1和图3说明本发明的实施方式。但是，本发明可在多种方式中实施，在不脱离本发明的主旨及其范围的前提下，可对其方式和细节进行各种变更，只要是本领域技术人员就很容易理解这一点。从而，不应限定于本实施方式的技术内容对本发明进行解释。
将说明图1所示的激光处理装置。注意，在图中实线表示包含在装置内部的各个器件之间的电源布线，虚线表示连接布线。此外，箭形符号表示PC命令系统。
首先，在图1中，参考数字101是激光振荡器，102是开关盒，103是个人计算机(PC)，104是计时器，105是地震传感器，106是警报灯，107是XY工件台，108是可编程逻辑控制器(Programmable LogicController(PLC))，109是传感器，110是手动紧急停止按钮，111是联锁器，112是移动台。
为了停止激光振荡器101的振荡，使用包括在振荡器中或设置在振荡器的电源部分的联锁器111。联锁器111在通常通电状态的两个接点之间打开时工作，以便通过切断振荡器的电源或者关闭提供在振荡器中的机械快门而停止激光输出。开关盒102具有与PC103通讯的功能，并且根据来自PC103的命令可以控制开关的on/off。计时器104具有开关通电功能，在经过预定时间后关闭通电，而且优选使用能够检测设在XY工件台107上的移动台112的移动状态的传感器109以开始测量时间。地震传感器105具有与计时器104相同的开关通电功能，当检测出振动时关闭通电。警报灯106有向周围的人通知激光振荡的作用。
首先，对激光退火的开始程序进行说明。
当PC103向工件台107输出扫描开始命令时，工件台107移动到第一条的扫描开始位置。在工件台107移动到扫描开始位置时，用来向周围通知激光振荡的警报灯106的发光命令从PC103被传输到开关盒102，以使警报灯106发光。最后，激光输出命令从PC103被传输到激光振荡器101，以执行输出激光。在激光输出后，工作台107开始扫描。
在此，将参考图3说明对形成在衬底上的半导体膜用线状激光束进行退火的方法。首先，如下文所示那样，将从激光振荡器201发出来的激光束加工成线状激光束。亦即，从激光振荡器201(图1的101)发出的激光束在被反射镜202反射之后，被照射到与衬底211平行设置的平凸透镜203。在此，通过给激光束赋予对平凸透镜203的入射角(0°以外的角度)，由于透镜的像散现象，只有在照射表面上的射束点205的激光束的入射方向被拉长，因此成为线状激光束。
此时，通过将线状激光束做窄，可以使线状激光束的射束点变长。通过沿该线状激光束的短轴方向扫描射束点，可以扩大同时进行结晶化的区域宽度，因而有优良生产率的优点。
注意，在此所使用的光学系统不局限于上述系统，只要是能够将激光束形成为线状的光学系统就可以应用。作为本实施方式以外的光学系统，可以使用由多个平凸柱面透镜比如两片平凸柱面透镜组成的光学系统或绕射光学元件等。
绕射光学元件是利用光绕射获取光谱的元件，并且在该表面上形成有多个槽沟，所以具有聚光透镜功能。
接下来，对扫描线状激光束以对半导体膜进行激光退火的方法进行说明。注意，衬底211和线状激光束以及其射束点205的移动方法几乎与图2所示的方法相同，所以可以参考图2。
形成有半导体膜212的衬底211被设置在移动台206(图1的112)上，而且该移动台206被设置在能够以0-400mm/sec移动的Y轴工件台207及X轴工件台208(图1的XY工件台107)之上。Y轴工件台207沿线状激光的射束点205的短轴方向移动，X轴工件台208沿线状激光的射束点205的长轴方向移动。在Y轴工作台207沿实线箭头所示的方向(去路)移动后，X轴工件台208移动相当于射束点的长轴方向长度(图2的L)。接着，Y轴工件台207沿虚线箭头所示的方向(归路)移动，然后X轴工件台208再次移动相当于射束点的长轴方向长度。通过重复上述操作，可以对衬底的整个区域中进行激光退火。
在此，对当PC103正常工作时，因来自外部噪音等无法预料的问题引起工件台107异常停止的情况进行说明。
在工件台107异常停止时，因为工件台107不能移动到预定位置，所以PLC108不能控制工件台107的位置。此时，在PC103正常工作的情形中，显示异常的信号通过通讯从PLC108被传输到PC103，然后停止输出命令从PC103被传输到激光振荡器101，使得激光输出被停止。
接下来，考虑在处理期间中工件台107异常停止的同时，PC103冻结(异常停止)的情况，或者在工件台107异常停止，并且PC103不能接受从PLC108的显示异常的信号，因此PC103不传输停止激光输出命令的情况。
