CN101005017A - 形成半导体薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造半导体薄膜的方法，包括：在半导体衬底上形成绝缘层；蚀刻绝缘层，以形成多个开口，该开口在开口的底部露出衬底；使用半导体籽晶层填充开口；在籽晶层和绝缘层上形成非晶层；通过将非晶层暴露于第一能级的第一激光照射，将非晶层转化为多晶层；以及通过使用第二能级的第二激光照射退火多晶层和半导体籽晶层，形成单半导体晶体膜。

Description

形成半导体薄膜的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2006年1月16日提交的申请KR2006-0004334的优先权，将其内容在此引入作为参考。
技术领域
本公开涉及制造半导体薄膜的方法，具体，涉及使用半导体籽晶制造薄膜的方法。
背景技术
通常，晶体材料基于它们的晶体结构，可以分类为单晶体(或单晶)、多晶体(或多晶)、或非晶体(amorphous)或其组合。单晶体材料具有单个晶体单元结构，而多晶材料具有包括多个晶体单元的结构。非晶材料不包括限定的晶体结构，由于非晶材料中的原子彼此不规则地键合。由于多个晶体结构单元，多晶材料典型地具有许多晶粒边界。例如电子和空穴的载流子的移动被这些晶粒边界所限制。因此，在单晶材料中，电子导电/移动特性是优异的，然后是多晶材料，然后非晶材料。这样，优选地使用单晶硅材料层，作为具有层叠结构的薄膜晶体管(TFT)的有源区。
在US专利No.6,746,942中提出了制造单晶硅薄膜的方法。所提出的方法包括在绝缘衬底上形成非晶硅薄膜、通过激光束的照射熔化非晶薄膜、当熔化的薄膜重新晶化时形成多晶薄膜、通过以小于第一照射的强度的激光束的第二照射，并且在小于多晶薄膜的熔点的温度下加热多晶薄膜，以旨在形成单晶薄膜。在该942专利中提出的形成单晶薄膜的方法中，从熔化的非晶薄膜通过重新结晶形成的多晶薄膜包括以大约规则图形对齐的多晶晶粒以及从多显微投影形成的边界。当多晶薄膜在低于多晶硅结构的熔点的温度下经受第二激光照射时，减小多晶边界和微投影，但是由于多晶结构没有熔化，存在其中多晶甚至非晶结构仍然保留的薄膜的区域。通过这些区域的电子率迁移可以小于通过薄膜的其他区域的。
此外，当在例如玻璃的绝缘衬底上形成薄膜时，由于其光学透明性，玻璃是在形成LCD的组件中所使用的受欢迎的材料，用来退火薄膜的热处理可导致衬底中的消融(oblation)和/或变形。在该942专利的所提出的方法中，通过激光照射在其上形成薄膜的绝缘材料必须能够经受从激光照射所生成的热的全部量。如果低热阻类型的玻璃用作绝缘衬底，该衬底将有可能在形状上变形，并且可以在器件的层之间出现消融。
因此，存在对于制造具有最小缺陷的单晶半导体薄膜的方法的需求。还存在对于以减小绝缘衬底上的热应力的方式制造薄膜的需求。
发明内容
提供了一种制造半导体薄膜的方法，包括：在半导体衬底上形成绝缘层；蚀刻绝缘层，以形成多个开口，该开口在开口的底部露出衬底；使用半导体籽晶层填充开口；在籽晶层和绝缘层上形成非晶层；通过将非晶层暴露于第一能级的第一激光照射，将非晶层转化为多晶层；以及通过使用第二能级的第二激光照射退火多晶层和半导体籽晶层，形成单半导体晶体膜，其中第二能级大于第一能级。
根据本发明的一个方面，将第一能级设置为部分地熔化(melt)非晶层的上部，但是使得接触籽晶层的非晶层的下部处于固态，并且将第二能级设置为至少部分地熔化多晶层和籽晶层。非晶层的厚度大约10nm至大约1000nm，并且第一能级是大约200至大约700毫焦耳/cm2，以及第二能级大于700毫焦耳/cm2。激光可以是受激准分子激光、固态激光或CW激光。
根据本发明的另一方面，开口的尺寸形成为使得与通过绝缘层的热流相比，促进来自第二激光照射的热流的主要部分，其中露出衬底的开口在直径或宽度和长度上是大约10至大约100nm，并且绝缘层的厚度是大约200至大约1000nm，以及第二能级是大约700至3000毫焦耳/cm2。
根据本发明的另一方面，通过从衬底选择性的外延生长形成半导体籽晶层。替换地，填充开口的步骤包括淀积与衬底的半导体材料相同的半导体材料，然后执行SEG。衬底中的半导体材料可以是硅或锗。
根据本发明的例子实施例，提供了一种制造半导体薄膜的方法，包括：在半导体衬底上形成绝缘层；蚀刻绝缘层以形成露出衬底的多个开口；在开口中形成半导体籽晶层；在籽晶层和绝缘层上形成多晶硅层；以及退火多晶层和硅籽晶层以形成单晶膜。
