專利名稱：激光退火方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種退火技術，例如對半導體材料的大面積均勻有效地退火的技術。本發(fā)明也涉及一種在逐步改變照射能量密度時阻止受照區(qū)處理效率下降的技術。
近年來，對降低制造半導體器件的處理溫度已有廣泛研究。這主要是由于在絕緣的基質(zhì)，例如在一種價廉和易加工的玻璃基質(zhì)上形成半導體器的需要。另外，對于形成精密的器件和多層器件的需要也促進了降低處理溫度方面的研究。
尤其是，一種在玻璃基質(zhì)上形成半導體器件的技術需要生產(chǎn)一種構成有源矩陣液晶顯示器件的平面顯示板。這是一種使薄膜晶體管形成在玻璃基質(zhì)上，得到一個大于幾百乘幾百的薄膜矩降結(jié)構。當把玻璃處于溫度大于600℃的環(huán)境下，玻璃的形變，例如收縮和應變會非常明顯。所以，在薄膜晶體管制造過程中的加熱溫度應該盡可能地低。
為了獲取具有優(yōu)良電性質(zhì)的晶體管，需要使用一種晶體的薄膜半導體。
在眾多的生產(chǎn)晶體硅膜的方法中，一種結(jié)晶技術是利用加熱處理一種由等離子體CVD或低壓加熱至約500℃的已沉積的非晶硅膜進行結(jié)晶的技術。這種加熱處理是把試樣放在600℃或600℃以上的空氣中加熱幾個小時。在這種加熱處理中需要加熱溫度，例如是600℃，加熱時間超過10小時。通常，如果玻璃基質(zhì)在600℃加熱超過10小時，基質(zhì)的形變(應變和收縮)非常明顯。由于構成薄膜晶本管的薄膜半導體其厚度為幾百埃，其大小為幾微米至幾十微米，所以基質(zhì)形變將會使操作失敗，以及電性能等的變化。尤其是，在大尺寸基質(zhì)的情況下(對角尺寸≥20英寸)，所以基質(zhì)形變是一個嚴重的問題。
如果熱處理溫度超過1000℃，結(jié)晶作用可以在幾小時的處理時間內(nèi)取得。然而，普通玻璃基質(zhì)，即使熱處理持續(xù)一個短的時間，它也不能經(jīng)受1000℃的高濕。
石英基質(zhì)可以經(jīng)受超過1000℃的熱處理，并允許制取具有優(yōu)質(zhì)結(jié)晶的硅膜。然而，大面積的石英基質(zhì)十分昂貴。所以，從經(jīng)濟角度出發(fā)石英基質(zhì)不可能隨便用在將來需要增加顯示尺寸的液晶顯示裝置上。
在上述情況下，目前制造薄膜晶體管的處理溫度需要降低。為獲取這個目的的技術中，可以利用有激光光照退火技術。該技術的吸引人處在于，可以提供一種相當?shù)蜏氐奶幚恚驗榧す饽芤韵喈敻叩臒嵬嘶鹉芰恐还┙o在一個必需的處理環(huán)境中。所以，用激光光照的退火技術使玻璃基質(zhì)的使用成為可能。
然而，用激光光照的退火技術有一個激光光照能量不穩(wěn)定的問題。雖然這個問題可以使用能夠發(fā)射高于必需能量的激光，以及相應衰減輸出激光能量的激光裝置來解決。然而仍舊存在其它的由于增加激光輸出裝置的大小而造成費用增加的問題。
盡管存在這一問題，但是利用激光光照的退火技術仍然是一種對玻璃基質(zhì)的使用具有優(yōu)點的技術。
通常，具有如下所述的二種激光光照方法。
在第一種方法中，使用一個連續(xù)激光器，例如氬離子激光器，把一束聚焦光束加到半導體材料上。半導體材料的結(jié)晶其過程是，首先使它熔化，然后由于光束的斜度能量分布和它的運動，使半導體逐步固體化。
在第二種方法中，利用一種脈沖振蕩激光器，例如準分子激光器。半導體材料的結(jié)晶過程是，利用高能的激光脈沖使其瞬時熔化，然后固化。
利用連續(xù)激光器的第一個方法具有一個長時間處理的問題，因為連續(xù)激光器的最大能量是不足的，其光斑的尺寸至多是幾毫米×幾毫米大小。相比之下，利用脈沖振蕩激光器的第二方法可以提供高批量生產(chǎn)，因為激光器的最大能量相當高，所以其光斑尺寸可以是幾個平方厘米或更大一些。
然而，在第二方法中，對于用普通的方形或長方形光束處理單個大面積基質(zhì)時，光束需要在四個正交方向上移動，從批量生產(chǎn)角度看，這種不方便性問題仍有待解決。
這一方面的問題可以通過把激光束形變成為一種線狀光束來改進，該線狀光束的寬度比基質(zhì)的寬，并用這種經(jīng)形變的線狀光束對基質(zhì)進行掃描。
