DE10306550B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht, bei welchem eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet ist, wobei die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht mit Licht bestrahlt wird, das relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Homogenisieren der Intensitätsverteilung des Lichts;
Durchführen einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert wird, in Richtung der Relativbewegung des Lichts zu der Grundschicht zunimmt;
Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes auf der bestrahlten Fläche und dadurch Erzeugen eines Ausgangspunktes des Kristallwachstums, wobei der Niedrigtemperaturpunkt durch ein Mittel bereitgestellt wird, das einen Lichtabsorptionspunkt aufweist; und
Bilden einer Einkristallregion entlang der Richtung der Relativbewegung des Lichtes zur Grundschicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material.
  • Es ist im Stand der Technik bekannt, eine Halbleiterdünnschicht auf einer Grundschicht unter Verwendung eines Laserkristallisationsverfahrens zu bilden. Bei diesem Verfahren wird die Grundschicht, die aus einem isolierenden Material besteht, beispielsweise in Form eines amorphen Substrats oder speziell in der Form eines preiswerten Glassubtrats bereitgestellt. Sodann wird auf einem solchen Substrat eine Halbleiterdünnschicht mit guter Kristalleigenschaft gebildet, wie etwa ein Film bzw. eine Dünnschicht aus Silizium (Si). Diese Dünnschicht wird mit einem Ultraviolett (UV) Lasers behandelt, wodurch die Halbleiterdünnschicht teilweise poly-kristallisiert wird. Ein derartiges Verfahren wird bereits für den Einsatz in der Praxis bereitgestellt.
  • Jedoch ist die Siliziumdünnschicht, welche durch die gegenwärtig verfügbare Laserkristallisationstechnik hergestellt wird, eine polykristalline Dünnschicht, deren durchschnittliche Korngröße mehrere Nanometer (nm) und die Beweglichkeit höchstens 200 m2/V·sec aufgrund des Einflusses der Korngrenzen beträgt.
  • Bei einem Dünnschichttransistor mit derartigen dünnen Schichten muß die Kanallänge L des Transistors zehnmal oder mehr so lang wie die Korngröße sein, d.h. etwa mehrere µm, falls die Streuung der elektrischen Leistungsfähigkeit des Dünnschichttransistors berücksichtigt wird. Im Ergebnis ist eine Schaltung, welche unter Verwendung eines solchen Transistors entwickelt werden kann, eine Treiberschaltung, deren Grenzfrequenz höchstens etwa 5 MHz beträgt.
  • Falls eine so leistungsfähige Treiberschaltung, die bei einer Frequenz von 100 MHz betreibbar ist, entwickelt werden soll, kann man grob abschätzen, daß ein Dünnschichttransistor eine Kanallänge von 1 µm und dessen Dünnschicht eine Beweglichkeit von 300 m2/V·sec oder ähnlich aufweisen muß. Ferner darf der Transistor nur die geringste oder keine Streuung seiner elektrischen Leistungswerte aufweisen. Mit anderen Worten, benötigt eine Halbleiterdünnschicht (Si-Dünnschicht), die auf dem amorphen Substrat gebildet ist, eine Korngröße von 1 µm oder mehr und des weiteren darf sie keine Korngrenze im Kanal aufweisen, der in der vorgenannten Dünnschicht ausgebildet ist.
  • Als Laserkristallisationsverfahren dieser Art, welche die vorgenannten Voraussetzungen weitgehend erfüllt, wurde im Stand der Technik ein sog. Sequential Lateral Solidification Verfahren (SLS-Verfahren) und ein Phasenschieber-Kristallisationsverfahren ("Phase Shifter Crystallization" Verfahren) vorgeschlagen, die nachfolgend näher beschrieben werden:
  • SLS-Verfahren
  • Das SLS-Verfahren basiert auf einer Kombination des Phänomens des Superlateralwachstums (Super Lateral Growth (SLG)) und des Step-und-Repeat-Verfahrens, welches in einem geeigneten Stadium angewendet wird.
  • 7 zeigt einen Excimerlaser 71, einen emittierten Laserstrahl 72, einen Laserhomogenisierer 73, einen Linienstrahl 74, d.h. homogenisiertes Laserlicht, ein amorphes Substrat 75, eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht 76 und eine polykristallisierte bzw. polykristalline Halbleiterschicht 77.
  • Für die nachfolgende Darstellung ist eine Halbleiterdünnschicht für die Verwendung in einem Dünnschichttransistors, wie er in einer Flüssigkristallanzeige verwendet wird, aus einem amorphen Siliziumdünnfilm hergestellt. Im allgemeinen beträgt die Beweglichkeit im amorphen Siliziumdünnfilm etwa 1 cm2/V·sec. Dieser Wert ist ausreichend für einen Schalttransistor zur Verwendung in einem Flüssigkristallbildschirm vom aktiven Matrixtyp. Jedoch hat die jüngste Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Dünnschichttransistoren, die auf einem Glassubstrat gebildet sind, es möglich gemacht, eine Siliziumdünnschicht mit einer Beweglichkeit von 100 m2/V·sec selbst auf amorphem Silizium zu bilden. Dabei wird eine Dünnschichtkristallisationstechnik unter Verwendung des Excimerlasers eingesetzt, wie sie in 7 dargestellt ist. Die durch diese Kristallisationstechnik erhaltene Dünnschicht ist eine polykristalline dünne Schicht mit einer Korngröße "a" von etwa 300 bis 500 nm. Bei dem Kristallisationsverfahren, welches den Excimerlaser verwendet, wird die Ultraviolettbestrahlung lediglich dem Siliziumdünnfilm für eine sehr kurze Zeitperiode von etwa 20 nsec zugeführt, wodurch lediglich der Siliziumdünnfilm durch den Vorgang des Schmelzens und Erstarrens kristallisiert wird. Da die Bestrahlungszeitperiode so kurz ist, besteht kaum die Gefahr, daß ein thermischer Schaden am Substrat bewirkt wird.
