CN100444333C - 照射激光的方法、激光照射系统和半导体器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

在半导体器件的制造工艺中，当CW激光器的谐波照射到半导体膜上并相对扫描该谐波时，形成几个沿扫描方向延伸的长晶粒。在该扫描方向上，这样形成的半导体膜在特性上基本接近单晶体。然而，CW激光器的谐波的输出小，从而造成了低的退火效率。在本发明中，通过将CW激光器的二次谐波和CW激光器的基波同时照射到相同的部分来执行对输出的辅助。通常，所述基波具有1μm左右的波长带，并且在半导体膜中吸收得不是很好。当将具有可见光波长的谐波或者具有短于可见光的波长的谐波与基波同时照射到半导体膜上时，由于所述基波在由谐波融化的半导体膜中吸收得很好，所以退火效率就显著地得到提高。

Description

照射激光的方法、激光照射系统和半导体器件的制造方法
技术领域
本发明涉及照射激光的方法、用来照射激光的激光照射系统(包括激光器和用来使激光从激光器输出到被照对象(要经受照射的对象)的光学系统)以及用其制造半导体器件的方法。
背景技术
近来，已经广泛地研究了使形成在诸如玻璃这样的绝缘基板上的非晶半导体膜结晶的技术，以便形成具有结晶结构的半导体膜(下文中，称作结晶半导体膜)。为了结晶，已经试验了退火，诸如用炉内退火的加温退火、快速加温退火(RTA)或者激光退火。在结晶中，有可能利用上述一种退火或者组合多种类型的退火。
与非晶半导体膜相比，结晶半导体膜具有很高的迁移率。因此，结晶半导体膜被用于形成薄膜晶体管(TFT)，薄膜晶体管例如用于有源矩阵液晶显示器件，有源矩阵液晶显示器件具有：像素部分，包括形成在玻璃基板上的TFT；或者像素部分和驱动电路，二者均包括形成在玻璃基板上的TFT。
通常，需要在600℃或600℃以上进行10小时或10小时以上的热处理，目的是用炉内退火来使非晶半导体膜结晶。虽然石英作为基板的材料可以用于结晶，但是，石英基板很昂贵，尤其是，很难加工成大尺寸的基板。给出了一种提高生产效率的方式用来使基板具有大的尺寸，这就是为什么研究在玻璃基板上形成半导体膜的技术，玻璃基板廉价且易于加工成大尺寸基板。近年来，已经考虑到用边在1m以上的玻璃基板。
作为研究的实例，用金属元素的热结晶已经得到了开发，从而有可能降低结晶温度，这曾经是一个问题。在热结晶中，将诸如镍、钯或锌的小量元素添加到非晶半导体膜之后在550℃进行4小时的热处理，从而能形成结晶半导体膜。由于550℃的温度不高于玻璃基板的变形温度，所以不必担心变形等(例如，日本专利特许公开7-183540)。
另一方面，在激光退火中，有可能只对半导体膜给予高能量，而不将基板的温度升得太高。因此，不仅在使用具有低变形温度的玻璃基板时注意到了激光退火，而且对塑料基板等也注意到了激光退火。
在激光退火的实例中，受激准分子激光器的脉冲激光在光学系统中成形，变为边长几厘米的正方形斑点或者在被照射表面上长度为100mm或100mm以上的线性形状，激光相对于被照对象相对移动，以便执行退火。注意，这里的线性形状不意味着严格的线，而是有大纵横比的矩形(或者椭圆形)。例如，线形性状指的是纵横比为2或2以上(最好是10到1000)的矩形，它被包括在被照表面上矩形的激光(矩形光束)中。线性形状是必要的，以便确保能量密度足以使被照对象退火，并且只要可以对被照对象执行足够的退火，激光可以是矩形或平面形。
这样制造的结晶半导体膜具有多个聚集的晶粒，晶粒具有随机位置和尺寸。为了在玻璃基板上制造隔离的TFT，结晶半导体膜被分为岛状图案。这种情况下，在形成TFT时，极难指定包括在岛状图案中的晶粒的位置和尺寸。与晶粒内部相比，由于晶体缺陷，晶粒之间的边界(晶粒界面)具有非晶结构以及极多的复合中心和俘获中心。已知在俘获中心里俘获载流子时，晶粒界面的电位升高，变成对载流子的阻挡，因而，降低了载流子的电流传送特性。而沟道形成区的半导体膜的结晶度对TFT的特性有影响，几乎不可能通过去除晶粒界面的影响来形成单晶半导体膜的区域。
近来，已经注意到了对半导体膜照射连续波的(CW)激光同时用CW激光器在一个方向上扫描的技术，以便形成沿该方向延伸的单晶粒。考虑到有可能用该技术形成至少在其沟道方向上几乎没有晶粒界面的TFT。
然而在该技术中，使用将波长带充分吸收到半导体膜中的CW激光器。例如在使用YAG激光器的情况下，必需转换为更高次的谐波。因此，只可利用具有约10W的相当小的输出的激光器，并且与使用受激准分子激光器的情况相比生产率要低些。注意，用于该技术的适当的CW激光器具有高输出、可见光的波长或者短于可见光的波长以及特别高的输出稳定性，可以使用的激光器诸如YVO4激光器的二次谐波、YAG激光器的二次谐波、YLF激光器的二次谐波、YAlO3激光器的二次谐波以及Ar激光器。虽然可以将其它谐波用于退火是没有问题的，但是，小输出是一个缺点。然而，当将上述激光器用于退火时，可能发生照射中的不规则性。另外，输出很小，生产量不足。
发明内容
在上述问题上，本发明有所成就。本发明的一个目的是提供照射激光的方法、激光照射系统以及与之相关的用来校正照射中的不规则性的技术，该技术用于能进行均一的激光处理，并且获得高生产量。
在用CW激光器的半导体膜结晶过程中，为了尽可能提高生产率，在被照表面上将激光束处理成椭圆形，执行用椭圆形激光束(下文中指椭圆光束)在其短轴方向上的扫描来使半导体膜结晶。由于初始的激光束是圆形或形状大致为圆形，所以处理后的激光束是椭圆形。当激光束的初始形状是矩形时，可以用柱面透镜在一个方向上放大激光束，并将其处理成长矩形，用来使半导体膜类似地结晶。在本说明书中，椭圆光束和长矩形光束总称为长光束。此外，可以将多个激光束分别处理为长光束，可以将长光束连接，以便制成更长的光束。本发明在诸如结晶过程的过程中，提供了在这种过程中使长光束的照射不规则性较小的照射方法以及在这种过程中的照射系统。
本发明提供了激光照射系统，包括：第一激光振荡器，输出具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一激光束；用来在被照表面上或它的附近将从第一激光振荡器发射的第一激光束处理成长光束的装置；第二激光振荡器，用于输出基波的第二激光束；用来将从第二激光振荡器发射的第二激光束照射到所述被照表面的区域上的装置，向被照表面照射长光束；用来将被照表面在第一方向上向第一和第二激光束相对移动的装置；和用来将被照表面在第二方向上向第一和第二激光束相对移动的装置。注意，第一方向与第二方向相互垂直。
在激光照射系统中，第一和第二激光振荡器均具有连续波的气体激光器、固定激光器或金属激光器。气体激光器包括Ar激光器、Kr激光器和CO2激光器，固体激光器包括YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器和Ti：蓝宝石激光器，并且金属激光器包括氦-镉激光器以及诸如铜蒸汽激光器和金蒸汽激光器的金属蒸汽激光器。
而且，用非线性光学元件将第一激光束转换为更高次的谐波。作为用于非线性光学元件的晶体，在转换效率上，诸如LBO、BBO、KDP、KTP、KB5和CLBO的晶体很好。将非线性光学元件放在谐振器中，能获得显著的高转换效率。
另外，由于有可能改善所获得的长光束的能量均一性，所以，最好以TEM00的振荡模式来发射第一激光束。
在退火形成在基板上的半导体膜，并且所述半导体膜对激光束有半透明度的情况下，为了实现激光束的均一照射，假设激光束的形状是矩形，当将入射平面定义为与被照表面垂直的平面，且入射平面是包括激光束的长边或短边的平面时，希望激光束的入射角“φ”满足不等式φ≥arctan(W/2d)。在不等式中，“W”是包括在入射平面中的长边或短边的长度，“d”是对激光束具有半透明度的放在被照表面上的基板的厚度。在使用多个激光束的情况下，该不等式相对于多个激光束中的每个激光束都需要得以满足。注意，激光束的轨迹投射到入射平面上，在该轨迹不在入射平面上时确定入射角“φ”。当激光束以入射角“φ”入射时，用来自基板后表面的反射光，能执行激光束的均一照射而不受到来自基板表面的反射光的影响。上述原理假设基板的折射率为1。实际上，大部分基板的折射率在1.5左右，在考虑到该值在1.5左右时，获得比根据不等式算得的角更大的计算值。然而，由于被照表面上的激光束使能量在其纵向上在两侧减弱，所以，干扰对两侧影响小，根据不等式算得的值足以获得减弱干扰的效果。
