CN1181230C - 激光装置和激光退火方法 - Google Patents

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Abstract

为了使用激光束照射的方法晶化非晶半导体膜，使用了激光束照射非晶半导体膜的上表面和后表面。在此情形下，应用于上表面的激光束的有效能量强度Io与应用于后表面的激光束的有效能量强度Io′满足关系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。由此给出了能够提供具有大的晶粒直径的晶化半导体膜的激光晶化方法。

Description

激光装置和激光退火方法
本发明涉及到一种使用激光束对半导体膜进行退火的方法(此后称为激光退火)以及一套实现该目的的激光装置(更具体地，一套包括激光源和光学系统的装置，其中光学系统用于将从激光源中发射的激光束引导到需要处理的物体上)。
近年来，薄膜晶体管(此后称为TFT)有了很大的发展，特别地，采用多晶硅膜(多晶硅膜)作晶体半导体膜的TFT吸引了很多的注意。尤其地，在液晶显示器件(液晶显示)或EL(电致发光)显示器件中，这些TFT被用作开关像素的元件和构成控制像素的驱动电路的元件。
在获取多晶硅膜的常用技术中，非晶硅膜被晶化以得到多晶硅膜。特别地，使用激光束晶化非晶硅膜的方法得到很多关注。在本说明中，使用激光束晶化非晶半导体膜来得到晶体半导体膜的方法被称为激光晶化。
激光晶化使对半导体膜的瞬时加热成为可能，因此是一种对形成于具有低热阻的衬底之上的半导体膜进行退火的有效技术，如玻璃衬底、塑料衬底以及类似衬底。另外，与传统的采用电炉加热方法(此后称为炉子退火)相比，激光晶化具有更值得注目的高产量。
虽然有各种激光束可用，但在激光晶化中一般用从脉冲共振准分子激光器发射的激光束(以下称准分子激光束)。准分子激光器可以提供较大的输出功率，并能以高频率反复激射。更进一步，对于硅膜，准分子激光束具有高吸收系数的优点。
目前需要解决的最重要的问题之一是如何增大使用激光束晶化的晶体半导体膜中的晶粒直径。显而易见，晶粒(也称之为颗粒)越大，TFT，尤其是其沟道形成区域，横跨的晶粒数目越少。这就使改善TFT的电学特性，如场效应迁移或阈值电压的波动成为可能。
另外，由于每个晶粒内部保持了相对满意的结晶度，因此在制作TFT时，希望能够将沟道形成区域放置在单个晶粒内，以改善TFT的上述各种工作特性。
不过，使用目前可用的技术来获得具有足够大的晶粒直径的晶体半导体膜是相当困难的。尽管已报道的一些结果表明可以在实验中获得这种具有足够大的晶粒直径的晶体半导体膜，但是这些已报道的技术尚未达到实用水平。
例如，在实验水平上，这些结果可用K.Shimizu，O.Sugiura and M.Matsumura在IEEE Transactions on Electron Devices，vol.40，No.1，pp.112-117(1993)上发表的题为“通过新颖的准分子激光器晶化方法制备的高迁移率多晶硅薄膜晶体管(High-mobility poly-Si thin-filmtransistors fabricated by novel excimer laser crystallizationmethod)”的论文中描述的方法获得。在这篇论文中，首先在衬底上形成Si/SiO2/n+Si三层结构，然后使用准分子激光束同时从Si一侧和n+Si一侧对其进行照射。该论文也解释了如此得到大晶粒直径的原因。
本发明的目的在于：通过采用能够提供具有大晶粒直径的晶体半导体膜的激光退火方法以及可用于该激光退火方法中的激光装置，来克服技术中的上述缺点。
依据本发明，在非晶半导体膜的结晶过程中，用激光束同时照射非晶半导体膜的上表面(其上沉积有一层薄膜)和后表面(与上表面相对的表面)，而且应用于上表面的激光束(此后称为第一激光束)的有效能量强度可以设置到与应用于后表面的激光束(此后称为第二激光束)的有效能量强度不同的量级。
更精确地，设置的激光束照射条件使第一激光束的有效能量强度Io与第二激光束的有效能量强度Io′之间的有效能量强度比Io/Io′满足关系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io，其中Io和Io′的(Io′×Io)乘积不等于0。
在本说明中，术语“有效能量强度”定义为在考虑了由各种原因，如反射或类似情况，引起的能量损失后，照射到非晶半导体膜的上表面或后表面的激光束的能量强度。有效能量强度的单位与有效能量密度的单位相同，也就是mJ/cm2。虽然不能直接测量有效能量强度，但是依据已知的参数，如反射系数和透射系数，并且已知出现在激光束的光路中的介质，就可计算出其值。
作为例子，以本发明应用于如图6所示的结构的情形为例，详细说明有效能量强度的计算方法。在图6中，参考数字601表示用铝制成的反射器，602表示Corning#1737衬底(厚度为0.7mm)，603表示厚度为200nm的氧氮化硅膜(此后称为SiON膜)，604则表示厚度为55nm的非晶硅膜。使用空气中波长为308nm的XeCl准分子激光束照射该样品。
准分子激光束(波长为308nm)在恰好到达非晶硅膜604之前的能量强度用Ia表示。考虑到激光束在非晶硅膜表面的反射，第一激光束的有效能量强度Io可以表示为Io＝Ia×(1-RSi)，其中RSi表示激光束的反射率。在这种情况下，计算得到的Io为0.45×Ia。
更进一步，第二激光束的有效能量强度可以表示为Io′＝Ia×T1737×RAl×T1737×(1-RSiON-Si)，其中T1737表示#1737衬底的透射率，RAl表示Al表面的反射率，而RSiON-Si表示从SiON膜入射到非晶硅膜上的光束经历的反射率。从实验结果可以发现，从空气中入射到SiON膜上的光束经历的反射，SiON膜中的透射，从SiON膜入射到#1737衬底上的光束经历的反射，以及从#1737衬底入射到SiON膜上的光束经历的反射都是可忽略的，因此在计算中没有考虑。在这种情况下，计算得到的Io′为0.13×Ia。