其余的問題是激光光照效果的不均勻性。下面的措施用于改進所述的均勻性。第一個措施是，讓激光束通過一個狹縫，使光束剖面分布盡可能地趨于矩形，由此減低激光束內(nèi)的強度變化。第二個進一步提高均勻性的措施是，用脈沖激光進行預先的光照，該激光脈沖的能量比隨后進行的主要光照的能量弱。這一措施可以使最終的半導體器件性能得到相當大的改進。
為什么上述二種措施是有效的理由在于，一個包含許多非晶部分的半導體材料膜層，具有一個激光能量吸收比率，該比率明顯不同于多晶膜層，例如，一個通常的非晶硅膜(a-Si膜)含有20-30百分原子數(shù)的氫。如果高能的激光突然施加至非晶硅膜，則氫從膜中逸出，結(jié)果膜表面變得粗糙，即，形成幾十埃至幾百埃的不平度。由于用于薄膜晶體管的薄膜半導體其厚度為幾百埃，所以它的表面具有幾十埃至幾百埃的不平度將會造成電性能等的改變。
在執(zhí)行二步光照情況下，其處理方法是，某些部分的氫通過弱的預光照，而從非晶硅膜中被除去，再由主光照實現(xiàn)結(jié)晶。因為光照能量在預光照時不很高，所以不會出現(xiàn)由于突然的氫逸出而產(chǎn)生膜的嚴重表面不平滑。
激光光照效果的均勻性可以明顯地預以改善。然而，如果采用上述二步光照，激光處理時間需要加倍，由此使產(chǎn)量下降。還有，由于使用脈沖激光器，所以會出現(xiàn)取決于主光照和預光照的配準精度而造成的激光退火效果上的某些變化，這種變化可以明顯地影響尺寸為幾十微米乘幾十微米的薄膜晶體管的待性。
通常，在各種用激光光照的處理技術中，(例如，應用激光能量致使各種材料中的性能改變和處理的技術)，一種技術是使某些區(qū)域受到多次改變能量的激光束的光照，上述用于硅膜的退火技術就是這種技術的一個例子。
慣常，在這樣一種技術中，激光束多次作用，這將使處理時間加長光照時間數(shù)的倍數(shù)，同時使工作效率也明顯下降，此外，用激光光照某個區(qū)域多次容易造成引起光照面積偏離的問題。解決此問題在技術上可能是很困難的，或需要一種費錢的技術，所以它是不實際的。
本發(fā)明提出一種新的線性激光束能量分布來解決上述問題，這種能量分布以連續(xù)的或階躍的方式變化，尤其是，采用一種簡正分布型的能量分布或一種不規(guī)則四邊形的能量分布。
為解決上述問題，本發(fā)明的一個方面是，光照物體是用已經(jīng)成形為線光束的脈沖激光束來光照，同時受到激光束在相對的一個方向上進行掃描。
例如，圖3所示，一個半導體材料受激光束掃描同時受到光照，所用激光束在其寬度方向(即，掃描方向)具有一種簡正分布型的能量分布。采用這種光照方法，簡正分布型能量分布的底部到中間部相當于具有低激光能量的初光照，而中間部到頂部的能量分布相當于具有高能量的主光照。所以，一種單一激光束光照操作可以提供類似于用二步或多步激光束光照所取得的效果。另一種方式，如圖5所示，半導體材料用一個在其寬度方向(掃描方向)具有不規(guī)則四邊形能量分布的激光束光照。在這種情況下，上述不規(guī)則四邊形，如梯形的能量分布的斜度部分具有一種相當于初光照那樣的提供能量的功能，而能量分布的頂部分具有相當于主光照那樣的賦予能量的功能。
本發(fā)明的其它方面在于，一個光照物體受到已經(jīng)成形為線光束的脈沖激光束光照，同時使該激光束在一個方向上運動，在運動時，使激光束以一種疊加的方式作用，致使光照物體上的一個任意選擇點受到多次光照。
在這種方法中，由于以重迭方式施加線激光束，而使一個受照區(qū)域受到激光束多次光照。
尤其是，在其掃描方向具有一種簡正分布型能量分布(見圖3)或一種梯形能量分布(見圖5)的激光束在緩慢運動時，以一種疊加方式施加的情況下，在受照的該區(qū)域中，所作用的能量密度首先是連續(xù)地增加，或以階躍方式增加，然后連續(xù)地下降，或以階躍方式下降。所以，這種方法可以提供類似于由二步或多步激光光照的效果。
為提供相當于用多步光照獲得的結(jié)果，重迭激光束脈沖的數(shù)目可以定為3至100，最好是10至30。
然而，為獲取必需的退火效果，最好使激光束光照的執(zhí)行能滿足下述條件(1).光照物體是厚度為150-1000的硅膜。
(2).激光束是脈沖光束，脈沖率為每秒N個，假定光束的線性形狀其寬度為L，光束的能量密度分布(在寬度方向)連續(xù)改變，或以階躍方式改變。
(3).激光束用于光照表面，同時在寬度方向以速度V移動。
