激光辐照装置、激光辐照方法、以及半导体器件制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术的名称是“激光辐照装置、激光辐照方法、以及半导体器件制造方法”。提供一种方法和装置，用来在辐照表面上恒定地建立激光束的能量分布，将激光束均匀地辐照到整个辐照表面。本发明专利技术还提供在工艺中包括该激光辐照方法的半导体器件的制造方法。本发明专利技术的特征是用光学系统将多个激光束在辐照表面上的形状形成为椭圆形或矩形，在辐照表面沿第一方向移动的同时，发射多个激光束，且辐照表面沿第二方向移动，以及辐照表面在沿与第一方向相反的方向移动的同时，发射多个激光束。在辐照表面沿第一方向移动的同时可以发射多个激光束，并在辐照表面沿与第一方向相反的方向移动的同时，可以发射多个激光束，以及辐照表面也可以沿第二方向移动。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及到用激光束对半导体膜进行退火的激光辐照方法以及用来执行激光 退火的激光辐照装置(包含激光器和用来将激光器输出的激光束引导到被加工的元件的 光学系统的装置)。本专利技术还涉及到用包括激光退火步骤的各个步骤制造的半导体器件以 及半导体器件的制造方法。注意，本说明书指出的半导体器件包括诸如液晶显示器件或发 光器件之类的电光器件以及包括电光器件作为其组成部分的电子器件。
技术介绍
近年来，在对制作于诸如玻璃衬底之类的绝缘衬底上的半导体膜进行激光退火， 以便对半导体膜进行晶化或改善其结晶性的技术方面，已经进行了广泛的研究。硅被广泛 地用作这种半导体膜。在本说明书中，利用激光束来晶化半导体膜以获得结晶半导体膜的 方法，被称为激光晶化。与已经被广泛地使用的合成石英玻璃衬底相比，玻璃衬底的优点是价廉和富有可 加工性，并容易制造大面积的衬底。这就是已经进行了广泛研究的理由。激光器被择优用 于晶化的理由是玻璃衬底的熔点低。激光器能够将高的能量提供给半导体膜而不会大幅度 提高衬底的温度。此外，与采用电炉的加热方法相比，激光器的产率明显地高。结晶半导体由多个晶粒组成，也被称为多晶半导体膜。由于利用激光退火形成的 结晶半导体膜具有高的迁移率，故结晶的硅膜被用来制作薄膜晶体管(TFT)。例如，薄膜晶 体管被广泛地用于有源矩阵型液晶显示器件，其中的象素驱动TFT和驱动电路TFT被制造 在一个玻璃衬底上。然而，用激光退火方法制造的结晶半导体膜由多个晶粒组成，且各个晶粒的位置 和尺寸是随机的。借助于用小岛状图形化将结晶半导体膜分隔开，而形成制造在玻璃衬底 上的TFT，以便实现元件隔离。在此情况下，无法按规定的晶粒位置和尺寸来形成结晶半导 体膜。存在着大量来自非晶结构的复合中心和捕获中心和与晶粒内部相比存在于晶粒界面 (晶粒边界)处的晶体缺陷等。众所周知，当载流子被捕获在捕获中心中时，晶粒边界的电 位上升，成为载流子的势垒，从而降低载流子的输运性质。沟道形成区中的半导体膜的结晶 性对TFT的特性具有很大的影响。但由没有晶粒边界影响的单晶硅膜来形成沟道形成区是 不太可能的。为了用没有晶粒边界影响的单晶硅膜来形成沟道形成区，在激光退火方法中进行 了各种尝试来形成位置受到控制的大晶粒。首先来解释接受激光束辐照的半导体膜的结晶 过程。在已经被激光束辐照完全熔化了的液体半导体膜中发生固相成核，需要一些时 间。在完全被熔化的区域内出现并生长无数均勻(或不均勻)的成核，从而完成液体半导体膜的结晶过程。这种情况下得到的晶粒在位置和尺寸上是随机的。而且，在半导体膜不被激光束辐照完全熔化而仍然部分保持固相半导体区的情况 下，激光束辐照之后立即在固相半导体区处开始晶体生长。如上所述，在完全被熔化的区域 中出现成核之前需要一些时间。于是，是为晶体生长前锋的固液界面就沿水平方向(以下 称为横向)移动到达半导体膜表面，直至在完全被熔化的区域中出现成核，生长的晶粒从 而为膜厚度的几十倍。当在完全倍熔化的区域中出现无数均勻(或不均勻)的成核时，这 一生长就结束。这种现象以下被称为超横向生长。在非晶半导体膜或多晶半导体膜中，存在着实现超横向生长的激光束能量区。但 上述的能量区非常窄，且无法控制得到大晶粒的位置。而且，大晶粒区域以外的区域是出现 大量成核的微晶区或非晶区。如上所述，若能够在半导体膜被完全熔化的激光束能量区中控制横向温度梯度 (使沿横向出现热流)，则能够控制晶粒的生长位置和生长方向。为了实现此方法，进行了 各种各样的尝试。