根据本发明的该方面，形成多晶硅层的步骤包括：在籽晶层和绝缘层上淀积非单晶层，并使得非单晶层经受第一能级的激光照射。退火的步骤包括使多晶硅层经受第二能级的激光照射，第二能级高于第一能级。将第一能级设置为至少部分地熔化非单晶层。将第二能级设置为至少部分地熔化多晶层和籽晶层。非单晶层是非晶半导体层。
优选地通过从半导体衬底的选择性外延生长，或者从在半导体材料的开口中淀积与衬底中的半导体材料相同的半导体材料来形成半导体籽晶层。
还提供了一种半导体薄膜器件，包括：衬底，具有半导体材料；在衬底上形成的绝缘层，该绝缘层具有从绝缘层的顶到底延伸的多个沟槽；以及在绝缘层上形成的薄膜，其中薄膜和沟槽包括具有单晶结构的半导体材料。半导体材料是硅或锗。
附图说明
图1A至1G是说明根据本发明的示例性实施例的制造半导体器件的步骤的截面图。
图2示出不同能级的激光照射完成时的薄膜半导体器件的视图。
具体实施方式
现在将参照附图说明本发明的优选实施例。
如图1A所示，在半导体衬底10上形成例如氧化物层的绝缘层12。使用光刻胶图形作为蚀刻掩模，在绝缘层12上执行蚀刻工序，以形成开口13。形成开口(或沟槽)13，以使得在开口的底部露出衬底10的表面。半导体衬底10包括单晶半导体材料例如硅、锗等。为了说明本发明的实施例的目的，使用硅作为半导体材料。
参照图1B，使用半导体籽晶层14填充开口13。根据本发明，由从通过开口13的底部露出的部分半导体衬底13的生长，例如，通过执行选择性的外延生长(SEG)工序，形成半导体籽晶层14。通过从半导体衬底10的SEG而形成的籽晶层14是单晶外延层，具有与半导体衬底10相同的材料，其在本实施例中是硅。根据本发明的替换实施例，可以通过使用与衬底10相同的材料填充开口13来形成籽晶层14。然后，可以从所淀积的材料生长籽晶层14，以填充开口。
在图1C中示出，使用例如化学汽相淀积(CVD)工序，在绝缘层12和籽晶层14上形成非单晶层，即不具有限定的晶体结构的层，例如非晶硅层16。非晶硅层16可以是任何的厚度。在本发明的说明性实施例中，非晶硅层的厚度从在大约10nm到大约1000nm的范围内。优选地，非晶硅层是大约20nm至大约500nm。
当例如通过暴露于激光照射，将籽晶层14顶上的非晶硅层16加热到部分熔化条件时，非晶层转化为具有多晶结构的层。根据本发明的实施例，非晶硅层16暴露于某能级的激光照射，以将非晶硅层16加热到等于或高于非晶硅的熔点的温度。
图1D说明暴露于第一激光照射17的非晶硅层16。根据本发明的实施例，将第一激光照射设置为某能级，以使得在非晶层的上部，非晶层16熔化，以及接触籽晶层14的非晶层16的下部保持在固态。当熔化的非晶硅重新结晶时，形成具有多晶结构，即晶粒以具有多个限定的边界的大约规则图形对准的硅层18。形成多晶硅层18在图1E中所示。
根据本说明性实施例，使用在大约200至大约2000毫焦耳/cm2的固态准分子激光，更优选，激光在大约200至大约700毫焦耳/cm2的范围内照射。替换地，还可以使用固态或CW激光。
通过将多晶层18暴露于第二激光照射，形成单晶层。如图1F所示，多晶层18暴露于第二激光照射19。将第二激光照射19设置为以比第一激光照射17更高的能级照射。根据本发明的实施例，第二激光照射19的更高能级应当将器件加热到多晶硅结构的熔点之上，足以退火多晶硅层18和籽晶层14的温度。当重新结晶时，熔化的多晶硅结构和层14中的单晶硅籽晶材料的键合将多晶硅层转化为单晶层20，如图1G所示。根据本发发明的本说明性实施例，将第二激光照射设置为大于700毫焦耳/cm2的能级，更优选，该能级从800至大约3000毫焦耳/cm2。根据本发明的另一实施例，在开口的底部露出衬底10的开口13的直径或宽度和长度是大约10nm至大约100nm，以及绝缘层的厚度是大约200nm至大约1000nm。
应注意，在开口14中形成的硅籽晶层14用作多个功能，包括(1)提供单晶硅籽晶材料，以当由第二激光照射加热时并且当重新结晶时，与层18中的多晶硅材料键合，形成具有单晶结构的硅薄膜；以及(2)提供从多晶层，通过籽晶层14，到衬底10的热管道。从激光照射产生的热，经常变得在顶层和绝缘层之间受限，可以通过到衬底10的热导管缓解。在操作中，通过热导管的热流占通过绝缘层的热流的主要部分。因此，可以最小化由绝缘层变形和由于受限的热的层之间的消融所导致的缺陷。
图2示出根据本发明的方法的至少一个实施例制造的薄膜器件的视图。图2的视图对应于表1中所列，具有来自在经受不同能量密度级的第一和第二激光照射之后的薄膜器件的数据。
表1
区域     第一激光       第二激光       缺陷