作为基板，可以使用玻璃基板、石英基板、硅基板、塑料基板、金属基板、不锈钢基板、柔性基板等。作为玻璃基板，可以给出硼硅酸钡玻璃或硼硅酸铝玻璃。此外，柔性基板是薄膜基板，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚醚砜(PES)、聚萘酸乙酯(polyethylenenaphthalate)(PEN)、聚碳酸脂(PC)、尼龙、聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSF)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚芳酯(PAR)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚酰亚胺和丙烯，当用柔性基板来制造半导体器件时，希望减轻重量。由于改善了诸如耐用性的特性，希望形成单层膜或多层膜，多层膜包括诸如包括铝膜(例如AlON、AlN或AlO)的一个或多个屏障层、诸如DLC(钻石样碳)膜的碳膜以及柔性基板的表面或其表面和后表面上的SiN膜。关于φ的不等式不可用于对激光束没有半透明度的基板，这是因为基板的厚度d在这种情况下是无意义的值。
而且，本发明提供了照射激光的方法，包括步骤：在被照表面上或其附近将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一激光束处理成长光束；和将基波的第二激光束和长光束同时照射到被照表面的区域上，对被照表面照射长光束，同时使被照表面在一个方向上相对于长光束相对移动。
在照射激光的方法中，第一和第二激光束均从连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器被发射出来。气体激光器包括Ar激光器、Kr激光器和CO2激光器，固体激光器包括YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、翠绿宝石激光器和Ti：蓝宝石激光器，并且金属激光器包括氦-镉激光器以及诸如铜蒸汽激光器和金蒸汽激光器的金属蒸汽激光器。只要具有高度稳定性的高输出，用于本发明的适当的激光器就不限于上述给出的激光器
而且，用非线性光学元件将第一激光器转换为更高次的谐波。作为用于非线性光学元件的晶体，在转换效率上，诸如LBO、BBO、KDP、KTP、KB5和CLBO的晶体很好。将非线性光学元件放在谐振器中，能获得显著的高转换效率。
另外，由于有可能改善所获得的长光束的能量均一性，所以，最好以TEM00的振荡模式来发射第一激光束。
在退火形成在基板上的半导体膜，并且所述半导体膜对激光束有半透明度的情况下，为了实现激光束的均一照射，假设激光束的形状是矩形，当将入射平面定义为与被照表面垂直的平面，且入射平面是包括激光束的长边或短边的平面时，希望激光束的入射角“φ”满足不等式φ≥arctan(W/2d)。在不等式中，“W”是包括在入射平面中的长边或短边的长度，“d”是对激光束具有半透明度的放在被照表面上的基板的厚度。在使用多个激光束的情况下，该不等式相对于多个激光束中的每个激光束都需要得以满足。注意，激光束的轨迹投射到入射平面上，在该轨迹不在入射平面上时确定入射角“φ”。当激光束以入射角“φ”入射时，用来自基板后表面的反射光，能执行激光束的均一照射而不受到来自基板表面的反射光的影响。上述原理假设基板的折射率为1。实际上，大部分基板的折射率在1.5左右，在考虑到该值在1.5左右时，获得比根据不等式算得的角更大的计算值。然而，由于被照表面上的激光束使能量在其纵向上在两侧减弱，所以，干扰对两侧影响小，根据不等式算得的值足以获得减弱干扰的效果。
作为基板，可以使用玻璃基板、石英基板、硅基板、塑料基板、金属基板、不锈钢基板、柔性基板等。关于φ的不等式不可用于对激光束没有半透明度的基板，这是因为基板的厚度d在这种情况下是没有意义的值。
此外，本发明提供了制造半导体器件的方法，包括步骤：在半导体膜的表面或它的附近，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一激光束处理成长光束；和通过将基波的第二激光束和长光束同时照射到被照表面的区域上，使半导体膜结晶，对被照表面照射长光束，同时使该表面在一个方向上相对于长光束相对移动。
本发明提供了制造半导体器件的另一方法，包括步骤：在半导体膜的表面或它的附近，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一激光束处理成长光束；和通过将基波的第二激光束和长光束同时照射到被照表面的区域上，激活形成在半导体膜中的杂质区域，对被照表面照射长光束，同时在一个方向上使被照表面相对于长光束相对移动。
本发明还提供了制造半导体器件的另一方法，包括步骤：在玻璃基板上形成半导体层；形成绝缘层，用于覆盖半导体层的顶表面和侧表面；在半导体层上形成导电层，该绝缘层在半导体层和导电层之间；在被照表面或它的附近，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一激光束处理成长光束；通过将基波的第二激光束和长光束同时照射到被照表面的区域上，来选择性地加热导电层，以便执行半导体层和绝缘层的热处理，对被照表面上照射长光束，同时使被照表面相对于长光束在一个方向上相对移动。
在上述本发明中，第一和第二激光束均从连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器被发射出来。将CW激光器用于第一和第二激光束所需要的是具有高度稳定性的高输出，可以使用Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器和Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器以及诸如铜蒸汽激光器和金蒸汽激光器等。
附图说明
附图中：
图1是解释实施例模式1的图；
图2A和2B是解释实施例模式2的图；
图3A和3B是解释实施例模式2的图；
图4A和4B是解释实施例模式3的图；
图5是解释实施例模式4的图；
图6是显示如何执行激光退火的图；
图7A到7C是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图8A到8E是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图9A和9B是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图10A和10B是显示根据本发明的实施例方法的半导体器件的制造方法的图；
图11A到11E是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图12A和12B是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图13A到13D是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图14A到14C是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图15A到15E是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图16A到16C是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；
图17是显示根据本发明的实施例模式的半导体器件的制造方法的图；和
图18是显示根据本发明的实施例模式的微型计算机的构成的图。
具体实施方式
[实施例模式1]
参考图1描述本发明的实施例模式。本实施例模式显示了形成长光束105以便照射半导体膜104的表面的情况。
首先，准备以LD激发输出10W的激光振荡器101(Nd:YVO4激光器、CW、二次谐波：532nm)。激光振荡器101使用TEM00的振荡模式并且具有并入谐振器中的LBO晶体，以便执行转换到二次谐波。虽然不必特别将输出的激光束限定为二次谐波，但是，二次谐波在能量效率上比其它的更高次的谐波更高。激光束的光束直径是2.25mm，发散角约为0.3mrad。激光束的传播方向由45°反射镜102转为与垂直方向成角度φ。然后，使激光束以与垂直方向成角度φ进入平凸透镜103，平凸透镜103的焦距是20mm，平面部分相应于水平面。虽然角度φ可以适当变化，但是，本实施例模式的角度φ是20°。半导体膜104和平凸透镜103之间的距离设定约为20mm，并精细调节，目的是尽可能在半导体膜104上形成尽可能以朝向入射平面的平行方向延伸的长光束105。精细调节的精确度约为50μm。以这种方式，形成长轴和短轴分别约为500μm和20mm的椭圆样长光束105。
形成有半导体膜104的基板是厚度为d的玻璃基板，在激光照射中固定到吸收台107上。有可能在X和Y方向上用X轴的单轴机器人108和Y轴的单轴机器人109将吸收台107移动。由于用于无干扰的上述不等式是φ≥arctan(W/2d)，所以在基板的厚度是例如0.7mm时，获得φ≥19.7°。
下面，准备输出30W的激光振荡器110(Nd:YAG激光器、基波：1.064μm，TEM00)。激光束的发散角约为3mrad，以与垂直方向成角度θ进入平凸透镜111。将角度θ设定约为40°，平凸透镜111的焦距是15mm。然后，形成1mmx0.2mm的椭圆样长光束106。长光束106布置成覆盖长光束105。
