CN1322561C - 激光装置、激光退火方法和半导体器件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供激光装置和激光退火方法，利用该装置和方法，可获得具有更大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜，而且该装置和方法在运行成本方面较低。容易维护和耐用性强的固态激光器被用作激光器，由其发射的激光被线性化，以增加生产量和降低整个生产成本。此外，用这样的激光来照射非晶半导体薄膜的正面和背面，以获得具有更大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜。

Description

激光装置、激光退火方法和半导体器件的制造方法
技术领域
本发明涉及利用激光对半导体薄膜进行退火(以下称为激光退火)的方法和进行激光退火的激光装置(该装置包括激光器和将从激光器输出的激光引导到处理对象的光学系统)。本发明还涉及利用包括激光退火步骤的制造工艺制造的半导体器件以及该制造工艺方法。其中该半导体器件包括如液晶显示器和EL显示器之类的电子光学器件和将电子光学器件作为其部件之一的电子装置。
背景技术
近年来，薄膜晶体管(以下称为TFTs)有了很大的发展，并且使用多晶硅薄膜(polysilicon films)作为结晶半导体薄膜的TFTs特别引人注目。特别是在液晶显示器(液晶显示器件)和EL(电致发光)显示器中，这种TFTs用作转换象素的元件和形成用以控制象素的驱动电路的元件。
获得多晶硅薄膜的一般方法是将非晶硅薄膜结晶成为多晶硅薄膜的技术。其中利用激光使非晶硅薄膜结晶的方法近来已成为特别引人注目的方法。在本说明书中，利用激光使非晶半导体薄膜结晶从而获得结晶半导体薄膜的情况被称为激光结晶化。
激光结晶化能够对半导体薄膜瞬间加热，因此，作为使形成于诸如玻璃衬底或塑料衬底等的低耐热性衬底上的半导体薄膜退火的方法，它是一种有效的技术。此外，与使用电炉(以下称为退火炉退火)的常规加热方法相比，激光退火无疑可使生产量提高。
有各种激光，一般用于激光结晶化的激光是从作为光源的脉冲振荡型受激准分子激光器产生和发射的激光(下文称为受激准分子激光)。受激准分子激光器的优点在于其输出大且能够以高频率重复照射，并且，受激准分子激光器具有对于硅薄膜来说的高吸收系数。
为了产生受激准分子激光，使用KrF(波长248nm)或XeCl(波长308nm)作为激发气体。可是，Kr(氪)气体和Xe(氙)气体是非常昂贵的，在频繁填充气体时引起生产成本增加的问题。
此外，每两年或三年，受激准分子激光退火要求更换例如用于激光振荡的激光管和用于去除在振荡期间产生的不需要的化合物的气体提纯部件等附件。这些附件中的许多也都是昂贵的，从而增加了生产成本。
如上可知，对于批量生产的激光装置来说，使用受激准分子激光的激光装置不具有高性能，并且还具有其维护非常麻烦和运行成本(这指操作该装置所需要的成本)高的缺点。
发明内容
鉴于上述问题，制定了本发明。因此，本发明的目的在于提供激光装置和使用该激光装置的激光退火方法，该激光装置能够提供具有比现有技术大的晶粒尺寸的结晶半导体薄膜并且运行成本低。本发明的另一个方案是提供使用激光退火方法制造的半导体器件和制造该半导体器件的方法。
为此，本发明提供一种激光装置，包括：固态激光器；光学系统，使从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化；处理室，用激光照射处理对象的前面和背面；反射部件，反射部件反射来自处理对象的前面的激光。
本发明还提供一种激光装置，包括：固态激光器；光学系统，使从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化；处理室，用激光照射处理对象的前面和背面，该处理对象的背面具有反射部件，用于使该激光器的光从其背面进入处理对象。
本发明又提供一种激光装置，包括：固态激光器；光学系统，将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化，以将激光从处理对象的前面引入处理对象；反射部件，所述所述反射部件反射来自所述处理对象的所述前面的激光。
本发明再提供一种激光装置，包括：固态激光器；将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光分离成三次谐波和四次谐波的装置；将四次谐波从处理对象正面引入处理对象的光学系统和将三次谐波从处理对象背面引入处理对象的光学系统。
此外，本发明提供一种激光退火方法，包括以下步骤：利用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；用其截面形状已被线性化的激光照射处理对象的正面和背面。
本发明还提供一种激光退火方法，包括以下步骤：使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；用其截面形状已被线性化的激光照射处理对象的正面，同时用其截面形状已被线性化且已由处理对象背面上设置的反射部件反射的激光来照射处理对象的背面。
本发明提供一种激光退火方法，包括以下步骤：使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；将激光或其截面形状已被线性化的激光分离成主激光和辅助激光；用主激光照射处理对象的正面，用辅助激光照射处理对象的背面。
此外，本发明提供一种激光退火方法，包括以下步骤：使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光分离成三次谐波和四次谐波；用四次谐波照射处理对象的正面，周三次谐波照射处理对象的背面。
本发明提供一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的截面被线性化的激光照射半导体薄膜的正面和背面；形成具有有源层的已用激光照射半导体薄膜的薄膜晶体管。
本发明也提供一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；构图半导体薄膜，以形成岛状半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的其截面被线性化的激光照射半导体薄膜的正面和背面；形成具有有源层的已经用激光照射过该岛状半导体薄膜的薄膜晶体管。
此外，本发明提供一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的其截面被线性化的激光照射半导体薄膜的正面和背面；构图已经用激光照射过的半导体薄膜，以形成岛状半导体薄膜；形成具有有源层的岛状半导体薄膜的薄膜晶体管。
另外，本发明提供一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的四次谐波照射半导体薄膜的正面，用从作为光源的固态激光器产生和发射的三次谐波照射半导体薄膜的背面；形成具有有源层的已经用三次谐波和四次谐波照射该半导体薄膜的薄膜晶体管。
本发明还提供一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；构图半导体薄膜，以形成岛状半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的四次谐波照射半导体薄膜的正面，用从作为光源的固态激光器产生和发射的三次谐波照射半导体薄膜的背面；形成具有有源层的已经用三次谐波和四次谐波照射该半导体薄膜的薄膜晶体管。
本发明的特征在于，利用从作为光源的固态激光器(使用晶体棒作为谐振腔来输出激光的激光器)产生和发射的激光照射半导体薄膜的正面侧和其背面侧。
当照射半导体薄膜时，最好用光学系统使激光线性化。为了使激光线性化，需要使激光形成为这样的形状，以便用激光照射处理对象时使被照射区域线性化。简要地说，它表示激光的横截面形状是线性的，这里的术语“线性”并不表示严格意义上的字含义，而是指具有大的纵横比例的矩形(或长方形)。例如，具有10或以上(最好为100至10000)纵横比的矩形或长方形。
在以上结构中，固态激光器可以是一般公知的，例如YAG激光器(通常表示为Nd∶YAG激光器)、Nd∶YVO4激光器、Nd∶YAIO3激光器、兰宝石激光器、Ti∶红宝石激光器或玻璃激光器。由于其在一致性和脉冲能量方面极优，因而特别优选YAG激光器。有连续波YAG激光器和脉冲振荡型YAG激光器，在本发明中期望使用后者，因其可照射较大区域。
可是，YAG激光器的基波(一次谐波)具有高至1064nm的波长。因此，最好使用二次谐波(波长532nm)、三次谐波(波长355nm)或四次谐波(波长266nm)。
