专利名称：顺序横向固化方法加工期间及其后硅薄膜的表面平面化的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体加工技术，尤其涉及可在低温下执行的半导体加工。
背景技术：
在半导体加工领域中，已多次尝试使用激光把非晶硅薄膜转变成多晶薄膜。James Im等人在“Crystalline Si Film for Integrated Active-MatrixLiquid-Crystal Display”(11 MRS Bulletin 39(1996))中概述了传统的准分子激光退火技术。在用于实行准分子激光退火的系统中，使准分子激光束形成长光束，其长度一般长达30cm，且宽度为500微米或更大。使成形的光束在非晶硅样品上进行扫描以促使其融化，并在样品重新固化时形成多晶硅。
由于某些原因，使用传统的准分子激光退火技术来产生多晶或单晶硅会产生一些问题。首先，此过程中所产生的硅一般是具有任意微观结构的小晶粒，和/或晶粒的大小不均匀，这导致器件较差且不均匀，引起产量降低。其次，为了获得可接受的性能水平所需的加工技术需要把生产多晶硅的生产量保持在较低水平。此外，加工过程通常要求非晶硅样品具有受控气氛及进行预热，这导致生产率进一步降低。最后，所制造的薄膜通常表现出不可接受的表面粗糙度，这也可能对微电子器件的性能产生问题。
在本领域中，需要以较大的生产率生产出质量较高的多晶硅和单晶硅薄膜。同时，还需要这样一种制造技术，以减小这些多晶和单晶硅薄膜的表面粗糙度，使之可用于制造诸如平板显示器等质量较高的器件。
发明内容
本发明的一个目的是提供使多晶和单晶硅薄膜半导体的表面平面化的技术。
本发明的另一个目的是提供可作为后加工步骤应用于顺序横向固化工艺期间所生产的多晶和单晶硅薄膜半导体的表面平面化技术。
本发明的再一个目的是提供可作为在顺序横向固化工艺中生产多晶和单晶硅薄膜半导体期间的一个加工步骤而应用的表面平面化技术。
本发明的又一个目的是提供制造可用于显示器和其他产品的制造的高质量半导体器件的技术。
为了实现这些和参考以下说明将变得明显起来的其他目的，本发明提供了减小预先通过顺序横向固化工艺生产的多晶或单晶薄膜的表面粗糙度的系统和方法。在一个配置中，该系统包括用于产生具有预定注量(fluence)的多个准分子激光脉冲的准分子激光器；用于可控地调节准分子激光脉冲的注量从而使该注量低于使薄膜完全融化所需的注量的能量密度调节器；用于把经调节的激光脉冲在一预定平面内均化的光束均化器；用于接收均化的激光脉冲以实行使多晶或单晶薄膜的部分相应于激光脉冲局部融化的样品台；用于可控地平移(translate)样品台相对于激光脉冲的相对位置的平移装置；以及用于以样品台的相对位置协调准分子脉冲的产生和注量调节从而通过样品台相对于激光脉冲的顺序平移来加工多晶或单晶薄膜的计算机。准分子激光器最好是用于产生紫外线准分子激光脉冲的紫外线准分子激光器。
在一个配置中，光束均化器可用来使激光脉冲形成沿x和y方向的顶帽(tophat)分布。能量密度调节器可用来使准分子激光脉冲的注量衰减到近似于多晶或单晶薄膜的完全融化阈值的25％到75％。
平移台有利地包括X方向的平移部分和Y方向的平移部分，每一部分都耦合到计算机且相互耦合，并允许沿与激光脉冲所形成路径垂直的两个正交方向移动，每一部分可由计算机控制，以在所述计算机的控制下沿所述两个可平移方向可控地平移样品。此外，光束均化器可用来使所述激光脉冲形成沿x和y方向的顶帽分布，平移装置可用来沿与所述激光脉冲方向垂直的两个方向平移多晶或单晶薄膜，从而顺序均化的激光脉冲沿这两个方向入射到多晶或单晶薄膜的稍稍重叠区。