首先，在进行正常激光退火的情形中，工件台107以预定速度适当地重复往复扫描。从而，安装在工件台107上的移动台112的往复移动连续按一定周期t进行。本实施方式中，t为2-10秒，优选为6秒。
在激光输出后且移动台112的扫描开始之前，打开计时器104电源的命令从PC103被传送到开关盒。借助于固定在移动台112之外的传感器109检测出移动台112的通过，计时器104开始测量时间。
图8表示在工件台107(图2的Y轴工件台207及X轴工件台208)上提供传感器109的例子。注意，图8和图1以及图2中相同的部件用相同的符号表示。
在图8中，传感器222(图1的109)提供在Y轴工件台207上，而且遮蔽板221提供在移动台206(图1的112)上。
本实施方式使用光微传感器作为传感器222。在遮蔽板221经过光微传感器222时，光被遮蔽板221遮断，从而光微传感器222检测出移动台206的工作。由此，信号从光微传感器222被传输到计时器104，然后计时器104开始测量时间。
如果PC103和PLC108正常工作，在工件台107异常停止时也可以从PC103将停止输出命令传输到激光振荡器101。另外，即使如上所述PLC108不能控制工件台107的位置，只要PC正常工作，就可以从PC103将停止输出命令传输到激光振荡器101。
在此，考虑在激光退火处理中工件台107异常停止，并失去移动台112的工作周期性，例如在激光退火中工件台107异常停止的同时，PC103冻结(异常停止)的情况。
工件台107发生异常停止并且PC103冻结的情形中，不能将停止输出命令传输到激光振荡器101。因此，不能停止输出激光。
然而，由于计时器104通过与经由PC103和PLC108的通讯系统并不相同的系统而工作，所以在PC103发生冻结的情况下也可以停止输出激光。
尽管在移动台112异常停止并且在工作周期t之后移动台112还不通过传感器109(没有输入信号)的情况下，在被设定为周期t的计时器104中所设置的联锁器的接点之间的电流被阻断，因此，能够使激光振荡器101的联锁器工作，以停止输出激光。
进一步，在因地震等的影响引起装置振动时，通过地震传感器105感知振动，可以停止输出激光。亦即，与所述计时器104一样，从PC103将打开地震传感器105电源的命令传输到开关盒102。在此，地震传感器105感知振动时，可以通过阻断接点之间的电流而使激光振荡器101的联锁器工作以停止输出激光。以这种方式，能够更安全地执行激光退火。
另外，优选提供在操作者认识到异常状态的情况下可以以手动停止输出的手动紧急停止按钮110。所用的手动紧急停止按钮110优选使用B接点开关，其在通常工作中是导电状态，而当使开关工作时其接点被打开来变为阻断状态。
如上所述，只要计时器104、手动紧急停止按钮110和地震传感器105中的至少一个正常工作，就可以在发生异常时停止输出激光。尤其是，由于提供通过与经由PC103和PLC108的通讯系统并不相同的系统而工作的计时器104，因此，能够更加确实地停止输出激光。从而，即使在发生异常的情况下，也可以安全地停止输出激光以防止火灾等的灾害。
图9表示上述激光处理装置的工作方法的流程图。注意，在图9中按从上向下表示时间的经过。首先，当扫描开始的命令从PC103被传送到工件台107时(步骤100(S100))，工件台107移动到第一次扫描开始位置上(步骤101(S101))。于是，打开计时器104、地震传感器105和警报灯106的电源的命令被传输到开关盒102(步骤201(S201))，以使每个器件开通(分别是步骤231(S231)、步骤221(S221)、步骤211(S211))。当警报灯106导通时警报灯106亮起来(步骤212(S212))。
而且，在工件台107移动到第一次扫描开始位置(步骤101(S101))之后，输出激光命令从PC103被传输到激光振荡器101(步骤102(S102))以开始激光退火(步骤103(S103))。计时器104监测工件台107的周期(步骤232(S232))，并地震传感器105监测地震等引起的装置振动(步骤222(S222))。
在此，考虑工件台107异常停止的情况(步骤402(S402))。PC的冻结(异常停止)和地震等可作为工件台107的异常停止的原因，但由于地震发生(步骤401(S401))而引起的振动导致工件台107的异常停止时，地震传感器105开始工作(步骤223(S223))，提供在地震传感器105上的联锁器的接点被打开(步骤224(S224))，从而停止输出激光(步骤501(S501))。
