专利名称：半导体器件的制造方法
背景技术：
本发明涉及半导体器件的制造方法，更具体地说，涉及包含使至少一部分非单晶半导体薄膜结晶的半导体器件制造方法。
通常，即使是单晶也涉及原子行的混乱(例如位错)，并且难以将“单晶”与“接近于单晶的晶体”区分开，因此，应注意，在本说明书中，将“接近于单晶的晶体”也描述为“单晶”。
作为用于实现ULSI(超大规模集成电路)集成、低功耗和高速的技术，已知有用于在绝缘材料衬底或者绝缘膜上形成单晶硅的SOI(绝缘体上硅)技术。这种技术分为(1)在形成在单晶半导体晶片例如硅晶片上的绝缘膜上形成单晶薄膜的方法，和(2)使形成在绝缘材料衬底或者绝缘膜上的非单晶(非晶或者多晶)半导体薄膜，例如非单晶硅薄膜结晶或再结晶的方法。在这两种方法中，增强硅的结晶度非常重要。优选地，用于形成晶体管的区域应是单晶，晶面取向应一致，尤其，表面应为(001)面，并且电流流动方向的晶向应为(100)面。据此，广泛采用方法(1)，利用单晶硅晶片或者晶片键合通过注入氧(SIMOX)隔离。
另一方面，在目前的硅ULSI技术中不采用方法(2)。然而，由于不限制所采用的衬底材料，因此如果可以形成高质量的单晶半导体薄膜例如单晶硅薄膜，则可以在各种电子元件或者电子器件中应用方法(2)。因此，迫切需要改进方法(2)。
在二十世纪八十年代进行了许多研究，试图形成具有一致的晶面取向的单晶硅薄膜。在这些研究当中，通过射频感应加热的区域熔化技术是重要的技术，并且已知为能够形成其晶向具有(001)面的单晶硅矩形区的技术。
如Akira Fukami和Yu Kobayashi在“Journal of ElectronicCommunications Society”(1986/9 vol.J69-C No.9，第1089-1095页)报道的，在区域熔化法中，首先，通过大气化学汽相淀积(CVD)法在石英衬底上淀积多晶Si薄膜，并且将该薄膜图案化以得到其中彼此分隔且线性排列的大量矩形区域通过细颈状部相互连接的图形。然后，在石英衬底的背面定位细长的射频感应加热器，以将线性排列的矩形区域依次加热到1412℃或者更高，以熔化在对应于加热器的位置放置的多晶硅，形成熔化的硅区域。接着，在矩形区域的阵列方向移动加热器，从而依次熔化多晶硅，并且使整个矩形区域熔化。在矩形区域中，由加热器加热然后冷却的部分已经单晶化，而其它部分没有结晶。通过改变颈状部的尺寸(长度和宽度)，局部地改变热流动，并且晶向根据热流动而改变。通过优化颈状部的长度和宽度，可以形成具有(001)面取向的结晶的矩形区域。
顺便提及，在用于增强在液晶显示器等的驱动元件中使用的薄膜晶体管性能的技术中，应用了在玻璃或者塑料衬底上形成结晶硅薄膜的技术。例如，当薄膜晶体管的半导体层从非晶结构变到多晶结构时，晶体管的迁移率变为100倍或者更高。
然而，在这种情况下，当结晶时，必须适当关注对衬底的热损伤(例如，在普通的玻璃衬底中，用于结晶的加热温度必须为600℃或者更低，在塑料衬底中，为150℃或者更低)。
在利用射频感应加热的区域熔化法中，将衬底(石英衬底)部分地加热到超过硅熔点(1410℃)的温度，因此，在其中衬底由低熔点材料例如玻璃或者塑料形成的液晶显示器领域不能应用该方法。
为了在(001)晶面取向中对准结晶膜，需要优化连接矩形硅区的颈状部的形状，这限制了晶体管和后续将形成的电路的布图。
因此，作为使非晶硅薄膜结晶而不热损伤衬底的方法，已经开发了准分子激光结晶法。在该技术中，通过均化光学系统来调节准分子激光束，使得强度在截面上均匀，并且通过具有细长矩形形状开口的金属掩模将激光束成型为矩形形式(例如，150mm×200μm的截面形状)。利用这种形状的激光束，与矩形的长边方向成直角扫描在玻璃衬底上淀积的非晶硅薄膜的表面，并且利用激光在短边方向以10μm的间隔照射。已经吸收了激光束的硅薄膜熔化，并且冷却为多晶硅。在该技术中，即使使用普通的玻璃或者塑料衬底，也不会热损伤衬底。这是因为准分子激光是具有大约20ns的脉冲宽度的脉冲激光，并且在大约50-100ns内完成结晶。得到的晶粒尺寸取决于激光能量密度，并且可以形成由具有大约0.1至1μm粒径的晶粒形成的多晶薄膜。至于晶面取向，据报道通过单激光照射形成的晶粒没有对准，但是当重复几百次激光照射时，表面取向调准到(001)面或者(111)面(对于前者，例如参见D.P.Gosain，A.Machida，T.Fujino，Y.Hitsuda，K.Nakano and J.Sato，“Formation of(100)-Textured Si FilmUsing an Excimer Laser on a Glass Substrate，”Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.42(2003)，pp.L135-L.137；对于后者，例如参见H.Kuriyama等人的“Enlargement of Poly-Si Film Grain Size by Excimer LaserAnnealing and Its Application to High-Performace Poly-Si ThinFilm Transistor，”Jpn.J.Appl.Phys.，Vol.30(1991)，pp.3700-3703)。