在另一个配置中，本发明提供了用于把非晶硅薄膜样品加工成表面粗糙度减小的多晶或单晶硅薄膜的系统和方法。在一个配置中，该方法包括在厚度足以承受顺序横向固化工艺中硅薄膜的融化和重新固化期间的收缩和膨胀的非晶硅薄膜样品上形成刚性覆盖层。该方法还包括产生一准分子激光脉冲序列；把该序列中的每个准分子激光脉冲可控地调节到预定注量；把该序列中每个经调节的激光脉冲在一预定平面内均化；遮蔽该序列中每个注量受控的均化激光脉冲的部分，以产生一具有被构图的子光束(beamlet)的注量受控的脉冲序列；以此注量受控的被构图的子光束序列辐照非晶硅薄膜样品，以使其部分融化；相对于具有被构图的子光束的每个所述注量受控的脉冲可控地顺序平移样品，从而把非晶硅薄膜样品加工成表面粗糙度减小的单晶或多晶硅薄膜；以及从所加工的单晶或多晶硅薄膜上除去所述覆盖层。
结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出本发明的较佳实施例，且用来说明本发明的原理。
附图概述
图1是用于执行对实现本发明的较佳工艺来实行较佳的顺序横向固化工艺的系统的功能图；图2是示出已被图1的顺序横向固化系统加工的典型薄膜的表面分布的图表；图3是依据本发明用于对顺序横向固化工艺期间产生的多晶或单晶薄膜的表面进行平面化的较佳系统的功能图；图4a和4b是待由图3的系统使用窄光束加工的晶化硅膜的示意图；图5是待由图3的系统使用宽光束加工的晶化硅膜的示意图；图6-7是示出图3的系统加工前后典型薄膜的表面分布的图表；图8是依据本发明第二实施例的图1的系统所加工的晶化硅膜的剖面的示意图；图9是示出已依据本发明第二实施例加工的典型薄膜的表面分布的图表；图10是示出依据本发明第一实施例在图3的系统中所实行的步骤的流程图；以及图11是示出依据本发明第二实施例在图1的系统中实行的步骤的流程图。
本发明的较佳实施方式本发明提供了使多晶和单晶薄膜半导体的表面平面化的技术。在较佳实施例中，把表面平面化技术用作在顺序横向固化工艺期间生产的多晶和单晶薄膜半导体的后加工步骤，或用作在顺序横向固化工艺中生产多晶和单晶薄膜半导体期间的加工步骤。相应地，为了完全理解这些技术，必须首先理解顺序横向固化工艺。
顺序横向固化工艺是一种通过使硅样品在准分子激光器发射的顺序脉冲中间小刻度地单向平移而产生大晶粒的硅结构的技术。在每个脉冲被样品吸收时，使样品的小区域完全融化，且沿横向重新固化成由一脉冲组的在先脉冲所产生的晶体区。
在我们1999年9月3日提交的题为“Systems and Methods usingSequential Lateral Solidification for Producing Single orPolycrystalline Silicon Thin Films at Low Temperatures”的共同待批专利申请09/390,537中，揭示了一种特别优越的顺序横向固化工艺以及执行该工艺的设备，在此引用作为参考。尽管上述技术的揭示是针对我们的共同待批专利申请中所述的特定技术来进行的，但应理解，可容易地将其它顺序横向固化技术应用于本发明。
参考图1，我们的共同待批专利申请把一系统描述为较佳实施例，该系统包括准分子激光器110、快速地改变激光束111的能量密度的能量密度调节器120、光束衰减和光闸130、光学元件140、141、142和143、光束均化器144、透镜系统145、146和148、遮蔽系统150、透镜系统161、162、163、入射激光脉冲164、硅薄膜样品170、样品平移台180、花岗石块190、支撑系统191、192、193、194、195、196以及管理计算机100。可在计算机100的指挥下，通过遮蔽系统150内掩模710的移动或样品平移台180的移动来实现硅样品170的X和Y方向的平移。
如我们的共同待批专利申请中所述，把非晶硅薄膜样品加工成单晶或多晶硅薄膜是通过产生具有预定注量的多个准分子激光脉冲；可控地调节准分子激光脉冲的注量；把经调节的激光脉冲在一预定平面内均化；遮蔽经均化调节的激光脉冲的部分，而使之成为被构图的子光束；用被构图的子光束辐照非晶硅薄膜样品，使其部分相应于子光束而融化；以及相对于经构图的子光束且相对于可控调节可控地平移样品，从而通过相对于经构图的子光束顺序平移样品，以及通过在样品上的相应顺序位置处以注量变化的经构图的子光束辐照样品，把非晶硅薄膜样品加工成单晶或多晶硅薄膜。