而且，当由于地震之外的原因引起工件台107异常停止的情况下(步骤402(S402))，如果PC103正常工作时(步骤403(S403))，停止输出命令从PC103被传输到激光振荡器101(步骤421(S421))，以停止输出激光(S501)。
另外，当地震是原因的情况下，并如果PC103正常工作时，也可以从PC103将停止输出命令传输到激光振荡器101，以停止输出激光。
接下来，考虑由于地震之外的原因引起工件台107异常停止(S402)，并PC103非正常工作的情况(S403)。当工件台107异常停止时，被设定为周期t的计时器104的定时结构工作(步骤411(S411))，计时器104的联锁器接点被打开(步骤412(S412))，以停止输出激光(S501)。
此外，当地震是原因的情况下，并且在工件台107异常停止，PC103非正常工作时，也可以通过使计时器104的定时结构工作而打开计时器104的联锁器的接点，以停止输出激光。
而且，当激光处理装置发生异常状态时，操作者通过按手动紧急停止按钮110(步骤301(S301))，打开联锁器的接点(步骤302(S302))，可以停止输出激光(步骤501(S501))。
如上所述，在工件台107运转中，利用计时器104、地震传感器105、警报灯106的多个器件来监测工件台107，如果有必要，操作者通过手动紧急停止按钮110可以停止输出激光，从而可以更加安全地使用激光处理装置。
应该注意，本发明不局限于在本实施方式中所描述的形式，还可以适用于在激光加工技术领域中的任何激光处理装置以及激光照射方法。
实施例1用图4A至4D、图5A至5C和图6A和6B说明通过使用本发明的激光处理装置而制造半导体器件的方法。
首先，如图4A所示，在衬底500上形成基底膜501。作为衬底500，例如可使用硼硅酸钡玻璃及硼硅酸铝玻璃等的玻璃衬底、石英衬底、不锈钢衬底等。另外，也可使用以PET、PES、PEN为代表的塑料及由丙烯等具有柔性的合成树脂构成的衬底。
为了防止由于衬底500中所含的Na等碱金属及碱土类金属向半导体膜中扩散，导致对半导体元件的特性产生恶劣影响，设置了基底膜501。因而，该基底膜501使用可抑制碱金属及碱土类金属向半导体膜中扩散的氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)、含氮的氧化硅(SiON)等绝缘膜形成。在本实施例中，应用等离子体CVD法形成其膜厚为10nm到400nm(最好为50nm到300nm)的含氮的氧化硅膜。
再有，基底膜501即可以是单层，又可以是将多个绝缘膜层叠而成的叠层。另外，如玻璃衬底、不锈钢衬底或塑料衬底那样，在使用多少包含碱金属及碱土类金属的衬底的情况下，从防止杂质扩散的观点看，设置基底膜是有效的，但在石英衬底等中杂质扩散不成其为问题的情况下，也不一定必须设置基底膜。
接着，在基底膜501上形成半导体膜502。半导体膜502的膜厚为25nm到100nm(最好为30nm到60nm)。再有，半导体膜502即可以是非晶半导体，又可以是多晶半导体。另外，半导体不仅可用硅，也可用硅锗。在使用硅锗的情况下，锗的浓度最好为0.01到4.5原子％的程度。
接着，如图4B所示，使用本发明的激光处理装置，以激光束503照射半导体膜502，进行结晶。
注意，在本实施例中所使用的激光处理装置以及利用照射激光的激光结晶方法与在实施方式中所描述的相同。
也就是说，在使用图1的激光处理装置并以周期t进行工作的移动台112发生异常停止的情况下，由于计时器104的接点之间的电流被阻断，因此可以通过起动激光振荡器101的联锁器以安全地停止输出激光。
此外，通过使用地震传感器105检测出振动而使激光振荡器的联锁器起动，可以停止输出激光。而且，借助于手动紧急停止按钮110也可以以手动方式停止输出激光。
在进行激光结晶的情况下，在激光结晶前，为了提高半导体膜502对激光的耐受性，可对该半导体膜502施加500℃、1小时的加热处理。
激光结晶可使用连续振荡的激光器或振荡频率在10MHz或更高，最好在80MHz或更高的脉冲振荡激光器。
具体地说，作为连续振荡的激光器，可举出Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器和氦镉激光器等。
另外，如果可使激光器在振荡频率为10MHz或更高，最好为80MHz或更高进行脉冲振荡，则可使用Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器之类的脉冲振荡激光器。