  • In der Vorrichtung gemäß 7 umfaßt eine Lichtquelle einen Hochleistungspulslaser, wie etwa einen Xenon- Chlorid (XeCl) Laser (Wellenlänge: 308 nm). Der Ausgangsstrahlform des Laserlichts, welches bei einer Massenproduktion verwendet wird, ist eine rechteckige Form mit einer Größe von 2 cm × 1 cm. Üblicherweise wird der Laserstrahl mit einer solchen Form weiter bearbeitet, um einen Linienstrahl von 20 cm (Länge b) × 300 bis 500 µm (Breite a) zu bilden; und gleichzeitig wird die Intensität dieses Strahles durch den Homogenisierer 73 geglättet bzw. homogenisiert. Eine Glasplatte, welche aus einem Ausgangsglasmaterial für die Verwendung in einer Flüssigkristallanzeige hergestellt ist, wird mit einer Vorschubschrittlänge von 10 bis 20 µm zugeführt, wobei die amorphe Siliziumschicht, welche auf der Ausgangsglasplatte gebildet ist, vollständig kristallisiert wird.
  • In 8 ist ein Laserstrahl 72 dargestellt, der von einem Excimerlaser emittiert wird, sowie eine Facettenlinse 81 eines Homogenisierers (vgl. Bezugsziffer 73 in 7), ein Linienstrahl 74 und ein optisches Lichtprojektionssystem 82 (welches in 7 nicht gezeigt ist).
  • Der Laserstrahl 72, der von dem Excimerlaser erzeugt wird, hat eine rechteckige Form von 2 cm × 1 cm, wie es vorstehend beschrieben wurde. Der Excimerlaser ist eine relativ gleichförmige Lichtquelle im Vergleich zu einem gewöhnlichen Festkörperlaser; jedoch wird, wie es in 8 dargestellt ist, beobachtet, daß die Lichtintensität im Bereich der Kanten geringfügig abnimmt. Wie es in 8 dargestellt ist, ist der beim SLS-Verfahren verwendete Laserhomogenisierer 73 (vgl. 7) in der Lage, den Laserstrahl aufzuteilen und die Strahlform unter Verwendung der Facettenlinse 81 zu verändern und ferner die Homogenität der Strahlintensität zu verbessern. Wenn demnach eine Halbleiterdünnschicht, die auf einem großflächigen Substrat gebildet ist, bei einem Raster von 10 bis 20 µm unter Verwendung des Linienstrahls 74, so wie in der 8 erhalten wird, abgetastet wird, kann die Halbleiter dünnschicht auf dem großflächigen Substrat kristallisiert werden.
  • Jedoch hat die bekannte Technik, welche eine SLG-Region zum Erzeugen der Si-Hochleistungsdünnschicht auf der Grundlage des in den 7 und 8 dargestellten SLS-Verfahren oder anderer bekannter Verfahren verwendet, einige Nachteile, wie es nachfolgend beschrieben wird:
    Es ist theoretisch nicht möglich, das Step-und-Repeat-Verfahren auszuführen, wenn die Vorschubschrittlänge größer als die Länge (mindestens 1 µm) der SLG-Region ist. Daher ist eine Verbesserung in der Produktivität kaum zu erwarten.
  • Es gibt bestimmte Beschränkungen in Bezug auf die Beweglichkeit in einer polykristallinen Dünnschicht, die nach der oben genannten Technik gebildet wird. Im Falle einer polykristallinen Dünnschicht, welche aufgewachsen ist, indem die Korngröße ohne Steuerung der Position der Korngrenzen größer werden kann, nimmt die Streuung der Korngrößen zu. Daher ist die vorgenannte Technik für den praktischen Einsatz nicht geeignet.
  • Es verbleiben Korngrenzen in einem Abstand von etwa mehreren hundert nm in der Abtastrichtung, während in der Richtung senkrecht zur Abtastrichtung Kristallgitterfehler in einem regelmäßigen Abstand in der Größe der Vorschubschrittlänge auftreten. Somit ist die vorgenannte Technik gegenwärtig nicht geeignet, um sie für einen Dünnschichttransistor anzuwenden, der eine Kanallänge von etwa 1 µm aufweist.
  • Phasenschieber-Kristallisationsverfahren
  • Beim erwähnten Phasenschieber-Kristallisationsverfahren wird die Lichtbestrahlungsintensität auf dem Substrat mittels eines Phasenschiebers variiert, mit welchem die Phase von wenigstens einem Teil des Lichts mit Rücksicht auf eine bestimmte Form der Lichtbestrahlungsintensität verändert werden kann, wodurch das laterale Kristallwachstum gesteuert wird und ein Kristall mit großer Kristallkorngröße erhalten wird. Im Artikel von Matsumura et al., "Preparation of Utra-Large Grain Silicon Thin Film by Excimer-Laser" (Surface Science Vol. 21, Nr. 5, Seiten 278-287, 2000) sind das grundlegende Konzept und theoretische Überlegungen in Bezug auf dieses Verfahren offenbart.
  • In 9(a) ist ein Excimerlaser 91 dargestellt, der einen Laserstrahl 92 emittiert, sowie ein optisches Strahlintensitätswandlersystem 93 zum Verändern der Laserstrahlintensität (Dimension), Phasenschieber 94 und 95, ein amorphes Substrat 96 und eine Nicht-Einkristall-Halbeiterschicht 97. In 9(b) bezeichnet Bezugsziffer 98 einen Ausgangspunkt des Kristallwachstums und Ziffer 99 ein Einkristallkorn.