(4).平均單脈沖能量密度為100至500mj/cm2。
(5).所加的激光束需滿足關系10≤LN/V≤30。
本發(fā)明滿足上述條件的激光束光照方法的步驟如下以每秒N次的速率發(fā)射脈沖激光率；使脈沖激光束成形為具有寬度為L的線光束，其能量分布在寬度方向是邊續(xù)地變化或階躍變化，平均每個脈沖能量密度為100至500mj/cm2；
把激光束作用到具有150-1000厚度的硅膜上，同時用激光束對它在寬度方向以V的速度進行掃描，滿足關系式10≤LN/V≤30。
在上述條件中，對于光照物體是一個厚度為150-1000的硅膜的條件是基于下述理由建立。許多實驗已表明，在對硅膜退火時，如果硅膜厚度小于150，膜形成的均勻性，退火效果的均勻性以及再現(xiàn)性是不夠的。另一方面，具有厚度大于1000的硅膜是不現(xiàn)實的，因為它需要一種大功率輸出的激光器。還有，具有這種厚度的結(jié)晶硅膜不適用于薄膜晶體管。
具有光束的能量分布在寬度方向連續(xù)或階躍或變化的激光束的例子是一種在掃描方向(見圖3)具有簡正分布型的能量分布的激光束，和一種在掃描方向(見圖5)具有梯形能量分布的激光束。
采用能量密度為100-500mj/cm2的理由是，由實驗可知，具有厚度小于或等于1000的硅膜退火，可以采用上述能量密度的激光束有效地進行。把上述所用的能量密度規(guī)定為以連續(xù)或階躍方式變化的能量分布的情況下，把能量密度規(guī)定為最大值，在梯形分布的情況下，把能量密度規(guī)定為頂基部分的值。
在上述方法中，參數(shù)LN/V表示，在用線性激光束進行一次掃描時，作用到個別線區(qū)域上的激光束脈沖數(shù)。為獲得如由多步光照所獲得的效果，最好激光束脈沖數(shù)量為10-30。
根據(jù)本發(fā)明的其它方面，提供一種激光束光照方法，它包括以每秒N次的速率發(fā)射脈沖激光束；成形脈沖激光束，使其所具有的能量分布的能量密度在預定方向的L長度上以連續(xù)或階躍的方式改變。
把激光束作用到一個預定的區(qū)域，同時用激光束以速度V在預定方向內(nèi)對該區(qū)域掃描，其中在一次掃描中，作用到預定區(qū)域的激光束脈沖數(shù)滿足關系式n＝LN/V。
在采用上述方式時，可以用能量密度逐步改變的激光束n次光照在需照射的區(qū)域。
在本發(fā)明中，激光束光照能量分布不局限于簡正分布型和梯形分布型，例如可以采用一種光束形狀，其能量密度可以是一種類似階躍方式或一種三角形能量分布的方式。
例如，在采用一種具有簡正分布型能量分布(如圖3所示)的線性激光束，并在它的寬度方向進行掃描，以滿足一定的條件時，自選作用一個弱的底部能量分布，然后逐步增加光照能量，在對具有一定能量值的一部分作用過之后，光照能量逐步降低，光照完成。
例如，在使用寬度方向具有簡正分布型光照能量分布的線性脈沖激光束時，需滿足條件LN/V＝15，其中L是光束寬度，N是每秒發(fā)射的光脈沖數(shù)，V是掃描速度。對于線性區(qū)域在次激光束掃描中用15個激光脈沖光照。
這15個激光束脈沖依次施加，他們分別具有簡正分布型能量分布的15區(qū)段的能量分布，例如，一個光照的線性區(qū)(該區(qū)的寬度是非常窄的)依次用具有能量密度值為E1-E15(見圖4)的激光束脈沖光照，當激光脈沖E1-E8依次施加時，光照能量密度逐步增加。另一方面，在激光束脈沖E8-E15依次施加時，光照能量密度逐步下降。
一個這種類型的方法，即，首先光照能量逐步增加，然后逐步下降，可以獲得的希望的退火效果，而抑制硅膜表面的不平度。此外，由于所希望的效果可以通過一次掃描而不是多次的激光束光照操作的激光束光照來獲取，所以取得高的操作效率。
尤其，類似于那些由多步光照獲得的效果所以通過利用能量密度連續(xù)地改變的激來束光獲得。這種功能同樣可應用于其它不同于硅膜退火效果的其它退火處理上。


圖1表示一個用于激光光照的裝置結(jié)構圖。
圖2表示把激光束成形為線性光束的光學布置示圖。
圖3示意說明利用具有簡正分布型能量分布的線性激光束的掃描示圖。
圖4表示一般形式的簡正分布型能量分布圖。
圖5表示利用具有梯形能量分布的線性激光束的掃描示意圖。
圖6表示根據(jù)本發(fā)明的輻射能量分布圖。
圖7表示根據(jù)本發(fā)明的輻射能量分布圖。