在常规的半导体薄膜中没有充分有效地吸收约1μm波长的基波。然而，当同时使用二次谐波时，在二次谐波融化的半导体薄膜中基波吸收得较多，半导体膜的退火效率变好。即，利用半导体膜的液化所造成的吸收系数增加，从而有可能在本过程中利用基波，其优点是例如抑制了半导体膜104的温度的快速改变，并且通过小的输出来辅助二次谐波的激光束的能量。不象更高次的谐波，对于基波而言不必用非线性光学元件来转换波长，并且有可能获得具有相当大输出的的激光束，例如，该激光束具有大于更高次谐波的百倍以上的能量。由于非线性光学元件对激光的弹限强度相当弱，所以就造成了这样的能量差。另外，用来产生更高次谐波的非线性元件在质量上可能会改变，并存在如下缺点：诸如难以长期保持作为固体激光器优点的免维护的状态。因此，根据本发明，通过基波来辅助更高次的谐波是很有用的。
下面，描述半导体膜的制造方法的实例。在对可见光透明的玻璃基板上形成半导体膜。具体地说，形成含氮氧化硅的膜，在厚度为0.7mm的玻璃基板的一个表面上的厚度是200nm，在上面通过等离子CVD形成厚度为70nm的非晶硅(a-Si)膜。而且，为了改善半导体膜对激光的阻抗，对半导体膜在500℃下执行持续1小时的加温退火。可以执行上述背景技术中提及的用金属元素的半导体膜结晶来代替加温退火。在任何一种情况下，照射激光束的最佳条件几乎是相同的。
下面，描述对半导体膜104激光照射的实例。虽然激光振荡器101的输出一直达到约10W，但是，由于长光束105的尺寸相对小，所以，其能量密度是高效的。因而，将输出降低到约5.5W来执行激光照射。激光振荡器101的输出设定为约15W，形成长光束106来覆盖长光束105。长光束106的短轴是长光束105的短轴的10倍。用Y轴的单轴机器人109在长光束105的短轴方向上扫描形成有半导体膜104的基板，从而能在长光束105的长轴方向上宽150μm的区域中形成在扫描方向上延伸的铺开的单晶颗粒。在该激光照射中，由于用长光束106覆盖长光束105，所以，先将基波照射到半导体膜104上，而后，照射二次谐波，最后再照射基波，从而有可能抑制半导体膜的温度的快速变化。下文中，将该区域称为长晶粒区域。具有更高谐波的激光束具有20°或20°以上的入射角，这抑制了干扰，从而能更均一地激光照射。虽然长光束105的长轴具有约500μm的长度，但是，由于是TEM00模式，所以其能量分布遵循高斯分布。因而，只在高斯分布的中心附近形成长晶粒区域。几百到几千mm/s的扫描速度是适当的，这里将扫描速度设为500mm/s。
图6显示了在整个半导体膜上各处形成长晶粒区域的照射方法。为了解释方便，图6具有与图1相同的参考数字。形成有半导体膜104的基板固定到吸收台107上，使激光振荡器101和110分别以5.5W和15W的输出来工作。首先，Y轴的单轴机器人109用于以500mm/s的扫描速度以直线扫描半导体膜的表面。该直线相应于图6中“A1”部分。图6中，在用Y轴的单轴机器人109将激光照射到向外的“Am”(m是正整数)部分之后，Y轴的单轴机器人108用于在其长轴方向上将长光束移位长晶粒区域的宽度，将激光照射到回程的“Bm”部分上。重复这一操作周期，从而能在半导体膜上各处形成长晶粒区域。注意，长晶粒区域中的半导体膜具有很好的特性。尤其是，在制造诸如TFT的半导体器件的情况下，可以预期半导体器件显示很高的电迁移率。相反，当半导体膜的一部分不要求这样好的特性时，就不必在那里形成长晶粒区域。因而，可以不把激光束照射到该部分上，或者可以执行照射而不形成长晶粒区域。为了对半导体膜有效地退火而不形成长晶粒区域，例如可以提高扫描速度。当以大约2m/s的速度对半导体膜执行扫描时，可以使Si膜结晶，以便形成所谓的普通多晶硅(poly-Si)膜而不形成长晶粒区域，在所述半导体膜中以设定为500mm/s的扫描速度形成长晶粒区域。
[实施例模式2]
在本实施例模式中，参考图2A和2B来解释以下实例，其中，用基波来使实施例模式1所示的长光束的能量分布更均一化，这可以通过处理二次谐波来获得。
首先，准备以LD激发输出10W的激光振荡器201(Nd:YVO4激光器、CW、二次谐波：532nm)。激光振荡器201使用TEM00的振荡模式并且具有并入谐振器中的LBO晶体，以便执行转换到二次谐波。激光束具有2.25mm的光束直径，发散角约为0.3mrad。激光束的传播方向由45°反射镜202转换成与垂直方向成角度φ。然后，使激光束以与垂直方向成角度φ进入平凸透镜203，平凸透镜203的焦距是20mm，其平面部分相应于水平面。虽然角度φ可以适当变化，但是，本实施例模式的角度φ是20°。形成在玻璃基板上的表面上的半导体膜204被设定为与水平平面平行的被照表面。半导体膜204和平凸透镜203之间的距离设定为约20mm，并精细调节，以便尽可能在半导体膜204上形成以平行于入射平面方向延长的长光束205。精细调节的精确度在约50μm。以这种方式，形成长轴和短轴分别在约500μm和20mm的椭圆样长光束205。
形成有半导体膜204的基板是厚度为d的玻璃基板，在激光照射中固定到吸收台207上。有可能在X和Y方向上用X轴的单轴机器人208和Y轴的单轴机器人209将吸收台207移动。由于用于无干扰的上述不等式是φ≥arctan(W/2d)，所以在基板的厚度是例如0.7mm时，获得φ≥19.7°。
下面，准备输出30W的激光振荡器210和214(Nd:YAG激光器、基波：1.064μm，TEM00)。激光束的发散角约为3mrad，以与垂直方向成角度θ分别进入平凸透镜211和213。将角度θ设定为约40°，平凸透镜211和213的焦距分别是15mm。然后，形成1mm×0.2mm的椭圆样长光束206和212。必需布置成长光束206和212覆盖长光束205。
图2B中显示了布置的一个实例。将基波的长光束206和212布置在二次谐波的长光束205的长轴方向上的两侧，各条长光束的长轴对准。由于基波直接作用在二次谐波的长光束205的两侧的能量减弱部分上以便为能量减弱的提供能量，所以这种结构很好。激光束通常具有诸如高斯的能量分布，其中，中心具有最高能量，朝向其外周减弱。与中心的能量相比，二次谐波的长光束205也在两侧具有较低能量，且在激光退火中对均一性有影响。因此，当二次谐波的长光束205将对半导体膜更透明的基波照射到融化区域上时，有可能选择性地加热融化区域的一个区域，向该区域照射基波。
下面参考图3A和3B详细描述图2B的结构。在只用图2B的侧视图中的二次谐波的长光束205执行激光退火的情况下，以图3A所示的温度分布来加热半导体膜。由于融化的部分总是具有比固体部分更高的导热性，所以，长光束205的中心具有均一的能量分布，而其两侧的能量显著减弱，从而使温度降低。由于基波对半导体膜具有高透射率，所以有可能将基波直接照射到两侧上，从而可以再增加半导体膜中温度分布均一的区域。换言之，当长光束206和212照射到图2B的侧视图所示的长光束205的两侧时，有可能改变图3B所示的半导体膜的温度分布，即，增加半导体膜中温度分布均一的区域，从而抑制退火温度的不规则性。
下面，描述对半导体膜204激光照射的实例。例如根据实施例模式1所述的方法来制造半导体膜204。虽然激光振荡器201的输出一直达到约10W，但是，由于长光束205的尺寸相对小，所以，其能量密度是高效的。因而，将输出降低到约5.5W来执行激光照射。激光振荡器210和214的输出均设定为约15W，形成长光束206和212从两侧覆盖长光束205。图2A和2B所示的长光束206和212的大致是长光束205的尺寸，从而易见，虽然在本实施例模式中长光束206和212的短轴是长光束205的短轴的10倍。由于即使激光束的尺寸近乎相等，也符合本发明的主旨，所以可根据条件，诸如所使用的膜，来确定每个激光束的尺寸。
用Y轴的单轴机器人209在长光束205的短轴方向上扫描形成有半导体膜204的基板，从而能在长光束205的长轴方向上宽200μm的区域中形成在扫描方向上延长的铺开的单晶颗粒。在该激光照射中，由于用长光束206和212覆盖长光束205，所以，先将基波照射到半导体膜204上，而后，照射二次谐波，最后再照射基波，从而有可能抑制半导体膜的温度的快速改变。具有更高谐波的激光束有20°或20°以上的入射角，这抑制了干扰，从而能更均一地激光照射。虽然在没有基波的长光束206和212的辅助下，所形成的长晶粒区域的宽度是约150μm，但是，长晶粒区域的宽度在辅助下比200μm要宽。在其宽度方向的长晶粒区域的两侧，不论具有均一温度分布的区域如何扩展，都执行低温退火。因而，为了避免半导体器件特性降低，不在两侧都制造半导体器件，或者以覆盖其长轴方向来执行用长光束的扫描。例如，当假设在宽度为200μm的长晶粒区域的两侧有涉及特性降低的宽度为50μm的区域时，可有效使用的长晶粒区域的宽度是100μm。在通过用Y轴的单轴机器人209在一个方向上扫描来使半导体膜209结晶之后，将X轴的单轴机器人208移动100μm，通过用Y轴的单轴机器人209扫描而再形成长晶粒区域。当重复这一操作周期时，能将涉及特性降低的区域完全改变为特性较好的区域。例如根据实施例模式1所述的图6，完全或部分地使半导体器件204结晶。