特别是，YAG激光器的二次谐波的频率为532nm并处在这样的波长范围内(约530nm)，即在该波长范围内，当用二次YAG激光波照射非晶硅膜时，在非晶硅膜上的反射是最少的。此外，在该波长范围内，可透过非晶半导体薄膜的激光量足以利用反射部件有效地从其背面侧再次照射非晶半导体薄膜。并且，二次谐波的激光能量大，最大约为1.5J/脉冲(在现有脉冲振荡型YAG激光装置中)。因此，当它被线性化时，其在纵向方向的长度被明显地拉长，从而能够用激光同时照射大的区域。利用非线性晶体可获得这些谐波。
利用包括非线性元件的波长调制器，可将基波调制成二次谐波、三次谐波或四次谐波。由下列任何公知的技术都可形成各谐波。在本说明书中，“从作为光源的固态激光器产生和发射的激光”不仅包括基波而且还包括通过调制基波波长而获得的二次谐波、三次谐波和四次谐波。
另外，可使用常常用于YAG激光器中的Q开关方法(Q调制开关法)。该方法足以预先降低激光谐振器的Q值，然后迅速提高Q值，从而输出具有非常高的能量值的尖锐脉冲激光。该方法是公知技术中的一种。
基本上，只要固体晶体、谐振镜和激活固体晶体的光源令人满意，用于本发明的固态激光器便可输出激光。因此，其维护并不象受激准分子激光器那样费力。换言之，与受激准分子激光器相比，固态激光器的运行成本明显较低，从而能够较大地减少半导体器件的生产成本。维护方面的减少导致批量生产线生产率提高，从而制造步骤中的生产量整体提高。这对半导体器件生产成本的减少也相当有利。并且，固态激光器比受激准分子激光器占据更少的面积，这在设计生产线时也是有利的。
此外，用激光照射非晶半导体薄膜的正面侧和背面侧来进行激光退火能够获得其晶粒尺寸比现有技术大(仅从其正面侧照射非晶半导体薄膜)的结晶半导体薄膜。按照本发明的应用，可以认为激光照射在非晶半导体薄膜的正面侧和背面侧使半导体薄膜的熔化和凝固周期缓慢，结果增大了晶粒尺寸。
具有较大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜的获得致使半导体器件的性能大大提高。以TFT为例，晶粒尺寸的扩大使在沟道形成区域中获得的晶粒边界数量减少。即，它允许制造在其沟道形成区域中具有一个优选为零的晶粒边界。由于各晶粒结晶性是这样的，以致基本上可以将其看作为单晶体，从而还可以获得等于或高于利用单晶半导体的晶体管的迁移率(电场效应迁移率)。
并且，在本发明中载流子以非常低的频率穿过晶粒边界，从而减少了ON电流值(当TFT处于ON状态时的漏电流)、OFF电流值(当TFT处于OFF状态时的漏电流)、阈值电压、S值和电场效应迁移率的波动。
附图说明
图1A和1B是表示激光装置结构的图；
图2A和2B是表示激光装置的光学系统结构的图；
图3是展示本发明激光退火方法的图；
图4A和4B是表示激光装置结构的图；
图5是展示本发明激光退火方法的图；
图6是展示本发明激光退火方法的图；
图7A至7E是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；
图8A至8D是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；
图9A至9C是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；
图10A至10E是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；
图11A至11E是展示制造有源矩阵衬底的工艺方法的图；
图12是展示象素结构的图；
图13A和13B是表示有源矩阵型液晶显示器件横截面结构的图；
图14是表示有源矩阵型液晶显示器件顶部结构的图；
图15是表示有源矩阵型液晶显示器件的透视图；
图16A和16F是表示电子器件实例的图；
图17A和17D是表示投影器实例的图；
图18是展示本发明激光退火方法的图。
具体实施方式
实施模式1
下面说明本发明的实施模式。图1A是表示包括本发明激光器的激光装置之结构的图。该激光装置具有Nd∶YAG激光器101、使从Nd∶YAG激光器101产生和发射的激光线性化(最好是二次谐波、三次谐波或四次谐波)的光学系统201、和在其上固定可透光衬底的载物台102。载物台102配有加热器103和加热器控制器104，以将衬底加热到100到450℃的温度。反射部件105配置于载物台102上，并将衬底106放置于反射部件105上，在该衬底上形成非晶半导体薄膜。
如果从Nd∶YAG激光器101输出的激光要被调制成二次至四次谐波中的任一个，那么将包括非线性元件的波长调制器设置于Nd∶YAG激光器101后方。
下面参照图1B说明如何将衬底106固定于具有图1A所示结构的激光装置中。由载物台102固定的衬底106被设置于反应室107中，并采用从作为光源的激光器101产生和发射的线性激光进行照射。通过排气系统(未示出)可使反应室内部减压，或使用气体系统(未示出)使反应室内部具有惰性气体气氛，以便可将半导体薄膜加热到100到450℃的温度而不会污染薄膜。
在反应室内，载物台102可沿导轨108移动，从而使激光能够照射衬底的整个表面。激光从衬底106顶部表面上的由石英构成的窗口(未示出)进入。图1B中，传送室109、过渡室110和装载/卸载室111与反应室107连接，这些室通过门阀112、113相互分离。
能够固定多片衬底的盒子114放置于装载/卸载室111中。用安装于传送室109中的传送自动装置115传送衬底。参考标号106′表示传送中的衬底。利用这种结构，在减小的压力下或在惰性气体气氛中连续进行激光退火。
下面，参照图2A和2B说明使激光线性化的光学系统201。图2A是从其侧面观察的光学系统201的视图，图2B是从其顶部观察的光学系统201的视图。
从作为光源的激光器101产生和发射的激光被柱面透镜阵列202纵向地分裂。分裂的激光再被柱面透镜阵列203横向地分裂。即，最后用柱面透镜阵列202、203将激光分裂成矩阵。
然后，用柱面透镜204会聚激光。激光穿过在柱面透镜204后方的柱面透镜205。此后，激光在反射镜206处被反射，然后通过柱面透镜207，并到达被照射区域208。
此时，投射在被照射区域208上的激光是线性的。这意味着通过柱面透镜207发射的激光截面形状是线性的。通过柱面透镜阵列202、柱面透镜204和柱面透镜207使其在宽度方向(较短的方向)上均匀。另一方面，通过柱面透镜阵列203和柱面透镜205使其在长度方向(较长的方向)上均匀。
下面参照图3对用激光从其正面和背面照射形成于衬底上的处理薄膜的装置进行说明。图3是表示图1A中在衬底106与反射部件105之间的位置关系的图。
图3中，参考标号301表示透光衬底，其正面侧(将要形成薄膜或元件的一侧)具有形成于其上的绝缘膜302和非晶半导体薄膜(或微晶半导体薄膜)303。用于反射激光的反射部件304设置在透光衬底301之下。
透光衬底301可以是玻璃衬底、石英衬底、结晶玻璃衬底或塑料衬底。对于绝缘膜302，可以使用例如氧化硅膜或氮氧化硅膜(SiOxNy)之类的含硅的绝缘薄膜。用于非晶半导体薄膜膜303的保护膜包括非晶硅膜、非晶硅锗膜等。
形成于衬底表面(在该表面上将反射激光)的金属薄膜可用作反射部件304。或者，将由金属元素形成的衬底用作反射部件304。在这种情况下，任何材料都可用于该金属薄膜。一般采用的是包含从铝、银、钨、钛和钽中选择的任何元素的金属薄膜。
还可以在衬底301背面一侧之上直接形成金属薄膜来代替反射部件304的设置，从而在金属薄膜处反射激光。应该指出，该结构仅在半导体器件制造期间形成于背面一侧的金属薄膜不被去除时是可能的。
然后，利用已通过图2A和2B中所示的光学系统201(图中仅示出柱面透镜207)被线性化的激光来照射非晶半导体薄膜303。
此时，用两束激光，即通过柱面透镜207直接照射薄膜的激光305和在其照射非晶半导体薄膜303之前被反射部件304反射的激光306，来照射非晶半导体薄膜303。在本说明书中，用于照射非晶半导体薄膜正面侧的激光被称为主激光，而用于照射其背面侧的激光被称为辅助激光。
在被聚光的过程中，激光通过柱面透镜207，具有相对于衬底正面侧45-90℃的入射角。为此，辅助激光306经过更远的路径达到非晶半导体薄膜303的背面侧以便照射那里。通过在反射部件304的反射表面上形成非均匀部分来散射激光，可以更有效地获得辅助激光306。
实际上，YAG激光的二次谐波具有532nm的频率并在波长范围(约530nm)内，在该波长范围内，当用二次YAG激光波照射非晶半导体薄膜时在非晶半导体薄膜处的反射是最少的。此外，在该波长范围内，通过非晶半导体薄膜传输的激光量足以利用反射部件从其背面侧有效地再次照射非晶半导体薄膜。并且，二次谐波的激光能量大，最大约为1.5J/脉冲(在现有脉冲振荡型YAG激光装置中)。因此，当它被线性化时，其在纵向方向的长度被明显地拉长，从而能够用激光同时照射大的区域。
如上所述，按照本实施模式，从作为光源的固态激光器产生和发射的激光可被线性化，被线性化的激光可以在光学系统中被分裂成主激光和辅助激光，从而可分别用于照射非晶半导体薄膜的正面侧和其背面侧。
实施模式2
所述实施模式2是与实施模式1不同的实现本发明的模式。该实施模式展示一个实例，其中不使用实施模式1中所述的反射部件，而是利用通过光学系统的某些结构把其分裂成两束激光的激光从其正面和背面照射非晶半导体薄膜。