  • Wie es in Verbindung mit dem erstgenannten bekannten Verfahren beschrieben wurde, ist es anhand des neuesten technischen Fortschrittes bei der Bildung von Dünnschichten praktisch möglich, eine Dünnschicht mit einer Beweglichkeit von etwa 100 m2/V·sec herzustellen. Demnach ist es möglich geworden, einen Dünnschichttransistor für eine Treiberschaltung und einen Dünnschichttransistor für eine Pixelanwendung auf dem selben Glassubstrat zu integrieren. Um eine Flüssigkristallanzeige in einer Produktion systematisch zu integrieren, besteht nach wie vor der Bedarf, andere Materialien zu finden, die geeigneter für einen Dünnschichttransistor sind, die aber eine hohe Leistungsfähigkeit und eine geringere Streuung der Charakteristiken aufweisen. Das Phasenschieber-Kristallisationsverfahren gemäß 9 ist eine Technik, welche dieser Anforderung nachkommt. Das heißt, es handelt sich hierbei um eine Technik zum Steuern der Kristallkorngröße (bis zu einem Ausmaß von 5 µm) sowie der Position der Kristallkorngrenzen. In diesem Beispiel wird der Strahl 92, der von dem Excimerlaser 91 erzeugt wird, im wesentlichen unverändert als Lichtquelle verwendet. Falls jedoch die Lichtintensität nicht ausreichend ist, wird die Strahlform durch das optische Strahlintensitätswandlersystem 93 (das später mit Bezug auf 9 näher beschrieben wird) verändert und der umgewandelte Strahl wird weiter verwendet. Der wesentliche Punkt dieser Technik besteht darin, daß die Lichtintensität mit Hilfe von zwei Phasenschiebern 94 und 95, die in Positionen senkrecht zueinander angeordnet sind, zweidimensional moduliert wird. Das heißt, der Phasenschieber 94 führt eine vergleichsweise geringe Modulation (10 µm Raster) in der Richtung eines Pfeiles A (Abtastrichtung des Glassubstrats) in 9(a) durch, während der Phasenschieber 95 die Modulation (d = 20 μm: ein praktisch erprobter Wert) in Richtung eines Pfeiles B (senkrecht zur Abtastrichtung des Glassubstrats) durchführt. Bei Kombination dieser Modulationen wird ein Ausgangspunkt 98 für das Kristallwachstum erzeugt, wobei das laterale Kristallwachstum in Richtung "A" gemäß 9(b) ausgelöst wird, das später in Verbindung mit 11 näher beschrieben wird.
  • In 10 kennzeichnet die Bezugsziffer 92 einen Strahl, der von einem Excimerlaser emittiert wird, Bezugsziffer 93 ein optisches Strahlintensitätswandlersystem und 100 eine Maske (Blende).
  • Wie es vorstehend beschrieben wurde, hat der Laserstrahl 92, der von dem Excimerlaser erzeugt wird, eine rechteckige Form von 2 cm × 1 cm und weist auch eine relativ gute Gleichmäßigkeit im Vergleich zu einem Festkörperlaser auf. Wie jedoch in 10 dargestellt ist, hat man beobachtet, daß die Lichtintensität in der Nähe der Kanten leicht abnimmt. Da bei dem vorliegenden Verfahren zwei Phasenschieber 94 und 95 verwendet werden und eine räumliche Kohärenz des Strahles notwendig ist, ist ein optisches System erforderlich, das eine einzelne Linse oder eine Kombination von Linsen verwendet, wie es in 9 dargestellt ist. Um die Lichtbestrahlungsintensität zu verändern, wird der Strahldurchmesser unter Verwendung des optischen Strahlintensitätswandlermittels 93 umgewandelt bzw. verändert, wie es in 10 gezeigt ist. Damit kann die räumliche Kohärenz des Strahls zwar aufrechterhalten werden; jedoch kann die Homogenität des Strahls nicht verbessert werden. Dies ist ein Problem der Technik im Zusammenhang mit diesem bekannten Verfahren. Um dieses Problem zu beheben, wird eine Maske (Blende) 100, wie sie in 10 dargestellt ist, bereitgestellt. Die Maske 100 verringert die Lichteffizienz, aber sie erhöht die Homogenität des Lichtes.
  • 11(a) zeigt die Phasenschieber 94 und 95, ein amorphes Substrat 96, eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht 97 und einen Excimerlaserlicht 90. In 11(b) kennzeichnet Bezugsziffer 98 den Ausgangspunkt eines Kristallwachstums und 99 ein Einkristallkorn.
  • Vorstehend wurde beschrieben, daß der wichtigste Punkt dieser bekannten Technik darin besteht, daß die Lichtintensität zweidimensional moduliert wird. Wie es in 11(a) dargestellt ist, kann der Phasenschieber 94 (Y-Schieber) das Excimerlaserlicht 90 modulieren, um eine Lichtintensitätsmodulation zu bewirken, wie sie im Diagramm "2" in 11(b) dargestellt ist, während der Phasenschieber 95 (X-Schieber) das Excimerlaserlicht 90 modulieren kann, um eine Lichtintensitätsmodulation gemäß Diagramm "3" in 11(b) zu bewirken. Wenn diese zwei getrennten Phasenschieber in Richtungen senkrecht zueinander angeordnet sind, ist es möglich, ein Einkristallkorn 99 unter Steuerung der Position zu wachsen, wie es in 11(b) dargestellt ist.
  • Nach den 9 bis 11 hat aber auch das bekannte Phasenschieber-Kristallisationsverfahren die folgenden Nachteile.
  • Da die Lichtbestrahlungsintensität auf dem Substrat mit Hilfe der Phasenschieber 94 und 95, die die Phase von wenigstens einem Teil des Lichtes mit Rücksicht auf eine bestimmte Form der Lichtbestrahlungsintensität verändern können, variiert wird, kann ein laterales Kristallwachstum bis zu einem Ausmaß von etwa 5 bis 10 µm erhalten werden. In diesem Falle passiert es aber ohne Ausnahme, daß einige Regionen nicht in Form eines Einkristalls kristallisiert werden, wodurch nicht mehr ein Kristall mit insgesamt hoher Dichte erhalten wird.
  • Da die Phasenschieber 94 und 95 verwendet werden, ist es notwendig, daß das Bestrahlungslicht eine Kohärenz aufweist und ferner ist es notwendig, daß der Laser parallele Strahlen erzeugt. Gegenwärtig auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Excimerlaser erzeugen einen Streuwinkel und sind nicht optimal in Bezug auf das Verhältnis zwischen der Positionsgenauigkeit und der lateralen Wachstumslänge. Da ferner der Excimerlaser ein paralleles Strahlensystem handhaben muß, hängt die Homogenität der Strahlamplitude von der Verteilung der Amplitudenintensität des Strahls unmittelbar nach der Emission von der Laserresonatoröffnung ab.