[实施例模式3]
本实施例模式中，参考图4A和4B来描述实例，其中，将通过处理二次谐波而获得的几条长光束组合，以便形成更长的光束，使用基波来辅助能量。
首先，分别准备以LD激发输出10W的4个激光振荡器(图4A和4B中未示出)(Nd:YVO4激光器、CW、二次谐波：532nm)。每个激光振荡器使用TEM00的振荡模式并且并入在谐振器中的LBO晶体，以便执行转换到二次谐波。各个激光束具有2.25mm的光束直径，发散角约为0.3mrad。用几个反射镜把激光束的传播方向分别转为与垂直方向成角度β。具有传播方向转换后的激光束分别从4个方向进入被照表面403，目的是在被照表面403近似组成一个激光束。4个方向分别相应于光轴A、B、C、D。光轴A和B(亦即光轴C和D)关于平面A对称，平面A与被照表面403垂直，光轴A和B成的角(亦即光轴C和D成的角)设为10°。另外，光轴A和C(亦即光轴B和D)关于平面B对称，平面B与平面A和被照表面403垂直，包括光轴A和B的平面C与包括光轴C和D的平面D成的角设为50°。
然后，焦距为150mm的平凸柱面透镜401a，401b，401c和401d布置成使光轴A到D为0°角。这种情况下，平凸柱面透镜的会聚方向是包括在平面C或平面D中的方向。沿光轴测量，将被照表面403与平凸柱面透镜401a，401b，401c和401d中每个透镜之间的距离调节为110到120mm之间。
而且，焦距20mm的平凸柱面透镜402a和402b布置成使其母线分别包括在平面C和平面D中。上述母线定义为位于柱面透镜的弯曲部分中的母线，弯曲部分与柱面透镜的平面部分分开。平凸柱面透镜402a和平面C的平面部分彼此正交，而平凸柱面透镜402b和平面D的平面部分彼此正交。沿光轴测量，被照表面403与平凸柱面透镜402a和402b中的每个透镜之间的距离调节为约18mm。
用上述布置，在被照表面403处形成其尺寸是长轴约为400μm、短轴约为20μm的4条长光束。这种情况下，将这4条长光束在被照表面403上组合为一条，而不形成更长的光束。然而，当精细调节各个透镜的位置时，如图4B所示转换4条长光束的布置。换言之，将4条长光束405a到405d的长轴成一直线并在长轴的方向上彼此移位，以便形成更长的光束。以这种方式，可以获得宽度1.5mm的长晶粒区域。
然后，LD激发的输出10W的CW-YAG激光器(基波)被用来与光学系统404形成椭圆光束405e，在被照表面403处的尺寸是1x5mm。这种情况下，将椭圆光束405e形成为覆盖4条长光束。作为光学系统404，例如可以使用图1所示的平凸透镜111，可以使激光束以一个角度倾斜地进入平凸透镜111，以便形成椭圆光束405e。或者，可以用两个垂直的柱面透镜将圆形光束转换为椭圆光束。这时重要的是基波必需一点都不能返回激光振荡器。由于基波在半导体膜的表面上有些反射，所以，只要禁止激光束垂直地进入被照表面403。
这样形成的4条长光束的更长光束和椭圆光束405e可以用于使半导体膜完全结晶，用的是例如实施例模式1所示的X轴的单轴机器人108和Y轴的单轴机器人109。可以根据例如实施例模式1所述的方法来制造半导体膜。本实施例模式的优点是更长光束使处理时间更短，高斯样能量分布的长光束连续地相互重叠，使长轴方向上的能量分布均一化，由于能相对抑制温度的不规则性，所以较为可取。
[实施例模式4]
本实施例模式中，参考图5描述实例，其中，使用诸如扫描镜(galvanometer mirror)的偏转装置，用通过处理二次谐波获得的长光束来执行扫描，用基波来辅助能量。
首先，准备以LD激发输出10W的激光振荡器501(Nd:YVO4激光器、CW、二次谐波：532nm)。激光振荡器501使用TEM00的振荡模式并且具有并入到谐振器中的LBO晶体，以便执行转换到二次谐波。激光束是圆形光束，具有2.25mm的光束直径，发散角约为0.3mrad，进入光学系统502，被转换为椭圆形。作为转换装置，可以用例如包含两个柱面透镜的光束扩展器只在一个方向上扩展激光束使其成为椭圆形。或者，可以用与上述光束扩展器结合的常规光束扩展器来控制发散角。然后，用扫描镜503偏转椭圆形的激光束。偏转的激光束经fθ透镜504到达由半导体膜506形成的平面。用fθ透镜504将椭圆形的激光束会聚到该平面上。以这种方式，在该平面上形成例如短轴为20μm、长轴为400μm的长光束。
当改变扫描镜503的角度时，在该平面上用长光束505执行扫描。由扫描镜503的角度引起长光束505形状的改变受到fθ透镜504的抑制。激光束相对于半导体膜506的入射角是20°，这防止在半导体膜506上产生干扰。这里的干扰是来自半导体膜506的表面的激光的反射光对来自形成有半导体膜506的基板的后表面的激光的反射光的干扰。在本实施例模式中，使用由一个镜子组成的扫描镜503，只执行一个扫描轴，这样就不能够扫描该二维平面的整个区域。因而，将基板被放在单轴台507上，并且按照图5的纸左右地移动，以便能够退火该基板的整个区域。将长光束505的扫描速度设定为100到2000mm/s，最好约为500mm/s。
为了将基波与由二次谐波形成的长光束505同时照射到半导体膜506上，使用以LD激发输出2000W的YAG激光器508。由于长光束505以相对高的速度移动，所以需要一种精确的控制系统，以便根据长光束505的移动来移动由基波形成的光束。当然，虽然用这种控制系统是没有问题的，但是，在本实施例模式中，却用基波的长光束511覆盖由扫描镜503扫描的整个区域，从而不必移动长光束。以这种方式，有可能在缺乏同步的情况下几乎不在激光退火中产生不均一性。正是因为与二次谐波相比较而言，基波的输出是百倍的或更高的，如此大的光束才能够得以形成。
例如，当假设半导体膜506是边长125mm的正方形时，例如可以在扫描镜503的扫描方向上形成长125mm、宽0.5mm的长光束511，以便整个覆盖该正方形的区域。为了形成长光束511，例如可以在用凹透镜509均一放大之后，用平凸透镜510在一个方向上进行会聚。或者，可以用另一光学系统形成长光束511。当用均化器使能量分布均一化时，设计均化器考虑YAG激光的相干性则是必要的。例如，均化器经常使用如下的的方法，在该方法中，将激光束加以分割和组合以便使能量分布均一化。当使用该方法时，有必要例如通过将不小于激光相干长度的光路差添加到每个被分割的激光束来防止产生干扰，。
为了激光退火半导体膜506的整个区域，可以重复地使扫描镜503移动半圈，使单轴台507移动长晶粒区域的宽度，再使扫描镜503移动半圈。在本实施例模式中，长晶粒区域的宽度约为150μm，单轴台507以该宽度按顺序移位。
[实施例模式5]
本实施例模式中，描述半导体器件的制造工艺，该制造工艺包括对具有半导体膜、栅绝缘膜和导电膜的叠层结构的部分激光退火处理的阶段。
首先，根据实施例模式1到4中的任何一种，将形成在基板上的半导体膜腐蚀成预期的形状，以便将该半导体膜分割成岛状。以这种方式，半导体膜703就形成为TFT的主要部分，用于沟道区、源和漏区。可以使用诸如商业性产生的非碱玻璃基板这样的基板作为基板701，并且包括氮化硅、氧化硅或氧氮化硅的基绝缘膜702形成在基板701和半导体膜703之间，厚度为50到200nm。而且，对半导体膜703掺杂给予p-型的杂质元素，目的是将阈值电压移位到正侧，或者掺杂给予n-型的杂质元素，目的是将阈值电压移位到负侧。
下面，在半导体膜703上淀积用于栅绝缘膜的多层绝缘膜。作为最佳实例，给出用高频溅射形成的氧化硅膜704和氮化硅膜705。作为溅射淀积之前的预处理，除了通过用包括臭氧的水溶液进行的氧化处理和用包括氢氟酸的水溶液去除氧化膜的处理来对半导体膜703的表面腐蚀之外，不饱和键与氢端接而失活。而后，用硅靶(掺杂1到10Ωcm的B)执行高频溅射，以便形成厚度为10到60nm的氧化硅膜704。淀积的典型条件包括用O2和Ar作溅射气体和将混合比(流率比)设为1∶3。而且，溅射时，将压力设为0.4Pa，将放电功率设为4.1W/cm2(13.56MHz)，将基板热处理温度设为200℃。在这样的条件下，有可能形成致密的氧化硅膜704，它在半导体膜703和氧化硅膜704之间的界面状态密度上是低的。而且，在淀积氧化硅膜之前，可以在空的加热室中执行低压下的热处理或诸如氧等离子体处理这样的表面处理。当执行氧等离子体处理以便氧化该半导体膜的表面时，可以减小界面状态密度。然后，高频溅射将形成厚度10到30nm的氮化硅膜705。淀积的典型条件包括用N2和Ar作为溅射气体，将混合比(流率比)设为1∶1。而且，溅射时，将压力设为0.8Pa，将放电功率设为4.1W/cm2(13.56MHz)，将基板加热温度设为200℃。