然而，在准分子激光结晶法中，可以使各个晶粒中的结晶性为单晶，但是薄膜作为整体是多晶的。因此，当形成多个晶体管时，晶界存在于沟道区中，使得迁移率降低，并且晶体管之间性能(阈值电压、亚阈值(sub-shred)系数、迁移率)波动。为了增加晶粒尺寸，必须将激光能量密度(能量密度)设置到尽可能接近使硅薄膜完全熔化的临界能量密度的水平。然而，当激光能量密度超过总熔化条件时，硅薄膜变成非常精细的晶体，这不是优选的。换句话说，激光能量密度对波动的容差窄。由于晶粒尺寸最大大约为1至2μm，因此存在必须将晶体管尺寸控制得更小的限制。例如，当使用用于大约1m×1m显示器的大面积衬底时，需要极其先进的精细加工技术。此外，为了使表面取向调准到(001)，必须照射200次或者更多次(或者对于(111)面，大约10次)的激光。因此，需要非常长的处理时间来结晶。即使提供结晶膜上侧(一个面)的各个晶粒的表面取向均匀地调准在(001)，该结构也绕着表面轴无序地旋转，并且薄膜截面的晶体取向没有对准。即，不能将垂直于结晶膜表面的面定向到(001)取向。
此外，试图单独利用闪光灯代替准分子激光进行结晶。然而，当形成多个晶体管时，尽管如准分子激光结晶法那样可以使晶粒内的结晶性为单晶，但是晶界形成在沟道区中，使得迁移率降低，并且晶体管之间的性能(阈值电压、亚阈值系数、迁移率)波动。
作为通过准分子激光结晶技术开发的技术，还已知称作顺序横向固化(SLS)的技术。该技术例如公开于日本专利No.3204986中。在该技术中，如
图12A所示，通过均化光学系统使光强度均化的准分子激光束11通过金属掩模12，金属掩模12具有大约2μm且截面将要成型为矩形的细间隙。当设置通过间隙的激光能量密度(能量密度)，使得非晶硅薄膜13变为在厚度方向完全熔化的熔融硅14，从间隙的外侧区域向着内侧发生横向生长，并且形成结晶硅16(图12B)。接着，将靶结构向左移动2μm，如箭头17所示，并发射激光。然后熔融硅14在通过前面的激光照射形成的结晶硅16的右端处的籽晶开始横向生长(图12C)。通过重复这种激光照射和靶移动过程，可以形成大晶粒尺寸的多晶硅薄膜。在这种情况下，使掩模12的平面形状为棋盘图形掩模19，如图12D所示。在这种情况下，当重复激光照射时，提高了处理时间，并且增强了结晶的叠加区域，使得均匀横向生长的多晶薄膜形成在衬底表面上。
然而，在SLS方法中，由于几乎一半的激光束都被金属掩模遮蔽了，因此不能有效地利用激光能量。结果，花费较长的时间进行结晶。此外，由于晶粒的位置分散，因此如准分子激光结晶的情况那样，晶体管之间性能波动。因此，晶粒的面取向不均匀，也导致了晶体管之间性能波动。
作为通过准分子激光结晶法进一步开发的技术，还已知相位调制准分子激光结晶法(例如参见Masakiyo Matsumura，“SurfaceScience，”Vol.21，No.5，pp.278-287，2000)。该方法的特征在于，如图13A所示，准分子激光束21通过称作移相器22的光学元件(例如，通过形成台阶来加工的石英板)，因此，在空间上调制了激光束强度分布，如图13B中的附图标记23所示。利用如此调制的激光束照射非晶硅薄膜24一次，并且使被照射的区域25结晶，如图13C所示。
该方法不同于准分子激光结晶法或者SLS法，不使用均匀的光强度分布，并且不需要多次照射激光。在该方法中，调制的光强度分布23在利用激光照射的薄膜中提供了倾斜的温度分布，并且在小能量的位置27处形成了晶核，使得可以精确地确定晶核的位置。此外，如图13D所示，通过从晶核的横向生长可以得到大粒径的晶粒26a、26b。通过该方法，形成了大粒径的晶粒，并且还可以控制晶核的位置。
然而，在相位调制准分子激光结晶技术中，得到了大粒径的晶粒，但是进一步需要形成更大的晶粒，以便在一个晶粒中制造多个晶体管，并且缓和对电路布图的限制。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种半导体器件的制造方法，能够在底层绝缘层上形成具有较大粒径的半导体晶体薄膜。
根据本发明的第一方案，提供一种半导体器件的制造方法，包括利用通过光学调制器调制使其具有光强度分布的激光束照射非单晶半导体薄膜的待结晶区域，以使该区域结晶的激光照射步骤，所述光强度分布具有最小光强度线或者最小光强度点；以及通过将来自闪光灯的光照射到结晶区域上来加热结晶区域的加热步骤。
根据本发明的第二方案，提供一种半导体器件的制造方法，包括激光照射步骤，利用通过光学调制器调制使其具有光强度分布的激光束照射非单晶半导体薄膜的待结晶区域，以形成多个主晶粒及它们周围的精细晶粒，所述光强度分布具有最小光强度线或者最小光强度点；以及加热步骤，通过来自闪光灯的光的照射进行加热，以通过将精细晶粒结合到主晶粒中而使待结晶区域单晶化。
根据本发明的第三方案，提供一种半导体器件的制造方法，包括利用具有足以熔化非单晶半导体膜的能量的脉冲激光束照射靶的照射步骤，该靶具有在其上形成的非单晶半导体膜，从而使非单晶半导体膜的至少一部分结晶；以及利用来自闪光灯的、具有足以熔化非单晶半导体膜的能量的光照射包含结晶部分的非单晶半导体膜的加热步骤，从而至少使结晶部分单晶化。
在本发明中，激光照射步骤可以包括形成晶粒的步骤，所述晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为预定晶面，并且其生长快于其它晶粒；并且加热步骤可以包括在半导体薄膜中利用所述晶粒作为晶核的晶粒生长步骤，所述晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为预定晶面。