虽然顺序横向固化工艺在产生单晶或大晶粒的多晶硅薄膜方面是非常有利的，但是所产生的晶体通常因晶体生长过程中固有的融化和固化的无理性本质而表现得表面粗糙。因而，如图2所示，一200nm厚的晶体将表现出在整个晶体长度上的高度变化。在图2中，高度0指示200nm厚的晶体中的最佳高度，在整个晶体长度上，从175nm变到225nm的高度被示为是平常的。注意，大凸起210靠近晶体的边界，在这里晶体厚度比200nm的最佳厚度超过350nm。
参考图3和4，现在将描述本发明的第一实施例。图3示出用于对通过顺序横向固化工艺产生的多晶和单晶薄膜半导体进行平面化的后加工系统。该系统包括准分子激光器310、光束衰减器和光闸320、反射板330、收缩式透镜331、332、反射板333、光束均化器340、聚光透镜345、反射板347、向场(field)透镜350、样品360、样品平移台370、光学工作台380和管理计算机300。较佳的激光器310、衰减器320、收缩式透镜331、332、均化器340和能在正交方向移动样品平移台370在09/390,537号共同待批专利申请中都已作了描述。工作台380可以是该专利文件中所述的，或者可以是普通工作台。最好，使均化的光束346形成沿x和y方向的顶帽分布，光束能量密度必须低于使样品360完全融化所需的能量密度。
参考图4a和4b，更详细地示出样品360。由于本实施例中的样品已经过加工，所以它已包括大量单晶区域，它们被示意地示为山形晶体365。所示的均化光束346入射到样品360的一部分361上，以使其局部融化。
对于200nm厚的硅薄膜，完全融化阈值近似于600mJ/cm2。因而，为了引起部分361的充分局部融化，应利用能量近似于完全融化阈值的25％到75％的光束346。如果该光束的能量更高，则准分子激光器中固有的能量波动将引起样品区域361完全融化的可能性。如果光束能量较低，则样品部分361将不能充分融化而达到令人满意的平面化。
如图4b所示，样品360包括氧化硅基底层400和硅层410。依据本发明，使硅层410的外表面融化到深度420。在重新固化时，粗糙表面430以更平面化的方式重整。
虽然能量近似于完全融化阈值的25％到75％的单个均化光束脉冲足以引起区域361的局部融化，但最好以多个光束脉冲辐照每个这样的区域。每个随后的光束脉冲将引起区域361的局部融化，据此重新固化将表现出更平面化的表面。因而，与使用单个脉冲相比，对每个区域361使用十个光束脉冲将产生光滑得多的表面。
回到图4a，在计算机300的控制下，把样品台370从右向左平移，以使均化光束346在样品360的顶部从左到右进行扫描450。然后，沿正交方向(示为Y方向)移动平台370以使样品重新定位在一新的位置460，并开始沿相反方向平移470。重复此过程，直到样品360的整个表面已被均化光束346扫描。
当沿Y方向平移样品台时，有利的是对准均化光束，以与样品360先前扫描的区域稍稍重叠。因而，如果区域361为1.2×1.2cm，则可利用1.15cm的Y方向平移来避免均化光束不规则所引起的边缘效应。同样，有利的是，与X方向的平移稍稍重叠。
虽然以上相对于顶帽分布的方形均化光束进行了描述，但可利用其他形状的光束。因而，如图5所示，可利用宽到足以消除X方向平移需要的宽的均化光束500，其优点是使平移台360所需的移动较少，继而较大生产量。同样，如果在X平移之间进行较大的重叠，则可利用以沿X方向的高斯分布成形的光束。