由于在具有叠层结构的绝缘膜中，氮化硅相对于氧化硅的相对介电常数3.8具有约为7.5的相对介电常数，所以有可能获得基本等同于薄绝缘膜的情况下效果。当就该半导体膜的表面光滑度而言，凹凸形状的最大值是10nm或10nm以下，最好是5nm或5nm以下，且栅绝缘膜具有氧化硅膜和氮化硅膜的两层结构时，有可能减小栅极泄漏电流并以2.5到10V驱动TFT，通常以3.0到5.5V驱动TFT，即使栅绝缘膜的总厚度为30到80nm。
在形成氧化硅膜704和氮化硅膜705的叠层之后，形成第一导电膜706。从高熔点金属、金属氮化物和硅化物中选择第一导电膜706的材料，其中高熔点金属诸如是钼(Mo)、钨(W)和钛(Ti)，金属氮化物诸如是氮化钛、氮化钽和氮化钨，硅化物诸如是硅化钨(WSi2)、硅化钼(MoSi2)、硅化钛(TiSi2)、硅化钽(TaSi2)、硅化铬(CrSi2)、硅化钴(CoSi2)和硅化铂(PtSi2)、掺杂了磷或硼的多晶硅。第一导电膜706的厚度为10到100nm，最好是20到50nm。
然后，如图7B所示，对第一导电膜706的一部分照射激光707和激光708以便加热其部分。激光708具有相对于基板表面的且与激光707不同的入射角。有可能对本实施例模式应用例如实施例模式1所示的照射激光的方法和激光照射系统。换言之，用来自以LD激发输出10W的激光振荡器的光源的二次谐波(Nd:YVO4激光器、CW532nm)作为激光707，用来自输出30W的激光振荡器的光源的基波(Nd:YAG激光器、CW、1.064μm、TEM00)作为激光708。第一导电膜706吸收激光707和激光708的能量以便产生热，第一导电膜706下面的氮化硅膜705、氧化硅膜704和半导体膜703由于传导加热而得以加热。用这一局部处理，有可能将包括在该膜中的微小硅簇氧化或氮化，并松弛内部的扭曲，以便减小该膜中的缺陷密度和界面状态密度。
而后，如图7C所示，选自钽(Ta)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、铝(Al)和铜(Cu)的元素或者包含上述金属元素作为其主要成分的合金或化合物被淀积为第二导电膜709。通过处理第一和第二导电膜706和709来形成栅电极，最好将氮化钽(TaN)膜形成的第一导电膜706与钨(W)膜形成的第二导电膜709相结合，或者将氮化钽(TaN)膜形成的第一导电膜706与钛(Ti)膜形成的第二导电膜709相结合。
下面，如图8A所示，提供抗蚀剂掩模710，用来形成栅电极的图案，并且用干腐蚀来执行第一腐蚀。例如可以把ICP(感应耦合等离子体)腐蚀应用于第一腐蚀。虽然对腐蚀气体没有限制，但是，用于本实施例模式中栅电极的钨(W)和氮化钽(TaN)的腐蚀气体有CF4、Cl2和O2。在第一腐蚀中，将预定的偏置电压施加到基板上，以便使用于栅电极的第一图案(711和712)的侧面的倾斜角为15到50度。用第一腐蚀，根据腐蚀条件，将作为栅绝缘膜所形成的氮化硅膜705留在用于栅电极的第一图案下面，以便暴露氧化硅膜704。
而后，执行第二腐蚀，具体地说，使用腐蚀气体SF6、Cl2和O2，并且将施加到基板侧的偏置电压设为预定的值，以便执行钨(W)膜的各向异性腐蚀。以这种方式，形成由第一和第二导电层711和713的两层结构组成的栅电极(图8B)。
本实施例中的栅电极具有第一和第二导电层711和713的叠层结构，并且具有以下结构(顶帽型(top-hap type))，在该结构中，在显示栅电极的截面时第一导电层如峰状突起。然后，执行掺杂，如图8C所示。在用电场加速用于控制价电子的杂质离子以便注入的掺杂中，也可能在适当调节离子加速电压时改变半导体膜703中形成的杂质区域的浓度，即，用高加速电压来注入具有一种导电类型的杂质离子，目的是通过第一导电层711的峰，以便形成与栅电极重叠的第一杂质区域715，然后，用低加速电压注入具有该导电类型的杂质离子，目的是不通过第一导电层711的峰，以便形成如图8D所示的第二杂质区域716，。用这种掺杂，有可能形成具有所谓的栅重叠LDD结构的TFT。
作为具有该导电类型的杂质，在n-型杂质(供体)的情况下，使用属于周期表15族的元素，诸如磷或砷，在p-型杂质(受体)的情况下，使用属于周期表13族的元素，诸如硼。当该杂质被合适地选择时，有可能制造n-沟道TFT或p-沟道TFT。而且，有可能只通过添加用于掺杂的掩模图案，就在相同的基板上形成n-沟道TFT和p-沟道TFT。
为了激活为源和漏形成的第二杂质区域716以及为LDD形成的第一杂质区域715，对半导体层703照射激光717和激光718，在板半导体层703中，形成第一和第二杂质区域715和716(图8E)。激光718具有相对于基板的表面的且与激光717不同的入射角。有可能将例如实施例模式1所示的照射激光的方法和激光照射系统应用于本实施例模式。换言之，用来自以LD激发输出10W的激光振荡器的光源的二次谐波(Nd:YVO4激光器、CW、532nm)作为激光717，并且用来自输出30W的激光振荡器的光源的基波(Nd:YAG激光器、CW、1.064μm、TEM00)作为激光718。在激活中，激光加热形成栅电极的第一导电层711，由于来自那里的热的传导，所以，使非结晶区域重结晶和/或修复因注入所致的缺陷。从而，有可能激活不对其直接照射激光的第一杂质区域715中的杂质。
然后，如图9A所示，用SiH4、N2O、NH3和H2的混合气体，通过等离子体CVD，在325℃的基板加热温度下，形成包括氢的氮氧化硅膜，作为第一绝缘层719，膜厚度为50到200nm。而后，执行在氮气气氛中410℃的热处理，以便进行半导体层的氢化。
而后，在第一绝缘层719中形成接触孔，用诸如Al、Ti、Mo或W这样的金属适当地形成布线720，该布线例如具有叠层膜的布线结构，叠层膜有膜厚50到250nm的Ti膜和膜厚300到500nm的合金膜(Al和Ti)(图9B)。
以这种方式，完成具有栅重叠LDD结构的TFT。当执行以硅为靶的高频溅射以便制造氧化硅膜和氮化硅膜的叠层，且将所述叠层施加到图案形成后用导电层的局部加热的热处理之后的TFT的栅绝缘膜上时，有可能获得阈值电压和亚阈特性波动较小的TFT。
根据本发明，有可能提供一种用来校正照射中的不规则性，能均匀地激光处理并获得高生产量的照射激光的方法和激光照射系统，该照射激光的方法和激光照射系统被应用于半导体膜的结晶、栅绝缘膜的热处理和杂质区域的激活，如本实施例模式所示，从而有可能提供具有使用TFT来集成的多种功能电路的半导体器件，而不产生玻璃基板的收缩或扭曲。尤其是，由于不产生玻璃基板的收缩，所有就保持了栅电极周围的尺寸精度，并且有可能在玻璃基板上形成沟道长度0.3到1.5μm的TFT。
注意，虽然本实施例模式显示了应用在实施例模式1中所例举的照射激光的方法和激光照射系统的情况，但是根据本发明的半导体器件的制造工艺不限于该情况，并且也可能应用在实施例模式2到4中任何一个所例举的照射激光的方法和激光照射系统。
[实施例模式6]
与实施例模式5类似，执行一直到氢化的过程，以便获得图9A所示的状态。而后，以硅为靶执行高频溅射，以便在如图10A所示的第一绝缘层719上形成氮化硅膜，作为第二绝缘层721。氮化硅膜具有作为屏障的优越性质，并且有可能获得用于防止诸如钠以及空气中的氧和湿气的离子杂质穿透的阻挡功能。
而且，用包含诸如丙烯酸或聚酰亚胺的材料作为其主要成分的光敏或非光敏有机树脂材料形成第三绝缘层722。提供由诸如Al、Ti、Mo或W的导电材料形成的布线723，以便吻合在第一到第三绝缘层中形成的接触孔。当用有机树脂材料形成第三绝缘层722时，布线之间的电容减小，并且表面具有光滑度。因而，有可能实现以高密度在第三绝缘层上提供布线。
[实施例模式7]
在本实施例模式中，按照与实施例模式5不同的工艺给出对制造具有栅重叠LDD结构的TFT的方法的解释。注意，在下述本模式中，用相同的参考数字表示与实施例模式5中相同部分的参考数字，不再解释相同参考数字所表示的部分。
首先，与实施例模式5类似，依次在基板701上形成基绝缘膜702、半导体膜703、氧化硅膜704、氮化硅膜705、第一导电膜706和第二导电膜709，即，执行直到形成第二导电膜709的过程以便获得图7C所示的状态。
下面，如图11A所示，通过按照栅电极的图案进行腐蚀来形成第一导电膜706上的第二导电层730。然后，用第二导电层730作为掩模，并且执行具有一种导电类型的杂质的掺杂。使具有该导电类型的杂质通过第一导电膜706，并将其注入到半导体膜703中，以便形成第一杂质区域732(图11B)。
下面，在第一导电膜706和第二导电层730上形成诸如氧化硅膜的绝缘膜，并且执行各向异性腐蚀以便形成旁侧隔板733(图11C)。用旁侧隔板733和第二导电层730作为掩模以便进行掺杂，并且自对准地形成第二杂质区域734，经第一导电膜706对第二杂质区域734执行具有该导电类型的杂质掺杂。