而且在本发明中，激光照射步骤可以包括形成晶粒的步骤，当从一侧观察时，该晶粒具有三角形形状，并且在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面，加热步骤可以包括在半导体薄膜中利用三角形晶粒作为晶核的晶粒生长步骤，当从一侧观察时，所述晶粒具有近似矩形表面形状，并且在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面。
通常，在激光照射步骤中，通过光学调制器形成具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
此外，在本发明中，光学调制器可以具有移相器，通过调制入射激光束的相位，移相器可以输出具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
附图简述图1是示出本发明基本概念的半导体器件制造方法的流程图；图2是示出根据本发明沿着光路从激光源到靶的光学系统的图；图3是用于说明本发明一个实施例的激光束的光强度分布的图；图4A是示出相位调制的准分子激光照射之后薄膜表面的图；图4B是示出闪光灯照射之后结晶薄膜表面的图；图5A是示意性示出具有三角反峰图形的光强度分布的激光照射的透视图；图5B是示出激光照射之后的移相器和在二维位置控制的晶粒之间关系的图；图6A至6C是示出具有形成在其上的取向表示标识的圆形衬底的三个例子的平面图；图6D至6F是示出具有形成在其上的取向表示标识的矩形衬底的三个例子的平面图；图7A至7D是用于按照步骤顺序说明本发明结晶方法的第一实施例的图；图8A至8D是用于按照步骤顺序说明本发明结晶方法的第二实施例的图；图9A至9C是在本发明中可以使用的相互不同的相位调制准分子激光结晶装置的示意图；图10是在本发明中可以使用的闪光灯加热装置的示意图；图11A是用于退火的移相器的透视图；
图11B是用于定位的移相器的透视图；图11C和11D是示出具有相互不同结构的移相器的透视图，其中用于退火的移相器与用于定位的移相器结合成一体；图12A至12D是用于说明现有技术的SLS方法的说明图；并且图13A至13D是用于说明现有技术的相位调制准分子激光结晶法的说明图。
发明的详细描述首先说明本发明的基本原理。
图1是示出本发明基本原理的半导体器件制造方法的流程图。图2是示出根据本发明沿着光路从激光源到靶的光学系统的图。
首先，根据本发明的半导体器件制造方法3包含利用激光束照射非单晶半导体薄膜的待结晶区域，以使被照射的区域结晶，通过光学调制器调制所述激光束，使其具有光强度分布，该光强度分布具有最小光强度线或者最小光强度点(步骤1)。然后，利用来自闪光灯的光照射结晶区域，以加热结晶区(步骤2)。
在步骤1中，通过使用其表面加工成线性台阶的石英衬底制成的移相器121作为光学调制器，如图11A所示，调制来自光源的激光束，以具有按三角形形状在最小光强度J1和最大光强度J2之间改变的激光束强度分布31，如图3所示。如此调制的激光束照射待结晶的靶薄膜(例如，非晶硅薄膜)，以实施结晶(在这种情况下，以形成多晶硅)。在本说明书中，希望最终结晶的区域称作“待结晶区域”。
通过扫描电子显微镜(SEM)法和电子背散射衍射(EBSD)法测量结晶薄膜的晶粒表面形态和单个晶粒的结晶取向。结果，发现可以将晶粒归为三种类型，即，小直径晶粒、带状晶粒和三角形晶粒(后面参考图4A具体描述)。三角形晶粒意味着在横向从激光束照射的最小光强度线或者最小光强度点开始生长的晶粒，并且在下一个步骤将形成为籽晶。它不限于纯粹的三角形形状，例如，可以包括部分多边形或者弧形。许多晶粒形成为三角形形状，并且将它们称为三角形晶粒。
这里，发现三角形晶粒的生长距离长，并且晶体生长方向的面取向为(100)平面，与晶体生长方向垂直的两个方向中、在薄膜平面中的垂直方向为(010)面或者(011)面。
此外，可以利用具有图5A所示激光束强度分布61的相位调制准分子激光照射非结晶膜60。通过使用图11A所示的移相器121，激光束强度分布61具有最小光强度线，其恒定间距为P，或者，通过使用图11A和11B所示的移相器121和122，激光束强度分布61具有最小光强度点，其恒定间距为P，例如10μm的多个最小光强度点(反峰点)42a。在图5A中，用附图标记62表示结晶起始点，用附图标记63表示结晶终结位置。因此，得到了如图5B所示的二位置控制的晶体，如后面所描述的。间距P指的是表面中形成的窄沟槽和表面之间的台阶，即，移相线之间的间隔，如后面参考图11A至11D所说明的。
即，为了生成其表面形态四边形晶体被一维定位控制并且其至少在生长方向上的晶面取向为(100)的结晶膜，可以通过使用如图11A所示的一维移相器121形成一维激光束强度分布，并且可以利用所产生的激光束照射非晶硅薄膜表面，以形成在一个方向上生长的晶粒。在这种情况下，设计将要使用的激光束的光强度分布，使得晶体生长的起始点和终点具有激光束强度，例如900mJ/cm2的能量光的最小值J1(起始位置)和最大值J2(终止位置)。通过这种激光照射进行周期性退火，在非晶硅薄膜的整个照射区域中形成横向生长的晶粒。