图4A是表示包括本实施模式的激光的激光装置的结构图。该结构基本上与利用图1A和1B在实施模式1中所述的的激光装置结构相同。因此，仅对与上述模式中不同的部件标以不同的符号和进行说明。
该激光装置具有Nd∶YAG激光器101、使从Nd∶YAG激光器101产生和发射的激光线性化并且将其分裂成两束激光(最好是三次谐波或四次谐波)的光学系统401、和在其上固定可透光衬底的可透光载物台402。衬底403A设置在载物台402上，非晶半导体薄膜403b形成于衬底403a上。
如果从Nd∶YAG激光器101输出的激光被调制成三次谐波或四次谐波，那么包括非线性元件的波长调制器设置于Nd∶YAG激光器101的后方。
在本实施模式的情况下，用射过载物台402的激光照射非晶半导体薄膜403b，因此，载物台402必须是可透光的。因为在通过衬底传输激光时从载物台402照射的激光能量(辅助激光)被衰减，因而期望尽量抑制在载物台402处的衰减。
图4B是展示如何在图4A所示的激光装置中固定衬底403a的图。可是，由于其设置与图1B中所示的设置相同，只是在这里使用了可透光的载物台402，因而省略其说明。
下面参照图5说明图4A中所示光学系统401的结构。图5是从其侧面观察的光学系统401的视图。从作为光源的Nd∶YAG激光器501产生和发射的激光(三次或四次谐波)被柱面透镜阵列502纵向地分裂。分裂的激光再被柱面透镜阵列503横向地分裂。然后用柱面透镜阵列502、503将激光分裂成矩阵。
然后，用柱面透镜504会聚激光。激光穿过在柱面透镜504右后方的柱面透镜505。直到该点，光学系统401与图2A和2B中所示的部分相同。
此后，激光进入半透镜506并在该处被分裂成主激光507和辅助激光508。主激光507在反射镜509、510处被反射，通过柱面透镜511，然后到达非晶半导体薄膜403b的正面侧。
由半透镜506分裂的辅助激光508被反射镜512、513、514反射，通过柱面透镜515，然后射过衬底403a到达非晶半导体薄膜403b的背面侧。
此时，投射在衬底的被照射区域208上的激光象实施模式1中那样是线性的。通过柱面透镜阵列502、柱面透镜504和柱面透镜515使其在宽度方向(较短的方向)上均匀。另一方面，通过柱面透镜阵列503、柱面透镜505以及柱面透镜509使其在长度方向(较长的方向)上均匀。
如上所述，按照本实施模式，从作为光源的固态激光器产生和发射的激光可被线性化，被线性化的激光可以被分裂成主激光和辅助激光，以便分别用于照射非晶半导体薄膜的正面侧和其背面侧。
实施模式3
下面将说明的是与实施模式2不同的实施模式。该实施模式展示一个实例，其中利用光学系统的某些结构把激光分裂成两束激光，使这两束激光分别成为三次谐波和四次谐波，用四次谐波照射其正面而用三次谐波照射其背面，从而进行非晶半导体薄膜的激光退火。
图6是表示用于本实施模式的激光装置的光学系统的侧视图。用半透镜602分裂从作为光源的Nd∶YAG激光器601产生和发射的激光。应该指出，从Nd∶YAG激光器601输出的基波的一部分在到达半透镜602之前被调制成波长为355nm的三次谐波。
首先，透过半透镜602的激光(用作辅助激光)通过柱面透镜阵列603和604、反射镜607、柱面透镜608和衬底609a，用于照射非晶半导体薄膜609b的背面侧。
最终用于照射非晶半导体薄膜609b背面侧的激光是线性的。线性化的处理与参照图2A和图2B的光学系统的说明相同，因此这里不再重述。
由半透镜602反射的激光(用作主激光)被包括非线性元件的波长调制器610调制成波长为266nm的四次谐波。因此，激光经过反射镜611、柱面透镜阵列612和613、柱面透镜614和615、反射镜616和柱面透镜617被用于照射非晶半导体薄膜609b的正面侧。
最终用于照射非晶半导体薄膜609b背面侧的激光是线性的。线性化的处理与参照图2A和图2B的光学系统的说明相同，因此这里不再重述。
如上所述，本实施模式的特征在于，用波长为266nm的四次谐波照射非晶半导体薄膜的正面侧，同时用波长为355nm的三次谐波照射非晶半导体薄膜的背面侧。最好如本实施模式那样，使三次谐波和四次谐波的截面形状线性化，以提高激光退火的生产量。
当衬底609a为玻璃衬底时，用波长短于250nm左右的光不能透过衬底。就厚度为1.1mm的Coring，Ltd.的#1737衬底来说，波长大约为240nm的光首先透过衬底。该衬底允许波长为300nm的光大约有38％从其透过，如果波长为350nm，那么大约透过85％，如果波长为400nm，那么大约透过90％。即，当玻璃衬底被用作衬底609a时，期望使用波长为350nm或以上(波长最好为400nm或以上)的激光作为辅助激光。
因此，当如本实施模式那样把Nd∶YAG激光器用作固态激光器且将玻璃衬底用作其上形成非晶半导体薄膜的衬底时，期望使不能透过衬底的主激光作为四次谐波，使可透过衬底的辅助激光成为三次谐波。
如上所述，根据衬底材料或非晶半导体薄膜的薄膜质量，采用其波长与用以照射非晶半导体薄膜背面侧的激光(辅助激光)的波长不同的激光(主激光)来照射非晶半导体薄膜的正面侧是有效的。
尽管用于本实施模式的是由作为光源的一个激光器产生和发射的分离激光，但也可使用输出不同波长激光的两个激光器。
实施例1
利用图7A至9C说明本发明的实施例。下面同时说明象素部分的象素TFT和存储电容器、设置于象素部分周边的驱动电路的n沟道TFT和p沟道TFT的制造方法。
图7A中，以Corning#7059玻璃和#1737玻璃为代表的硼硅酸钡玻璃或硼硅酸铝玻璃可用作衬底701。除这些玻璃衬底之外，还可使用没有光学各向异性的例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、取乙烯奈醛(polyethylene naphthalate)(PEN)、聚醚砜(PES)之类的塑料衬底。
为了防止从衬底701扩散杂质，包括如氧化硅膜、氮化硅膜或氮氧化硅膜之类的基底膜702形成于其上将要形成TFT的衬底701的表面上。例如，构成了用等离子体CVD由SiH4、NH3和N2O形成的厚度为10-200nm(最好为50-100nm)的氮氧化硅膜702a与类似地由SiH4和N2O形成的厚度为50-200nm(最好为100-150nm)的氢化氮氧化硅膜702b的叠层。
使用常规的平行板型增强等离子体CVD形成氮氧化硅膜。通过将10sccm的SiH4、100sccm的NH3和20sccm的N2O导入反应室中，在325℃的衬底温度、40Pa的反应压力、0.41W/cm2的放电功率密度和60MHZ的放电频率的条件下，形成氮氧化硅膜702a。另一方面，通过将5sccm的SiH4、120sccm的N2O和125sccm的H2导入反应室中，在400℃的衬底温度、20Pa的反应压力、0.41W/cm2的放电功率密度和60MHZ的放电频率的条件下，形成氢化的氮氧化硅膜702b。这此薄膜可以通过仅改变衬底温度和变换反应气体来顺序形成。
并且，形成氮氧化硅膜702a，以便当把该衬底看作为中心时其内应力为拉应力。使氮氧化硅膜702b具有一种内应力，与氮氧化硅膜702a的应力相比，该内应力在相同的方向上但其应力的绝对值较小。
接着，用诸如等离子体CVD或溅射之类的公知方法形成其厚度为25-80nm(最好为30-60nm)的非晶半导体薄膜703和非晶结构。例如，用等离子体CVD形成其厚度为55nm的非晶硅薄膜。连续形成基底膜702和非晶半导体薄膜703。例如，如上所述在周等离子体CVD连续形成氮氧化硅膜702a和氢化氮氧化硅膜702b之后，将反应气体SiH4、N2O和H2转换为SiH4和H2或仅仅SiH4，可连接进行淀积，并且不暴露于外部空气气氛。结果，可防止氢化氮氧化硅膜702b的表面被污染，并可减少要制造的TFT的特性变化和阀值电压的波动。
由具有非晶结构的半导体层703形成为如图7B中虚线所示第一形状的岛状半导体层704-708。图10A是该状态的岛状半导体层704和705的顶视图，图11A类似表示岛状半导体层708的顶视图。
在图10和11中，虽然将岛状半导体层形成为各侧为50μm或以下的矩形，但是它可以形成为任意的岛状半导体层，优选地只要从其中心到边缘的最小距离为50μm或以下，它可以是任何多边形或圆形。
然后，对这样的岛状半导体层704-708进行结晶处理。在本实施例中，可以使用在实施模式1-3中所述的任何结晶处理方法和利用实施模式1的方法对岛状半导体层704-708进行激光退火。然后由图7B中实线所示的结晶硅薄膜形成岛状半导体层709-713。
应该指出，尽管本实施例展示了形成相应于一个TFT的一个岛状半导体层的实例，但通过把一个岛状半导体层分隔成多个部件，在岛状半导体层所专用的表面区域较大的情况下(在一个TFT较大的情况下)，可以使多个TFTs部件串联连接成一个TFT。