这种脉冲振荡激光器通过被提高振荡频率最终具有与连续振荡激光器相同的功能。
例如，在使用可连续振荡的固体激光器的情况下，通过照射2次谐波到4次谐波的激光束，可得到大粒径的晶体。典型情况是，最好应用YAG激光器(基波为1064nm)的2次谐波(532nm)及3次谐波(355nm)。例如，利用非线性光学元件将从连续振荡的YAG激光器射出了的激光束变换成高次谐波，照射到半导体膜502上。功率密度可为0.01到100MW/cm2左右(最好为0.1到10MW/cm2)。
通过将激光束503照射到上述半导体膜502上，形成结晶性较高的结晶性半导体膜504。
另外，在用激光束进行结晶前，也可设置使用了催化剂元素的结晶工序。作为催化剂元素，使用了镍(Ni)，但除此以外，也可使用锗(Ge)、铁(Fe)、钯(Pd)、锡(Sn)、铅(Pb)、钴(Co)、铂(Pt)、铜(Cu)、金(Au)之类的元素。
完成利用催化剂元素的结晶步骤后，如果实施利用激光的晶化程序，当利用催化剂元素晶化时形成的结晶在离衬底近的一侧不因激光的辐照而熔化，因而会残存下来，该结晶作为结晶核推进晶化。所以，利用激光辐照的晶化在从衬底那一侧朝半导体表面的方向上均匀的被实施，跟只实施利用激光的晶化程序相比，可以提高半导体膜的结晶性，并减少在利用激光晶化后的半导体膜表面的粗糙。所以，之后要形成的半导体元件，典型的是TFT的特性的不均匀，可以进一步得到减少。
再有，在添加催化剂元素进行加热处理以促进结晶之后，可利用激光束照射使结晶性增至更高，或者也可省略加热处理的工序。具体地说，在添加催化剂元素之后，也可照射激光束来代替加热处理，以提高结晶性。
另外，催化剂元素可导入半导体膜的整个面上，或者也可在导入到半导体膜的一部分之后使之进行结晶生长。在将催化剂元素添加到半导体膜的一部分的情况下，从所添加的区域沿与衬底平行方向进行结晶生长。
然而，在通过使用催化剂元素而获得的晶体半导体膜中，残留有催化剂元素(这里指镍)。即使其在膜中分布并不均匀，作为平均浓度，催化剂元素以高于1×1019原子/cm3的浓度残留。当然，即使在这种情况下，也能够形成以TFT为代表的各种半导体器件，然而，通过吸除去除该元素可以取得可靠性更高的半导体器件。下文中将说明添加催化剂元素并执行加热处理以实现晶化，而且照射激光束以提高结晶性，然后从结晶性被提高的晶体半导体膜通过吸除去除催化剂元素的方法。
首先，用喷嘴将包含对促进结晶有催化作用的、重量为1到100ppm的金属元素(这里为镍)的乙酸镍溶液涂在半导体膜502的表面上来形成含镍层。作为除了喷涂以外用于形成含镍层的其他方法，可以使用通过溅射、沉积或等离子处理形成极薄的薄膜的方法。此外，虽然这里示出的例子是喷涂在整个表面上，但是，可以利用掩模在半导体膜502的一部分之上形成含镍层。
然后，进行用于晶化的热处理。在这种情况下，在与用于促进半导体晶化的金属元素接触的那部分半导体膜中形成硅化物，结晶以该硅化物作为核心发展。按照这样的方式，得到具有结晶结构的半导体膜。注意，理想的情况是，在结晶之后，包含在半导体膜中的氧浓度为5×1018/cm3或更小。这里，在进行用于脱氢的热处理(500℃，1小时)之后，进行用于晶化的热处理(550到650℃，4到24小时)。在利用强光照射进行晶化的情况下，可以使用红外光、可见光和紫外光中的任何一种光或者它们的组合。注意，如果需要，可以在进行强光照射之前，进行用于排除包含在具有非晶质结构的半导体膜中的氢的热处理。或者，可以同时进行热处理和强光照射以实现结晶。从生产率的角度考虑，通过强光照射进行结晶是理想的。
然后，去除在结晶步骤中形成的自然氧化物膜。这种自然氧化物膜包含高浓度的催化剂元素(本实施例为镍)，因此，最好将其去除。
然后，为了提高结晶度(在薄膜的总体积中已经结晶的成分的比例)，并且为了补偿留在晶粒中的缺陷，用激光对晶体半导体膜进行照射。在照射激光的情况下，在半导体膜中形成变形或皱纹，由此在表面上形成非常薄的表面氧化物膜(没有示出)。在进行这种激光照射的情况下，可以使用在实施方式中所描述的激光照射装置。
然后，在氮气气氛中进行用于减小晶体半导体膜的变形的第一热处理(瞬间加热半导体膜到大约400至1000℃的热处理)，以得到平坦的半导体膜。作为瞬间加热的热处理，可以使用强光照射的热处理，或将衬底放入加热的气体中保持几分钟后取出衬底的热处理。根据这种热处理的条件，可以在减小变形的同时修补残留在晶粒中的缺陷，即，改善结晶性。另外，该热处理减小变形以致于镍在随后的吸除步骤中很容易被吸除。当该热处理的温度低于晶化步骤的温度，镍将移动到在固相状态中的硅膜中。