构成激光束结晶装置4，例如，如图2所示。在从光源5开始的激光光路中设置均化器6，并且使激光束的光强度分布均化。在如此均化的激光的光学路径中设置光调制器7，并且该光调制器7调制均化的激光束，以具有反峰形状的光强度分布。成像透镜8设置在通过调制器7的激光束的光学路径中，以在靶9上聚焦图像。如此构成结晶装置4。通过结晶装置4，完成了通过激光束的结晶步骤1。
接着，进行通过灯退火的结晶步骤2。在该步骤中，通过利用氙闪光灯作为光源照射以得到大晶粒晶体，来进行结晶。
可以利用如图10所示的闪光灯加热装置110进行闪光灯加热步骤。加热装置110包括在腔室117中设置的与靶108相对的多个条形氙闪光灯114。在氙闪光灯114之上，设置反射器115，以向着靶108反射向上发射的灯束。来自氙闪光灯114的光通过透光板112例如石英照射到靶108上，所述透光板112能够透射紫外线到可见光区域的光。为了提高加热的均匀性，可以在到靶108的入射光路中设置光扩散器113。此外，用于支撑靶108的板116可以设置有用于预热的加热装置(例如，250至550℃)。氙闪光灯114是其内密封氙气的玻璃管，具有连接到电容器、设置在其两端的阳极和阴极。在驱动电源电路的电容器中积聚的电流流到玻璃管中，并且此时通过焦耳热加热氙气，以发光。在该氙闪光灯中，由于预先积聚的静电能量转换为0.1ms至10ms的短光脉冲，因此与连续发光型光源相比，能够发射非常强烈的光。闪光灯的脉冲宽度优选为0.5至2ms。闪光灯的可控制性高，通常一个快闪过程就足够了。通过单一照射，可以使半导体衬底的热损伤最小化，同时增加产量。然而，可以进行两次或者多次灯退火，以便增强结晶度。通过控制电压、电流密度、气压和灯内径，希望氙闪光灯的发射光谱特性具有从具有硅膜的高吸收系数的紫外线到可见光区的高强度。具体地说，如试验中所发现的，对于硅的单晶化而言，用于得到有效紫外发射强度的条件范围为3000A/cm2至10000A/cm2的电流密度。作为具体条件，电压为3.5kV，电流密度为4200A/cm2，气压为400Torr(5.3×104Pa)。由于等离子温度增加，并且短波长元件的能量密度的比率变高，因此优选高电流密度。
优选在真空或惰性气体气氛中进行加热步骤。但是，本发明并不受该技术所限。
在通过氙闪光灯照射之前和之后的结晶薄膜表面分别示于图4A和4B。通过在氙闪光灯照射之前和之后追踪结晶薄膜表面的扫描电子显微镜图像来绘制图4A和4B。利用氙闪光灯照射，通过激光照射形成的三角形晶粒的底部区域52作为籽晶，并且通过激光照射形成的小直径晶粒55和带状晶粒53再次熔化，且结合到从籽晶生长的晶体中。因此，通过氙闪光灯照射，形成了四边形表面形态的晶粒54b(图4B)。结晶晶粒54b为方形，并且结晶度如单晶那样优异。对于在控制它们的位置的情况下形成晶核，需要相位调制的激光照射，但是对于晶粒的二次扩展来说，并不总是需要空间调制的激光束。因此，由于其优异的可控制性、均匀性、产量、可保持性和生产率以及设备的低成本，通过能够发射均匀光束的氙闪光灯来进行加热是有利的。如上所述，氙闪光灯的脉冲宽度短，并且可以将脉冲宽度和发射光谱特性控制到一定的程度，使得考虑对底层衬底的影响更容易优化硅膜的温度增加。
即，通过激光束照射结晶的区域是取决于激光束直径的区域。因此，必须移动待照射区域，以便达到宽的结晶。相反，闪光灯照射覆盖了宽的区域，并且可以影响宽范围的结晶。
现在将参考附图描述基于上述基本概念的本发明的各个实施例。
首先，参考图3、4A、4B、5A、5B、6A至6C以及7A至7D、尤其图7A至7D描述具有四边形结晶区域阵列的半导体器件的制造方法实施例，所述四边形结晶区域具有均匀的晶面取向，形成在具有图6A至6C所示的取向表示标记例如取向平面71、凹口72和衬底标志73的圆形衬底(通过图7的附图标记81表示)上。
首先，制备具有待结晶半导体薄膜(也称作靶)的半导体结构80。如图7A所示，半导体结构80具有半导体衬底81(例如，Si、Ge、Si1-xGex、Si1-x-yGexCy、GaAs、GaP、InAs、GaN、ZnTe、CdSe、CdTe等的半导体晶片)，并且在半导体衬底81上形成绝缘层82(例如，膜厚500nm)。绝缘层82例如是通过热氧化、CVD(例如，等离子CVD或者低压CVD)或者溅射法形成的SiO2膜。可以选择的是，绝缘层82可以是例如SiN膜和SiO2膜的叠层结构。其可以是SOG(玻璃上的旋涂)，或者可以是SOG与SiN膜和/或SiO2膜的叠层结构。绝缘层82防止衬底污染，防止扩散，由于绝缘层的热绝缘特性带来的热聚积效果，在激光或者氙闪光灯的加热步骤之后缓慢冷却半导体薄膜83，绝缘层82还起到促进较大晶体生长的作用。在半导体衬底81的整个表面上形成绝缘层82。可以原样整体使用绝缘层，或者通过图案化来部分地除去。这里，将对当绝缘层形成在半导体衬底81的整个表面上时在下列步骤中使用该绝缘层的情况进行说明。在绝缘层82上，即，在半导体衬底81的一侧上，通过CVD(等离子CVD或者低压CVD等)或者溅射法形成非晶或者多晶半导体薄膜83(例如，厚度大约30至200nm的Si、Si1-xGex、或者Si1-x-yGexCy膜)。半导体薄膜83可以形成在绝缘层82的整个表面上，或者通过图案化形成在绝缘层的部分区域上。这里，在绝缘层82的整个表面上形成半导体薄膜83。在半导体薄膜83的整个表面上，形成保护膜84(例如，SiO2、SiON、SiN、SOG或者它们的叠层膜)，以具有40至500nm的厚度，例如大约300nm。保护膜84防止外部污染，防止粒子污染，并且由于绝缘层的热绝缘特性带来的热聚积效果，在通过激光或者氙闪光灯的加热步骤之后缓慢冷却半导体薄膜83，保护膜84还起到生长较大晶体的作用。当对绝缘层82和半导体薄膜83进行图案化时，保护膜可以形成在衬底的整个表面上。