相应地，在图6所示的结构中，计算得到的第一激光束的有效能量强度Io和第二激光束的有效能量强度Io′分别为0.45Ia和0.13Ia。因此，计算得到的有效能量强度比Io′/Io为0.29。计算得到的有效能量强度比满足0＜Io′/Io＜1关系的事实是本发明的特征之一。
更进一步，本发明可用于第一激光束的强度比第二激光束的强度小的情况。换句话说，本发明可以用于满足1＜Io′/Io关系的情况。
举例来说，按照以下方法可以将第一和第二激光束的有效能量强度设置为不同的量级：
1在使用激光束通过放置于衬底之下的反射器照射非晶半导体膜的上表面和后表面时，调节反射器的反射率可以减小第二激光束的有效能量强度，使之变得比第一激光束的有效能量强度小。
2可以分割第一激光束，以形成第二激光束，使用合适的滤光片(例如可变衰减器或其他类似器件)可以减小第一激光束的有效能量强度或第二激光束的有效能量强度，以便使第一和第二激光束的有效能量强度设置在互不相同的量级上。
3根据其上沉积有非晶硅膜的衬底材料减小第二激光束的有效能量强度，以便使之变得比第一激光束的有效能量强度小。
4在衬底和非晶半导体膜之间放置绝缘层，以便利用该绝缘层来减小第二激光束的有效能量强度，从而导致第二激光束的有效能量强度比第一激光束的有效能量强度小。
5使用绝缘层膜覆盖非晶半导体膜，以便使第一激光束在非晶半导体膜的表面处的反射变小，从而导致第一激光束的有效能量强度比第二激光束的有效能量强度大。
6使用绝缘层膜覆盖非晶半导体膜，以便利用该绝缘膜减小第一激光束的有效能量强度，从而导致其有效能量强度比第二激光束的有效能量强度小。
7分别使用发射自从不同的共振源的第一和第二激光束，以便将两个激光束的有效能量强度设置到不同的量级。
必须注意到，本发明并不局限于某种特定类型的激光器。相反，在本发明中可以使用各种激光器：例如，通常熟悉的准分子激光器(典型地为KrF激光器或XeCl激光器)，固体激光器(典型地为Nd:YAG激光器或红宝石激光器)，气体激光器(典型地为Ar激光器或He-Ne激光器)，金属蒸气激光器(典型地为Cu蒸汽激光器或He-Cd激光器)或半导体激光器。
在使用具有长波长(Nd:YAG激光器为1064nm)基波(第一谐波)的激光器，例如Nd:YAG激光器，的情况下，推荐使用第二，第三或第四谐波。使用非线性晶体(非线性器件)来得到这些高阶谐波。作为一种替代方法，也可以使用众所周知的调Q开关来得到高阶谐波。
所有的附图为：
图1A和1B是根据本发明的一套激光装置的构造图。
图2A是图1A和1B中所示的激光装置的光学系统构造的侧视图。
图2B是图1A和1B中所示的激光装置的光学系统构造的顶视图。
图3是用于解释激光退火方法的剖面图。
图4A和4B是根据本发明的另一套激光装置的构造图。
图5是图4A和4B中所示的激光装置的光学系统构造的侧视图。
图6是用于解释第一和第二激光束的剖面图。
图7A和7B是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
图8A和8B是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
图9是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
图10是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
图11是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
图12是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
图13A到图13E是用于解释制作包含TFT于内的CMOS电路的工艺中的各种步骤。
图14A和14B是样品构造的剖面图。
图15A和15B是多晶硅膜的晶粒的SEM照片。
图16是根据本发明的另一套激光装置的构造图。
图17A和17B是用于解释透射可变型半镜的示意图。
图18A和18B是多晶硅膜的晶化条件的SEM照片。
图19A和19B是多晶硅膜的晶化条件的SEM照片。
图20是照射能量与晶化状态之间关系的示意图。和
图21A和21B是入射能量或有效入射能量与晶化状态之间关系的示意图。
在对本发明优选具体实施例进行详细说明之前，首先简要介绍发明者是如何获得本发明的。图7A和图7B是激光退火得到的多晶硅膜用Secco腐蚀法处理后的SEM(扫描电子显微镜)照片。Secco腐蚀法处理的详细情况，作为例子，请参看F.Secco D′Aragon发表在J.Electrochem.Soc.Vol.119，No.7，pp.948-950(1972)上的论文“用于硅中(100)面的位错腐蚀(Dislocation etch for(100)planes in Silicon)”。
在图7A和和图7B中，用准分子激光光束照射形成在Corning#1737衬底(厚度为0.7mm)上的非晶硅膜(厚度为55nm)，一层氧化硅膜(厚度为200nm)则介于衬底和非晶硅膜之间.准分子激光器光束的是由XeCl作激发气体提供的波长为308nm的脉冲激光光束，脉冲宽度为30ns。照射次数为20，能量密度为370mJ/cm2。
图7A是通过激光晶化处理晶化的多晶硅膜，其中只有顶端表面受到激光束的照射(其平均晶粒直径大约为0.3μm)，而图7B显示的是通过激光晶化处理晶化的多晶硅膜，其中顶端表面和后表面都受到了激光束的照射(其平均晶粒直径大约为1.5μm)。这些结果可以确证，通过激光晶化处理晶化的，且顶端表面和后表面都受到了激光束照射的多晶硅膜，其晶粒直径是只有顶端表面受到激光束照射的多晶硅膜的五倍，因此，从两侧都进行激光照射是有显著效果的。