實施例1在本實施例中，硅膜用作為半導體材料，存在著一種傾向，即，在應用激光光束光照來增加非晶形或晶形硅或硅化合物的結(jié)晶度的過程中，膜表面的均勻性降低。下述的實施例將能抑制這種均勻性的降低，和減少由上述已有背景技術介紹的二步光照過程中激光束照的處理時間，并取得相當于或優(yōu)于二步光照的效果。
首先，介紹激光退火裝置。圖1是一個本實施例所用退火裝置的構思圖。圖1中列出激光退火裝置的主要部件。從振蕩器2發(fā)出KrF準分子激光(波長248nm，脈寬25ns)。顯然其它準分子激光器和其它類型的激光器也可以使用。
從振蕩器2發(fā)出的激光束由全反射鏡5和6反射，由放大器3放大，反射鏡7和8反射，并進入光學系統(tǒng)4中。
在光進入光學系統(tǒng)4之前，假定激光束具有3×2cm2的長方形狀。通過光學系統(tǒng)4使激光束變成具有長為10-30cm，寬度為0.1-1cm的細長的寬光束(線光束)。這種線激光束其光束的剖面形狀在寬度方向，近似于簡正分布型(圖3)。從光學系統(tǒng)4輸出的激光束最大能量為1000mj/脈沖。
把初始激光束成形為寬而長的光束的原因在于提高光處理能力，對此見下面所述。由光學系統(tǒng)4輸出的線性激光束，經(jīng)過一個全反射鏡9作用到試樣11上，由于激光束寬度大于試樣11的寬度，所以通過試樣11在一個方向的運動，可以使激光束施加到整個試樣11。因此，可以把承載試樣的移動工作臺10做成簡單結(jié)構和容易維護的，并且使放置試樣11時的調(diào)整操作容易實現(xiàn)。
待用激光束照射的工作臺10是由計算控制的，設計得使其垂直于線性激光束移動。此外，如果裝設有一種機構可使其上待安裝試樣11的承載盤可在其平面里旋轉(zhuǎn)，則可用常規(guī)方式變激光束的掃描方向。由于加熱器設置在工作臺10下面，可在激光束照射其間，使試樣保持在預定溫度。
圖2表示在光學系統(tǒng)4內(nèi)的光路示例。輸入到光學系統(tǒng)4的激光束通過一個柱面凹透鏡A，一個述柱面凸透鏡B，以及水平和垂直復眼透鏡C和D，還通過柱面凸透鏡E和F，由平面鏡G反射(相當于圖1的平面鏡9)，再由柱面透鏡H聚焦，最后作用至試樣11。通過使透鏡H相對于光照表面的垂直移動。照射在樣品表面上的激光束分布可以從近似長方形至簡正分布型進行改變。由于圖2中的全反射鏡G相當于圖1中的全反射鏡9，所以透鏡H實際上放置在全反射鏡9至試樣11之間。
一個實例是，按照本發(fā)明利用激光光照使結(jié)晶硅膜形成在一個玻璃基質(zhì)上。其過程是，首先制取一個10厘米×10厘米的玻璃基質(zhì)(例如，corning7059或1737)，通過等離子體CVD法利用TEOS作為一種材料，在玻璃基質(zhì)上形成一層2000厚的氧化硅膜。這層氧化硅膜起到阻止雜質(zhì)從玻璃基質(zhì)至半導體膜擴散的底層膜的作用。
之后，利用等離子體CVD或低壓加熱的CVD法將一層500厚的非晶硅膜沉積。在采用激光束光照退火來形成一層結(jié)晶硅膜情況下，希望作為初始膜的非晶硅膜其厚度小于1000。這是因為，如果非晶硅膜厚度大于1000，就不能取得所希望的退火效果。
用上述方法使非晶硅膜形成在玻璃基質(zhì)上。由此，利用圖1所示裝置，使KrF準分子激光束(波長248nm；脈寬25ns)作用至非晶硅膜，使它轉(zhuǎn)換成結(jié)晶硅膜。
由光束成形變換透鏡將激光束變換成線性光束，在光照物體上提供125毫米×1毫米的光束面積。由于線性激光束具有一種簡正分布型的分布，光束的邊緣是不確定的。在本說明書中，光束限定為能量不低于最大能量的5％的這部分光束分布。
試樣11安置在試樣臺10上，通過以2毫米/秒速度運動試樣臺10使其受到光照。至于激光束光照條件是，激光能量密度為300毫焦/厘米2，脈沖速度(每秒發(fā)射脈沖數(shù))為30脈沖/秒。需指出，″能量密度″用語是指光束分布的最高部分的能量密度值近似于一種簡正的分布。
利用上述條件，V＝2×10-3米/秒，N＝30秒-1，L＝1×10-3米。所以，LN/V＝15，滿足本說明書所公開的條件。
在按照上述條件進行激光束光照時，在試樣11上的任意選擇點(線性區(qū)域)用15個激光束光照。該15個激光脈沖具有的能量密度值相當于圖4所示簡正分布型分布的值E1至E15。如果在上述條件下利用線性激光束，使具有能量密度值為E1至E15的激光脈沖依次施加，復蓋一個125毫米×1毫米的線性面積。