接着，如图7B所示，在与保护膜84表面上的预定位置对准的情况下，根据相位调制准分子激光结晶法照射具有如图5A所示的激光束强度分布61的准分子脉冲激光束85。在该相位调制准分子激光结晶法中，使用后面将详细描述的如图9A至9C所示的激光结晶装置。在这种激光束照射中，通过预先设置在衬底或者半导体晶片上的标志来确定照射位置。
在该激光照射中，在脉冲激光束的单一照射中使用具有多个反峰的光强度分布，但是为了简单起见，图7B示出了三个反峰。该光强度分布包含一对主梯度方向(光强度从最小光强度点几乎线性变得更强的方向)86和/或86a，取每个反峰(最小光强度点)作为中心。这对主梯度方向86和86a具有在附图纸面中相互旋转180度的关系。为了使主梯度方向86或者86a和半导体衬底81的取向表示标识具有预定的关系，预先设置半导体衬底81和光调制器，例如移相器。这里，将主梯度方向86设置为平行于取向平面71。
在该激光照射中，优选激光的能量密度，使得如图3所示，光强度的最小值超过横向生长条件的临界值j1，并且光强度的最大值不大于半导体薄膜83的蒸发临界值j2。这些临界值j1和j2主要由激光的吸收系数和半导体薄膜83的膜厚确定。
通过利用激光束85的照射，使半导体薄膜83的照射区域熔化，当切断激光照射时，冷却熔化区域。熔化区域温度根据图3的光强度分布下降，但是通过绝缘膜82和保护膜84的热聚积功能，极大地降低了温度下降速度，并且从最小值j1位置到最大值j2位置横向生长晶体。结果，使半导体薄膜83的照射区域结晶，并且转化为多晶半导体薄膜87。沿着主梯度方向86、86a使多晶半导体薄膜87的表面形态在横向上结晶。在该阶段，当通过蚀刻去除保护膜84时，通过扫描电子显微镜法和电子回散射衍射法观察和分析半导体薄膜83的表面，发现各个晶粒从激光束强度低(最小值J1)的位置开始晶体生长，并且沿着主梯度方向86、86a继续晶体生长。估计每个晶粒从一个晶核开始生长，并且形成了小直径晶粒、带状晶粒和三角形晶粒。其中，在三角形晶粒中观察到横向上最长的生长距离，当通过电子回散射衍射法分析各个晶粒的晶体取向时，三角形晶粒的生长方向(即，主梯度方向86、86a)上的面取向为(100)。三角形晶粒的生长距离至少为2μm，在本实施例中为5μm。另一方面，小直径晶粒和带状晶粒的主梯度方向上的晶面取向为(111)或者(110)面。
接着，如图7C所示，不蚀刻保护膜84，将闪光灯光88照射到至少包含部分结晶区域的半导体薄膜83上。即，通过打开闪光灯88，加热和熔化半导体薄膜83的照射区域。在关闭灯之后的温度下降过程中，照射区域结晶。例如，在闪光灯加热之前，如图4A所示形成了小直径晶粒55、带状晶粒53和三角形晶粒54a。通过闪光灯加热，半导体薄膜83的结晶区域87的加热区域转化为大晶粒尺寸的半导体区域89(参见图7D)，如图4B所示。
晶粒54b的表面形状(从上面观察的半导体区域89的形状，即水平平面的形状)接近于四边形(矩形)，并且光强度分布的主梯度方向86、86a上的晶粒的面取向为(100)。半导体区域89的结晶区的结晶性为单晶。在图4B中，如上所述，在图4A中观察到的小直径晶粒、带状晶粒和三角形晶粒几乎不存在。这是因为在闪光灯加热中，通过激光照射形成的三角形晶粒54a不完全熔化，仅表面被激活或者部分熔化，而小直径晶粒55和带状晶粒53完全再熔化。认为在这些现象中可能涉及单晶硅和多晶硅之间闪光灯波长区中吸收系数的不同。因此考虑通过使用三角形晶粒54a作为籽晶进一步促进了结晶，同时保持晶体取向(100)。在主梯度方向具有(111)面或者(110)面的小直径晶粒55和带状晶粒53消失了，并且转化为在(100)面定向的晶粒。
从上面的说明可以理解，在沿着半导体衬底81的取向平面的方向上，本实施例中形成的半导体区域89的晶粒的晶面取向为(100)面。
因此，根据本实施例，能够形成在截面的一个方向具有(100)晶面取向并且由接近于四边形晶粒构成的单晶区阵列。在上述方法中，在图中，看起来半导体薄膜83的一部分单晶化，但是通过重复相同的工艺，可以使半导体薄膜83彻底单晶化。
通过参考图6D至6F和8A至8D、尤其参考图8A至8D说明具有四边形结晶区域阵列的半导体器件制造方法的第二实施例，所述四边形结晶区域阵列在晶面取向上均匀地设置在绝缘材料衬底上。
首先，制备具有如图6D至6F所示侧边74、凹口75或者标记76(可以在衬底的前表面上或者后表面上)的绝缘材料衬底91(例如，石英玻璃、苏打玻璃、硼硅酸盐玻璃、铅玻璃、氟化物玻璃、蓝宝石、塑料、聚酰亚胺等)(图8A)。绝缘层92(例如，膜厚500nm)形成在该绝缘材料衬底91上。例如，该绝缘层92是通过CVD(例如等离子CVD或者低压CVD法)或者溅射法形成的SiO2膜。可以选择的是，绝缘层92可以是不同材料的叠层结构，例如SiN和SiO2。此外，其可以是SOG，或者可以是SOG与SiN膜和/或SiO2膜的叠层结构。绝缘层92防止衬底污染，防止扩散，并且由于绝缘层的热绝缘特性带来的热聚积效果，在激光或者氙闪光灯的加热步骤之后缓慢冷却半导体薄膜，绝缘层92还起到生长较大晶体的作用。绝缘层92形成在半导体衬底91的整个表面上，或者通过图案化形成在绝缘材料衬底的部分区域中。这里，其形成在绝缘材料衬底91的整个表面上。在绝缘层92上，通过CVD(等离子CVD或者低压CVD等)或者溅射法形成非晶或者多晶半导体薄膜93(例如，厚度大约30至200nm的Si、Ge、Si1-xGex、或者Si1-x-yGexCy膜)。半导体薄膜93可以形成在绝缘层92的整个表面上，或者通过图案化留下的绝缘层92的部分区域上。