在当非晶硅膜结晶并收缩大约1-15％时，该薄膜变得致密。区域714形成在因收缩而产生应变的岛状半导体层的边缘部分。并且，当把该衬底看作为其中心时，包括这样的结晶硅薄膜的岛状半导体层具有拉应力。图10B和11B分别表示这种状态下的岛状半导体层709、710和713的顶视图。在相同图中用虚线表示的区域704、705和708表示起初存在的岛状半导体层704、705和708的尺寸。
当将其中累积有这种应变的区域714进行重叠以形成TFT的栅电极时，由于存在一些缺陷级且结晶性不好，因而它成为引起TFT劣化的原因。例如，因电流被集中在该区域，因而OFF电流值增加或局部产生热。
因此，如图7C所示，形成第二形状的岛状半导体层715至719，以便去除其中累积有这种应变的区域714。在该图中用虚线表示的区域714′是存在累积应变的区域714部分，该图表示在这样的区域内形成第二形状的岛状半导体层715至719的条件。第二形状的岛状半导体层715至719的形状可以任意设置。图10C表示这种状态的岛状半导体层715和714的顶视图。并且，图11C表示岛状半导体层719的顶视图。
此后，利用等离子体CVD或溅射由氧化硅膜形成厚度为50-100nm的掩模层720，以覆盖岛状半导体层715至719。为了控制TFTs的阈值电压(VT)的目的，将赋予P型的杂质元素添加到这种状态的岛状半导体层的整个表面上，达到1×1016至5×1017atoms/cm3的浓度。
如硼(B)、铝(Al)或镓(Ga)之类的周期表第XIII组的元素是公知的对半导体赋予P型的杂质元素。可采用离子注入或离子掺杂作为掺杂这些元素的方法，但是离子掺杂适于具有大面积的衬底。这种离子掺杂方法使用乙硼烷(B2H6)作为源气体并添加硼(B)。这种杂质元素的添加并不总是需要的，可以省略。可是，这是适用于保持预定范围内尤其是n沟道TFT的阈值电压的方法。
为了在驱动电路的n沟道TFT中形成LDD区域，将可赋予n型的杂质元素选择性地添加进入岛状半导体层716和718中。为此目的，预先形成抗蚀剂掩模721a至721e。可使用磷(P)或砷(As)作为可赋予n型的杂质元素，在这里使用磷化氢(PH3)来添加磷(P)。
在所形成的杂质区域中磷(P)的浓度可以在2×1016至5×1019atoms/cm3的范围内，作为低浓度n型杂质区域722和723。本整个说明书中，在这里形成的杂质区域722和723中所包含的赋予n型的杂质元素被表示为(n-)。并且，杂质区域724是形成象素部分的存储电容器的半导体层，将磷(P)按相同浓度添加到该区域中(图7D)。
接着，执行激活所添加的杂质元素的步骤。在氮气氛中在500至600℃下加热处理1至4小时来进行激活或激光激活。此外，可组合这两个方法。在采用激光激活的情况下，使用KrF受激准分子激光(波长248nm)，在振荡频率为5至50Hz和能量密度为100至500mJ/cm2的条件下形成线性光束，以线性光束的覆盖率达到80-98％的比例扫描光束，以处理其上形成岛状半导体层的衬底的整个表面。应该指出，这里并不对激光照射条件进行限制，它们可以由操作者适当确定。可以实施该工艺处理而留下掩模层720，或在去除该掩模层720之后进行工艺处理。
图7E中，利用等离子体CVD或溅射，由包含硅的绝缘膜形成厚度在40到150nm之间的栅绝缘膜725。例如，可以由氮氧化硅膜形成厚为120nm的栅绝缘膜725。并且，将O2添加到SiH4和N2O中所制备的氮氧化硅膜在其膜中的固定电荷密度被降低，因此是对于这种用途的优选材料。不必多说，栅绝缘膜725并不限于这样的氮氧化硅膜，它还可以采用单层或包含硅的其它绝缘膜的叠层结构。在任何情况下，都形成栅绝缘膜725，以便把衬底看作为其中心时有压应力。
如图7E所示，形成耐热导电层，在栅绝缘膜725上形成栅电极。耐热导电层可包括单层，但如果需要，也可以为例如双层或三层等多层的叠层结构。利用这样的耐热导电材料，例如可形成其中包括导电金属氮化物薄膜的导电层(A)726与包括金属膜的导电层(B)727的叠层结构。
导电层(B)727可由选自钽(Ta)、钛(Ti)、钼(Mo)和钨(W)的元素，或主要包括这些元素或组合以上元素而形成的合金膜(一般是Mo-W合金膜、Mo-Ta合金膜)，导电层(A)726可由氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、氮化钛(TiN)、氮化钼(MoN)等构成。导电层(A)726可以采用硅化钨、硅化钛或硅化钼。
为了低电阻，包含在导电层(B)727中的杂质浓度最好减小，尤其是氧浓度可减小到30ppm或以下。例如，通过将氧浓度设置为30ppm或以下，相对于钨(W)来说，可实现20μΩcm或以下的电阻率。
可将导电层(A)726形成为10至50nm(最好20至30nm)，将导电层(B)727形成为200至400nm(最好250至350nm)。在使用W作为栅电极的情况下，利用W作为靶子进行溅射并导入氩气(Ar)和氮气(N2)，形成厚度为50nm的氮化钨(WN)作为导电层(A)726，且形成厚度为250nm的钨(W)作为导电层(B)727。作为另一种方法，利用热CVD，用六氟化钨(WF6)来形成W膜。
在任何情况下，对于用作栅电极来说都需要设计低电阻率，W膜的电阻率最好不高于20μΩcm。通过增加晶粒尺寸，可以实现W膜的低电阻率，但当如钨中的氧之类的杂质元素的含量大时，因阻止结晶，因而电阻率变高。因此，当采用溅射时，所用的W靶具有99.9999％的纯度，并且应充分注意，以免在形成膜期间因气相混合杂质。以这种方式，可实现9至20μΩcm的电阻率。
另一方面，在用TaN膜作为导电层(A)726和用Ta膜作为导电层(B)727的情况下，它可以利用溅射简单地形成。用Ta作为靶和用Ar气体与氮气的混合气体作为溅射气体，可形成TaN膜，用氩气(Ar)作为溅射气体可形成Ta膜。当添加适量的Xe或Kr到溅射气体中时，可减轻所获得的膜的内应力和防止膜的剥离。α相Ta膜的电阻大约为20μΩcm，该膜也可用作栅电极。可是，β相Ta膜的电阻大约为180μΩcm，并且该膜不适合作为栅电极。TaN膜具有与α相大约相同的晶体结构。因此，当Ta膜形成于TaN膜上时，可容易获得α相Ta膜。
顺便指出，尽管图中未示出，但在导电层(A)726下形成厚度约为2至20nm的掺杂磷(P)的硅膜。这样做，可改进附着力并防止形成于其上的导电膜氧化，同时，可以防止包含于导电层(A)726中或导电层(B)727中的微量碱土金属元素扩散进栅绝缘膜725中。在任何情况下，最好将导电层(B)727的电阻设置在10至50μΩcm之间的范围内。
下面，利用光掩模，通过光刻形成抗蚀剂掩模728a至728f，共同腐蚀导电层(A)726和导电层(B)727，以形成栅电极729至733和电容器布线734。这些栅电极729至733和电容器布线734包括具有导电层(A)的729a至733a和具有导电层(B)的729b至733b的整体结构(图8A)。
图10D中示出这种状态下的岛状半导体层715和716和栅电极729和730之间的设置关系。同样地，图11D中示出岛状半导体层719、栅电极733和电容器布线734之间的设置关系。图10D和11D中省略了栅绝缘膜725。
尽管可由操作者适当选择腐蚀导电层(A)和导电层(B)的方法，但在它们由上述主要包括W的材料形成的情况下，最好采用利用高密度等离子体进行高速度和高精度的干腐蚀方法。微波等离子体或导电耦合等离子体(ICP)腐蚀装置可用作获得高密度等离子体的装置。
例如，在使用ICP腐蚀装置腐蚀W中，两种气体、CF4和Cl2被导入反应室中，压力设置为0.5至1.5Pa(最好1Pa)，对导电耦合部分施加200至1000W的高频(13.56MHz)功率。此时，对其上放置衬底的载物台施加20W的高频功率，利用其自偏置充电到负电位，加速正离子并进行各向异性腐蚀。使用ICP腐蚀装置，即使对于如W等硬金属膜来说也可获得2至5nm/秒的腐蚀速度。并且，为了腐蚀而不留下残留物，通过按10-20％的比例延长腐蚀时间，进行过腐蚀较好。可是，需要注意基底膜的腐蚀选择比。例如，由于氮氧化硅膜(栅绝缘膜725)对W膜的选择比为2.5-3，因而露出氮氧化硅膜的表面被腐蚀大约20-50nm，因这样的过腐蚀处理而变得显著较薄。
此后，为了在象素TFT的n沟道TFT中形成LDD区，实施添加可赋予n型的杂质元素的工艺处理(n-掺杂工艺)。利用栅电极729至733作为掩模，通过离子掺杂，以自对准方式添加可赋予n型的杂质元素。将作为可赋予n型的杂质元素而被添加的磷(P)的浓度设置在1×1016至5×1019atoms/cm3之间。以这种方式，如图8B所示，在岛状半导体层中形成低浓度的n型杂质区735至739。
随后，在n沟道TFTs中形成作为源区或漏区的高浓度n型杂质区(n+掺杂工艺)。利用光掩模，首先形成抗蚀剂掩模740a至740d，掺杂可赋予n型的杂质元素，形成高浓度的n型杂质区741至746。用磷(P)作为可赋予n型的杂质元素。使用掺杂磷化氢(PH3)的离子，以便浓度落入1×1020至1×1021atoms/cm3的范围内(图8C)。