  • Weiterhin ist in WO 01/18854 A1 ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht in einem polykristallinen Silizium offenbart, bei welchem Laserlicht mithilfe einer Maske amplitudenmoduliert wird. Die Maske weist ein zweidimensionales Muster auf, durch welches die Fluenz von Laserpulsen gesteuert wird, die von einem Excimerlaser kommen. Dadurch können die Bereiche einer amorphen Siliziumdünnschicht, in denen eine Kristallisation erfolgen soll, bestimmt werden.
  • In US 2002/0009818 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung gezeigt. Bei dem Verfahren werden verschiedene Schichten, die aus einem isolierenden Material und einem Halbleiter bestehen, übereinander gebildet. Durch Bilden einer speziell geformten Isolationsschicht zwischen zwei Halbleiterschichten, kann das Kristallwachstum in einer unteren Halbleiterschicht gesteuert werden, da von oben eingestrahltes Laserlicht in der zwischenliegenden Isolationsschicht absorbiert wird und dadurch in der unteren Halbleiterschicht ein Temperaturgradient entsteht.
  • In EP 1 047 119 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kristallisation einer Halbleiterdünnschicht mittels Laserstrahlung offenbart. Unter anderem wird in diesem Dokument ein Temperaturgradient in der Halbleiterdünnschicht durch Modulierung des Laserlichts in Bereiche mit niedrieger und hoher Intensität mittels einer Schlitzmaske bzw. eines Phasenschiebers gezeigt.
  • Daher besteht weiterhin das Bedürfnis einer verbesserten Positionsgenauigkeit, einer Kristallisation hoher Dichte in der zu kristallisierenden Region, sowie einer Optimierung des Verhältnisses von Homogenität der Laserbestrahlungsregion und der bestrahlten Fläche.
    •
  • Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht mit verbesserten Kristalleigenschaften auf einer Grundschicht aus isolierendem Material sowie eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens bereitzustellen.
  • Die vorliegende Erfindung erreicht dieses Ziel durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 4. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Danach schafft die Erfindung ein Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht, bei welchem eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet ist, wobei die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht mit Licht bestrahlt wird, das relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiter-schicht kristallisiert wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Homogenisieren der Intensitätsverteilung des Lichts; Durchführen einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert wird, in Richtung der Relativbewegung des Lichts zu der Grundschicht zunimmt; Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes auf der bestrahlten Fläche und dadurch Erzeugen eines Ausgangspunktes des Kristallwachstums, wobei der Niedrigtemperaturpunkt durch ein Mittel bereitgestellt wird, das einen Lichabsorptionspunkt aufweist; und Bilden einer Einkristallregion entlang der Richtung der Relativbewegung des Lichtes zur Grundschicht.
  • Nach einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht, bei welchem eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet ist, wobei die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht mit Licht bestrahlt wird, das relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiter-schicht kristallisiert wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Homogenisieren der Intensitätsverteilung des Lichts; Durchführen einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert wird, in Richtung der Relativbewegung des Lichts zu der Grundschicht zunimmt; Projizieren des amplitudenmodulierten Lichts auf die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht, die auf der Grundschicht gebildet ist; Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes auf der bestrahlten Fläche und Erzeugen eines Ausgangspunktes des Kristallwachstums; und Bilden einer Einkristallregion entlang der Richtung der Relativbewegung des Lichtes zur Grundschicht.
  • Nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht wird das Licht relativ zu der Grundschicht in einem Raster bis zur Größe der Kristallwachstumslänge bewegt, wobei ein erster Lichtblitz zumindest teilweise mit einem darauffolgenden Lichtblitz räumlich überlappt, wodurch eine streifenartige Einkristallregion gebildet wird.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht bereitgestellt, wobei eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet ist, die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht mit Licht bestrahlt wird, das relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht; einen Homogenisierer zum Homogenisieren der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts; ein Amplitudenmodulationsmittel zum Durchführen einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert ist, in der Richtung einer Relativbewegung des Lichtes zur Grundschicht zunimmt; ein Mittel mit einem Lichabsorptionspunkt zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes an der durch das Licht bestrahlten Fläche; und ein Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung zwischen dem Licht und der Grundschicht.
  • In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht ist das Amplitudenmodulationsmittel eine Lichtabsorptionsmaske.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht ist das Mittel zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes ein Phasenschieber.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht ist das Mittel zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes eine Maske, die einen Lichtabsorptionspunkt aufweist.
  • Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht bereitgestellt, wobei eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet ist, die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht mit Licht bestrahlt wird, das relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht; einen Homogenisierer zum Homogenisieren der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts; ein Amplitudenmodulationsmittel zum Durchführen einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert ist, in der Richtung der Relativbewegung des Lichtes zur Grundschicht zunimmt; ein optisches Lichtprojektionssystem zum Projizieren des Lichts, welches durch das Amplitudenmodulationsmittel amplitudenmoduliert ist, auf die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht, die auf der Grundschicht gebildet ist; ein Mittel mit einem Lichtabsorptionspunkt zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes an der durch das Licht bestrahlten Fläche; und ein Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Licht und der Grundschicht.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht dient ein Phasenschieber, der einen Lichtabsorptionspunkt aufweist, sowohl als Amplitudenmodulationsmittel als auch als Mittel zum Bereitstellen des Niedrigtemperaturpunktes.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht ist ein Justiermittel zum Justieren des Amplitudenmodulationsmittels und des Mittels zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes vorgesehen. Bevorzugt ist das Justiermittel eine Justiereinrichtung, welche den Laserstrahl sowohl zum Justieren als auch als Justiermarke verwendet.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung. In der schematischen Zeichnung zeigen:
  • 1(a) ein Diagramm zum Erläutern eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht nach einem die Erfindung erläuterndem Beispiel, wobei 1(b) eine vergrößerte Detailansicht eines Teils der Darstellung von 1(a) ist;
  • 2(a) ein Diagramm, welches den genauen Aufbau des Beispiels von 1(a) zeigt, wobei 2(b) ein Diagramm ist, welches ein Verhältnis zwischen einer Wellenlänge an einer Absorptionskante und einer Schichtzusammensetzung eines Si (O, N) Systems und eines Si (O, C) Systems für eine Amplitudenmodulationsmaske zeigt;
  • 3(a) ein Diagramm zum Erläutern eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei 3(b) ein Diagramm ist, welches ein Verhältnis zwischen einer Wellenlänge an einer Absorptionskante und einer Schichtzusammensetzung eines Si (O, N) Systems und eines Si (O, C) Systems für eine Amplitudenmodulationsmaske zeigt;
  • 4(a) ein Diagramm zum Erläutern eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei 4(b) ein Dia gramm ist, welches ein Verhältnis zwischen einer einer Wellenlänge an einer Absorptionskante und einer Filmzusammensetzung eines Si (O, N) Systems und eines Si (O, C) Systems für einen Phasenschieber zeigt;
  • 5(a) ein Diagramm zum Erläutern eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei 5(b) eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnittes von 5(a) zeigt;
  • 6 ein Diagramm zur detaillierten Erläuterung des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • 7 ein Diagramm zum Erläutern einer ersten bekannten Technik;
  • 8 ein Diagramm zum Darstellen eines optischen Systems, das bei der ersten bekannten Technik gemäß 7 verwendet wird;
  • 9(a) ein Diagramm zum Erläutern der ersten bekannten Technik, wobei 9(b) eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnittes von 9(a) zeigt;
  • 10 ein Diagramm, welches ein optisches System für die Verwendung bei einer Laserprojektion in Verbindung mit einem zweiten bekannten Verfahren darstellt;
  • 11(a) ein Diagramm, welches ein optisches System für die Verwendung bei einer Laserprojektion in Verbindung mit dem zweiten bekannten Verfahren darstellt, wobei 11(b) eine vergrößerte Teilansicht eines Abschnittes von 11(a) ist.
    •
  • Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei Teile der Erfindung mit gleichen oder gleichartigen Funktionen und Strukturen mit den selben Bezugsziffern und Bezugszeichen gekennzeichnet sind, um eine sich wiederholende redundante Beschreibung zu verhindern.
  • Beispiel zur Erläuterung der Erfindung:
  • 1(a) zeigt eine Lichtquelle 1, wie etwa einen Excimerlaser, einen emittierten Laserstrahl 2, einen Laserhomogenisierer 3, einen Linienstrahl (homogenisiertes Laserlicht) 4, eine Amplitudenmodulationsmaske 5, wie etwa eine Lichtabsorptionsmaske, ein optisches System 6, welches aus einer zylindrischen Linse und weiteren Teilen aufgebaut ist und das Licht so projiziert, daß eine bestimmte vorgegebene Strahlungsenergie auf der zu bestrahlenden Fläche erhalten werden kann, einen homogenisierten, amplitudenmodulierten und projizierten Linienstrahl 7, einen Phasenschieber 8 als Mittel zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes an der bestrahlten Fläche, ein amorphes Substrat 9, wie etwa ein Glassubstrat, eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht 10, beispielsweise aus Silizium (Si), und eine kristallisierte Halbleiterschicht 11. In 1(b) kennzeichnet die Bezugsziffer 12 ein Einkristallarray.
  • Beim einleitend beschriebenen bekannten Phasenschieber-Kristallisationsverfahren werden zwei Phasenschieber 94 und 95 (vgl. 9(a) und 11(a)) verwendet, so daß eine räumliche Kohärenz des Strahls erforderlich ist. Dementsprechend hängt der Kristallisationsstrahl im wesentlichen von der Homogenität des Strahles von der primären Lichtquelle ab. Folglich ergibt sich keine bemerkenswerte Verbesserung der Homogenität eines eventuellen Strahles. Dementsprechend führt dieses bekannte Verfahren lediglich zu einer geringen Lichtausbeutungseffizienz sowie zu einer verringerten Produktausbeute.
  • In dem die Erfindung erläuternden Beispiel wird die Bildung und die Homogenisierung des Strahles, der durch den Excimerlaser 1 als die primäre Lichtquelle emittiert wird, unter Verwendung desselben Homogenisierers 3 durch geführt wie derjenige, welcher im bekannten SLS-Verfahren (vgl. Bezugsziffer 73 in 7) verwendet wird. Danach wird der Strahl durch die Amplitudenmodulationsmaske 5, welche als Amplitudenmodulationsmittel dient, geführt, sowie durch das optische Lichtprojektionssystem 6, welches u.a. aus einer zylindrischen Linse aufgebaut ist und den Strahl so projiziert, daß eine vorgegebene Strahlungsenergie erhalten wird, und durch den Phasenschieber 8, welcher den Ausgangspunkt des Kristallwachstums steuert. Auf diese Weise wird das selbe Kristallwachstum realisiert, wie man es auch im einleitend beschriebenen bekannten Phasenschieber-Kristallisationsverfahren erhält, allerdings ohne Abhängigkeit von der räumlichen Kohärenz des Strahles des Excimerlasers 1. Gemäß dem Beispiel wird daher ein so großer Effekt erreicht, daß die Lichtausbeutungseffizienz erhalten bleibt und das Einzelkristallarray 12 entsprechend der Form der Lichtstrahlen 4 und 7 gebildet werden kann.
  • 2(a) zeigt einen Linienstrahl 4 (homogenisiertes Laserlicht), eine Lichtintensitätsverteilung 13 nach einer Amplitudenmodulation, einen Phasenschieber 8, ein amorphes Substrat 9, eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht 10, einen Ausgangspunkt 14 des Kristallwachstums (Ausgangspunkt einer Kristallisation), eine Einkristallregion 15, eine Temperaturverteilung 16 zur Zeit einer Laserbestrahlung und ein Schmelzpunkt 17.