这里，在绝缘层92的整个表面上形成半导体薄膜93。
然后，如图8A所示，在半导体薄膜93的整个表面上形成保护膜94(例如，SiO2、SiON、SiN、SOG或者它们的叠层膜)，厚度大约300nm。保护膜94防止外部的污染，防止粒子污染，并且由于保护层的热绝缘特性带来的热聚积效果，在通过激光或者氙闪光灯的加热步骤之后缓慢冷却半导体薄膜，保护膜94还起到生长较大晶体的作用。当对绝缘层92和半导体薄膜93进行图案化时，保护膜可以形成在衬底的整个表面上。后续工艺与第一实施例基本上相同，下面只简要描述。
如图8B所示，利用具有上述光强度分布的激光束85照射保护膜94的表面。基于绝缘材料衬底91上标记的取向表示标识来设置该激光照射中光强度的主梯度方向96、96a。在本实施例中，主梯度方向96、96a与取向表示标识表示的方向一致。通过该激光照射，半导体薄膜93的照射区域转化为结晶的半导体薄膜97。
接着，如图8C所示，进行闪光灯加热。结果，如图8D所示，结晶的半导体薄膜97变为单晶化半导体薄膜99。结晶的半导体薄膜97的晶粒的表面形态是四边形的，并且在沿着绝缘材料衬底91的取向平面的方向上的晶面取向为(100)面。因此，根据本实施例的方法，可以形成在绝缘材料衬底的截面(section)的一个方向上具有(100)面的四边形单晶区域阵列。
参考图9A至9C、10和11A至11D说明半导体器件的结晶方法和结晶装置的实施例。在这些实施例中，使用准分子激光器101(例如，XeCl、KrF、ArF)作为光源，但是本发明应不限于此。
如图9A所示，在发射脉冲激光束102a的准分子激光器101的输出侧，依次设置了用于控制激光束102a的能量密度(具有图3所示的最小值J1和最大值J2)的衰减器103和用于使激光束的强度均化的均化光学系统104。附图标记100a表示的位置是均化光学系统104的图像聚焦平面(焦平面)。在均化光学系统104的输出侧，通过90度反射器设置用于均等地放大(multiplying)或者缩小均化光学系统焦平面的投影透镜105。第一移相器106a设置在投影透镜105的图像聚焦平面100b(聚焦位置)处，而第二移相器107a设置在偏离焦点位置的位置(散焦位置)。第二移相器107a可以由多个移相器构成，例如设置成相移方向垂直相交的两个移相器。第一移相器106a是要形成图5A所示激光束强度分布61中的陡峭底部。第二移相器107a是要形成图5A所示激光束强度分布61中横向晶体生长所需的梯度。即，在图5A所示的激光束强度分布61中，通过第一移相器106a形成在最小光强度点42a处激光束强度分布的陡峭底部形状。在激光束强度分布61中，从最小光强度点42a的最大激光束强度分布的形状是横向晶体生长所需的梯度，并且通过第二移相器107a形成。
第一和第二移相器106a、107a通过固定器(未示出)固定在光轴上。固定器安装到驱动机构DM例如角度计中，驱动机构DM具有在沿着光轴方向和与其垂直的方向上移动固定器的机构和旋转两个轴的机构。
通过使用这样两个移相器(106a、107a)，可以形成最小光强度点42a，作为在两个轴向上的最小点。然而，通过仅使用一个移相器，并且使用在直线上具有最小部分的最小光强度线，该线上的照射部分充当了晶粒产生的点，而且可以生长具有类似三角形晶粒54a的晶粒，如本发明人所确认的那样。因而，不是总需要使用两个移相器。
在第二移相器107a的输出侧，将安装在平台109上的靶108定位。该平台109在X方向和Y方向上可移动，并且可以在水平方向上相对于第二移相器107a移动靶108。
通过利用闪光灯加热装置中的闪光灯的加热步骤，使上面利用激光照射的靶108单晶化。在闪光灯加热装置中(图10)，靶108安装在支撑板116上。该板可以设置有用于预热的加热装置。
在通过连接到闪光灯加热装置的抽真空设备(未示出)抽真空之后，或者在闪光灯加热装置中引入惰性气体例如Ar或者N2之后，开始闪光灯加热过程。为了实现理想的闪光灯照明条件，适当调节电压、电流密度和气压，并且通过一次或者多次的闪光灯照射来处理靶108。
上述闪光灯加热装置是与激光照射装置分离的装置，但是其可以形成为具有连接到激光照射装置的多腔室的群(cluster)。在这种情况下，可以减少来自空气的污染或者粒子的污染。
下面将描述上述结构的激光照射装置中的结晶作用。
通过衰减器103控制从准分子激光器101发射的脉冲激光束102a的能量密度，并且发射的激光束进入均化光学系统104，在此形成为均匀强度的激光束102b，然后到达反射器。在反射器处，激光束102b向着靶108偏转90度，并且到达投影透镜105。投影透镜105将入射的激光束102b发送到靶的表面，作为通过第一和第二移相器106a、107a调制的激光束102d。靶108实际上是具有例如在图7A至7D和8A至8D所示的半导体薄膜83或者93的叠层薄膜衬底。