在本说明中使用的术语“平均晶粒直径”是依据日本专利申请No.10-020566中的说明里描述的术语“晶粒区域的平均直径”定义的。
如上所述，已经确认，从非晶半导体膜的两面进行激光照射可以导致合成的晶体半导体膜的晶粒直径较大。应该注意到，根据上述以前的技术论文中描述的实验，需晶化的非晶半导体膜的背面不用激光束直接照射，而倾向于通过利用n+Si层中剩余热量的方法来采用热沉效应的技术，这与后面描述的本发明者的方法完全不同。
然后，本发明者作了类似于上述论文的实验，只是采用了石英衬底替代了玻璃衬底(另外，能量密度设置为200mJ/cm2)，其结果是，换句话说，得到了如图8A和8B所示的Secco腐蚀法处理后的SEM照片。
图8A显示的是利用只使用激光束照射其上表面的各种激光晶化技术晶化的多晶硅膜，而图8B显示的是利用使用激光束照射其上表面和后表面的各种激光晶化技术晶化的多晶硅膜。从这些结果看出，使用石英衬底，平均晶粒直径大约为0.4到0.5μm，但没有观察到在如图7所示的情形中得到的大晶粒直径。另外，当使用激光束照射非晶半导体膜的上表面和后表面时，没有任何显著的差别。换句话说，尽管使用激光束照射了非晶半导体膜的上表面和后表面，但没有观察到增大平均晶粒直径的效应。
通过比较图7A和7B与图8A和8B之间的上述差别，本发明者假定，这些差别源于玻璃衬底透射率(大约50％)和石英衬底透射率(大约93％)的不同，也就是说，源于应用于非晶半导体膜后表面上的激光束的有效能量密度的差别。因此，作了以下实验以确定这种情形。
更特别地，准备了具有如图6所示的衬底的样品，其中使用石英衬底作衬底602，使用氮化钽膜作反射器601。然后在与得到图7B所示的SEM照片采用的条件相同的条件下，使用XeCl激光束照射该样品，并在Secco腐蚀处理后使用SEM成像方法观察得到的多晶硅膜的平均晶粒直径。其结果如图9所示。
从图9可以看出，在得到的多晶硅膜中的晶粒是分散的，其分散样式与图7B所示的多晶硅膜中的分散样式基本相同。更进一步，正如前面所述，在得到图7B的SEM照片的情形下，第一和第二激光束的有效能量强度比为0.29。该结果表明，第二激光束基本上是由玻璃衬底衰减的。在本发明的样品的情形下，计算得到的有效能量强度比为0.33。该结果表明，第二激光束基本上是由反射器衰减的。
图8B中通过组合石英和铝反射器得到的样品和图9中通过组合石英和氮化钽膜反射器得到的样品具有相同的结构，除了反射器表面的材料不同以外。因此，只是反射器表面的反射率有明显的不同，更具体地，图9样品的反射器表面的反射率比图8B样品的小。
从上述结果可以看出，在使用激光束照射非晶半导体膜的上表面和后表面以使之晶化的情形下，当应用于后表面的激光束(第二激光束)的有效能量强度小于应用于上表面的激光束(第一激光束)的有效能量强度时，可以得到增大的晶粒直径。
实施例模式1
描述本发明的优选实施例模式中的一种。图1A是根据本发明的一套激光装置的构造图。该激光装置包括激光源101，用于对从激光源101发射的激光束进行线性整形的光学系统201，和用于固定透明衬底的平台102。平台102配备有加热器103和加热器控制器104，以便将衬底的温度维持在从室温到550℃的温度范围内。在平台102上放置有反射器105，上面放置了其上形成有非晶半导体膜的衬底106。
结合图1B描述在具有如图1A所示构造的激光装置中支持衬底106的方法。支持于平台102之上的衬底106放置在反应室107中，而且由发射自激光源101的线性激光束照射。反应室设置在负压条件，或者通过排气系统或充气系统(没有显示出来)充满惰性气体，因此可以保证能够半导体膜加热到100到450℃且不受污染。
平台102可以沿着反应室中的导轨108移动，因此整个衬底由线性激光束照射。通过衬底106之上的石英窗(没有显示出来)，激光束可以进入反应室。在如图1B所示的构造中，进一步配备有运输室109，中间室110，装载/卸载室111，且个个都直接或间接地与反应室耦合在一起。这些室相互之间由分隔阀栅112和113分隔开来。
装载/卸载室111配备有能够放入多个衬底的盒子111。这些衬底由配备在运输室109中的运输自动机械115运输。参考数字106′标记的是正处于运输过程中的一个衬底。使用这样一个构造，可以在减压状态下或惰性气体中连续进行激光退火处理。
结合图2A和2B描述用于对激光束进行线性整形的光学系统201的构造。更准确地，图2A显示的是从其侧面看到的光学系统201，而图2B则是从其上方看到的光学系统201。
发射自激光源101的激光束由柱形透镜列阵202沿纵向分割。而分割后的激光束由另一个柱形透镜列阵203进一步分割，不过这次是沿侧向分割。因此，激光束最终被柱形透镜列阵202和203分割为矩阵。
然后使用柱形透镜204聚焦被分割的激光束。聚集激光束穿过紧随柱形透镜204之后的另一个柱形透镜205。然后光束由镜206反射穿过柱形透镜207，到达需要被照射的表面208。
在此处，投射到表面208上的激光束具有线性辐射面。更精确地，穿过柱形透镜207的激光束具有线性横截面。柱形透镜列阵202，柱形透镜204，和柱形透镜207可以导致激光束在其宽度方向(较短尺寸的方向)上的均匀性，而柱形透镜203和柱形透镜205则可导致激光束在其长度方向(较长尺寸的方向)上的均匀性。
然后，结合图3描述将激光束应用于形成在衬底之上的半导体膜的上表面和后表面的构造。图3是图1A中所示的衬底106和反射器105之间的位置关系示意图。
在图3中，在透明衬底301的上表面上(其上形成有薄膜或器件)，形成有绝缘半导体膜(或微晶半导体膜)303。另外，用于反射激光束的反射器304放置在透明衬底301之下。