在形成p型沟道TFTs的岛状半导体层715和717中形成用作源区或漏区的高浓度p型杂质区748至749。其中用栅电极729和731作为掩模，添加可赋予p型的杂质元素，以自对准方式形成高浓度p型杂质区。此时，利用光掩模形成抗蚀剂膜747a至747c，从而覆盖形成有p型沟道TFTs的岛状半导体薄膜716、718和719的整个表面。
用乙硼烷(B2H6)离子掺杂形成高浓度p型杂质区748至749。在该区域中硼(B)的浓度为3×1020至3×1021atoms/cm3的范围内(图8D)。
在前一步骤中，就高浓度p型杂质区748a至749a而言，按1×1020至1×1021atoms/cm3的浓度，和就高浓度p型杂质区748b至749b而言，按1×1016至5×1019atoms/cm3的浓度，将磷(P)添加到高浓度p型杂质区748至749中。但是，在该步骤中设置所添加的硼(B)的浓度，使其高1.5至3倍，在用作P沟道TFT的源区和漏区中不会产生问题。
此后，如图9A所示，由以上栅电极和栅绝缘膜形成保护绝缘膜750。保护绝缘膜可以包括氧化硅膜、氮氧化硅膜、氮化硅膜或包含这些膜的组合的叠层。在任何情况下，保护绝缘膜750都由无机绝缘材料形成。保护绝缘膜750的膜厚为100至200nm。
当使用氧化硅膜时，混合原硅酸四乙酯(TEOS)和O2，利用等离子体CVD，在40Pa的反应压力和300-400℃的衬底温度下来形成膜，并且在0.5-0.8W/cm2的高频(13.56MHz)功率密度下使等离子体放电，。当使用氮氧化硅膜时，该膜包括利用等离子体CVD由SiH4、N2O和NH3形成的氮氧化硅膜或由SiH4和N2O形成的氮氧化硅膜。在这种情况下膜淀积条件是反应压力为20-200Pa，衬底温度为300-400℃和高频(60MHz)功率密度为0.1-1.0W/cm2。还可使用由SiH4、N2O和H2形成的氢化氮氧化硅膜。类似地，利用等离子体CVD由SiH4和NH3形成氮化硅膜。把衬底看作中心，则形成保护绝缘膜，具有压应力。
此后，对以各浓度添加的赋予n型或p型的杂质元素进行激活的步骤。利用退火炉用热退火方法完成该步骤。除热退火方法外，还可以采用激光退火方法和快速热退火法(RTA法)。在含有其浓度为1ppm或以下、最好为0.1ppm以下的氧的氮气气氛中，在400-700℃、一般为500-600℃的温度下，实施热退火方法。在本实施例中，在550℃下进行4小时的热处理。当具有低耐热温度的塑料衬底用作衬底101时，采用激光退火方法(图9B)。
在激活步骤后，在包含3至100％的氢的气氛中在300至450℃下进行1至12小时的热处理，以氢化岛状半导体层。这是利用热激活的氢来限定岛状半导体层中的悬空键的工艺步骤。作为另一种氢化方式，可以使用等离子体氢化(使用由等离子体激发的氢)。此外，如果衬底701的耐热允许，那么通过300至450℃下的热处理对来自基底膜的氢化氮氧化硅膜702b和保护绝缘膜750的氢化氮氧化硅膜的氢进行扩散，可以氢化岛状半导体层。
在完成激活步骤和氢化步骤后，形成平均厚度为1.0至2.0μm的有机绝缘材料构成的层间绝缘膜751。作为有机树脂材料，可以使用聚酰亚胺、丙烯酸、聚酰胺、polyimidamide、BCB(苯并丁烯)等。例如，当使用这种类型的聚酰亚胺时，即在施加给衬底后进行热聚合，材料在清洁的炉内烘焙至300℃。当使用丙烯酸时，使用两种成分类型。在将主剂和固化剂混合后，利用旋涂器将混合物涂敷于衬底的整个表面上。然后利用80℃的热板进行60秒的预备加热，接着在250℃的清洁炉内进行60分钟的烘焙。
通过由有机绝缘材料形成层间绝缘膜，可以将其表面令人满意地平面化。有机树脂材料一般具有低介电常数，可以降低寄生电容。但是，由于它们是吸湿的，所以它们不适合用作保护膜。因此，有机绝缘材料必须与本实施例中作为保护绝缘膜750形成的氧化硅膜、氮氧化硅膜或氮化硅膜组合使用。
然后，利用光掩模形成具有预定图形的抗蚀剂掩模。形成达到各自岛状半导体层的源区或漏区的接触孔。通过干式腐蚀来形成接触孔。在这种情况下，将CF4、O2和He的混合气体用作腐蚀气体。首先腐蚀由有机绝缘材料形成的层间绝缘膜751。然后，将腐蚀气体转换为CF4和O2，腐蚀保护绝缘膜750。为了提高对岛状半导体层的选择率，腐蚀气体还转换为CHF3，腐蚀栅极绝缘膜725。按这种方式，可以令人满意地形成接触孔。
然后，通过溅射或真空汽相淀积来形成导电金属膜，利用光掩模形成抗蚀剂掩模，通过腐蚀形成源极布线752至756以及漏极布线757至761。漏极布线762表示相邻象素的漏极布线。其中，漏极布线761还具有象素电极的功能。尽管在图中未示出，但该电极由厚度在50至150nm之间的Ti膜形成，与在岛状半导体层中形成源区或漏区的半导体薄膜形成接触，在Ti膜上形成厚度300至400nm的铝(Al)，从而形成布线。
图10E表示在该状态下岛状半导体层715和716、栅极729和730、源极布线752和753以及漏极布线757和758的俯视图。源极布线752和753通过在层间绝缘膜(未示出)中排布的接触孔和参考序号为830和833的保护绝缘膜与岛状半导体层715和716连接。此外，漏极布线757和758在831和832中与岛状半导体层715和716连接。
同样，图11E表示岛状半导体层719的俯视图，栅极733、电容器布线734、源极布线756、漏极布线761和源极布线756在接触部分834中与岛状半导体层719连接，在接触部分835中与漏极布线761连接。
总之，通过在具有第一形状的岛状半导体层内的区域中除去保留有应力的区域、通过形成具有第二形状的的岛状半导体层来形成TFT。
当在该状态下进行氢化处理时，对于TFT性能的改善来说，可以获得有利的效果。例如，在包含3至100％氢的气氛中，最好在300至450℃下进行1至12小时的热处理。利用等离子体氢化方法可以获得同样的效果。这种热处理可以把保护绝缘膜750和基底膜702中存在的氢扩散到岛状半导体薄膜715至719中，并可以氢化这些膜。总之，岛状半导体层715至719中的缺陷密度最好降低至1016/cm3或更低，为此，可以按大约5×1018至5×1019原子/cm3的量来添加氢(图9C)。
因此，可以制成具有驱动电路的TFT和在相同的衬底上具有象素部分的象素TFT的衬底。在驱动电路中形成第一p沟道TFT800、第一n沟道TFT801、第二p沟道TFT802和第二n沟道TFT803。在象素部分中形成象素TFT804和存储电容器805。在本说明书中，出于方便的缘故，将这种结构称为“有源矩阵衬底”。
驱动电路中第一p沟道TFT800有单漏极结构，该结构在岛状半导体薄膜715中包括：沟道形成区806；分别包括高浓度p型杂质区的源区807a和807b及漏区808a和808b。
在第一n沟道TFT801的岛状半导体薄膜716中形成有：沟道形成区809；叠置栅极730的LDD区810；源区812；和漏区811。在LDD区中，在沟道方向上叠置栅极730的该LDD区的长度为0.5至3.0μm，最好为1.0至2.0μm。由于按这种方式来确定n沟道TFT中LDD区的长度，所以可以减轻漏区附近出现的强电场，并且可以防止热载流子的出现和TFT的退化。
驱动电路的第二p沟道TFT802类似地具有单漏板结构，在该结构中，在岛状半导体薄膜717中形成沟道形成区813、包括高浓度p型杂质的源区814a和814b及漏区815a和815b。
在第二n沟道TFT803的岛状半导体薄膜718中形成沟道形成区816、局部叠置栅极732的LDD区817和818、源区820和漏区819。还将叠置栅极732的LDD区的长度设定在0.5和3.0μm之间，最好为1.0至2.0μm。此外，在沟道长度方向上未叠置栅极的LDD区的长度为0.4至4.0μm，最好为1.0至2.0μm。
在象素TFT804的岛状半导体薄膜719中形成沟道形成区821和822、LDD区823至825、源或漏区826至828。沟道长度方向上LDD区的长度为0.5至4.0μm，最好为1.5至2.5μm。由电容器布线734、用与栅极绝缘膜相同的材料组成的绝缘膜和与象素TFT804的漏区828连接的半导体层829来形成存储电容器805。在图9C中，象素TFT804为双栅极结构。但是，它也可以有单栅极结构或具有多个栅极的多栅极结构。
图12是表示象素部分的一个象素的俯视图。图中的横截面A-A对应于图9C所示的象素部分的剖面图。象素TFT804的栅极733通过图中未示出的栅极绝缘膜跨越岛状半导体层719。尽管在图中未示出，但在岛状半导体层中形成源区、漏区和LDD区。参考序号834表示源极布线756和源区826之间的接触部分。参考序号835表示漏极布线761和漏区828之间的接触部分。由从象素TFT804的漏区828延伸的半导体层829与通过栅极绝缘膜的电容布线734的重叠区来形成存储电容器805。
有源矩阵衬底如上所述那样制成。按照本实施例制造的有源矩阵衬底对应于象素部分和驱动电路的规格排列适当结构的TFT。这样一来，可以提高工作性能和使用这种有源矩阵衬底的光电装置的可靠性。
应该指出，在本实施例中，象素TFT804的漏极布线761被用作象素电极，有与反射型液晶显示装置对应的结构。但是，通过形成由与漏极布线761电连接的透明导电膜组成的象素电极，本发明可以与透射型液晶显示装置相适应。