然后，在晶体半导体膜之上形成包含稀有气体元素的半导体膜。在形成包含稀有气体元素的半导体膜前，可以形成氧化膜(也称作阻挡层)用作蚀刻停止层，该层具有1至10nm的膜厚。该阻挡层可以通过用于减小半导体膜的变形的热处理来被形成。
包含稀有气体元素的半导体膜通过等离子体CVD(PCVD)法或溅射法形成，以形成膜厚为10至300nm的吸除位置。作为稀有气体元素，使用了选自氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)和氙(Xe)中的一种或几种。尤其优选便宜的气体氩(Ar)。
在此使用等离子体CVD法借助于甲硅烷和氩作为材料气体以(甲硅烷∶氩)0.1∶99.9至1∶9，优选为1∶99至5∶95的比率形成第二半导体膜。优选将沉积期间的RF功率密度控制为0.0017至0.48W/cm2。优选RF功率密度尽可能地高，因为膜的质量被改善得足以得到吸除效果，且沉积速度也得到改善。另外，优选将沉积期间的压力控制为1.333Pa至133.322Pa。虽然压力越大沉积速度越能被提高，但是在压力大的情形中，含有在膜中的Ar浓度被降低。并且，优选沉积温度控制在300至500℃。这样，半导体膜可以通过等离子体CVD形成，其包含浓度为1×1018至1×1022/cm3的氩，优选氩的浓度为1×1020至1×1021/cm3。通过在上述的范围内控制用于形成第二半导体膜的沉积条件，能够减小在沉积期间对阻挡层的损伤以致于能够抑制半导体膜的膜厚变化和形成在半导体膜中的孔缺陷。
在膜中包含惰性气体的稀有气体元素离子具有两个含义。一个是形成悬挂键以使半导体膜变形，另一个是使半导体膜的晶格变形。为了使半导体膜的晶格变形，使用原子半径比硅更大的元素是非常有效的，如氩(Ar)、氪(Kr)或氙(Xe)。另外，在膜中包含的稀有气体元素不仅使晶格变形而且形成不成对的耦合以有助于吸除作用。
然后，进行用于吸除的热处理以便减小在晶体半导体膜中的金属元素(镍)的密度或者去除金属元素。对于用于吸除的热处理，可以采用强光照射的处理、使用炉子的热处理、或者将衬底放入加热气体并在停留几分钟后取出的热处理。在此，在氮气气氛中进行用于吸除的第二热处理(瞬间加热半导体膜到大约400至1000℃的热处理)。
该第二热处理使得金属元素向包含稀有气体元素的半导体膜的方向移动，以便去除包含在阻挡层覆盖的晶体半导体膜中的金属元素或者减小金属元素的浓度。包含在晶体半导体膜中的金属元素朝向与衬底表面垂直方向且包含稀有气体元素的半导体膜的方向移动。
在吸除中的金属元素的移动距离可以是与晶体半导体膜的厚度基本一样的距离，吸除可以在相对短的时间内完成。这里，进行充分的吸除以使镍全部移到包含稀有气体元素的半导体膜中以防止偏析到晶体半导体膜中，以致于几乎没有镍包含在晶体半导体膜中，即在晶体半导体膜中的镍的浓度为1×1018/cm3或更小，优选为1×1017/cm3或更小。注意到除了包含稀有气体元素的半导体膜之外阻挡层也用作吸除位置。
然后，用阻挡层作为蚀刻停止层，仅仅选择性地去除包含稀有气体元素的半导体膜。作为用于仅仅选择性地蚀刻包含稀有气体元素的半导体膜的方法，可以采用不使用等离子体而利用ClF3的干法蚀刻或利用包含如联氨或氢氧化四甲基铵(化学式(CH3)4NOH；缩写TMAH)的碱溶液的湿法蚀刻。在这里的蚀刻中，使过度蚀刻时间更少以阻止在晶体半导体膜中形成针孔。
然后，通过使用包含氢氟酸的蚀刻剂去除阻挡层。
另外，在形成包含稀有气体元素的半导体膜之前，为了去除反应室内的F等杂质，可以使用闪发物质进行吹洗处理。利用甲硅烷作为闪发物质，以8至10SLM的气体流量在5至20分钟，优选为10至15分钟连续引入到反应室中以对反应室的内壁执行涂层，进行用于防止杂质附着到衬底上的处理(吹洗处理，也称作甲硅烷吹洗)。注意，1SLM相当于1000sccm，亦即是0.06m3/h。
通过上述步骤，得到在膜中的金属元素被减小的良好的晶体半导体膜。尤其是，在使用上述晶体半导体膜形成TFT的激活层的情况下，借助于进行吸除可以抑制TFT的截止电流。
接着，如图4C所示，通过对晶体半导体膜504进行构图，形成岛状半导体膜507至509。该岛状半导体膜507至509成为在以后的工序中所形成的TFT的激活层。
接着，向岛状半导体膜掺入用作控制阈值的杂质。在本实施例中，通过掺杂乙硼烷(B2H6)，将硼(B)掺入岛状半导体膜中。
接着，形成绝缘膜510，使之覆盖岛状半导体膜507至509。绝缘膜510可采用例如氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)或含氮的氧化硅(SiON)等。另外，成膜方法可采用等离子体CVD法、溅射法等。
