[发明专利]激光热处理方法,激光热处理装置以及半导体装置

说明书

技术领域

本发明涉及为了实现高迁移率的薄膜晶体管，形成结晶性良好的多结晶的硅膜的激光热处理方法、激光热处理装置以及使用该方法或装置制造的半导体装置。

背景技术

当前，液晶面板的像素部分通过玻璃或者合成石英的基板上的非晶质或者多结晶的硅膜制作的薄膜晶体管的通断来构成图像。如果在该面板上能够同时构成驱动像素晶体管的驱动电路(当前主要独立地设置在外部)，则将在液晶面板的制造成本可靠性等方面产生突出的优点。然而，当前构成晶体管的有源层的硅膜的结晶性差，因此以迁移率为代表的晶体管的性能差，难以制作要求高速性高性能性的集成电路。作为以实现高迁移率的薄膜晶体管为目的的改善硅膜的结晶性的方法，一般实施由激光进行的热处理。

以下说明硅膜的结晶性与薄膜晶体管的迁移率的关系。通过激光热处理得到的硅膜一般是多晶硅。在多结晶的结晶粒界中存在着结晶缺陷，这将阻碍薄膜晶体管的有源层的载流子移动。从而，为了提高薄膜晶体管的迁移率，可以减少载流子沿有源层移动过程中横跨过结晶粒界的次数，而且可以减少结晶缺陷密度。激光热处理的目的是形成结晶粒径大而且结晶粒界中的结晶缺陷少的多结晶的硅膜。    

图11示出现有的激光热处理装置的一例。图11中，脉冲激光光源501作为热处理使用的激光器，是发出一般所使用的紫外线光的波长小于350nm的作为代表性的脉冲激光器的受激准分子激光器(KrF(波长：248nm)，XeCl(波长：308nm)等)光源。受激准分子激光器的光502从脉冲激光光源501射出。光束均化器503使受激准分子激光器的光502的强度分布均匀。聚光光学系统504把受激准分子激光器的光502聚光。作为激光热处理的对象配置了非晶质的硅膜505。非晶质的硅膜505形成在玻璃或者石英基板507上的基底氧化硅膜506上。

其次，说明现有的激光热处理方法。从脉冲激光光源501射出的受激准分子激光器的光502经过光束均化器503由聚光光学系统504照射到非晶质的硅膜505上。利用受激准分子激光器的光502的照射熔融照射区域中的非晶质的硅膜505上。然后，随着温度下降，熔融了的硅发生结晶化，形成多结晶的硅膜。这里，对于受激准分子激光器的光，由于硅具有非常高的吸收系数，因此即使很薄的硅膜也能够进行高效的热处理。然而，由于吸收系数过高，故激光在表面附近10nm附近被吸收。非晶质的硅膜505的熔融过程示于图12A～图12D。图12A示出沿以P所示的方向照射激光时，图12B示出照射数10ns后，图12C示出图12B之后进一步照射数10ns后，图12D示出结晶生长后的硅膜505的状态。激光照射时，硅膜505具有基于图12A所示的高斯光束剖面601的熔融深度分布以及温度分布，形成硅膜的熔融部分603。由于热一般以宽的角度传导，因此由于热传导，随着熔融深度的变深，如图12B所示，其分布逐渐衰减，最终如图12C所示成为均匀分布，形成硅膜的熔融部分603。从而，由于沿横向不存在温度分布，因此再结晶生长成为纵向生长，图12D所示那样得到的结晶粒604呈纵长状。即，对于载流子移动的面方向的结晶粒径减小。

图13示出把这样形成的多结晶硅膜作为有源层制作的MOS晶体管的迁移率(n沟道)对于激光器的照射能量密度的依存性。图13示出作为脉冲激光光源501(图11)使用KrF受激准分子激光器光源的结果，其脉冲时间宽度大约是15nsec(FWHM)。另外，氧化硅膜506，非晶质的硅膜505的厚度分别是200nm,50nm。这里，被激光照射的面积规定为由照射强度达到峰值的1/e²以上的部分构成的面积，照射能量密度从照射的激光能量算出。如由图13所知，在上述的激光热处理条件下，通过把受激准分子激光器的照射能量密度设定为230mJ/cm²可以得到最高迁移率为80cm²/Vs，另外在±5mJ/cm²的范围内可以得到最高迁移率的八成以上的迁移率。然而，在这种程度的迁移率下，用于制作高速、高性能的集成电路是不够的。另外，如从图13所见，迁移率对于激光能量密度的依存性很大，在把同样方法导入到生产线时，如果不能够继续严密地控制激光器输出以及光学系统的聚光性，则存在所制作的晶体管的特性分散的问题。考虑这是因为由于硅中的受激准分子激光器的光的吸收率很大，因微小的噪声能量密度的变化而使熔融状态不同导致再结晶过程发生变化的缘故。