通过第二移相器107a调制形成的激光束强度分布(图像)的特征在于，例如，如图5A中的激光束强度分布61所示，在毫米级的宏观上是均匀强度，而在微米级的微观上是调制的强度。通过利用具有这样的激光束强度分布61的激光束的激光照射，可以形成具有控制在图5B的扫描电子显微图像所示位置的晶粒的结晶薄膜。在图5B中，附图标记62a是结晶起始点，63a是结晶终止点。
在通过衰减器103优化激光束能量密度的情况下，当激光束102d照射到靶108表面上时，靶108的半导体薄膜吸收激光束102d，并且温度升高。这里，在激光束102d的强度调制区域中，希望在最小强度处的半导体薄膜处于熔化状态，向下直到与底层交界的界面附近，并且在最大强度处，温度处于不蒸发半导体薄膜的水平。
第一和第二移相器106a、107a由透明衬底制成，如图11A和11B中的附图标记121和122所示，例如，在合成石英板121a(122a)的一侧上形成彼此间隔恒定的细长矩形沟槽121b(122b)，使得该结构具有台阶。台阶高度(沟槽深度)Δt对应于输出激光束的相差θ。该相差θ作为θ＝2πΔt(n-1)/λ给出。这里，λ是激光的波长，n是合成石英板的折射率。例如，当使用波长为248nm的KrF准分子激光器时，折射率为1.508，当台阶高度Δt为244nm时，相差变为180度。该移相器121(106a)、122(107a)设置在图9A所示的位置，并且它们的沟槽(groves)垂直相交。为了在合成石英板121a(122a)的表面上形成台阶，可应用的方法包含通过反应离子蚀刻的蚀刻法、使用聚焦离子束的直接加工法，以及其中在合成石英基板上形成非晶硅薄膜并且在图案化之后将其热氧化的方法。在图中，移相器121、122的沟槽尺寸和间距P(移相线之间的间隔)不同，但是它们也可以均等地形成。
除了表面台阶之外，移相器还可以具有通过光吸收形成光强度分布的作用。为此，例如，在合成石英板121a(122a)的一侧形成光吸收膜(SiN、SiON、Ge等的膜)并且图案化。通过使用这样的移相器121(122)，通过光吸收膜的吸收系数和膜厚改变光强度分布。当在移相器的需要抑制光强度波动的区域形成时，该方法是实用的。
通过在移相器表面上形成微透镜，也可以增加形成光强度分布的效果。
如图11C所示，通过在设置在角落处的四个隔离物123的两侧进行设置，第一移相器121和第二移相器122可以形成为一体的结构。此外，为了防止尘埃粒子进入移相器之间的空间，可以在四个边设置框形屏蔽隔离物，来取代这四个隔离物。可以选择的是，如图11D所示，第一移相器和第二移相器可以形成为形成在一个合成石英基板(普通透明基板)上的一体的移相器124。在这种情况下，在一侧，形成第一移相器的沟槽或者台阶，并且在另一侧，形成第二移相器的沟槽或者台阶。此外，第一移相器和第二移相器可以在光路上交换位置。
通过这样的第一和第二移相器106a、107a得到的光强度分布由透明基板(合成石英基板)的表面台阶的几何结构、入射光的角度或者光的空间干涉来确定。根据需要的光强度，单独的第二移相器107a可能就足够了。
在图9A所示的实施例中，靶108表面的位置可以设置在投影透镜105的焦平面处，并且，例如，移相器106a可以设置在均化光学系统104的焦平面100a处。在这种情况下，与图9A的模式相比，可能限制了光强度分布的设计自由度，但是增强了均匀性。
在下述装置的进一步的不同实施例中，与图9A的实施例基本上相同的元件或者部分用相同的附图标记表示，并且省略了重复说明。
激光照射装置的另一个实施例示于图9B。
在图9B所示的装置中，第一移相器106a设置在均化光学系统104的焦平面100a上，靶108的表面设置在投影透镜105的焦点位置。第二移相器107a设置在投影透镜105的焦点以外的位置。在这种情况下，与图9A实施例的上述变化相比，提高了光强度分布的设计自由度，但是第一移相器106a的强度调制受投影透镜分辨率的限制。
图9C示出了激光照射装置的另一种模式。
在图9C所示的装置中，第一移相器106a设置在均化光学系统104的焦平面100a上，第二移相器107a设置在均化光学系统104的焦点之外的位置。靶108的表面设置投影透镜105的焦点位置。在该装置中，由于移相器不存在于靶表面附近，因此提高了平台109周围的自由度。然而，光强度调制受投影透镜分辨率的限制。
在前述实施例中，作为通过激光束的结晶过程，说明了使用光调制器7的横向晶体生长。然而，设想通过具有足以熔化非单晶半导体薄膜的能量的均化激光束照射来进行结晶，而不通过光调制器7的调制。
权利要求
1.一种半导体器件的制造方法，其特征在于包括激光照射步骤，利用通过光学调制器调制使其具有光强度分布的激光束照射非单晶半导体膜的待结晶区域，以使该区域结晶，所述光强度分布具有最小光强度线或者最小光强度点；以及加热步骤，通过将来自闪光灯的光照射到所述结晶区域上来加热所述结晶区域。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光照射步骤包括形成晶粒的步骤，所述晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为预定晶面，并且其生长快于其它晶粒；并且所述加热步骤包括在所述半导体薄膜中利用所述晶粒作为晶核来生长晶粒的步骤，该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为所述预定晶面。