接着，在绝缘膜510上形成导电膜后，通过对导电膜进行构图，形成栅电极570至572。
栅电极570至572采用将导电膜层叠了单层或两层以上的结构形成。在层叠了两层以上导电膜的情况下，也可层叠从钽(Ta)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、铝(Al)中选取的元素，或以上述元素为主要成分的合金材料，或者层叠化合物材料来形成栅电极570至572。另外，也可使用以掺入磷(P)等杂质元素的多晶硅膜为代表的半导体膜，形成栅电极。
在本实施例中，栅电极570至572通过如下步骤而形成。首先，作为第一导电膜511，在绝缘膜510之上形成厚10至50nm，比如30nm的氮化钽(TaN)膜。接着，形成厚200至400nm，比如厚370nm的钨(W)膜作为第二导电膜512，形成由第一导电膜511和第二导电膜512构成的叠层膜(图4D)。
然后，通过各向异性蚀刻法对第一导电膜511进行蚀刻以形成上层栅电极560至562(图5A)。接着，通过各向同性蚀刻法对第二导电膜512进行蚀刻，从而形成下层栅电极563至565(图5B)。根据上述步骤，形成了栅电极570至572。
栅电极570至572即可形成为栅布线的一部分，又可另行形成栅布线，并将栅电极570至572连接到该栅布线上。
然后，使栅电极570至572或者抗蚀剂成膜，用进行构图后的这些膜作为掩模，向岛状半导体膜507至509掺入赋予一种导电性(n型或p型的导电性)的杂质，形成源区、漏区，还形成低浓度杂质区等。
首先，使用磷化氢(PH3)，在施加电压在60至120keV之间，剂量为1×1013至1×1015cm-2的条件下，将磷(P)掺入岛状半导体膜中。在掺入该杂质时，形成n沟道型TFT 550、552的沟道形成区522和527。
另外，在制作p沟道型TFT551的情况下，在施加电压在60至100keV之间，例如80keV，乙硼烷(B2H6)剂量在1×1013至5×1015cm-2之间，例如3×1015cm-2的条件下，将硼(B)掺入岛状半导体膜中。由此，形成p沟道型TFT的源区或漏区523，另外在掺入该杂质时形成沟道形成区524(图5C)。
然后，对绝缘膜510进行构图，形成栅绝缘膜580至582。
在形成栅绝缘膜580至582之后，使用磷化氢(PH3)，在施加电压在40至80keV之间，例如50keV，剂量为1.0×1015至2.5×1016cm-2，例如3.0×1015cm-2的条件下，将磷(P)掺入到n沟道型TFT550和552的岛状半导体膜中。由此，形成n沟道型TFT的低浓度杂质区521、526以及源区或漏区520、525(图6A)。
在本实施例中，在n沟道型TFT550、552的源区或漏区520、525的各区中，以1×1019至5×1021cm-3的浓度含磷(P)。此外，在n沟道型TFT550、552的低浓度杂质区521和526的各区中，以1×1018至5×1019cm-3的浓度含磷(P)。此外，在p沟道型TFT551的源区或漏区523中，以1×1019至5×1021cm-3的浓度含硼(B)。
接着，覆盖岛状半导体膜507至509、栅绝缘膜580至582、栅电极570至572，形成第一层间绝缘膜530(图6B)。
作为第一层间绝缘膜530，应用等离子体CVD法或溅射法，用含硅的绝缘膜，例如氧化硅膜(SiO)、氮化硅膜(SiN)、含氮的氧化硅膜(SiON)或其层叠膜形成。当然，第一层间绝缘膜530不限定于含氮的氧化硅膜及氮化硅膜、或其层叠膜，也可以使用其它含硅的绝缘膜的单层或叠层结构。
在本实施例中，在掺入杂质后，利用等离子体CVD法形成50nm厚度的含氮的氧化硅膜(SiON膜)，利用在实施方式中所述的激光照射装置和激光照射方法或其它的激光照射方法来激活杂质。或者，也可以在含氮的氧化硅膜形成后，在氮气气氛中以550℃加热4小时来激活杂质。
接着，利用等离子体CVD法形成50nm厚度的氮化硅膜(SiN膜)，还形成600nm厚度的含氮的氧化硅膜(SiON膜)。该含氮的氧化硅膜、氮化硅膜和含氮的氧化硅膜的层叠膜是第一层间绝缘膜530。
接着，将整体在410℃下加热1小时，使氢从氮化硅膜中释出，以此进行氢化。
接着，覆盖第一层间绝缘膜530，形成具有作为平坦化膜的功能的第二层间绝缘膜531。
作为第二层间绝缘膜531，可采用感光性或非感光性的有机材料(聚酰亚胺、丙烯、聚酰胺、聚酰亚胺酰胺、抗蚀剂或苯并环丁烯)、硅氧烷以及它们的叠层结构。作为有机材料，可采用正型感光性有机树脂或负型感光性有机树脂。