如图6-7所示，示出参考图3-4a所述的工艺的结果。在图6a中示出依据顺序横向固化工艺制造的样品360的分布。该样品表现出离最佳200nm高度有+/-25nm的表面不规则度。如图6b所示，在依据本发明以单个激光脉冲进行后加工后，明显地减少了这些表面不规则。在图7中也示出这些结果，其中示出依据本发明的后加工所引起的表面粗糙度降低了超过100％。
再参考图8，将描述本发明的第二实施例。在本实施例中，通过在顺序横向固化工艺期间利用刚性覆盖层保持了硅薄膜表面的平面化。因而，图8示出由淀积在氧化硅基底层820上的近似50-200nm厚的非晶硅层810所形成的薄的硅样品。该样品覆盖有一厚的第二氧化硅层820，它近似2微米厚，且基本上是刚性的。覆盖层必须足够厚，以承受顺序横向固化工艺中硅层融化和成形固化期间的收缩和膨胀。
然后，替代样品170，在横向固化工艺中使用具有覆盖层830的样品，其完整描述包含在上述09/390,537号专利申请中。在此加工后，通过传统的湿式或干式蚀刻技术从样品上除去覆盖层830。如图9所示，示出参考图8所述的工艺的结果。
参考图10，将描述计算机300为控制图1的顺序横向固化工艺以及相对于图3所实行的表面平面化工艺而执行的步骤。由计算机300对系统的各电子设备进行初始化1000，以开始该工艺。然后，把样品装到样品平移台上1005。应注意，这种装载可以是手工的，或者是在计算机300的控制下自动地实现。接着，使用图1的设备依据顺序横向固化工艺对样品进行加工1010。把经加工的样品定位，以进行平面化1015。在必要时，使系统的各光学元件聚焦1020。然后，把激光器稳定到依据本发明的技术局部融化样品所需的能量水平和可靠率1025。如果需要，对激光脉冲的衰减进行细调1030。
接着，依据先前经顺序横向固化加工的样品区域，以预定的速度沿预定方向开始样品的平移1035。打开光闸1040，以使样品暴露于辐照并相应地开始平面化工艺。
继续样品平移和辐照，直到平面化已完成1045，105，此时计算机关闭光闸并停止平移1055、1060。如果指定对样品上的其他区域进行平面化，则把样品重新定位1065、1066，并在此新的区域上重复该工艺。如果指定没有区域需要平面化，则断开激光器1070，断开硬件1075，结束此工艺1080。
接着参考图11，将描述计算机100以相对于图1实行的表面平面化步骤控制晶体生长过程所执行的步骤。图10是示出在图1的系统中使用图8所示的被覆盖样品所实行的基本步骤。在基底1100上淀积氧化层。然后，在氧化物缓冲层1110上淀积硅层，在样品1120的顶层淀积覆盖氧化物。
接着，使用图1的设备依据顺序横向固化工艺对样品进行加工。在加工后，例如通过稀释的氢氟酸溶液除去覆盖氧化物。
以上仅说明了本发明的原理。根据这里的公开，对所述实施例的各种修改和变化将对本领域内的技术人员变得明显起来。例如，虽然已揭示了使用稀释的氢氟酸溶液来除去覆盖层，但可通过诸如干式蚀刻等任何常规技术来除去覆盖层。因而，可理解，虽然这里未明确地示出或描述，但本领域内的技术人员能设计出实现本发明原理继而在本发明精神和范围内的各种系统和方法。
权利要求
1.一种用于减小通过顺序横向固化工艺生产的多晶或单晶薄膜的表面粗糙度的系统，包括(a)准分子激光器，用于产生具有预定注量的多个准分子激光脉冲；(b)光学耦合到所述准分子激光器的能量密度调节器，用于可控地调节所述准分子激光器发射的所述准分子激光脉冲的注量，从而所述注量低于使所述多晶或单晶薄膜完全融化所需的注量；(c)光学地耦合到所述能量密度调节器的光束均化器，用于把所述经调节的激光脉冲在一预定平面内均化；(d)光学地耦合到所述掩模的样品台，用于接收所述均化的激光脉冲，以使所述多晶或单晶薄膜的部分相应于所述激光脉冲而局部融化；(f)耦合到所述样品台的平移装置，用于可控地平移所述样品台相对于所述激光脉冲的相对位置；以及(g)耦合到所述准分子激光器、所述能量密度调节器以及所述平移装置的计算机，用于控制所述准分子激光脉冲的可控注量调节以及所述样品台和所述激光脉冲的所述可控相对位置，以及以所述样品台与所述激光脉冲的所述相对位置协调所述准分子脉冲的产生和所述注量调节，从而通过相对于所述激光脉冲顺序平移所述样品台，在所述多晶或单晶薄膜上的相应顺序位置处对其进行加工。