例如，R.Ishihara 和 A. Burtsev (见 AM-LCD，98，pp. 153-156,1998)报道了一种激 光退火方法，其中他们制作了衬底与氧化硅基底膜之间的高熔点金属膜，并在此高熔点金 属膜上制作了非晶硅膜，然后从衬底的顶部表面侧(在本说明书中定义为其上制作薄膜的 表面)和从衬底的底部表面侧(在本说明书中定义为其上制作薄膜的表面的反侧表面)辐 照准分子激光束。从衬底顶部表面辐照的激光束被硅膜吸收，其能量被转变成热。另一方 面，从底部表面辐照的激光束被高熔点金属膜吸收，其能量被转变成热；高熔点金属膜被加 热到高温。被加热的高熔点金属膜与硅膜之间的氧化硅膜起热积累层的作用，从而能够降 低被熔化的硅膜的冷却速度。根据报道，借助于在任何位置形成高熔点金属膜，最大直径为 6. 4 μ m的晶粒能够处于任何位置。哥伦比亚大学的James S. Im等人提出了一种连续横向结晶方法(以下称为SLS 方法)，其中能够在任何位置得到超横向生长。SLS方法是一种借助于在一定距离内移动缝 隙状掩模以便每次辐照发生超横向生长(大约0. 75 μ m)来进行晶化的方法。另一方面，大面积衬底的使用不断进展。用大面积衬底来制造诸如多个液晶显示 屏之类的半导体器件的理由是能够获得高产率并能够实现成本降低。例如，600mmX720mm 的衬底、320mmX400mm的衬底、12英寸的圆片(直径约为300mm)等被用作大面积衬底。此 外，认为将来要使用ImX Im或更大的衬底。例如，有一种利用电流镜对大面积衬底进行激光束辐照的方法。用图5来对其进 行解释。激光束201通过电流镜202和f θ透镜203到达衬底204。借助于振动电流镜202 而及时改变电流镜的角度，使激光束在衬底上的位置沿参考号206所示箭头的方向移动。 当在半周期内振动时，激光束被调整，使激光束从衬底宽度的一端移动到另一端。此时，即 使当衬底上激光束的位置被移动，f θ透镜203也被调整成使衬底上的激光束能量密度在 任何时间都恒定。当电流镜在半个周期中振动时，激光束从衬底宽度的一端移动到另一端。激光束 辐照的部分于是被激光退火。电流镜的振动速度被调整成激光束辐照的区域不间断。然后 沿垂直于参考号206所示箭头的方向移动平台，激光束开始再次在衬底上沿参考号206所示的方向移动。借助于重复这些操作，激光束能够辐照到整个衬底表面上。亦即，借助于用 电流镜的旋转来重复移动辐照位置和移动平台，激光束被辐照到整个衬底表面。然而，当电流镜的角度被改变时，激光束对衬底的入射角被改变，如图5中参考号 α、β和Y所示。当激光束被特别辐照到大面积衬底时，入射角的变化变得明显。激光束 对辐照表面的入射角变化意味着上述激光束在辐照表面上的能量分布被改变。在图16中， 波长为532nm的激光束通过厚度为700 μ m且折射率为1. 5的衬底透射，并计算此衬底背面 上的反射率。横轴示出了入射角，而总轴示出了反射率。当入射角被改变时，众所周知反射 率也被大幅度改变。当这种激光束被采用并辐照到半导体膜等时，难以均勻地辐照激光束， 成为薄膜质量降低的一个原因。当用这种半导体膜来制造半导体器件时，就成为工作特性 和可靠性降低的原因。还有一种远心f θ透镜，其中即使当电流镜的角度改变时，激光束对衬底的入射 角也不改变。但这种远心f θ透镜的尺寸要求大约等于衬底尺寸。因此，在加工大面积衬 底时不实际。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种方法和装置，用来恒定地建立激光束在辐照面上 的能量分布，并将均勻的激光束辐照到上述整个辐照表面。本专利技术的另一个目的是提供一 种激光辐照方法和激光辐照装置，用来在甚至大面积衬本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光辐照装置，它包含：多个激光器；隔离器；用来将多个激光束在辐照表面上的形状形成为椭圆形或矩形的装置；以及用来沿第一方向和与第一方向相反的方向移动多个激光束在辐照表面上的辐照位置，并沿第二方向移动多个激光束在辐照表面上的辐照位置的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：田中幸一郎，
申请(专利权)人：株式会社半导体能源研究所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]