作为具有该导电类型的杂质，在n-型杂质(供体)的情况下，使用属于周期表15族的元素，诸如磷或砷，在p-型杂质(受体)的情况下，使用属于周期表13族的元素，诸如硼。当该杂质被合适地选择时，有可能制造n-沟道TFT或p-沟道TFT。而且，有可能只通过添加用于掺杂的掩模图案，就在相同的基板上形成n-沟道TFT和p-沟道TFT。
为了激活为源和漏形成的第二杂质区域734以及为LDD形成的第一杂质区域732，如图11E所示，对半导体层703照射激光717和激光718，在半导体层703中，形成第一和第二杂质区域732和734。激光718具有相对于基板的表面的且与激光717不同的入射角。有可能将例如实施例模式1所示的照射激光的方法和激光照射系统应用于本实施例模式。换言之，用来自LD激发输出10W的激光振荡器的光源的二次谐波(Nd:YVO4激光器、CW、532nm)作为激光717，并且用来自输出30W的激光振荡器的光源的基波(Nd:YAG激光器、CW、1.064μm，TEM00)作为激光718。
而后，用第二导电层730和旁侧隔板733作为掩模，并且执行第一导电膜706的腐蚀。然后，用SiH4、N2O、NH3和H2的混合气体，通过等离子体CVD，在250-350℃的基板加热温度下，形成包括氢的氮氧化硅膜，作为第一绝缘层735，膜厚度为50到200nm。而后，在形成第一绝缘层735之后，执行在氮气气氛中410℃的热处理，以便进行半导体层的氢化(图12A)。
而且，用包含诸如丙烯酸或聚酰亚胺的材料作为其主要成分的光敏或非光敏有机树脂材料形成第三绝缘层736。提供由诸如Al、Ti、Mo或W的导电材料形成的布线737，以便吻合在第一和第二绝缘层中形成的接触孔。当用有机树脂材料形成第三绝缘层736时，布线之间的电容减小，并且表面具有光滑度。因而，有可能实现以高密度在第二绝缘层上提供布线(图12B)。
以这种方式，完成具有栅重叠LDD结构的TFT。根据本发明，有可能提供用于校正照射中的不规则性，能均匀地激光处理并获得高生产量的照射激光的方法和激光照射系统，该照射激光的方法和激光照射系统被应用于半导体膜的结晶、栅绝缘膜的热处理和杂质区域的激活，如本实施例模式所示，从而有可能提供具有用TFT来集成的多种功能电路的半导体器件，而不产生玻璃基板的收缩或扭曲。尤其是，由于不产生玻璃基板的收缩，所以就保持了栅电极周围的尺寸精度，并且有可能在玻璃基板上形成沟道长度0.3到1.5μm的TFT。
注意，虽然本实施例模式显示了应用在实施例模式1中所例举的照射激光的方法和激光照射系统的情况，但是根据本发明的半导体器件的制造工艺却并不限于这一情况，并且也可能应用在实施例模式2到4中任何一个所例举的照射激光的方法和激光照射系统。
[实施例模式8]
在本实施例模式中，按照与实施例模式5到7不同的过程来解释制造具有栅重叠LDD结构的TFT的方法。注意，在下面的描述中，用相同的参考数字表示与实施例模式5中表示相同部分，为了方便起见，不再解释公共参考数字所表示的部分。
图13A中，在基板701中形成基绝缘膜702和半导体膜703。在上面形成掩模740之后，执行掺杂以便形成第一杂质区域741。
在剥离了掩模740并且通过用臭氧水和氢氟酸交替循环清洁(cycle cleaning)或用UV(紫外线)臭氧处理来去除有机污染物，形成清洁的表面之后，氧化硅膜704、氮化硅膜705和第一导电膜706就被形成的(图13B)。
而后，形成第二导电膜709(图13C)。然后，执行腐蚀，以便形成被处理成具有栅电极图案的第二导电层742。将栅电极形成为吻合形成掩模740的位置，且该栅电极与第一杂质区域741相重叠，以便在这一阶段形成栅重叠结构(图13D)。
下面，在第二导电层742上形成掩模743，如图14A所示。对于不与栅电极重叠的LDD区域，用也形成在半导体膜703上的掩模743覆盖第二导电层742。以该状态，用掩模743执行掺杂，以便形成第二杂质区域744。
而后，以与实施例模式5类似的方式执行热处理，目的是激活第一和第二杂质区域741和744，并修改栅绝缘膜(图14B)，即，对半导体层703执行激光717和激光718的照射，在半导体层703中形成有第一和第二杂质区域741和744。激光718具有相对于基板的表面的且与激光717不同的入射角。有可能将例如实施例模式1所示的照射激光的方法和激光照射系统应用于本实施例模式。换言之，用来自LD激发输出10W的激光振荡器的光源的二次谐波(Nd:YVO4激光器、CW、532nm)作为激光717，并且用来自输出30W的激光振荡器的光源的基波(Nd:YAG激光器、CW、1.064μm，TEM00)作为激光718。
本实施例模式中，有可能同时激活第一和第二杂质区域并修改栅绝缘膜。然后，当对第一导电膜706执行腐蚀时，有可能完成如下的TFT，在该TFT中，LDD区域的一部分(Lov)与栅电极重叠，并且其余部分(Loff)不重叠。
注意，虽然本实施例模式显示了应用在实施例模式1中所例举的照射激光的方法和激光照射系统的情况，但是根据本发明的半导体器件的制造工艺并不限于该情况，并且也可能应用在实施例模式2到4中任何一个所例举的照射激光的方法和激光照射系统。
[实施例模式9]
在本实施例模式中，举例描述制造包括具有底栅型(反向交错)结构的TFT的半导体器件的制造方法。
图15A中，在基板701上形成基绝缘膜702。为了形成栅电极761，可以使用诸如钛、钼、铬和钨这样的金属元素或者包括上述金属的合金。例如，使用钼和铝的合金。或者，栅电极761可以由铝形成，其表面可以作阳极化处理以便稳定。
用高频溅射在上面顺次形成氮化硅膜705和氧化硅膜704作为栅绝缘膜。以与实施例模式1到4中任何一个类似的方式形成半导体膜703。
然后，以该状态，可以执行激光762和激光763的照射，以便进行对栅绝缘膜的热处理，如图15B所示。激光762具有相对于基板的表面的且与激光763不同的入射角。有可能将例如实施例模式1所示的照射激光的方法和激光照射系统应用于本实施例模式。换言之，用来自LD激发输出10W的激光振荡器的光源的二次谐波(Nd:YVO4激光器、CW、532nm)作为激光762，并且用来自输出30W的激光振荡器的光源的基波(Nd:YAG激光器、CW、1.064μm，TEM00)作为激光763。栅电极761吸收激光762和激光763的能量而产生热，并且由于传导加热而对栅电极761上的氮化硅膜705、氧化硅膜704和半导体膜703进行加热。使用这一局部处理，有可能将包括在该膜中的微小硅簇氧化或氮化，并且还松弛内部的扭曲，以便减小该膜中的缺陷密度和界面状态密度。
下面，在半导体膜703上形成诸如氧化硅膜的沟道保护膜764，将其用作掩模，以便形成具有一种导电类型的杂质区域。图15C显示了形成用于源和漏的杂质区域765的情况。此外，在图中未示出的是，可以执行两次掺杂，以便为LDD添加另一杂质区域。作为具有该导电类型的杂质，在n-型杂质(供体)的情况下，使用属于周期表15族的元素，诸如磷或砷，在p-型杂质(受体)的情况下，使用属于周期表13族的元素，诸如硼。当该杂质被合适地选择时，有可能制造n-沟道TFT或p-沟道TFT。而且，有可能只通过添加用于掺杂的掩模图案，就在相同的基板上形成n-沟道TFT和p-沟道TFT。
为了激活为源和漏形成的杂质区域765，对半导体膜703执行激光762和激光763的照射，在半导体膜703中，形成杂质区域765。激光762具有相对于基板的表面的且与激光763不同的入射角。有可能将例如实施例模式1所示的照射激光的方法和激光照射系统应用于本实施例模式。换言之，用来自LD激发输出10W的激光振荡器的光源的二次谐波(Nd:YVO4激光器、CW、532nm)作为激光762，并且用来自输出30W的激光振荡器的光源的基波(Nd:YAG激光器、CW、1.064μm，TEM00)作为激光763。
然后，如图15E所示，用SiH4、N2O、NH3和H2的混合气体，通过等离子体CVD，在325℃的基板加热温度下，形成包括氢的氮氧化硅膜，作为第一绝缘层766，膜厚度为50到200nm。而后，执行在氮气气氛中410℃的热处理，以便进行半导体层的氢化。
而且，用包含诸如丙烯酸或聚酰亚胺的材料作为其主要成分的光敏或非光敏有机树脂材料形成第二绝缘层767。提供由诸如Al、Ti、Mo或W的导电材料形成的布线768，以便吻合在第一和第二绝缘层中形成的接触孔。当用有机树脂材料形成第二绝缘层767时，布线之间的电容减小，并且表面具有光滑度。因而，有可能实现以高密度在第二绝缘层上提供布线。
以这种方式，可以完成底栅型(反向交错)TFT。当以硅为靶执行高频溅射以便制造氧化硅膜和氮化硅膜的叠层，并将该叠层应用于用图案形成后的导电层局部加热的热处理之后的TFT的栅绝缘膜时，有可能获得阈值电压和亚阈特性波动较小的TFT。
[实施例模式10]
在实施例模式1到9中，例举了为了结晶而照射激光Si膜。然而，本发明不限于这种应用，并且例如本发明也可利用根据本发明的照射激光的方法和激光照射系统进行用于改善和修改结晶半导体膜的结晶度的处理。