圖3表示在掃描運動時，線性激光束是如何施加的。例如，欲對線性區(qū)A掃描，首先，用具有相當于簡正分布的底部的低能量密度的激光束脈沖，然后使作用的激光束脈沖的能量密度逐步增加的方式對線性區(qū)A進行光照。在打算對線性區(qū)B光照時，可見，在它受到具有相當于簡正分布的頂部的最大能量密度的激光束脈沖光照后，所作用的激光束脈沖的能量密度逐漸下降。所以，不用改變激光振蕩器2的輸出就能使光照能量最佳。由于可以總是使激光振蕩器2處于穩(wěn)定，所以保證均勻的激光退火。
發(fā)明者的經(jīng)驗指出，在參數(shù)LN/V處于10-30時可以取得最佳的結(jié)晶硅膜。即，使硅膜結(jié)晶的最佳條件在于對它的預定線性區(qū)光照10至30次。光照激光束的能量密度應當在100-500mj/cm2最好在300-400mj/cm2范圍內(nèi)。
在激光束光照時，使基質(zhì)溫度保持在200℃，由于激光光照引起基質(zhì)表面溫度的增加和降低的速度。已知通常環(huán)境條件的突然改變會造成物質(zhì)的不均勻性。由于激光束光照引起的基質(zhì)表面均勻性的變差可以采用使基質(zhì)保持在高一點的溫度來減小。雖然在本實施例中基質(zhì)溫度置定在200℃，但是實際上置定在100℃-600℃范圍中的一個最合適于激光退火的溫度上。不需特別的氣氛控制，即光照可以在空氣中進行。
實施例2在實施例在于，用激光光照提高已經(jīng)用加熱結(jié)晶的硅膜的結(jié)晶度和均勻性。發(fā)明者的多次研究指出，可以通過在約550℃，4小時的熱處理，再添加用于加速硅結(jié)晶的金屬元素來獲得結(jié)晶硅膜。這種技術在日本未審查的專利公開No.Hei.232059和Hei.244107中已作過介紹。
利用這種技術，可使結(jié)晶硅膜甚至形成在處于應變不成為嚴重問題的溫度范圍內(nèi)的大面積玻璃基質(zhì)上。由這種結(jié)晶硅膜生產(chǎn)的薄膜晶體管其特性優(yōu)于傳統(tǒng)的用非晶結(jié)膜生產(chǎn)的薄膜晶體管。尤其是，在利用非晶體硅的薄膜晶體管的遷移率小于1cm2/vs時，利用上述包括加金屬元素的結(jié)晶技術生產(chǎn)的薄膜晶體管其遷移率大于幾十個cm2/vs。
然而，用電子顯微照相如拉曼光譜觀察發(fā)現(xiàn)，在上述技術生產(chǎn)的結(jié)晶硅膜中仍具有許多非晶成分。已證明，用激光束光照可對剩留的非晶成分進行結(jié)晶，其最終的薄膜晶體管的特性進一步取得改進。
根據(jù)該實施例制取結(jié)晶硅膜的方法是，首先，在一玻璃基質(zhì)上沉積一層2000厚的氧化硅膜為低層膜。在其上采用等離子體CVD方法沉積一層500厚的非晶硅膜。然后把一種醋酸鎳鹽用旋轉(zhuǎn)涂層法將它加到非晶硅膜的表面。調(diào)節(jié)醋酸鎳鹽溶液中的鎳濃度，使鎳最終剩留在硅膜中的濃度為1×1016-5×1019cm-3。這是因為，如果鎳濃度超過上述范圍，具有金屬硅化物的性質(zhì)會出現(xiàn)，如果低于該濃度，不能獲得加速結(jié)晶作用的較果。鎳濃度作為SIMS(次級離子質(zhì)譜儀)測量的最大值來限定。
就再現(xiàn)性和效果而看，鎳是最有利于作為加速硅結(jié)晶的金屬元素。然而，也可以使用Fe，Co，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Cu，和Au中的一種或幾種元素。尤其是Fe，Cu，和Pd，甚至Pt可以提供足夠的實用效果。
在使鎳保持在相鄰于非晶硅膜的表面的情況下，基質(zhì)處于氮氣氛下450℃一小時，以除去非晶硅膜中的氫。這種熱處理可以通過相互間形成的懸空鍵來降低稍后進行的結(jié)晶步驟中的閾值能量。
之后，在鎳保留在鄰近非晶硅膜表面的狀態(tài)下進行550℃，4小時的熱處理，使非晶硅膜變換成結(jié)晶硅膜。雖然這種熱處理可以在大于500℃溫度下進行，但重要的是，溫度要低于玻璃基質(zhì)的應變點。