玻璃衬底，石英衬底，晶化的玻璃衬底，或塑料衬底都可用作透明衬底301。使用透明衬底301自身便可调节第二激光束的有效能量强度。绝缘膜302可以由包含硅的绝缘膜，比如氧化硅膜或氧氮化硅(SiOxNy)膜构成。使用绝缘膜302可以调节第二激光束的有效能量强度。非晶半导体膜303可以是化合物半导体膜，比如非晶SiGe膜，而不是非晶硅膜。
反射器304可以是其表面(用于反射激光束的表面)之上形成有金属膜的衬底，或者是由金属元素构成的衬底。在上述情况下，金属膜可以包括由各种金属构成的任何金属膜。典型地，使用包含硅(Si)，铝(Al)，银(Ag)，钨(W)，钛(Ti)和钽(Ta)中的任一种的金属膜。不过，也可以使用合金，比如氮化钨(WN)，氮化钛(TiN)，氮化钽(TaN)或其他类似物质。
更进一步，反射器304可以放置在与透明衬底301相接触的位置，或放置于与之相分离的位置。作为配备的反射器304的替代，可以直接在衬底301后表面(相对于上表面的表面)上形成上述的金属膜，以便使此处可以反射激光束。在其中任一种情形下，控制反射器304的反射率，便可调节第二激光束的有效能量强度。更进一步，在反射器304放置于与透明衬底301相分离的位置的情形下，通过填充于其间的气体物质(气体)可以控制第二激光束的有效能量强度。
上述结合图2A和2B(在图中只显示有柱形透镜207)描述的通过光学系统进行了线性整形的激光束被允许照射到非晶半导体膜303上。进行了线性整形的激光束的照射是通过激光束的扫描实现的。
在其中任一种情形下，对于穿过柱形透镜207并照射到非晶半导体膜303的上表面上的第一激光束305以及在反射器304处反射一次并照射到非晶半导体膜303的后表面上的第二激光束306，重要的是有效能量强度比(Io′/Io)满足关系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。为达此目的，反射器304对于激光束的反射率必须恰好设置在20到80％的范围内。另外，可以结合使用本具体实施例模式中描述的多个减小第二激光束的有效能量强度的不同方法，以得到希望的强度比。
穿过柱形透镜207的激光束在聚集过程中相对于衬底表面的入射角为45°到90°。因此，第二激光束306可以从非晶半导体膜303周围穿过，并入射到该膜的后表面上。另外，通过在反射器304的反射面上配备突起的方法，可以随机反射激光束，从而更有效地获得第二激光束306。
优选实施例模式2
以下描述不同于前一个具体实施例模式的本发明的另一个具体实施例模式。更精确地，在本具体实施例模式中，并不采用在前一个具体实施例模式中描述过的反射器，而且，由光学系统分割的两个激光束系列用于从其上表面和后表面对非晶半导体膜的照射。
图4A显示的是与本发明实施例模式一致的激光装置构造图。如图4A所示的装置的基本结构与如图1A和1B所示的激光装置的基本结构类似，因此，只有不同部分使用不同的参考数字作了标记。类似部件具有相同的参考数字。
该激光装置包括激光源101，用于对发射自激光源101的激光进行线性整形、并将之分为两个系列的光学系统401，和用于将透明衬底固定于其上的透明平台402。衬底403a固定在平台402上，其上形成有非晶半导体膜403b。
在本实施例模式中，平台402是透明的，其原因是要使用穿过平台402的激光束照射非晶半导体膜403b。另外，从靠近平台402的侧面应用于非晶半导体膜403b上的激光束(也就是第二激光束)的一部分穿过平台402，因此，在获得有效能量强度时，必须考虑发生在穿越平台402的过程中的衰减。
图4B解释了在如图4A所示的激光装置中支持衬底403a的方法。其构造与如图1B所示的激光装置的构造相同，只是使用了透明衬底402，因此，此处将略去那儿的解释。
结合图5描述如图4A所示的光学系统的构造。更精确地，图5显示的是从其侧面观察到的光学系统401。发射自激光源501的激光束由柱形透镜列阵502沿纵向分割。而分割后的激光束由另一个柱形透镜列阵503进一步分割，不过这次是沿侧向分割。因此，激光束最终被柱形透镜列阵202和203分割为矩阵。
然后使用柱形透镜504聚焦被分割的激光束。聚集激光束穿过紧随柱形透镜504之后的另一个柱形透镜505。到现在为止，光学系统的上述构造与图2A和2B所示的构造相同。
然后激光束入射到半镜506上，以使之分割为第一激光束507和第二激光束508。第一激光束连续在镜509和510处反射，并穿过柱形透镜511，达到非晶半导体膜403b的上表面。
由于半镜506的分割而得到的第二激光束508在镜512，513和514处连续反射，并穿过柱形透镜515，接着在穿过衬底403a后达到非晶半导体膜403b的后表面。
就像在前一个具体实施例模式中那样，投射到衬底表面上的激光束具有线性照射面。柱形透镜列阵502，柱形透镜504和柱形透镜515可以导致该线性整形了的激光束在其宽度方向(较短尺寸的方向)上的均匀性，而柱形透镜503，柱形透镜505和柱形透镜511则可导致激光束在其长度方向(较长尺寸的方向)上的均匀性。
在其中任一种情形下，对于穿过柱形透镜511并入射到非晶半导体膜403b的上表面上的第一激光束以及穿过柱形透镜515并入射到非晶半导体膜403b的后表面上的第二激光束，重要的是有效能量强度比(Io′/Io)满足关系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io。
在本实施例模式中，使用玻璃衬底(由具有大约为50％或更高的激光束透射率的材料制成)作衬底403a满足了上述关系。应该注意到，在减小第二激光束的有效能量强度的方法中，除了使用衬底的方法以外，还可以采用使用配备于衬底403a上的绝缘膜(图中没有标出)的方法，或调节其上部署有衬底403a的平台(图中没有标出)的透射率或界面处反射率的方法。
更进一步，光学衰减滤光片可以放置在光学系统401中沿第二激光束的光路的任何位置，以减小第二激光束的有效能量强度。作为一种替代，光学衰减滤光片也可以放置在光学系统401中沿第一激光束的光路的任何位置，以减小第一激光束的有效能量强度。