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光照射步骤包括形成晶粒的步骤，当从一侧观察时该晶粒具有三角形形状，并且该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面，并且所述加热步骤包括在所述半导体薄膜中利用所述三角形晶粒作为晶核来生长晶粒的步骤，当从一侧观察时，该晶粒具有近似矩形的表面形状，并且该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述激光照射步骤中，通过所述光学调制器形成具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述光学调制器具有移相器，通过调制入射激光束的相位，所述移相器输出具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
6.一种半导体器件的制造方法，其特征在于包括激光照射步骤，利用通过光学调制器调制使其具有光强度分布的激光束照射非单晶半导体薄膜的待结晶区域，以形成多个主晶粒及它们周围的精细晶粒，所述光强度分布具有最小光强度线或者最小光强度点；以及加热步骤，通过来自闪光灯的光的照射进行加热，以通过将所述精细晶粒结合到所述主晶粒中而使所述待结晶区域单晶化。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述激光照射步骤包括形成晶粒的步骤，所述晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为预定晶面，并且其生长快于其它晶粒；并且所述加热步骤包括在所述半导体薄膜中利用所述晶粒作为晶核来生长晶粒的步骤，该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为所述预定晶面。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述激光照射步骤包括形成晶粒的步骤，当从一侧观察时该晶粒具有三角形形状，并且其在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面，并且所述加热步骤包括在所述半导体薄膜中利用所述三角形晶粒作为晶核来生长晶粒的步骤，当从一侧观察时，该晶粒具有近似矩形的表面形状，并且该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述激光照射步骤中，通过所述光学调制器来形成具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述光学调制器具有移相器，通过调制入射激光束的相位，所述移相器输出具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
11.一种半导体器件的制造方法，其特征在于包括激光照射步骤，利用具有足以熔化非单晶半导体膜的能量的脉冲激光束照射其上形成有所述非单晶半导体膜的靶，从而使所述非单晶半导体膜的至少一部分结晶，以及加热步骤，利用来自闪光灯、具有足以熔化所述非单晶半导体膜的能量的光照射包含所述结晶部分的所述非单晶半导体膜，从而至少使所述结晶部分单晶化。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述激光照射步骤包括形成晶粒的步骤，所述晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为预定晶面，并且其生长快于其它晶粒；并且所述加热步骤包括在所述半导体薄膜中利用所述晶粒作为晶核来生长晶粒的步骤，该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为所述预定晶面。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于所述激光照射步骤包括形成晶粒的步骤，当从一侧观察时该晶粒具有三角形形状，并且该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面，并且所述加热步骤包括在所述半导体薄膜中利用所述三角形晶粒作为晶核来生长晶粒的步骤，当从一侧观察时，该晶粒具有近似矩形的表面形状，并且该晶粒在晶体生长方向上的晶面取向为(100)面。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述激光照射步骤中，通过所述光学调制器形成具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光学调制器具有移相器，通过调制入射激光束的相位，所述移相器输出具有最小光强度线或者最小光强度点的光强度分布的激光束。
全文摘要
一种半导体器件的制造方法，包括利用通过光学调制器调制以使其具有光强度分布的激光束照射非单晶半导体膜的待结晶区域，以使该区域结晶，所述光强度分布具有最小光强度线或者最小光强度点；以及通过将来自闪光灯的光照射到结晶区域来加热结晶区域。
文档编号H01L21/268GK1728334SQ20051008759
公开日2006年2月1日 申请日期2005年7月28日 优先权日2004年7月28日
发明者中村弘喜, 蕨迫光纪, 松村正清 申请人:株式会社液晶先端技术开发中心