于是，在玻璃基質(zhì)上形成一層結(jié)晶硅膜。然后用相同于第一實施例的方法和條件把激光束加到硅膜上，結(jié)果，所得到的結(jié)晶硅膜在結(jié)晶化和均勻性方面均有所增加。由實驗可見，如果激光束的能量密度增加20-50％，激光束光照將更為有效果。
對于本實施例，采用激光束光照來提高由添加加速硅的結(jié)晶的金屬元素通過熱處理結(jié)晶硅膜的結(jié)晶作用的技術，它可以提供一種結(jié)晶硅膜，其晶體性能，均勻性和產(chǎn)出率均優(yōu)于只用加熱或激光束光照生產(chǎn)的結(jié)晶硅膜。
在用普通的方法，把激光施加至通過加熱摻入金屬元素，例如鎳，所制取的結(jié)晶硅膜的情況下，會出現(xiàn)諸如金屬元素的離析和局部凝聚的現(xiàn)象。金屬元素的離析和局部凝聚，會形成捕獲中心，他們是使最終半導體器件的電性能顯著變差的因素。相比之下，如果采用在發(fā)明的激光光照方法，就不會發(fā)生這種現(xiàn)象。這是因為，金屬元素的離析和局部凝聚可以通過逐步從低到高增加激光束能量來抑制。
實施例3在第1和第2實施例中施加具有一種簡正分布型能量分布的線性激光束，在本實施例中，施加具有一種梯形能量分布的線性激光束。同樣，在本實施例中，采用如同圖1和2所示的激光光照裝置，用KrF準分子激光器(波長248nm，脈寬25ms)發(fā)出的激光束光照來退火結(jié)晶的硅膜。
用光學系統(tǒng)中使激光束成形為125毫米×1毫米的光束面積照到一個物體上，在線光束的寬度方向的能量密度如圖5所示是梯形的。由于這樣一種線性激光束的分布性質(zhì)，使光束的邊緣是不確定的。在本文中，使光束被限定為能量大于最大能量的5％的那部分光束分布。
試樣11被安置在工作臺10上，通過以2毫米/秒的速度運動工作臺10，用線性激光束對試樣11完全光照。至于激光束光照條件是，使激光束能量密度為100-500mj/cm2，脈沖速率為30脈沖/秒。需指出，下面所述的″能量密度″用語是指，梯形光束分布的頂基部分(具有最大值)的能量密度值。
如果激光束光照是在上述條件下進行，其中脈沖激光束的寬度是1毫米，對于試樣11，光束用0.5秒通過1毫米寬的面積，在光照表面上的一點接收15個激光脈沖束。即，在試樣上的一個任選點在一次掃描中用15個激光束受到光照。在本實施例中，由于施加具有梯形能量分布的線性激光束，所以在一次掃描的初始幾個光束作用中，光照能量密度增加，而在最后幾個光束作用中，光照能量密度下降。
這種情況示意表示在圖5中。在初始的一半的15個光束作用中，激光束能量逐步增加(注意圖5中的部分A)，而在后面的一半中激光束能量逐步下降(圖5中的部分B)。所以，可以不用改變激光振蕩器2的輸出來使光照能量最佳化。由于激光振蕩器2可以總是穩(wěn)定的，所以可保證均勻的激光退火?？蓮募す馐鴮挾龋ぷ髋_10的移動速度和激光的脈沖數(shù)很容地計算數(shù)目15。根據(jù)我們的實驗，可以用3至100束激光作用來制取具有最好結(jié)晶率的硅膜，最好使用10至20束激光作用。
在激光光照時保持基質(zhì)在500℃，以便減小由于激光束光照所引起的基質(zhì)表面溫度的增加和降低的速度。已知，一般環(huán)境條件的突然改變會對基質(zhì)的均勻性造成影響。所以通過保持高的基質(zhì)溫度來減小由于激光束光照所引起的基質(zhì)均勻性的變差。雖然在本實施例中基質(zhì)溫度置于500℃，實際上使溫度置定在離玻璃基質(zhì)的應變點400℃范圍內(nèi)的最適宜激光退火的溫度上。不需進行特殊的氣氛控制，即光照在空氣中進行。
第4實施例第4實施例的特征在于，輻照激光束的能量分布采用設計的光學系統(tǒng)具有如圖6所示形狀。
在由于輻照光束到硅膜上所進行的退火中，最好使照射的能量密度在要輻照的區(qū)域內(nèi)逐步地增加，進而使輻照能量密度逐步地降低。
這是因為退火效果是一致的，還有由退火造成的硅膜表面的不平度受到抑制之故。
圖6所示的輻射能量分布，它是一種在用輻照激光束結(jié)晶非晶硅膜情況下的分布。
如圖6所示的輻射能量分布表示一部分激光束它具有線性形狀。在圖6中，輻照至物體的激光束它是從右至左地對物體進行掃描。
需指出，在圖6中，縱坐標軸代表歸一化輻照能量密度的相對值。橫坐標軸表示線狀激光束的寬度方向。
下面，參照把激光束照射至非晶硅膜上，把非晶硅膜改變成結(jié)晶硅膜的方法，作為一個例子來介紹一種激光退火方法。