另外，可以结合使用本具体实施例模式中解释的多个减小第一或第二激光束的有效能量强度的不同方法，以得到希望的强度比。
以下描述本发明的具体实施例。
具体实施例1
在本具体实施例中，结合图3描述按照优选实施例模式1中所述的构造晶化非晶硅膜的情形。
在本具体实施例中，衬底301是厚度为1.1mm的石英衬底301，绝缘膜302是厚度为200nm的氧氮化硅膜(SiON膜)，而非晶半导体膜303是非晶硅膜。SiON膜302和非晶硅膜303都用等离子体CVD方法形成。
在本具体实施例中，首先将SiH4和N2O导入反应室，流量分别为4sccm和400sccm，形成SiON膜302的沉积温度为40℃，反应室压强为30Pa，放电功率密度为0.41W/cm2，放电频率为60MHz。此后将SiH4导入反应室，流量为100sccm，形成非晶硅膜303的沉积温席为300℃，反应室压强为45Pa，放电功率密度为0.037W/cm2，放电频率为13.56MHz。在实际工艺中，非晶硅构图为岛状图案。
此后，使用如图1B所示的准分子激光装置实施非晶硅膜303的晶化过程。如同在图3中所示的反射器304，使用了形成于硅衬底上的氮化钨膜。而且，在反射器304和石英衬底301之间，留有150μm宽的缝隙。
在此条件下，在室温和空气中使用准分子激光束(更精确地，第一激光束305和第二激光束306)照射非晶硅膜303。准分子激光束由如图2A和2B所示的光学系统整形为具有线性横截面(0.4mm×160mm)，并被控制着从一端到另一端对衬底进行扫描。扫描速度设置为1mm/秒，能量密度(其能量强度对应于图6中的Ia)设置为336mJ/em2，脉冲宽度设置为30ns，重复频率设置为30Hz，重叠率设置为90％。因此，可以达到非晶硅膜303的同一区域的激光束脉冲共计有20个。
为了使用本具体实施例中的构造执行激光晶化，第一激光束的有效能量强度Io设置为151.2mJ/cm2，而第二激光束的有效能量强度Io′设置为77.3mJ/cm2。相应地，在此情形下的有效能量强度比Io′/Io为0.51。
依照本具体实施例晶化的多晶硅膜的SEM照片如图10所示。图10中的照片显示的是经过Secco腐蚀处理后的状况。此处Secco腐蚀处理是使用室温腐蚀剂进行的，其中腐蚀剂由50cc的氢氟酸溶液，25cc水和1.14g铬酸(二价)钾混合而成。
结果如图10所示，在岛状图案的中心周围可以辨认出具有平均晶粒直径约为0.5到0.6μm的相对大的晶粒。尽管在岛状模式的边缘/末端部分存在一些具有较小的晶粒直径的晶粒，但通过改变使用的激光束的能量密度，可以移动这些小晶粒形成的位置。在使用依据本具体实施例晶化的多晶硅膜作TFT的有源层的情形下，可以设计具有较小晶粒直径的这些部分，以将之排除在沟道形成区域之外。
具体实施例2
在本具体实施例中，描述按照具体实施例模式1中的构造晶化非晶硅膜的情形。本具体实施例中的激光晶化过程与具体实施例1中的激光晶化过程相同，只是在反射器304的表面形成了钨膜，而激光能量密度修改为369mJ/cm2。其他条件的详细描述请参看具体实施例1。
依据本具体实施例晶化的多晶硅膜的SEM照片如图11所示。如同在具体实施例1中一样，图11中的照片显示的是经过Secco腐蚀处理后的状况。Secco腐蚀处理的条件与具体实施例1中的条件相同。
为了使用本具体实施例中的构造执行激光晶化，第一激光束的有效能量强度Io设置为166.1mJ/cm2，而第二激光束的有效能量强度Io′设置为88.6mJ/cm2。相应地，在此情形下的有效能量强度比Io′/Io为0.53。
结果如图11所示，在整个岛状图案中可以辨认出具有平均晶粒直径约为0.6到0.7μm的相对大的晶粒。在图11中，在岛状图案的边缘/末端部分不太明显地辨认出一些具有较小的晶粒直径的晶粒，这与图10中的情形不同。不过，改变使用的激光束的能量密度，有时可以明显地辨认出一些具有较小的晶粒直径的晶粒，因此，激光能量密度的优化是很关键的。与具体实施例1中的情形相同，既使存在具有较小的晶粒直径的晶粒，也足以通过设计TFT而将具有较小晶粒直径的这些部分排除在沟道形成区域之外。
具体实施例3
在本具体实施例中，描述按照具体实施例模式1中的构造晶化非晶硅膜的情形。本具体实施例中的激光晶化过程与具体实施例1中的激光晶化过程相同，只是在反射器304的表面形成了氧化钨膜，激光能量密度修改为384mJ/cm2。其他条件的详细描述请参看实施例1。
依据本具体实施例晶化的多晶硅膜的SEM照片如图12所示。如同在具体实施例1中一样，图12中的照片显示的是经过Secco腐蚀处理后的状况。Secco腐蚀处理的条件与具体实施例1中的条件相同。
为了使用本具体实施例中的构造执行激光晶化，第一激光束的有效能量强度Io设置为172.8mJ/cm2，而第二激光束的有效能量强度Io′设置为57.6mJ/cm2。相应地，在此情形下的有效能量强度比Io′/Io为0.33。
结果如图12所示，在整个岛状模式中可以辨认出具有平均晶粒直径约为0.8到1.0μm的相对大的晶粒。在照片范围之内，晶粒都有在水平方向上伸长的形状，这意味着晶化过程可能从边缘部分沿岛状图案的侧向开始进行。在图11中，也可轻微地辨认出这种趋势。
另外，改变使用的激光束的能量密度，有时可以明显地辨认出一些具有较小的晶粒直径的晶粒，因此，激光能量密度的优化是很关键的。与具体实施例1中的情形相同，既使存在具有较小的晶粒直径的晶粒，也足以通过设计TFT而将具有较小晶粒直径的这些部分排除在TFT的沟道形成区域之外。
具体实施例4
在本具体实施例中，结合图13A-13E描述按照具体实施例模式1或2中描述的方法，形成用作TFT有源层的多晶硅膜的方法。
首先在玻璃衬底上形成厚度为200nm的氧氮化硅膜(图中没有标出)，然后在其上形成厚度为50nm的的非晶硅膜(图中没有标出)。此后将非晶硅膜模式化为由非晶硅构成的岛状图案701a和701b(参看图13A)。