  • In 2(a) sind jedoch nicht die Amplitudenmodulationsmaske 5 und das optische Lichtprojektionssystem 6 dargestellt.
  • Gemäß 2(b) kann beispielsweise im Falle eines Krypton-Fluorid (KrF) Lasers die Amplitudenmodulationsmaske 5 durch Verteilen einer Dünnschicht aus einem Material, welches zu dem Si (O, N) System gehört, auf der Oberfläche der Grundschicht erhalten werden. In ähnlicher Weise kann im Falle eines Xenon-Chlorid (XeCl) Lasers, wie es in 2(b) dargestellt ist, die Amplitudenmodulations marke 5 durch Verteilen einer Dünnschicht aus einem Material, welches zu dem Si (O, C) System oder Si (O, N, C) System gehört, auf der Oberfläche der Grundschicht erhalten werden.
  • Ferner kann gemäß dem Beispiel der Phasenschieber 8 als Mittel zum Steuern (Erzeugen) des Ausgangspunktes 14 der Kristallisation verwendet werden. Dabei wird vorliegend der Phasenschieber unter der Annahme eingesetzt, daß die Lichtquelle kohärentes Licht aussendet. Wie jedoch durch die Erfindung gezeigt wird, kann selbst bei einem nicht-kohärenten Licht der Grenzabschnitt mit einer unterschiedlichen Phase immer einen Mindestwert bezüglich der Lichtintensität annehmen. Wie man an der Temperaturverteilung 16 zum Zeitpunkt einer Laserbestrahlung, wie es in 2(a) gezeigt ist, erkennt, wird folglich ein Abschnitt mit einer Temperatur, die geringer ist als die in der Umgebung, im zentralen Abschnitt der Y-Richtung und im Ursprung der X-Richtung erzeugt. Als Ergebnis davon wird dieser Abschnitt zu einem Ausgangspunkt des Kristallwachstums 14, wie es in 2(a) gezeigt ist.
  • Da es schwierig ist, den Strahl unmittelbar nach Aussenden vom Excimerlaser 1 in der bestehenden Form zu kontrollieren, wird bei dem Beispiel mit Rücksicht auf die Konsistenz zwischen der Produktivität und der Homogenitätssteuerung der Strahl mit einer gleichmäßigen Amplitude durch Flächenteilung und Strahlmischung erzeugt. Da in diesem Falle der Strahl seine Kohärenz verliert, wird die Strahlungsintensität auf dem amorphen Substrat 9 durch eine Amplitudenmodulation unter Verwendung der Amplitudenmodulationsmaske 5 moduliert. Mit dieser Technik kann ein laterales Kristallwachstum realisiert werden, welches das Wachstum bis zu einer Länge von etwa 5 bis 10 µm fortsetzt.
  • Bei dem einleitend geschilderten Phasenschieber-Kristallisationsverfahren weist eine amorphe Siliziumschicht, die kristallisiert werden soll, eine Dicke von üblicherweise 100 nm oder weniger auf, bevorzugt etwa 50 nm. Wenn der homogenisierte Laserstrahl mit einer vorgegebenen Querschnittsform und einer Breite von etwa 20 cm unter Verwendung eines Hochleistungsexcimerlasers erzeugt wird, wobei eine Bestrahlungsenergie von etwa 400 mJ/cm2 üblicherweise notwendig ist, ist es möglich, mit einer Geschwindigkeit von etwa 5 mm/sec abzutasten. Im Falle eines Glassubstrats mit einer Größe von 55 cm × 65 cm, welche üblicherweise für eine Flüssigkristallanzeige verwendet wird, kann die amorphe Siliziumdünnschieht, welche auf dem Glassubstrat vorbereitet ist, über die gesamte Fläche innerhalb von etwa 5 min kristallisiert werden. Die amorphe Siliziumschicht, welche in dem die Erfindung erläuternden Beispiel verwendet wird, hat eine Dicke von 50 nm bis 300 nm, vorzugsweise etwa 200 nm. Die Bestrahlungsenergie, welche in dem Beispiel benötigt wird, ist zwei- oder dreimal so groß, wie diejenige, welche in dem ersten der einleitend geschilderten bekannten Verfahren verwendet wird. Da jedoch das optische System, welches in Beispiel verwendet wird, zweidimensional ausgelegt ist, ist es möglich, eine Einkristalldünnschicht über die gesamte Fläche des Glassubstrats von 55 cm × 65 cm bei einer Geschwindigkeit von 1/3 oder noch geringer als diejenige, welche bei dem erstgenannten bekannten Verfahren eingesetzt wird, zu bilden.
  • Eine aufwendige Technik ist üblicherweise notwendig, um die Einkristalldünnschicht, welche die gesamte Fläche des amorphen Substrats bedeckt, gleichmäßig zu bilden. Nach der vorliegenden Erfindung ist es jedoch möglich, eine Einkristallregion in einer beliebigen Position auf einem amorphen Substrat zu bilden, insbesondere auf einem Glassubstrat, bei einem beliebigen Rastermaß (Pitch). Daher bildet die Erfindung eine fundamentale Technik zum Bilden eines Einkristallarrays, welches der Leistungsfähigkeit der Halbleiterdünnschicht angepaßt werden kann, die anhand der erforderlichen Schaltungsspezifikationen und Designregel bzw. Schaltungsrastermaß bestimmt wird.