在這種情況下，注意某些需要照射的特定區(qū)域，使激光束的一部分603照射至欲照射的區(qū)域。在此，激光束以一部分603的能量密度被設定為使非晶硅膜不被加熱的程度，使用如此的一種能量密度，在非晶硅膜結(jié)晶之前受到預加熱。
之后，使激光束掃描欲照射的物體，激光束的一部分602被照射至欲照射的區(qū)域上。
使激光束的一部分602置定在允許非晶硅膜受熔化和結(jié)晶的能量密度。
用這樣一種置定，可以使非晶硅膜結(jié)晶。在這種情況下，由于用激光的一部分602照射所進行的加熱不是迅速進行的，所以可使結(jié)晶作用以一種具有相當均勻度和抑制產(chǎn)生缺陷的方式進行。
之后，激光束的一部分602利用激光束掃描物體，把該部分激光束照射至欲照射的區(qū)域上。
激光束的一部分601具有激光束的一部分603相同的能量密度。換言之，激光束部分與601具有不致使受加熱的硅膜被結(jié)晶的能量密度。
在用激光束部分601照射時，已經(jīng)結(jié)晶的硅膜不至于進入迅速冷卻的狀態(tài)。
在用激光束部分601照射時，需要固化已熔硅膜的周期時間可以得到延長。
光束部分601的作用在于按照光束的形狀或退火條件為置定的能量密度。
利用這樣一種功能，可以統(tǒng)一進行晶體生長。同樣，也可以抑制出現(xiàn)缺陷或應力。另外，表面不平度(凹/凸)的產(chǎn)生也受抑制。
在上述的方法中，按照由于激光束的照射而引起的迅速加熱，在非晶硅膜結(jié)晶的初始階段進行加熱，以及由于用于使非晶硅膜結(jié)晶的光束照射所引起的加熱，以及抑制結(jié)晶硅膜的迅速冷卻的加熱(或用于延長熔化時間的加熱)，他們可以采用一種照射激光束的處理方法等實現(xiàn)。
在圖6所示的激光束分布中，激光束部分601和603的照射能量密度互相相等(或相同)。然而，采用另一種光學系統(tǒng)設計，可以改變光束截面的形狀。
此外，如圖7所示，具有結(jié)晶所需照射能量密度的激光束部分701可以把它的寬度增加至使欲照射的預定區(qū)域上受到一個高輻射能量照射一個較長的時間。
這一種改變的設計可以按照欲照射的材料，它的膜厚，激光束的掃描速率以及所需的退火效果來選擇進行。
在該例子中，非晶硅膜按照上述所介紹的例子進行結(jié)晶。然而，作為另一例子，它可用于已由摻入雜質(zhì)離子的非晶硅膜的退火。它可以加速已由加熱結(jié)晶的硅膜的結(jié)晶作用。
本發(fā)明的激光光照技術可以提高用于半導體器件的膜的產(chǎn)率和均勻性。本發(fā)明可用于任何半導體器制造過程中的任何激光處理步驟，尤其有利于用在薄膜晶體管制造過程中提供優(yōu)良的特性的良好的均勻性。在用不同光照能量密度的激光束對所希望的區(qū)域光照多次時，本發(fā)明能阻止在激光束作用區(qū)之間的錯誤配準。這在獲取均勻的器件特性方面是非常有益的。
本發(fā)明的方法可以顯著地提高把加到所希望區(qū)域的激光束能量密度，在多次施加時逐漸改變的加工工序的工作效率。即，本發(fā)明能夠由一次激光束掃描中的光照來提供類似于常規(guī)的在多次掃描中作用多個激光束，而他們的能量密度按步進方式改變的激光束光照方法具有的效果。所以，可以不用改變激光振蕩器的輸出，用最佳的能量密度來進行多步的光照。由于激光振蕩器是可以是穩(wěn)定的，所以可以保證均勻的激光退火。
權利要求
1.一種激光退火方法。包括下述步驟使脈沖激光束成形為線性激光束在對物體用激光束在一個方向進行相對掃描時把線性脈沖激光束作用至光照物體上。
2.根據(jù)權利要求1的激光退火方法，其特征是，激光束在掃描方向具有簡正分布型能量分布。
3.根據(jù)權利要求1的激光退火方法，其特征是，激光束在掃描方向具有梯形能量分布。
4.一種激光退火方法，包括下列步驟使脈沖激光束成為線性激光束；以及在用激光對物體進行掃描時把線性脈沖激光束施加至光照物體，其中激光束以疊加方式施加，以多次光照物體上的任選點。
5.一種激光退火方法，包括下述步驟使脈沖激光束成型為線性激光束在用激光束對物體掃描時把線性脈沖激光來作用至光照物體上，其中激光束以重疊方式作用，以此光照物體上的任意選擇點3至100次。
6.一種激光退火方法，包括下述步驟使脈沖激光束成為線性激光束在用激光束對物體進行掃描時把線性脈沖激光束作用至光照物體，其中激光束以疊加方式作用，以此光照物體上的任選點10至20次。