此外，本实施例是半导体器件使用的制造工艺方法的实例，本发明不限于在本实施例中所示的材料和数值范围。此外，可以由操作者适当地确定LDD区域等的排列。
实施例2
实施例1所示的实例是利用实施模式1至3中所述的方法对该膜的激光退火完成非晶半导体薄膜的结晶。在该实例中，对于已经结晶至某种程度但未完全结晶的半导体薄膜可以代之以激光退火。
就是说，本发明的激光退火在这样的情况下也是有效的，即：利用炉内退火已经结晶的结晶半导体薄膜再接受激光退火，以增强其结晶度。
具体地说，实施模式1至3的激光退火方法可以用于日本专利公开No.平7-321339、日本专利公开No.平7-131034说明的激光照射步骤中，以及一些其它应用。
在把本发明用于上述公开文件的激光照射步骤后，可以形成通过该步骤形成的使用结晶半导体薄膜的TFT。换句话说，本实施例可以与实施例1组合。
实施例3
本实施例说明利用按照实施例1和2形成的有源矩阵衬底来制造有源矩阵型液晶显示装置的工艺方法。首先，如图13A所示，通过在图9C所示状态的有源矩阵衬底上构图，由树脂材料形成间隔层(spacer)901a至901f。另外，可以分散众所周知的球形二氧化硅(sphericalsilica)等并将其用作间隔层。
在本实施例中，作为树脂材料形成的间隔层901a至901f，利用旋涂器来施加JSR制造的NN700，然后通过曝光和显象处理形成指定的图象。再有，将它在清洁的烘箱等中加热到150至200℃的温度以固化。然后，根据曝光条件和显象处理条件，可以改变所形成的间隔层的形状。由于当有源矩阵衬底与对置衬底粘接时，间隔层确保作为液晶显示装置的机械强度，所以间隔层的最好形状是带有平顶的柱形。
对间隔层的形状没有特别的限制，其形状可以为圆锥形状、角锥形状等。例如，当采用圆锥形状时，间隔层的规定尺寸如下：高度H为1.2至5μm，平均半径L1为5至7μm，平均半径L1和半径L2之间的比率为1.5，在其侧边具有±15或更小的锥角。
对于间隔层901a至901f来说，可以采用任何排列。最好的排列如图13A所示，在该排列中，形成间隔层以重叠和覆盖象素部分中漏极布线761(象素电极)的接触部分835。另外，在接触部分835处损失水平性，不能适当地定向那里的液晶。通过对间隔层用树脂填充接触部分835，可以防止识别等。
然后形成定向膜902。一般来说，聚酰亚胺树脂被用作液晶显示元件的定向膜。在形成定向膜后，进行研磨处理，以便液晶分子以确定的预定倾角定向。最好使未接受研磨处理的区域从象素部分中设置的间隔层901a至901f的末端在研磨方向上延伸等于或小于2μm。在研磨处理中，产生的静电常常造成麻烦。如果间隔层901a至901f形成一定宽度，以至少覆盖驱动电路的TFT上的源极布线和漏极布线，那么它们不仅起到作为间隔层的其原有作用，而且还在研磨处理中保护TFT不受静电影响。
在对置衬底903上形成遮光膜904、透明导电膜构成的对置电极905和定向膜906。作为遮光膜904，形成厚度为150至300nm的Ti、Cr或Al膜。然后将对置衬底用密封材料907与具有象素部分和在其上有形成驱动电路的有源矩阵衬底粘接。滤色器908被混合在密封材料907中，滤色器908和间隔层901a至901f一起粘接于对置衬底和有源矩阵衬底，在它们之间有均匀的间隙。
然后，在衬底之间注入液晶材料909，该液晶材料完全被末端密封材料(未示出)密封。众所周知的液晶材料可以使用液晶材料909。例如，除了TN液晶以外可以使用的材料是展示光电响应的无阈值反铁电矩阵液晶，利用该液晶，透射率根据电场连续地变化。一些无阈值反铁电矩阵液晶显示这样的光电响应，在绘图时形成字母V的形状。对于其细节而言，参见“Characteristics and Driving Scheme of Ploymer-stabilized Monostable FLCD Exhibiting Fast Response Time andHigh Contrast Ratio with Gray-scale Capability”，H.Furue等人，SID，1998，“A Full-co1or Thresho1dless AntiferroelectricLCD Exhibiting Viewing Angle with Fast Response Time”，T.Yoshida等人，841，SID‘97DIGEST，1997’，“ThresholdlessAntiferroelectricity in Liquid Crystals and Its Application toDisplays，S.Inui等人，671-673，J.Mater.Chem.6(4)，1996，和美国专利No.5594569。
因此，制成图13B所示的有源矩阵型液晶显示装置。尽管间隔层901a至901e被分别形成在图13A和图13B所示驱动电路的TFT的源极布线和漏极布线上，但可以代之形成间隔层，以覆盖驱动电路的整个表面。
图14是有源矩阵衬底的俯视图，表示象素部分和驱动电路部分与间隔层和密封材料的位置关系。扫描信号驱动电路1401和图象信号驱动电路1402作为驱动电路被设置在象素部分1400周围。信号处理电路1403例如CPU和存储器可以附加在其上或不附加在其上。
这些驱动电路通过连接布线1411与外部的输入/输出终端1410连接。在象素部分1400中，从扫描信号驱动电路1401延伸的栅极布线组1404和从图象信号驱动电路1402延伸的源极布线组1405象矩阵那样交叉，以形成象素。各个象素设有象素TFT804和电容器存储器805。
象素部分中设置的间隔层1406对应于间隔层901f，并可以对每个象素来设置。另一方面，可以对每几个象素来设置或对排列成矩阵的每几十个象素来设置一个间隔层。就是说，间隔层与总象素的比率大约为20至100％。驱动电路部分中设置的间隔层1407至1409可以覆盖其整个表面，或可以被分离成多片，以便与图13A和13B所示的各TFT的源极布线和漏极布线的位置一致。
在全部位于衬底701上的象素部分1400、扫描信号控制电路1401、图象信号控制电路1402和其它信号处理电路1403的外面以及外部输入/输出终端1410的里面形成密封材料907。
下面参照图15的透视图说明这类有源矩阵型液晶显示器的结构。在图15中，有源矩阵衬底由在玻璃衬底701上形成的象素部分1400、扫描信号驱动电路1401、图象信号驱动电路1402和其它信号处理电路1403组成。
象素部分1400设有象素TFT804和电容器存储器805，象素部分周围设置的驱动电路根据CMOS电路构成。扫描信号驱动电路1401和图象信号驱动电路1402分别通过栅极布线733和源极布线756与象素TFT804连接。柔性印刷电路1413与外部输入/输出终端1410连接，目的在于利用它来输入图象信号等。柔性印刷电路(FPC)1413用增强树脂1412固定以增强粘接密度。FPC通过连接布线1411与各驱动电路连接。尽管图中未示出，但对置衬底903设有遮光膜和透明电极。
利用实施例1和2中所示的有源矩阵衬底，可以构成具有这种结构的液晶显示装置。例如，采用图9C所示的有源矩阵衬底，获得反射型液晶显示装置，而使用实施例1所示的用于象素电极的透明导电膜的有源矩阵衬底时，获得透射型液晶显示装置。
实施例4
尽管实施例1至3示出了本发明用于液晶显示装置的实例，但只要使用TFT，本发明也用于任何半导体器件。
具体地说，在制造有源矩阵型EL(场致发光)显示器件或有源矩阵型EC(电致变色)显示器件的半导体薄膜的激光退火步骤中可以采用本发明。在该情况下，可以采用实施模式1至3的任何一种结构。
本发明是在TFT制造工艺方法以外的与激光退火步骤有关的发明，对于制造工艺方法的其余步骤来说，可以采用众所周知的步骤。因此，当制造有源矩阵型EL显示装置或有源矩阵型EC显示装置时，本发明采用众所周知的技术。当然，为了制造这些显示装置，也可以参照图7A至图9C的制造工艺方法。
实施例5
本发明可以具体化为带有光电装置的电子装置(也称为电子装置)，例如有源矩阵型液晶显示装置或作为其显示器的有源矩阵型EL。作为电子装置，可以举出个人计算机、数字照相机、摄象机、便携式信息终端(例如笔记本电脑、便携式电话和电子图书)、导航系统等。
图16A表示个人计算机，它包括设有微处理器、存储器等的主体2001、图象输入单元2002、显示单元2003和键盘2004。在构成显示单元2003和其它信号处理电路中可以采用本发明。
图16B表示摄象机，它包括主体2101、显示单元2102、声音输入单元2103、操作开关2104、电池2105和图象接收单元2106。在构成显示单元2102和其它驱动电路中可以采用本发明。
图16C表示目镜式显示器，它包括主体2201、显示单元2202和臂部分2203。在构成显示单元2202和其它未示出的驱动电路中可以采用本发明。