区域1    700J/Cm2       950J/Cm2       12ea
区域2    700J/Cm2       1000J/Cm2      74ea
区域3    800J/Cm2       950J/Cm2       442ea
区域4    800J/Cm2       1000J/Cm2      512ea
从表1中可以看出，使用从激光照射所采用的最佳能级，能够减小缺陷的数目。
在此描述的实施例是具有对应于在权利要求中所述的本发明的元件的元件的结构、系统或方法的例子。文本说明使得本领域技术人员可以制造并使用具有另外对应于在权利要求书中所述的本发明的元件的替换元件的实施例，。因此本发明的期望范围包括没有背离权利要求的文字语言的结构、系统或方法，并进一部包括具有没有失职地背离权利要求的文字语言的其他结构、系统或方法。

Claims (26)

1.一种制造半导体薄膜的方法，包括：
在半导体衬底上形成绝缘层；
蚀刻绝缘层，以形成多个开口，该开口在开口的底部露出衬底；
使用半导体籽晶层填充开口；
在籽晶层和绝缘层上形成非晶层；
通过将非晶层暴露于第一能级的第一激光照射，将非晶层转化为多晶层；以及
通过使用第二能级的第二激光照射退火多晶层和半导体籽晶层，形成单半导体晶体膜。
2.如权利要求1的方法，其中第二能级大于第一能级。
3.如权利要求1的方法，其中将第一能级设置为部分地熔化非晶层的上部，但是使得接触籽晶层的非晶层的下部处于固态。
4.如权利要求1的方法，其中将第二能级设置为至少部分地熔化多晶层和籽晶层。
5.如权利要求1的方法，其中非晶层的厚度是大约10nm至大约1000nm，并且第一能级是大约200至大约700毫焦耳/cm2，以及第二能级大于700毫焦耳/cm2。
6.如权利要求1的方法，其中激光是准分子激光、固态激光或CW激光。
7.如权利要求1的方法，其中开口的尺寸形成为使得与通过绝缘层的部分热流相比，促进来自第二激光照射的热流的主要部分。
8.如权利要求7的方法，其中露出衬底的开口在直径或宽度和长度上是大约10至大约100nm。
9.如权利要求1的方法，其中绝缘层的厚度是大约200至大约1000nm，以及第二能级是大约700至3000毫焦耳/cm2。
10.如权利要求1的方法，其中填充开口的步骤包括淀积与衬底的半导体材料相同的半导体材料。
11.如权利要求1的方法，其中通过从衬底选择性的外延生长形成半导体籽晶层。
12.如权利要求1的方法，其中半导体是硅或锗。
13.一种制造半导体薄膜的方法，包括：
在半导体衬底上形成绝缘层；
蚀刻绝缘层，以形成露出衬底的多个开口；
在开口中形成半导体籽晶层；
在籽晶层和绝缘层上形成多晶硅层；以及
退火多晶层和硅籽晶层，以形成单晶膜。
14.如权利要求13的方法，其中形成多晶硅层的步骤包括：
在籽晶层和绝缘层上淀积非单晶层，并使得非单晶层经受第一能级的激光照射。
15.如权利要求14的方法，其中退火的步骤包括使多晶硅层经受第二能级的激光照射，第二能级高于第一能级。
16.如权利要求13的方法，其中将第一能级设置为至少部分地熔化非单晶层。
17.如权利要求13的方法，其中通过从半导体衬底的选择性外延生长，或者从在半导体材料的开口中淀积与衬底中的半导体材料相同的半导体材料来形成半导体籽晶层。
18.如权利要求13的方法，其中半导体是硅或锗。
19.如权利要求13的方法，其中非单晶层是非晶半导体层。
20.如权利要求15的方法，其中将第二能级设置为至少部分地熔化多晶层和籽晶层。
21.如权利要求15的方法，其中开口的尺寸形成为使得与通过绝缘层的部分热流相比，促进来自第二激光照射的热流的主要部分。
22.如权利要求13的方法，其中非单晶层的厚度是大约10nm至大约1000nm，并且第一能级是大约200至大约700毫焦耳/cm2，以及第二能级大于700毫焦耳/cm2。
23.如权利要求13的方法，其中露出衬底的开口在直径或宽度和长度上是大约10nm至大约100nm，以及绝缘层的厚度是大约200nm至大约1000nm。
24.如权利要求15的方法，第二能级是大约700至3000毫焦耳/cm2。
25.一种半导体薄膜器件，包括：
衬底，具有半导体材料；
在衬底上形成的绝缘层，该绝缘层具有从绝缘层的顶到底延伸的多个沟槽；以及
在绝缘层上形成的薄膜，其中薄膜和沟槽包括具有单晶结构的半导体材料。
26.如权利要求25的器件，其中半导体材料是硅或锗。
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