7.根據(jù)權利要求4至6中任一項的激光退火方法，其特征是，激光束在掃描方向具有簡正分布型的能量分布。
8.根據(jù)權利要求4至6中任一項的激光退火方法，其特征是，激光束在掃描方向具有梯形能量分布。
9.一種激光退火方法，包括下述步驟使脈沖激光束成為具有簡正分布型能量分布或類似能量分布的線性激光束；在用激光束于一個方向相對物體進行掃描時，把線性脈沖激光束作用至光照物體上。
10.一種激光退方法，包括下述步驟使脈沖激光束成形為具有梯形能量分布的線性激光束；在用激光束于一方向相對于物體進行掃描時把線性脈沖激光束作用至光照物體上。
11.一種激光退火方法，包括下述步驟使脈沖激光束成形為在其寬度方向具有簡正分布型能量分布或類似能量分布的線性激光束在寬度方向移動激光束時把線性脈沖激光束作用至光照區(qū)，其中激光束以疊加方式作用，以此光照在光照區(qū)上的任選點10至30次。在寬度方向移動激光束時把線性脈沖激光束作用至光照區(qū)，其中激光束以疊加方式作用，以此光照在光照區(qū)上的任選點10至30次。
12.一種激光退火方法，包括下述步驟使脈沖激光束成形為在其寬度方向具有梯形能量分布的線性激光束在寬度方向移動激光束時把線性脈沖激光束作用至光照區(qū)，其中激光束以疊加方式作用，以此光照在光照區(qū)上的任選點10至30次。
13.一種激光退火方法，包括下述步驟以每秒N次的速率發(fā)射脈沖激光束；使脈沖激光束成形為具有寬度L的線性激光束，在其寬度方向具有簡正分布型能量分布或類似的能量分布，平均單脈沖能量密度為100至500mj/cm2；在具有厚度為150至1,000的硅膜上預定區(qū)作用激光束，同時用激光束以速度V在寬度方向?qū)υ搮^(qū)進行掃描，其中在一次掃描時作用到預定區(qū)的激光脈沖數(shù)需滿足關系10≤LN/V≤30。
14.一種激光退火方法，包括下述步驟以每秒N次速率發(fā)射脈沖激光束；使脈沖激光束成形為具有寬度L的線性激光束，在其寬度方向具有梯形能量分布，平均單脈沖能量密度為100至500mj/cm2；在具有厚度為150至1000的硅膜上預定區(qū)作用激光束，同時用激光束以速度V在寬度方向?qū)υ搮^(qū)進行掃描，其中在一次掃描時作用到預定區(qū)的激光脈沖數(shù)需滿足關系10≤LN/V≤30。
15.一種激光退火方法，包括下述步驟以每秒N次速率發(fā)射脈沖激光束；使脈沖激光束成形為具有寬度L，在寬度方向能量分布以連續(xù)或階躍方式改變的線性激光束，平均單脈沖能量密度為100至500mj/cm2；在具有厚度為150至1000的硅膜預定區(qū)上作用激光束，同時用速度為V的激光束在寬度方向掃描預定區(qū)，其中在一次掃描中加到預定區(qū)的激光脈沖數(shù)需滿足關系10≤LN/V≤30。
16.根據(jù)利權要求11至13中的任一項的激光退火方法，其中硅膜包含用于加速硅結(jié)晶的金屬元素，其濃度為1×1016-5×1019原子/厘米3。
17，一種激光退火方法，包括下述步驟以每秒N次發(fā)射脈沖激光束；成形脈沖激光束，使他們具有一種能量分布，其中在預定方向的整個長度L上能量密度以連續(xù)或階躍方式改變；把激光束作用至預定區(qū)，同時以速度V在預定方向上用激光束地預定區(qū)進行掃描，其中在一次掃描中作用至預定區(qū)的激光脈沖數(shù)n需滿足關系n＝LN/v。
18.一種激光退火方法，包括下述步驟用具有一種能量密度分布的激光束照射物體；其中激光束以至少多種能量密度分布狀態(tài)中的一種照射能量密度熔化物體，并以低于物體熔點的溫度，能量密度至少是以不同于階躍或連續(xù)照射能量分布的多種能量密度分布狀態(tài)中的一種照射能量密度來加熱物體。
全文摘要
采用具有簡正分布型或類似的光束分布的線性脈沖激光束光照硅膜，使非晶形硅膜結(jié)晶中，線性脈沖激光束以一種疊加方式作用，可以取得類似于采用激光照射功率以階躍方式多次掃描中逐步增加然后下降的方法所取得的效果。
文檔編號H01L21/20GK1137171SQ96105598
公開日1996年12月4日 申請日期1996年2月2日 優(yōu)先權日1995年2月2日
發(fā)明者楠本直人, 田中幸一郎 申請人:株式會社半導體能源研究所