首先，如图16A所示，在基板701上形成基绝缘膜702，基绝缘膜702由诸如氧化硅膜、氮化硅膜或氮氧化硅膜的绝缘膜组成。具体地说，在400℃的基板加热温度下，通过等离子CVD，用反应气体SiH4、NH3或N2O来形成含氮高于或几乎等于氧的第一氮氧化硅膜，并且在400℃的基板加热温度下，通过等离子CVD，用反应气体SiH4和N2O来形成含氧高于氮的第二氮氧化硅膜，以便形成第一和第二氮氧化硅膜的叠层结构的基绝缘膜702。
在该叠层结构中，可以用以高频溅射形成的氮化硅膜代替第一氮氧膜。氮化硅膜可以防止诸如包括在玻璃基板中的钠(Na)等的小量碱金属的扩散。
通过使在基绝缘膜702上形成的非晶硅膜751结晶来获得用来形成TFT的沟道、源和漏部分的半导体层。在300℃的基板加热温度下通过等离子CVD形成的非晶硅膜751厚度为20到60nm。对于该半导体层，可以用非晶锗化硅(Si1-xGex；x＝0.001到0.05)膜来代替非晶硅膜。
为了执行结晶，添加诸如镍(Ni)这样的金属元素，该金属元素对半导体的结晶有催化作用。图16A中，在将含镍(Ni)层752保持在非晶硅膜751上之后，执行由辐射加热或传导加热所引起的热处理，以便进行结晶。例如，在当前的加热温度740℃下执行180秒的如下RTA，该RAT是通过灯作为热源进行的(快速加温退火)或者是通过加热气体进行的(气体RTA)。当前加热温度是用高温计测量的基板的温度，并且该温度被视为在热处理时的当前温度。或者，可以用退火炉执行550℃、4个小时的热处理。由于具有催化作用的金属元素的作用，该结晶温度被降低了，并且用于结晶的时间也被缩短了。
为了进一步改善这样形成的结晶硅膜755的结晶度，执行激光处理(图16B)。用来自LD激发输出10W的激光振荡器的光源的二次谐波(Nd:YVO4激光、CW、532nm)作为激光753，并且用来自输出30W的激光振荡器的光源的基波(Nd:YAG激光、CW、1.064μm，TEM00)作为激光754。当二次谐波以这种方式在被照表面上与基波重叠时，有可能执行结晶，以便校正照射中的不规则性，能使激光处理均一化，并且获得高的生产量。这样，就能够获得结晶的半导体膜756(图16C)。
为了去除包括在结晶硅膜中的像金属这样的杂质，执行图17所示的吸气，这对将结晶过程中有意添加的具有催化作用的金属的浓度降低到1x1017/cm3或1x1017/cm3以下尤其有效。有必要新形成一个吸气点，目的是对以薄膜形状所形成的结晶硅膜执行吸气。图17中，作为吸气点，在半导体膜756上形成非晶硅膜758，在二者之间具有阻挡层757。非晶硅膜758具有：杂质元素，诸如磷或硼；稀有气体元素，诸如Ar，Kr或Xe；或者诸如氧或氮这样的元素，这些元素被以1x1020/cm3包括以便形成扭曲。最好用Ar作为溅射气体来执行高频溅射，以便形成非晶硅膜。有可能在淀积时采用任何基板加热温度，并且例如，150℃的温度就足够了。
对于而后的热处理，在750℃下执行180秒的如下RTA，该RTA是通过灯进行的或者是通过加热气体进行的(气体RTA)。或者，用退火炉来执行550℃、4个小时的热处理。通过热处理，出现金属元素与非晶硅膜758的分离，并且因此有可能纯化半导体膜756。在热处理之后，通过利用NF3或CF4的干腐蚀或者湿腐蚀来去除非晶硅膜758，其中干腐蚀不利用ClF3的等离子体，湿腐蚀利用碱溶液，诸如包括肼或四甲基羟铵((CH3)4NOH)的溶液。用氢氟酸腐蚀去除阻挡层756。
在实施例模式5到8的任何一个中，将这样获得的半导体膜756用作半导体膜。
[实施例模式11]
参考图18，解释根据实施例模式5到10中的任何一个用微型计算机作为典型半导体器件的实例。如图18所示，有可能实现在厚度为0.3mm到1.1mm的玻璃基板上集成了多种功能电路部分的微型计算机800。多种功能电路部分可主要由根据实施例模式5到10中任何一个所制造的TFT或电容器形成。
微型计算机800包括如下元件，诸如CPU 801、ROM 802、中断控制器803、高速缓存器804、RAM 805、DMAC 806、时钟发生电路807、串行接口808、电源发生电路809、ADC/DAC 810、定时计数器811、WDT 812和I/O端口813。
在本实施例模式中，该微型计算机作为实例加以显示。当改变多种功能电路的构成或其组合时，也有可能完成多种功能半导体器件，诸如媒体处理器、用于图形的LSI、密码LSI、存储器、用于蜂窝电话的LSI。
另外，有可能用形成在玻璃基板上的TFT制造液晶显示器件或EL(电致发光)显示器。作为使用这种显示器的电子器件，可以给出摄像机、数码相机、护目镜型显示器(头戴显示器)、导航系统、声音再现装置(诸如汽车音频系统和音频装置)、膝上型计算机、游戏机、便携式信息终端(诸如移动计算机、蜂窝电话、便携式游戏机和电子书)、包括记录介质的图像再现装置(更具体地说，是能够再现诸如数字多用途盘(DVD)的记录介质并显示所再现的图像的装置)等。而且，也有可能应用液晶显示器件或EL显示器作为并入家用电器中的显示器件，所述家用电器诸如电冰箱、洗衣机、微波炉、电话或传真机。如上所述，本发明可以很广泛地应用于多个领域的产品。
当利用本发明时，可以获得下述显著优点。
(a)波长约为1μm的基波在效率不足的常规半导体薄膜中不怎么被吸收。然而，当同时使用谐波时，该基波在由该谐波所融化的半导体薄膜中被更多地吸收，并且该半导体膜的退火效率更佳。
(b)当同时照射约1μm波长的基波与谐波时，存在如下优点：诸如抑制了半导体膜温度的快速变化，并且通过小的输出来辅助谐波的能量。不象更高次的谐波，对于基波而言不必使用非线性光学元件来转换波长，并且有可能获得具有相当大的输出的激光束，例如，该激光束具有大于更高次谐波百倍的能量。由于非线性光学元件对激光的弹限强度相当弱，所以就造成了这样能量差。另外，用来产生更高次谐波的非线性光学元件在质量可能会有改变，并且存在如下的缺点：诸如难以长期保持作为固体激光器优点的免维护的状态。因此，根据本发明，通过基波来辅助更高次的谐波是很有用的。
(c)有可能对要经受照射的对象执行均一退火，这特别适合于半导体膜的结晶，改善结晶度和激活杂质元素。
(d)有可能提高生产量。
(e)如果满足了上述的优点，则在有源矩阵液晶显示器件为代表的半导体器件中，就有可能实现改进该半导体器件的操作特性和可靠性。另外，有可能实现降低该半导体器件的生产成本。

Claims (33)

1.一种激光照射系统，包含：
第一激光振荡器，用于输出具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束；
用来在被照表面将第一激光振荡器发射的第一连续波激光束处理成椭圆光束的装置；
第二激光振荡器，用于输出基波的第二连续波激光束；
用来将第二激光振荡器发射的第二连续波激光束照射到所述被照表面的一个区域的装置；
用来使所述被照表面在第一方向上向第一和第二连续波激光束相对移动的装置；和
用来使所述被照表面在第二方向上向第一和第二连续波激光束相对移动的装置，
其中，将所述椭圆光束照射到所述被照表面的所述区域上，而且，
其中，所述被照表面包含在对第一连续波激光束半透明的厚度为d的基板上形成的膜，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
2.根据权利要求1所述的激光照射系统，其中，第一和第二激光振荡器均具有连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器。
3.根据权利要求1所述的激光照射系统，其中，第一和第二激光振荡器均具有Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
4.根据权利要求1所述的激光照射系统，其中，第一方向与第二方向相互垂直。
5.根据权利要求1所述的激光照射系统，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
6.一种照射激光的方法，包含如下步骤：
在被照表面，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束处理为椭圆光束；和
将基波的第二连续波激光束和所述椭圆光束同时照射到所述被照表面的一个区域上，同时使所述被照表面相对于所述椭圆光束在一个方向上相对移动，
其中，所述被照表面包含在对第一连续波激光束半透明的厚度为d的基板上形成的膜，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
7.根据权利要求6所述的照射激光的方法，其中，第一和第二连续波激光束均由连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器发射。
8.根据权利要求6所述的照射激光的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射于Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