  • Das Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht nach dem die Erfindung eläuternden Beispiel, bei welchem die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht 10 auf einer Grundschicht aus isolierendem Material (z.B. amorphes Substrat 9) gebildet wird, die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht durch Laserlicht (z.B. emittiert vom Excimerlaser 1) bestrahlt wird und das Laserlicht und die Grundschicht relativ zueinander bewegt werden, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, umfaßt die Schritte: Homogenisieren der Intensitätsverteilung des Lichtes; Durchführen einer Amplitudenmodulation (z.B. unter Verwendung einer Amplitudenmodulationsmaske 5), derart, daß die Amplitude des Lichtes, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert ist, in der Richtung der Relativbewegung des Lichtes zu der Grundschicht erhöht wird; Projizieren des amplitudenmodulierten Lichts auf die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht, die auf der Grundschicht gebildet ist (z.B. unter Verwendung des optischen Lichtprojektionssystems 6); Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes an der bestrahlten Fläche (z.B. unter Verwendung des Phasenschiebers 8) und Erzeugen eines Ausgangspunktes 14 des Kristallwachstums; und Bilden einer Einkristallregion 15 längs der Richtung der Relativbewegung des Laserlichts zu der Grundschicht.
  • Ferner wird nach dem Beispiel eine. Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht bereitgestellt, bei welcher eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet wird, die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht durch Laserlicht bestrahlt wird und das Laserlicht und die Grundschicht relativ zueinander bewegt werden, wodurch die Nicht- Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Lichtquelle (z.B. den Excimerlaser 1), welche das Licht emittiert; einen Homogenisierer 3 zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung des Lichts, welches von der Lichtquelle emittiert wird; ein Amplitudenmodulationsmittel (zum Beispiel eine Amplitudenmodulationsmaske), so daß die Amplitude des Lichtes, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert ist, in der Richtung der Relativbewegung des Lichtes zu der Grundschicht erhöht wird; ein optisches Lichtprojektionssystem 6 zum Projizieren des Lichtes, welches durch das Amplitudenmodulationsmittel amplitudenmoduliert wird, auf die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht, welche auf der Grundschicht gebildet ist; ein Mittel (zum Beispiel Phasenschieber 8) zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes in der vorgenannten bestrahlten Fläche; und ein Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung des Lichtes und der Grundschicht (zum Beispiel eine Substrathalterung, welche in die X/Y-Richtungen bewegt werden kann, oder ein Mittel zum Abtasten des Lichtes (hier nicht gezeigt)).
  • Nach einer Variante des Beispiels ist das Amplitudenmodulationsmittel (z.B. die Amplitudenmodulationsmaske 5) beispielsweise eine Lichtabsorptionsmaske.
  • Nach einer weiteren Variante des Beispiels ist das Mittel zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes beispielsweise ein Phasenschieber 8.
  • Nach einer weiteren Variante des Beispiels ist ein Justiermittel (in den Figuren nicht gezeigt) zum Justieren des vorstehend erwähnten Amplitudenmodulationsmittels (zum Beispiel die Amplitudenmodulationsmaske 5) und des Mittels zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes (zum Beispiel Phasenschieber 8) vorgesehen.
  • Nach einer weiteren Variante des Beispiels verwendet das vorgenannte Justiermittel den Laserstrahl sowohl zur Justierung als auch als Justiermarke (in den Figuren nicht gezeigt).
  • Erstes Ausführuncrsbeispiel
  • Die 3(a) und 3(b) zeigen einen Lichtabsorptionspunkt 18 und eine Maske 19 mit dem Lichtabsorptionspunkt 18.
  • 3(a) zeigt ein erstes Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei welchem die Maske 19 mit dem Lichtabsorptionspunkt 18 als Mittel zum Erzeugen des Ausgangspunktes des Kristallwachstums 14 (vgl. 2(a)) an der Position bereitstellt ist, welche derjenigen des Phasenschiebers 8 des die Erfindung erläuternden Beispiels ent spricht. Die Maske 19, welche den Lichtabsorptionspunkt 18 enthält, kann auch so ausgebildet sein, wie es in 3(b) dargestellt ist. Beispielsweise kann sie im Falle des KrF-Lasers unter Verwendung einer Schicht aus einem Material, welches zu dem Si (O, N) System gehört, gebildet werden, und im Falle des XeCl-Lasers kann sie unter Verwendung einer Schicht aus einem Material, welches zu dem Si (O, N, C) System gehört, gebildet werden.
  • Bei einer Temperaturverteilung 16 zum Zeitpunkt einer Laserbestrahlung, welche derjenigen in 2(a) ähnlich ist, wird ein Abschnitt mit einer Temperatur, die geringer ist als die Temperatur der Umgebung, erzeugt, der in dem zentralen Abschnitt in der Y-Richtung und im Ursprung der X-Richtung angeordnet ist. Im Ergebnis wird der Ausgangspunkt des Kristallwachstums 14, wie es in 3(a) gezeigt ist, erzeugt, und ein laterales Kristallwachstum von etwa 5 bis 10 µm wird ähnlich wie im Beispiel ermöglicht.
  • Bei der Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht nach dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Mit tel zum Bereitstellen des Niedrigtemperaturabschnittes eine Maske (19) mit einem Lichtabsorptionspunkt (18).
  • Zweites Ausführungsbeispiel:
  • Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anstelle der Amplitudenmodulationsmaske im Aufbau gemäß 1 eine Maske mit einem Lichtabsorptionspunkt 18 (vgl. 3(a)) an oder in Nähe des gestuften Abschnittes eines Phasenschiebers 23 angeordnet, wie es in 4(a) dargestellt ist. Hiermit erhält man die gleiche Wirkung wie durch eine Drehung des Phasenschiebers 8 (vgl. 2(a)) um einen rechten Winkel. Der Lichtabsorptionspunkt wird unter Verwendung einer Schicht aus einem Material hergestellt, welches zu dem Si (O, C, N) System im Falle eines KrF-Lasers gehört. Mit einem solchen Aufbau ist es möglich, dasselbe Kristallwachstum durchzuführen, wie es mit dem ersten Ausführungsbeispiel erhalten wird. Üblicherweise wird davon ausgegangen, daß das durch den Homogenisierer homogenisierte Licht eines Excimerlasers unabhängig von der Modulation der Lichtintensität unter Verwendung des Phasenschiebers ist. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß, wenn das Glassubstrat 9 in einem Abstand von 1 mm oder weniger von dem Phasenschieber 23, welcher das vorgenannte laterale Kristallwachstum steuert, angeordnet ist, erhält man auf dem Glassubstrat 9 eine Temperaturverteilung ähnlich derjenigen (vgl. 3(a), 16), welche zum Zeitpunkt der Laserbestrahlung auftritt.