图16D表示电子游戏机，它包括装有电子电路2308例如CPU和记录介质2304的主体2301、控制器2305、显示单元2303和装入主体2301中的显示单元2302。显示单元2303和装入主体2301中的显示单元2302可以显示相同的信息。另外，前者可以用作主显示单元，而后者可以用作辅助显示单元，以显示记录介质2304或游戏机操作状态的信息。通过对其附加触摸传感器功能，后者可以代替用作操作面板。主体2301、控制器2305和显示单元2303通过有线通信或通过无线通信或通过设有传感器单元2306、2307的光通信来彼此传送信号。在构成显示单元2302、2303中可以采用本发明。传统的CRT显示器可以用作显示单元2303。
图16E表示唱机，该唱机使用记录介质，在该介质中存储有程序(以下称为记录介质)，该唱机包括主体2401、显示单元2402、扬声器单元2403、记录介质2404和操作开关2405。DVD(数字化视频光盘)、激光唱盘(CD)等用作记录介质，使唱机能够重放音乐程序，显示图象，显示视频游戏(或电视图象)，或显示通过因特网获得的信息。在构成显示单元2402和其它驱动电路中可以采用本发明。
图16F表示数字照相机，它包括主体2501、显示单元2502、目镜部分2503、操作开关2504和图象接收单元(未示出)。在构成显示单元2502和其它驱动电路中可以采用本发明。
图17A表示正投式投影机，它包括光源光学系统和显示装置2601及屏幕2602。在构成显示装置和其它驱动电路中可以采用本发明。图17B表示背投式投影机，它包括主体2701、光源光学系统和显示装置2702、反射镜2703和屏幕2704。在构成显示装置和其它驱动电路中可以采用本发明。
图17C表示分别在图17A和17B中所示的光源光学系统和显示装置2601、2702的结构实例。各光源光学系统和显示装置2601、2702由光源光学系统2801、反射镜2802、2804至2806、分色镜2803、光束分离器2807、液晶显示装置2808、相差板2809和投射光学系统2810组成。投射光学系统2810由多个光学透镜构成。
图17C表示三屏板型投影机，其中使用三个液晶显示装置2808。但是，光源光学系统和显示装置不限于该类型，可以由单屏板型光学系统组成。图17C中用箭头表示的光路可以适当地设置有光学透镜、具有偏振功能的薄膜、调整相位的薄膜、IR薄膜等。
图17D表示图17C所示的光源光学系统2801的结构实例。在本实施例中，光源光学系统2801由反射器2811、光源2812、透镜阵列2813、2814、偏振转换元件2815和聚光透镜2816组成。应该指出，图17D所示的光源光学系统是一个实例，该系统2801不限于图示结构。
尽管在这里未示出，但除了上述说明的应用以外，在制造导航系统、图象传感器的读取电路等中都可以采用本发明。因此，本发明的应用范围如此广阔，以致在制造任何领域的电子装置中都可以采用本发明。
实施例6
与在构图后采用实施模式1至3的实施例1相反，本实施例表示参照附图18的实例，在该实例中，在构图之前采用实施模式1的方法来进行激光照射。
首先，按照实施例1获得图7A所示的状态。
接着，实施使半导体薄膜结晶的步骤。以下将论述本实施例采用的结晶步骤，即用激光照射半导体薄膜的正面和背面，如图18所示。
在图18中，参考符号1801表示在其正面带有绝缘膜1802和非晶半导体薄膜(或微晶半导体薄膜)1803的透光衬底。反射激光的反射部件1804被配置在透光衬底1801之下。
透光衬底1801可以是玻璃衬底、石英衬底、晶化玻璃衬底或塑料衬底。透光衬底1801本身可以调整辅助激光的有效能量密度。对于绝缘膜1802来说，可以使用包含硅的绝缘膜，例如氧化硅膜或氮氧化硅膜(SiOxNy)。通过更换绝缘膜1802，可以进行辅助激光的有效能量密度的调整。
在图18的结构中，辅助激光是穿过非晶半导体薄膜1803一次然后反射在反射部件1804上的激光。因此，利用非晶半导体薄膜1803也可以调整辅助激光的有效能量密度。非晶半导体薄膜1803的实例包括化合物半导体薄膜，除了非晶硅膜以外，例如非晶硅锗膜。
衬底表面(在该表面反射激光)上形成的金属膜可以用作反射部件1804。另外，金属元素形成的衬底可以用作反射部件1804。在这种情况下，任何材料都可用于金属膜。金属膜一般使用包括从硅(Si)、铝(Al)、钨(W)、钛(Ti)和钽(Ta)中选择的任何元素。例如，可以采用氮化钛或氮化钽(TaN)。
可以设置反射部件1804，与透光衬底1801接触或与透光衬底分离。也可以在如上所述的衬底1801的背面(正面的相反面)上直接形成金属膜，代替配置反射部件1804，使激光在金属膜上反射。在两种方式中，辅助激光的有效能量密度可以通过改变反射部件1804的反射来调整。如果反射部件1804被远离透光衬底1801放置，那么利用反射部件和衬底之间的间隙中带电气体也可以调整辅助激光的有效能量密度。
然后用已经通过图2A和2B所示的光学系统201(图中仅示出柱面透镜207)线性化的激光来照射非晶半导体薄膜1803。通过扫描激光来进行具有线性化激光的照射。
在任何情况下，重要的是穿过柱面透镜207用于照射非晶半导体薄膜1803正面的主激光1805和辅助激光1806之间的有效密度比(I0′/I0)满足0＜I0′/I0或1＜I0′/I0的关系，其中辅助激光1806穿过非晶半导体薄膜1803并在反射部件1804上反射，用于照射非晶半导体薄膜1803的背面。为此，反射部件1804对激光的反射最好为20至80％。在这方面，可以组合本实施例中上述说明的用以减弱辅助激光的有效能量密度的某些措施，以获得期望的密度比。
在聚光处理期间，激光按相对于衬底的正面有45至90的入射角通过柱面透镜207。由于该原因，辅助激光1806还达到非晶半导体薄膜1803的背面，以致照射那里。通过在反射部件1804的反射面上形成不平坦部分来扩散激光，可以更有效地获得辅助激光1806。
适当的激光是其波长设定在波长范围内(在530nm周围)的激光，在该激光中，相对于非晶半导体薄膜1803来说，透光成分和光吸收成分是充分的。在本实施例中，利用YAG激光器的二次谐波(波长532nm)来进行结晶化。
利用二次谐波，一部分照射光穿过非晶半导体薄膜并被反射部件反射，使非晶半导体薄膜的背面被照射。因此，可以有效地获得辅助激光1806。
接着构图获得的半导体薄膜，以得到岛状半导体薄膜。
按照实施例1来执行剩余步骤，以获得有源矩阵衬底。
本实施例还可以与实施例2组合。如果实施例3与本实施例一起使用，那么可获得有源矩阵型液晶显示装置。此外，本实施例也可以用于实施例4和5所示的半导体器件。
按照本发明，通过采用容易维护的固态激光器，可以实现提高使用普通准分子激光器的激光退火的生产量，以及在激光退火中通过将激光线性化来提高生产量。这将导致TFT和由TFT形成的半导体器件例如液晶显示装置的生产成本的降低。
此外，通过用激光照射非晶半导体薄膜的正面和背面实施激光退火，与现有技术相比(其中，用激光仅照射非晶半导体薄膜的正面)，可以获得具有更大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜。获得具有更大晶粒尺寸的结晶半导体薄膜可以更加有助于半导体器件能力的极大提高。

Claims (52)

1.一种激光装置，包括：固态激光器；光学系统，使从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化；处理室，用激光照射处理对象的前面和背面；反射部件，所述反射部件反射来自所述处理对象的所述前面的激光。
2.如权利要求1的激光装置，其特征在于，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成谐波的装置。
3.如权利要求1的激光装置，其特征在于，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成二次谐波的装置。
4.如权利要求1的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器。
5.一种激光装置，包括：固态激光器；光学系统，使从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化；处理室，用激光照射处理对象的前面和背面，该处理对象的背面具有反射部件，用于使该激光器的光从其背面进入处理对象。
6.如权利要求5的激光装置，其特征在于，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成谐波的装置。
7.如权利要求5的激光装置，其特征在于，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成二次谐波的装置。
8.如权利要求5的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器。
9.一种激光装置，包括：固态激光器；光学系统，将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光的截面形状线性化，以将激光从处理对象的前面引入处理对象；反射部件，所述所述反射部件反射来自所述处理对象的所述前面的激光。