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述准分子激光器是用于产生紫外线准分子激光脉冲的紫外线准分子激光器。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述光束均化器可用来使所述激光脉冲形成沿x和y方向的顶帽分布。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述能量密度调节器可用来使所述准分子激光脉冲的所述注量衰减到近似于所述多晶或单晶薄膜的完全融化阈值的25％到75％。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述平移装置包括所述样品台，所述样品台包括Y方向平移部分，所述Y方向平移部分耦合到所述计算机，允许沿与所述激光脉冲的方向正交的一个方向移动，且可由所述计算机控制，以在所述计算机的控制下沿所述平移方向可控地平移样品。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于所述光束均化器可用来使所述激光脉冲形成至少沿与所述激光脉冲的方向正交的所述方向的顶帽分布，所述平移装置可用来沿与所述激光脉冲的方向正交的所述方向平移所述多晶或单晶薄膜，从而顺序均化的激光脉冲入射到所述多晶或单晶薄膜的稍稍重叠区域上。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述平移装置包括所述样品台，所述样品台包括X方向的平移部分和Y方向的平移部分，每一部分都耦合到所述计算机且相互耦合，所述X和Y平移部分允许沿与所述激光脉冲所形成路径垂直的两个正交方向移动，每一部分可由所述计算机控制，以在所述计算机的控制下沿所述两个可平移方向可控地平移所述样品。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于所述光束均化器可用来使所述激光脉冲形成沿x和y方向的顶帽分布，所述平移装置可用来沿与所述激光脉冲的方向正交的两个方向平移所述多晶或单晶薄膜，从而顺序均化的激光脉冲沿所述两个方向入射到所述多晶或单晶薄膜的稍稍重叠区域上。
9.一种用于减小通过顺序横向固化工艺生产的多晶或单晶薄膜的表面粗糙度的方法，包括以下步骤(a)产生具有预定注量的多个准分子激光脉冲；(b)可控地调节所述准分子激光器发射的所述准分子激光脉冲的注量，从而所述注量低于使所述多晶或单晶薄膜完全融化所需的注量；(c)把所述经调节的激光脉冲在一预定平面内均化；(d)使所述多晶或单晶薄膜的部分相应于所述激光脉冲而局部融化；(f)可控地平移所述样品台相对于所述激光脉冲的相对位置，以通过相对于所述激光脉冲顺序平移所述样品台，在所述多晶或单晶薄膜上的相应顺序位置处对其进行加工。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述准分子激光脉冲包括紫外线准分子激光脉冲。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述均化步骤包括使所述激光脉冲形成沿x和y方向的顶帽分布。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述调节步骤包括使所述准分子激光脉冲的所述注量衰减到近似于所述多晶或单晶薄膜的完全融化阈值的25％到75％。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述平移步骤包括沿与所述激光脉冲的方向正交的一个方向可控地平移所述多晶或单晶薄膜。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于所述均化步骤包括使所述激光脉冲形成至少沿与所述激光脉冲的方向正交的所述方向的顶帽分布，所述平移步骤包括沿与所述激光脉冲的方向正交的所述方向平移所述多晶或单晶薄膜，从而顺序均化的激光脉冲入射到所述多晶或单晶薄膜的稍稍重叠区域上。