9.根据权利要求6所述的照射激光的方法，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
10.一种用来制造半导体器件的方法，包含如下步骤：
在基板上的半导体膜的表面，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束处理为椭圆光束；和
通过将基波的第二连续波激光束和所述椭圆光束同时照射到所述半导体膜的所述表面的一个区域上，同时使所述半导体膜的所述表面相对于所述椭圆光束在一个方向上相对移动，来使所述半导体膜结晶，
其中，所述基板对第一连续波激光束为半透明，它的厚度为d，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
11.根据权利要求10所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射于连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器。
12.根据权利要求10所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射于Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
13.根据权利要求10所述的制造半导体器件的方法，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
14.一种用来制造半导体器件的方法，包含如下步骤：
在基板上的半导体膜的表面，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束处理为椭圆光束；和
通过将基波的第二连续波激光束和所述椭圆光束同时照射到所述半导体膜的所述表面的一个区域上，同时使所述半导体膜的所述表面相对于所述椭圆光束在一个方向上相对移动，来激活在所述半导体膜中形成的杂质区域，
其中，所述基板对第一连续波激光束为半透明，它的厚度为d，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
15.根据权利要求14所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射于连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器。
16.根据权利要求14所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射于Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
17.根据权利要求14所述的制造半导体器件的方法，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
18.一种用来制造半导体器件的方法，包含如下步骤：
在基板上形成半导体层；
形成用来覆盖所述半导体层的绝缘层；
在所述半导体层上形成导电层，所述绝缘层在二者之间；
在被照表面，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束处理为椭圆光束；以及
通过将基波的第二连续波激光束和所述椭圆光束同时照射到所述半导体层的所述被照表面的一个区域上，同时使所述半导体层的所述被照表面相对于所述椭圆光束在一个方向上相对移动，来选择性地加热所述导电层，以便执行所述半导体层和绝缘层的热处理，
其中，所述基板对第一连续波激光束为半透明，它的厚度为d，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
19.根据权利要求18所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射自连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器。
20.根据权利要求18所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射自Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
21.根据权利要求18所述的制造半导体器件的方法，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
22.一种照射激光的方法，包含如下步骤：
在基板上的被照表面，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束处理为椭圆光束；和
将基波的第二连续波激光束和所述椭圆光束照射到所述被照表面的一个区域上，同时使所述被照表面相对于所述椭圆光束在一个方向上相对移动，
其中，所述椭圆光束在所述被照表面的所述区域与第二连续波激光束相重叠，而且，
其中，所述基板对第一连续波激光束为半透明，它的厚度为d，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
23.根据权利要求22所述的照射激光的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射自连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器。
24.根据权利要求22所述的照射激光的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射于Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
25.根据权利要求22所述的照射激光的方法，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
26.一种用来制造半导体器件的方法，包含如下步骤：
在基板上的半导体膜的表面，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束处理为椭圆光束；和
通过将基波的第二连续波激光束和所述椭圆光束照射到所述半导体膜的所述表面的一个区域上，同时使所述半导体膜的所述表面相对于所述椭圆光束在一个方向上相对移动，来使所述半导体膜结晶，
其中，所述椭圆光束在所述被照表面的所述区域与第二连续波激光束相重叠，而且，
其中，所述基板对第一连续波激光束为半透明，它的厚度为d，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
27.根据权利要求26所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射自连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器。
28.根据权利要求26所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射自Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
29.根据权利要求26所述的制造半导体器件的方法，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
30.一种用来制造半导体器件的方法，包含如下步骤：
在基板上的半导体膜的表面，将具有可见光的波长或者具有短于可见光的波长的第一连续波激光束处理为椭圆光束；和
通过将基波的第二连续波激光束和所述椭圆光束同时照射到所述半导体膜的所述表面的一个区域上，同时使所述半导体膜的所述表面相对于所述椭圆光束在一个方向上相对移动，来激活在所述半导体膜中所形成的杂质区域，
其中，所述椭圆光束在所述半导体膜的所述区域与第二连续波激光束相重叠，而且，
其中，所述基板对第一连续波激光束为半透明，它的厚度为d，当椭圆光束的长轴的长度用W表示时，第一连续波激光束的入射角φ满足不等式φ≥arctan(W/2d)。
31.根据权利要求30所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射自连续波的气体激光器、固体激光器或金属激光器。
32.根据权利要求30所述的制造半导体器件的方法，其中，第一和第二连续波激光束均发射自Ar激光器、Kr激光器、CO2激光器、YAG激光器、YVO4激光器、YLF激光器、YAlO3激光器、红宝石激光器、翠绿宝石激光器、Ti：蓝宝石激光器、氦-镉激光器、铜蒸汽激光器或金蒸汽激光器。
33.根据权利要求30所述的制造半导体器件的方法，其中，第二连续波激光束短轴的长度比椭圆光束短轴的长度长。
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