再有，所谓硅氧烷，用硅(Si)与氧(O)的键构成骨架结构。作为取代基，采用至少含氢的有机基(例如丙烯基、芳香族烃)。作为取代基，也可采用氟基。或者，作为取代基，也可采用至少含氢的有机基和氟基。
在本实施例中，作为第二层间绝缘膜531，用转涂法形成硅氧烷。
在第二层间绝缘膜531上可以形成第三层间绝缘膜。作为第三层间绝缘膜，采用与其它绝缘膜相比难以透过水分及氧等的膜。典型情况是，可采用利用溅射法或CVD法得到的氮化硅膜、氧化硅膜、含氧的氮化硅膜(SiNO膜(组成比N＞O)或SiON膜(组成比N＜O))、以碳为主成分的薄膜(例如DLC膜、CN膜)等。另外，在水分及氧等的进入不成问题的情况下，也可不形成第三层间绝缘膜。
然后，刻蚀第一层间绝缘膜530和第二层间绝缘膜531，在第一层间绝缘膜530和第二层间绝缘膜531中，形成抵达岛状半导体膜507至509的接触孔。
在第二层间绝缘膜531上，夹接触孔，形成第一导电膜，并对第一导电膜进行构图，形成电极或布线540至544。
作为本实施例，第一导电膜使用金属膜。该金属膜只要采用由铝(Al)、钛(Ti)、钼(Mo)、钨(W)或硅(Si)元素构成的膜或使用了这些元素的合金膜即可。在本实施例中，在将钛膜(Ti)、氮化钛膜(TiN)、硅-铝合金膜(Al-Si)、钛膜(Ti)分别层叠了60nm、40nm、300nm、100nm后，构图并刻蚀成所希望的形状，形成电极或布线540至544。
另外，也可用含镍、钴、铁之中至少一种元素和碳的铝合金膜形成该电极或布线540至544。这样的铝合金膜即使与硅接触，也可防止硅与铝的相互扩散。另外，由于这样的铝合金膜即使与透明导电膜，例如ITO(氧化铟锡)膜接触，也不会引起氧化还原反应，故可使两者直接接触。此外，这样的铝合金膜由于电阻率低，耐热性也优越，作为布线材料是有用的。
另外，电极或布线540至544既可以将电极与布线一体化来形成，又可以分别形成电极和布线，再使它们连接起来。
利用上述一系列的工序可形成包含n沟道型TFT550和552、p沟道型TFT551的半导体器件。另外，n沟道型TFT550和p沟道型TFT551构成CMOS电路553(图6C)。
再有，本发明的半导体器件的制作方法不限定于岛状半导体膜形成以后的上述制作工序。通过应用本发明的激光照射方法，将结晶化了的岛状半导体膜用作TFT的激活层，可抑制元件之间的迁移率、阈值电压和导通电流的分散性。
另外，如有必要，本实施例也可与实施方式中的任何记述自由地组合。
在本实施例中，通过利用本发明的激光处理装置以及使用该装置进行的激光照射方法，可以防止发生灾害从而可以安全地制造半导体器件。
实施例2本实施例将用图7A和7B说明根据与实施例1不同的方法停止照射激光的方法。
当移动台303正常运转时，激光振荡器301所输出的线状激光束照射到移动台303上的衬底。
然而，当移动台303发生异常时，以与实施例1相同的方式，计时器接点之间的电流被阻断。本实施例与实施例1的不同在于在激光振荡器301和移动台303之间提供有与计时器连接的电磁快门302，并当移动台发生异常停止时，通过使用电磁快门302遮断线状激光束的光路，以使该线状激光束不照射到移动台303之外的部分(图7A)。
电磁快门302包括储气筒304和电磁阀305，并该储气筒304的先端部分设有通过活塞杆312连接在一起的用于遮断线状激光束的遮断部分311。储气筒304的里面被活塞313分割为上下两部分，在其上部通过电磁阀305引进压缩空气的同时其下部排出气体的情形中，活塞杆312降下，遮断部分311遮断线状激光束。另一方面，在储气筒304的下部通过电磁阀305引进压缩空气并且上部排出气体的情形中，活塞杆312上升，从而可以照射线状激光束(图7B)。
另外，最好设定为在遮断部分311降下时能够遮断激光束，这样即使降低压缩空气的压力，也可以维持遮断状态。
电磁阀305与计时器电连接，当计时器接点之间的电流被阻断时，电磁阀305变成截止状态，因此，其下部的压缩空气借助于电磁阀305被排出，活塞杆312下降，从而遮断部分311遮断线状激光束。据此，在移动台303发生异常状态的情况下，也可以将线状激光束不照射到预定部分之外的位置上，从而可以防止火灾等的灾害。
通过使用本发明，即使在激光处理装置因异常状态导致异常停止的情况下也可以自动停止输出激光，因而可以防止火灾等灾害。另外，在通过使用本发明的激光处理装置而制造半导体器件时，由于可以安全地使用激光处理装置，所以本发明是有用的。