10.如权利要求9的激光装置，其特征在于，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成谐波的装置。
11.如权利要求9的激光装置，其特征在于，还包括将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光形成二次谐波的装置。
12.如权利要求9的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器。
13.一种激光装置，包括：固态激光器；将从作为光源的所述固态激光器产生和发射的激光分离成三次谐波和四次谐波的装置；将四次谐波从处理对象正面引入处理对象的光学系统和将三次谐波从处理对象背面引入处理对象的光学系统。
14.如权利要求13的激光装置，其特征在于，还包括将三次谐波和四次谐波的截面形状线性化的光学系统。
15.如权利要求13的激光装置，其特征在于，所述固态激光器是Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器。
16.一种激光退火方法，包括以下步骤：利用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；用其截面形状已被线性化的激光照射处理对象的正面和背面。
17.如权利要求16的激光退火方法，其特征在于，还包括使激光形成谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。
18.如权利要求16的激光退火方法，其特征在于，还包括使激光形成二次谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。
19.如权利要求16的激光退火方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
20.如权利要求16的激光退火方法，其特征在于，处理对象是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
21.一种激光退火方法，包括以下步骤：使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；用其截面形状已被线性化的激光照射处理对象的正面，同时用其截面形状已被线性化且已由处理对象背面上设置的反射部件反射的激光来照射处理对象的背面。
22.如权利要求21的激光退火方法，其特征在于，还包括使激光形成谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。
23.如权利要求21的激光退火方法，其特征在于，还包括使激光形成二次谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。
24.如权利要求21的激光退火方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
25.如权利要求21的激光退火方法，其特征在于，处理对象是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
26.一种激光退火方法，包括以下步骤：使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光的截面形状线性化；将激光或其截面形状已被线性化的激光分离成主激光和辅助激光；用主激光照射处理对象的正面，用辅助激光照射处理对象的背面。
27.如权利要求26的激光退火方法，其特征在于，还包括使激光形成谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。
28.如权利要求26的激光退火方法，其特征在于，还包括使激光形成二次谐波的步骤，在利用固态激光器作为光源来产生激光的步骤之后，执行该步骤。
29.如权利要求26的激光退火方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
30.如权利要求26的激光退火方法，其特征在于，处理对象是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
31.一种激光退火方法，包括以下步骤：使用固态激光器作为光源来产生激光；将激光分离成三次谐波和四次谐波；用四次谐波照射处理对象的正面，用三次谐波照射处理对象的背面。
32.如权利要求31的激光退火方法，其特征在于，还包括将三次谐波和四次谐波的截面形状线性化的步骤。
33.如权利要求31的激光退火方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
34.如权利要求31的激光退火方法，其特征在于，处理对象是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
35.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的截面被线性化的激光照射半导体薄膜的正面和背面；形成具有有源层的已用激光照射半导体薄膜的薄膜晶体管。
36.如权利要求35的制造半导体器件的方法，其特征在于，半导体薄膜是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
37.如权利要求35的制造半导体器件的方法，其特征在于，激光是二次谐波、三次谐波或四次谐波。
38.如权利要求35的制造半导体器件的方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
39.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；构图半导体薄膜，以形成岛状半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的其截面被线性化的激光照射半导体薄膜的正面和背面；形成具有有源层的已经用激光照射过该岛状半导体薄膜的薄膜晶体管。
40.如权利要求39的制造半导体器件的方法，其特征在于，半导体薄膜是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
41.如权利要求39的制造半导体器件的方法，其特征在于，激光是二次谐波、三次谐波或四次谐波。
42.如权利要求39的制造半导体器件的方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
43.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的其截面被线性化的激光照射半导体薄膜的正面和背面；构图已经用激光照射过的半导体薄膜，以形成岛状半导体薄膜；形成具有有源层的岛状半导体薄膜的薄膜晶体管。
44.如权利要求43的制造半导体器件的方法，其特征在于，半导体薄膜是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
45.如权利要求43的制造半导体器件的方法，其特征在于，激光是二次谐波、三次谐波或四次谐波。
46.如权利要求43的制造半导体器件的方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
47.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的四次谐波照射半导体薄膜的正面，用从作为光源的固态激光器产生和发射的三次谐波照射半导体薄膜的背面；形成具有有源层的已经用三次谐波和四次谐波照射该半导体薄膜的薄膜晶体管。
48.如权利要求47的制造半导体器件的方法，其特征在于，半导体薄膜是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
49.如权利要求47的制造半导体器件的方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
50.一种制造半导体器件的方法，包括以下步骤：在衬底上形成半导体薄膜；构图半导体薄膜，以形成岛状半导体薄膜；用从作为光源的固态激光器产生和发射的四次谐波照射半导体薄膜的正面，用从作为光源的固态激光器产生和发射的三次谐波照射半导体薄膜的背面；形成具有有源层的已经用三次谐波和四次谐波照射该半导体薄膜的薄膜晶体管。
51.如权利要求50的制造半导体器件的方法，其特征在于，半导体薄膜是非晶半导体薄膜或微晶半导体薄膜。
52.如权利要求50的制造半导体器件的方法，其特征在于，Nd:YAG激光器、Nd:YVO4激光器或Nd:YAIO3激光器被用作所述固态激光器。
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