然后按照具体实施例模式1或2中描述的方法，对如此形成的岛状图案701a和701b进行激光晶化。通过激光晶化得到的，由多晶硅膜构成的岛状图案702a和702b在其边缘/末端部分可能分别包括较小的晶粒区域703a和703b。而且，岛状图案702a和702b的边缘/末端部分包含有大量的晶体缺陷和/或晶格应力(参看图13B)。
在图13B中用参考数字704a和704b标记的断线分别表示由非晶硅膜构成的岛状图案701a和701b的原始尺寸。因此，激光晶化可以将这些岛状图案的尺寸减小大约1到15％。考虑导致尺寸减小的原因，可能是硅膜具有更完善的晶体结构和/或硅膜被蒸发。不过，这里任何机制的细节都尚不清楚。
此后，进一步构图由多晶硅膜构成的岛状图案702a和702b以形成有源层705a和705b。用参考数字706a和706b标记的断线分别表示小晶粒区域703a和703b的原始周长(参看图13C)。
然后，形成厚度为80nm的氧氮化硅膜以覆盖有源层705a和705b，并由此形成栅绝缘膜。进一步在其上形成栅电极707。栅电极707典型地由包括氮化钨膜和钨膜的层状结构构成，总厚度为300nm(参看图13D)。
形成栅电极707后，使用能够提供n型导电性的杂质进行掺杂，以形成源区708a，漏区709a和LDD区710。另外，使用能够提供p型导电性的杂质进行选择掺杂，以形成有源区708b和漏区709b。在此p型掺杂过程中，同时形成沟道形成区域711a和711b(也就是有源区中没有掺杂杂质的部分)。
然后形成厚度为1μm的、由氧化硅构成的层间绝缘膜(图中没有标出)。此后，配备接触孔以形成源线712a和712b以及漏线713。这些电线可由其中主要构成组份为铝膜的低电阻的导电膜形成(参看图13E)。
根据上述制作步骤，便可形成具有如图13E所示的构造的CMOS电路716，其中n沟道型TFT714和p沟道型TFT715互补性地结合在一起。
本具体实施例只是本发明用于形成TFT有源层的一个示范具体实施例。本发明并不局限于上述的制作工艺。而且，本发明可以应用于TFT的任何其他已知制作工艺。不过，应该注意，本发明不能应用于在有源层下配备有光防护膜或其他类似膜的情形，也就是说，不能应用于对非晶半导体膜的上表面和后表面不能同时进行激光退火的情形。
尽管可以根据本发明形成了CMOS电路，但是使用已知技术可以轻松地制作在激活矩阵型图像显示器件的像素区域中配备的像素TFT。
具体实施例5
尽管本发明已被应用于具体实施例4中TFT的有源层的制作，但本发明可应用于所有使用TFT的半导体器件。例如，本发明可应用于有源矩阵型液晶显示，有源矩阵型EL(电致发光)显示，或有源矩阵型EC(电子铬)显示。
更进一步，本发明可以应用于在IC或LSI中使用的SRAM的负载晶体管的形成。本发明对形成超过IC或LST的三维结构中的TFT也有效。
具体实施例6
在本发明中，可在具体实施例1中描述的条件下，使用激光束照射如图14A和14B所示的结构。
在如图14A所示的结构中，参考数字801标记的是厚度为1.1mm的石英衬底，802标记的是厚度为200nm的氧氮化硅膜，而803标记的是厚度为55nm的非晶硅膜。此后，对如图14A所示的结构进行传统的激光晶化。
另一方面，在如图14B所示的结构中，参考数字804标记的是表面(反射面)由氮化钽膜构成的反射器，805标记的是厚度为1.1mm的石英衬底，806标记的是厚度为200nm的氧氮化硅膜，而807标记的是厚度为55nm的非晶硅膜。此后根据本发明对如图14B所示的结构进行激光晶化。
得到的多晶硅膜有TEM(透射电子显微镜)照片如图15和15B所示。更特别地，图15A显示的是通过晶化具有如图14A所示结构的非晶硅膜803得到的多晶硅膜的TEM照片，而图15B显示的是通过晶化位于如图14B所示衬底之上的非晶硅膜807得到的多晶硅膜的TEM照片。
对比图15A和15B可以看出，图15B中根据本发明晶化的多晶硅明显地具有较大的晶粒直径。因此，从这些TEM照片可以确认，本发明可以提供具有增大的平均晶粒直径的结晶半导体膜。
具体实施例7
本发明者所作的实验表明了，当有效能量强度比Io′/Io满足关系0＜Io′/Io＜1或1＜Io′/Io时，可以显著增大平均晶粒直径的特别条件。
在本具体实施例中，使用各种衬底(每个衬底的厚度为1.1mm)或不同材料制成的反射器(更严格地讲，反射器的反射表面)作实验。表1给出了实验中样品(A)-(H)使用的衬底和反射器，同时也给出了有效能量强度比。
表1
    样品     衬底   反射器 有效能量强度比
    (A)     石英     Al     1.00
    (B)     石英     Si     0.67
    (C)     石英     W     0.53
    (D)     石英     Tin     0.33
    (E)     #1737     Al     0.29
    (F)     #1737     W     0.16
    (G)     #1737     Ta     0.11
    (H)     AN100     Al     0.07
在表1中，“#1737”是来自Corning公司的玻璃衬底的商品号，而“AN100”是来自Asahi Glass Company的玻璃衬底的商品号。
在与具体实施例1-3中的条件相同的条件下，用XeCl激光束照射样品，其中有效能量强度比的范围为0.07到1.0，而且使用SEM方法观察得到的多晶硅膜。
作为结果，已经确认，在有效能量强度比为0.29，0.33，0.35和0.67时，可以得到大约1μm的平均晶粒直径，而在有效能量强度比为1.0，0.16，0.11和0.07时，可以得到大约0.3μm的平均晶粒直径。相应地，在第一和第二激光束的有效能量强度相差20％或更多的条件下，相信可以显著地增大平均晶粒直径。相信上述结果已显示出，当有效能量强度比Io′/Io在0.2到0.9的范围(更适宜的范围为0.3到0.7)内时，已经达到了最佳晶化条件。