15.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述平移步骤包括沿与所述激光脉冲所形成路径垂直的两个正交方向可控地平移所述多晶或单晶薄膜。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于所述均化步骤包括使所述具有顶帽分布的激光脉冲在与所述激光脉冲的方向正交的所述两个方向上均化，所述平移步骤包括沿与所述激光脉冲的方向正交的两个方向平移所述多晶或单晶薄膜，从而经顺序均化的激光脉冲沿所述两个方向入射到所述多晶或单晶薄膜的稍稍重叠区域上。
17.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述平移步骤包括在所述激光脉冲中的至少两个辐照了所述多晶或单晶薄膜的所述部分后，平移所述多晶或单晶薄膜。
18.一种用于把非晶硅薄膜样品加工成表面粗糙度减小的单晶或多晶硅薄膜的方法，包括以下步骤(a)在厚度足以承受所述硅薄膜的融化和重新固化期间的收缩和膨胀的非晶硅薄膜样品上形成刚性覆盖层；(b)产生一准分子激光脉冲序列；(c)把所述序列中的每个准分子激光脉冲可控地调节到预定注量；(d)把所述序列中每个经调节的激光脉冲在一预定平面内均化；(e)遮蔽所述序列中每个注量受控的均化激光脉冲的部分，以产生一具有被构图的子光束的注量受控的脉冲序列；(f)以所述注量受控的被构图的子光束序列辐照非晶硅薄膜样品，以相应于经被构图的子光束的所述脉冲序列中每个注量受控的被构图的子光束脉冲，使所述非晶硅薄膜样品的部分融化；(g)相对于经被构图的子光束的每个所述注量受控的脉冲，可控地顺序平移所述样品，从而把所述非晶硅薄膜样品加工成单晶或多晶硅薄膜；以及(h)从所述单晶或多晶硅薄膜上除去所述覆盖层。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于所述准分子激光脉冲包括紫外线准分子激光脉冲。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于在所述非晶硅薄膜样品上形成刚性覆盖层的所述步骤包括在所述非晶硅薄膜样品上形成氧化硅层。
21.如权利要求18所述的方法，其特征在于在所述非晶硅薄膜样品上形成刚性覆盖层的所述步骤包括在所述非晶硅薄膜样品上形成近似2微米厚的氧化硅层。
全文摘要
揭示了减小通过顺序横向固化工艺生产的多晶或单晶薄膜的表面粗糙度的系统和方法。在一个配置中,该系统包括用于产生具有预定注量的多个准分子激光脉冲的准分子激光器(110);用于可控地调节准分子激光脉冲的注量从而使该注量低于使薄膜完全融化所需的注量的能量密度调节器(120);用于把经调节的激光脉冲在一预定平面内均化的光束均化器(144);用于接收均化的激光脉冲以实行使多晶或单晶薄膜的部分相应于激光脉冲局部融化的样品台(170);用于可控地平移样品台(170)相对于激光脉冲的相对位置的平移装置;以及用于以样品台(170)的相对位置协调准分子脉冲的产生和注量调节从而通过样品台(170)相对于激光脉冲的顺序平移来加工多晶或单晶薄膜的计算机(110)。
文档编号H01L21/20GK1363117SQ00810687
公开日2002年8月7日 申请日期2000年3月21日 优先权日2000年3月21日
发明者J·S·艾姆, R·S·斯波西利, M·A·克劳德 申请人:纽约市哥伦比亚大学托管会