权利要求
1.一种激光处理装置，包括激光振荡器；提供在所述激光振荡器中的第一联锁器；按一定工作周期移动的移动台；计时器；提供在所述计时器中的第二联锁器；以及能够检测所述移动台的移动状态的传感器，其中，所述计时器在当所述传感器检测出所述移动台的通过时开始测量时间，并且，在所述工作周期之后所述移动台还不通过所述传感器的情况下，提供在所述计时器中的第二联锁器的接点之间的电流被阻断，因此所述激光振荡器的所述第一联锁器开始运转，从而激光束不照射到在所述移动台上的衬底上。
2.根据权利要求1的装置，其中所述激光束是连续振荡的激光束。
3.根据权利要求1的装置，其中所述激光束是频率为10MHz或更高的脉冲振荡的激光束。
4.根据权利要求1的装置，其中所述激光束是频率为80MHz或更高的脉冲振荡的激光束。
5.根据权利要求2的装置，其中所述连续振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器和氦镉激光器中的某一种。
6.根据权利要求3的装置，其中所述脉冲振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器中的某一种。
7.根据权利要求4的装置，其中所述脉冲振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器中的某一种。
8.一种激光处理方法，包括以下步骤使用激光处理装置，该装置包括激光振荡器；提供在所述激光振荡器中的第一联锁器；按一定工作周期移动的移动台；计时器；提供在所述计时器中的第二联锁器；以及能够检测所述移动台的移动状态的传感器；在所述移动台上设置衬底；通过使用激光束对形成在所述衬底上的半导体膜执行退火；所述计时器在当所述传感器检测出所述移动台的通过时开始测量时间；以及在所述工作周期之后所述移动台还不通过所述传感器的情况下，阻断提供在所述计时器中的第二联锁器的接点之间的电流，因此所述激光振荡器的所述第一联锁器开始运转，从而所述激光束不照射到在所述移动台上的衬底上。
9.根据权利要求8的方法，其中所述激光束是连续振荡的激光束。
10.根据权利要求8的方法，其中所述激光束是频率为10MHz或更高的脉冲振荡的激光束。
11.根据权利要求8的方法，其中所述激光束是频率为80MHz或更高的脉冲振荡的激光束。
12.根据权利要求9的方法，其中所述连续振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、Y2O3激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器和氦镉激光器中的某一种。
13.根据权利要求10的方法，其中所述脉冲振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器中的某一种。
14.根据权利要求11的方法，其中所述脉冲振荡的激光器是Ar激光器、Kr激光器、受激准分子激光器、CO2激光器、YAG激光器、Y2O3激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、GdVO4激光器、玻璃激光器、红宝石激光器、变石激光器、Ti蓝宝石激光器、铜蒸气激光器和金蒸气激光器中的某一种。
15.一种半导体器件的制作方法，包括以下步骤在衬底上形成基底膜；在所述基底膜上形成半导体膜；使用权利要求8的激光处理方法，通过将所述线状激光束照射在所述半导体膜上，晶化所述半导体膜而形成晶体半导体膜；对所述晶体半导体膜构图，形成岛状半导体膜；在所述岛状半导体膜上形成栅绝缘膜和栅电极；向所述岛状半导体膜中掺入赋予一种导电性的杂质，以形成源区、漏区以及沟道形成区。
全文摘要
本发明涉及一种激光处理装置以及通过使用该装置而执行的激光处理方法，其中所述激光处理装置包括激光振荡器；提供在激光振荡器中的联锁器；按一定工作周期移动的移动台；计时器；提供在计时器中的联锁器；能够检测移动台的移动状态的传感器；以及计算机，其中，当所述传感器检测出移动台的通过时所述计时器开始测量时间，并且，在所述工作周期之后移动台还不通过传感器的情况下，提供在所述计时器中的联锁器的接点之间的电流被阻断，因此激光振荡器的联锁器开始运转，从而停止照射激光束。
文档编号B23K26/00GK1797707SQ20051012858
公开日2006年7月5日 申请日期2005年11月29日 优先权日2004年11月29日
发明者田中幸一郎, 山本良明, 小俣贵嗣 申请人:株式会社半导体能源研究所