具体实施例8
在本具体实施例中，结合图16描述具有与在具体实施例模式2中描述的构造不同的构造的另一个光学系统的情形。更精确地，本具体实施例中的构造允许线性激光束在长度方向或宽度方向的长度是可变的。
在使用本具体实施例中的光学系统10时，对于需要较高能量输入进行晶化的半导体膜，可以在长度方向上为线性激光束设置较短的长度，而对于在相对低的能量输入下便可进行晶化的半导体膜，可以在长度方向上为线性激光束设置较长的长度。因此常可以达到最大能量效率。另外，由于允许线性激光束在宽度方向上的长度是可变的，便可确定最适宜的半导体膜晶化的横向长度。
如图16中所示的光学系统与如图5所示的光学系统不同，除了用于在宽度方向上分割激光束的柱形列阵透镜502外，还采用另一个柱形列阵透镜11以展示相同的功能，而且除了用于在长度方向上分割激光束的柱形列阵透镜503外，还采用另一个柱形列阵透镜12以展示相同的功能。
在本具体实施例中，按照在宽度方向上对线性激光束的横截面进行修正的方法，在长度方向上对线性激光束的横截面进行了修正。相应地，这里只描述用于执行在长度方向上分割激光束的功能的两个柱形透镜。
在长度方向上由柱形列阵透镜503分割的激光束的每个部分被允许入射到柱形列阵透镜12中对应的柱形透镜上。更精确地，当柱形列阵透镜507被分为七个部分时，柱形列阵透镜12也要按照对应的方式分为七个部分。柱形列阵透镜503和12可以具有相同的形状。作为替代，除曲率半径外，这些柱形列阵透镜503和12可以是相同的。
在这一点上，根据焦距的组合便可确定激光束长度的可变范围。更精确地，通过改变柱形列阵透镜503和12之间的距离，便可确定线性激光束在长度方向上的长度。
柱形列阵透镜503和12之间的距离比柱形列阵透镜503的焦距短两倍是优选的。在此情形下，由柱形列阵透镜503分割的激光束的各个分割部分可以以一对一的关系入射到柱形列阵透镜12中对应的柱形透镜上。
更进一步，在本具体实施例中，使用一个透射率可变型半镜作半镜13。其构造将参照图17A和17B加以描述。首先解释如图17A所示的透射率可变型半镜的示范构造。
图中来自左侧的激光束902由透射率可变型半镜901分割成激光束903和904。透射率可变型半镜901包括分别具有不同透射率的区域905-908。
当透射率可变型半镜901沿着箭头909标记的、且平行于透射率可变型半镜901的方向移动时，穿过透射率可变型半镜901的激光束的能量强度可以设置到与反射激光束904的能量强度不同的量级上。尽管在如图17A所示的构造中有四个区域905-908，但这些区域的数目并不限于4个，可以有两个或更多的区域。
如图17B所示是透射率可变型半镜的另一个示范构造。在此情形下，图中来自左侧的激光束912由透射率可变型半镜911分割成激光束913和914。与图17A中的透射率可变型半镜901相比，透射率可变型半镜911被分割为更多的区域，而且各个区域的透射率被设置为以细微台阶形式变化。
这种透射率可变型半镜是市场上可以买到的。即使配置了具有按细微台阶形式变化的不同透射率的区域，穿过透射率可变型半镜911的激光束913的能量强度也可以设置到与在透射率可变型半镜911沿箭头915标记的方向移动时反射的激光束914的能量强度不同的量级。
使用上述光学系统中的一个系统，可以细微调节用于照射半导体膜的激光束的有效能量强度。在本具体实施例中描述的光学系统的构造也适用于具体实施例1中描述的激光装置。
具体实施例9
在本具体实施例中，在考虑了在反射器的反射表面处的多次反射的情况下，计算了具体实施例7中的有效能量强度比。在本具体实施例的实验中使用的样品(A)-(H)与具体实施例7中的样品(A)-(H)相同。应该注意，在本具体实施例中，第二激光束的有效能量强度Io′可以表述为Io′＝Ia×Tsub×Rmirror×Tsub×(1-RSiON-Si)/1-RSiON-Si×Tsub×Rmirror×Tsub。
在上述公式中，Tsub表示衬底的透射率，Rmirror表示在反射器反射表面处的反射，而RSiON-Si表示从SiON膜入射到非晶硅膜上的光束经历的反射。实验结果发现，从空气入射到SiON膜上的光束经历的反射，SiON膜的透射率，从SiON膜入射到衬底上的光束经历的反射，和从衬底入射到SiON膜上的光束经历的反射都可以忽略，因此在计算中没有考虑这些反射。
以上计算得到的数据都列在表2中。更精确地，表2中的数据是表1中的数据的修正版，修正时考虑了多次反射。
表2
    样品     衬底   反射器 有效能量强度比
    (A)     石英     Al     1.66
    (B)     石英     Si     0.81
    (C)     石英     W     0.61
    (D)     石英     Tin     0.33
    (E)     #1737     Al     0.32
    (F)     #1737     W     0.17
    (G)     #1737     Ta     0.14
    (H)     AN100     Al     0.06
基于这些数据，可以得到与具体实施例7中相同的最佳晶化条件，也就是说，有效能量强度比Io′/Io的范围为0.2到0.9(更适宜的范围为0.3到0.7)。
具体实施例10
在本具体实施例中，基于实验结果描述本发明的优点。在以下本具体实施例的描述中，将按五个等级相对评估结晶度。更精确地，在本说明中，结晶度被分为以下五个评估等级：
晶化状态(0)：在此状态下，由于烧蚀使膜消失；
晶化状态(1)：在此状态下，可以辨认出细小晶粒，如图18A所示；
晶化状态(2)：在此状态下，可以辨认出平均晶粒直径约300到450nm的晶粒，如图18B所示；
晶化状态(3)：在此状态下，可以辨认出平均晶粒直径约600到800nm的相对大的晶粒，如图19A所示；
晶化状态(4)：在此状态下，可以辨认出具有大约3μm或更大的较大直径的显著大的晶粒，如图19B所示。
特别地，在本具体实施例中，晶化状态(4)中的晶粒指的也是由SLG(超横向生长)形成的晶粒。
基于上述评估标准，调查了激光晶化的条件和晶化状态之间的关系。对在单一照射模式中照射能量(对应于激光束在恰好到达非晶硅膜之前的能量强度Ia)和晶化状态之间的关系和在双重照射模式中二者之间的关系加以比较，便可得到如图20所示的数据。在单一照射模式中，只用激光束照射非晶硅膜的上表面，而在双重照射模式中，同时用激光束照射非晶硅膜的上表面和后表面。
从如图20所示的数据可以清楚地看到，与单一照射模式相比，双重照射模式可以在较低的照射能量下得到具有令人满意的晶化状态的晶化膜。更精确地，在单一照射模式的情形下，实现SLG需要的照射能量大约为510mJ/cm2，而在双重照射模式的情形下，照射能量大约为440到460mJ/cm2便足以实现SLG。这表明，根据本发明，与传统的单一照射模式相比，采用双重照射模式可以在较低的照射能量下得到具有高晶化状态的晶化半导体膜。
更进一步，从实验可以知道，照射能量越高，第一激光束的有效能量越高，而且得到的晶化半导体膜的表面粗糙程度也越大。这意味着，对用于得到由SLG形成的晶粒的膜表面，由双重照射模式引起的损伤较少。
然后描述通过改变反射器的反射率来改变有效能量强度比的实验的结果。图21A显示的是照射能量与晶化状态之间的关系，而图21B显示的是有效入射能量和晶化状态之间的关系。
正如图21A所示，反射器的反射率越高(也就是说，第二激光束的有效能量强度越高)，即使在同样的照射能量下，得到的晶化状态越令人满意。可以确定，其原因是，在相同的照射能量下，双重照射模式提供的有效入射能量要比单一照射模式提供的有效入射能量高。有效入射能量是所有输入到非晶半导体膜中的有效能量的总和，更精确地，对应于第一激光束和第二激光束的有效能量强度的总和。
从上述观点，在将照射能量设置在同一量级的情况下调查了有效入射能量和晶化状态之间的关系。其结果为，反射率越高，得到由SLG形成的晶粒(也就是说，晶化状态(4)向较高能量一侧移动)所需的有效入射能量越多，如图21B所示。换句话说，具有低反射率的反射器适合于在较低的有效入射能量下提供由SLG形成的晶粒，由此可以实现较低能量损耗的晶化。
更进一步，正如图21B所示，降低反射器的反射率，可以减小达到SLG所需的有效入射能量。不过，已经确认，在反射率为0时，不会发生SLG。因此，相信可以达到SLG的反射器的反射率存在最佳值。
如上所述，根据本发明，在非晶半导体膜的激光晶化过程中，用激光束同时照射非晶半导体膜的上表面和后表面，且应用于后表面的激光束的有效能量强度设置到与应用于上表面的激光束的有效能量强度不同的量级，从而得到与使用传统技术得到的晶化半导体膜相比，平均晶粒直径较大的晶化半导体膜。
由于得到了具有大的平均晶粒直径的晶化半导体膜，因此TFT的性能，或者由TFT形成的半导体器件，如有源列阵型显示器件，的性能得到了显著改善。

Claims (15)

1.一种激光装置，包括：
一个激光源；
一个光学系统，用于将第一激光束导引到被处理物体的上表面，以及用于将第二激光束引导到后表面上；
一个用于支持所述物体的平台；
一个位于物体和平台之间的反射器，用于反射其上的第二激光束，其中第一和第二激光束被从激光源引导到光学系统，以及
其中第二激光束被反射器反射并随后被照射到物体上。
2.依照权利要求1的激光装置，其中激光束由光学系统整型为具有线性横截面。
3.依照权利要求4的激光装置，其中激光束由光学系统整型为具有线性横截面。
4.一种形成半导体器件的方法，包括：
用第一激光束照射物体的上表面；和
用放置在物体的后表面上的反射器反射第二激光束；和
用反射的第二激光束照射物体的后表面；
其中应用于上表面的第一激光束的有效能量强度Io与应用于后表面的第二激光束的有效能量强度Io′满足关系0＜Io′/Io＜1或1＜Io/Io。
5.依据权利要求4的方法，进一步包括对第一和第二激光束进行线性整型的步骤。
6.依据权利要求4的方法，其中所述物体是非晶半导体膜或微晶半导体膜。
7.一种形成半导体器件的方法，包括以下步骤：
从作为振荡源的激光源中产生第一激光和第二激光；
反射处于平台和物体之间的反射器上的第二激光；
将反射的第二激光照射到物体的后表面。
8.依据权利要求7的方法，进一步包括对上述激光束进行线性整型的步骤。
9.依据权利要求7的方法，其中所述物体是非晶半导体膜或微晶半导体膜。
10.一种形成半导体器件的方法，包括以下步骤：
从作为共振源的激光源中产生第一激光束和第二激光束；和
使用所述第一激光束照射一物体的上表面；，
在物体后表面的一侧设置一个反射器；
其中第二激光束被所述反射器反射后到达物体后表面
应用于上表面的所述第一激光束的有效能量强度Io设置到与施加于后表面的所述第二激光束的有效能量强度Io′不同的量级。
11.依据权利要求11的方法，进一步包括对上述激光束进行线性整型的步骤。
12.依据权利要求11的方法，其中所述物体是非晶半导体膜或微晶半导体膜。
13.一种激光退火方法，包括以下步骤：
从作为共振源的激光源中产生激光束；和
使用所述激光束照射一物体的上表面和后表面，
其中施加于物体后表面的激光束在到达物体后表面之前，被放置在物体后表面一侧的反射器反射，和
应用于上表面的激光束的有效能量强度Io与应用于后表面的激光束的有效能量强度Io′满足关系0＜Io′/Io＜1。
14.依据权利要求14的方法，进一步包括对上述激光束进行线性整型的步骤。
15.依据权利要求14的方法，其中所述物体是非晶半导体膜或微晶半导体膜。
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