  • Das Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht nach dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren, bei welchem eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht 10 auf einer Grundschicht aus isolierendem Material (zum Beispiel das amorphe Substrat 9) gebildet wird, die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht durch Laserlicht (zum Beispiel von einem Excimerlaser 1 stammend) bestrahlt wird und das Laserlicht und die Grundschicht werden relativ zueinander bewegt werden, wodurch die Nicht- Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Homogenisieren der Intensitätsverteilung des vorgenannten Lichts; Ausführen einer Amplitudenmodulation (zum Beispiel unter Verwendung eines Phasenschiebers 23), derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensität homogenisiert ist, in Richtung der Relativbewegung des Lichtes zu der Grundschicht vergrößert wird; Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes in der bestrahlten Fläche (zum Beispiel durch den Lichtabsorptionspunkt 18) und Erzeugen eines Ausgangspunktes 14 des Kristallwachstums; und Bilden einer Einkristallregion 15 entlang der Richtung der Relativbewegung des Lichtes gegenüber der Grundschicht.
  • Ferner wird nach dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht bereitgestellt, bei welcher eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus einem isolierenden Material gebildet wird, die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht durch Licht bestrahlt wird und das Licht relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Lichtquelle (zum Beispiel den Excimerlaser 1), welche das Licht emittiert; einen Homogenisierer 3 zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung des Lichtes, das von der Lichtquelle emittiert wird; ein Amplitudenmodulationsmittel (zum Beispiel Phasenschieber 23) zum Bilden einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichtes, dessen Intensitätsverteilung durch den Homogenisierer homogenisiert wird, in der Richtung der Relativbewegung des Lichtes gegenüber der Grundschicht vergrößert wird; ein Mittel (zum Beispiel Lichtabsorptionspunkt 18) zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes in der bestrahlten Fläche; und ein Mittel zum Erzeugen einer Relativbewegung des Lichtes und der Grundschicht (zum Beispiel eine Substrathalterung, die in die X/Y-Richtungen verschoben werden kann, oder Lichtabtastmittel (hier nicht gezeigt)). Demnach ist es gemäß dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel nicht notwendig, ein optisches Lichtprojektionssystem bereitzustellen, um das Licht, welches durch das Amplitudenmodulationsmittel amplitudenmoduliert wird, auf die Nicht-Einkristallschicht, welche auf der Grundschicht gebildet ist, zu projizieren.
  • Nach einer Variante des zweiten Ausführungsbeispiels werden das Mittel zum Durchführen der Amplitudenmodulation sowie zum Bereitstellen des Niedrigtemperaturpunktes durch den Phasenschieber 23 gebildet.
  • Drittes Ausführungsbeispiel:
  • 5(a) zeigt einen Linienstrahl 4 (homogenisiertes Laserlicht), einen Linienstrahl 7, der amplitudenmoduliert und sodann projiziert wird, einen Phasenschieber 8, ein amorphes Substrat 9, einen Nicht-Einkristallhalbleiter 10, einen kristallierten Halbleiter 11, einen Vorschubschritt 20 eines amorphen Substrats 9 (wobei eine Substrathalterung nicht dargestellt ist). Ferner sind in 5(a) auch der Excimerlaser 1, der emittierte Strahl 2, der Homogenisierer 3, die Amplitudenmodulationsmaske 5, die aus einer Lichtabsorptionsmaske gebildet ist, und das optische Lichtprojektionssystem 6 nicht dargestellt. In 5(b) kennzeichnet die Bezugsziffer 12 ein Einkristallarray, Bezugsziffer 20 einen Vorschubschritt und ein Pfeil C die Richtung des lateralen Kristallwachstums.
  • Die Nachteile der einleitend beschriebenen bekannten Verfahren bestehen darin, daß der Abdeckbereich der kristallisierten Region in dem kristallisierten Array tendentiell kleiner ist als derjenige der anfänglich geplant ist. Da außerdem der Ausgangspunkt des Kristallwachstums 98 nicht immer mit dem Anfangszustand während der Kristallisation, zum Beispiel einer amorphen Siliziumphase, zusammenhängend ist, wird ein primärer Faktor zur Förderung der Kristallisation vom Kühlprozeß bestimmt und hängt wesentlich von einer geringen Anzahl von Verunreinigungen in der amorphen Siliziumphase und den verschiedenen Zuständen der Grenzflächen zwischen der Schicht und dem Substrat ab, weshalb die bekannten Verfahren eine geringe Reproduzierbarkeit eines gut kristallisierten Arrays aufweisen.
  • Um daher diese Nachteile zu vermeiden, wird beispielsweise nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Vorrichtung gemäß 5(a) bereitgestellt, die einen Substrathalterungs-Vorschubmechanismus (nicht gezeigt) aufweist, wobei die Vorschubhalterung um eine Schrittlänge bewegt werden kann, die etwas geringer als eine erwartete seitliche Wachstumslänge des Kristalls ist. Beispielsweise wird das amorphe Substrat 9 um einen Schritt 20 von etwa 5 μm in der Richtung des Pfeils A bewegt. Bei einem solchen Verfahren wird die vorstehend erwähnte Flächenabdeckrate der kristallisierten Region verbessert und das Einkristallarray 12 kann mit verbesserter Reproduzierbarkeit gebildet werden, obwohl die kristallisierte Region eine Form annimmt, die mehr nach Art von Streifen ausgebildet ist als nach einer Matrix.
  • In 6 kennzeichnet eine Bezugsziffer 22 einen Hauptlichtblitz (den ersten Lichtblitz; ein Einkristallkorn) und 23 einen nächsten Lichtblitz (den zweiten Lichtblitz).
  • Beispielsweise wird bei dem einleitend geschilderten bekannten Phasenschieber-Kristallisationsverfahren für die kristallisierte Anfangsschicht aus einem amorphen Silizium ein Einkristallkorn erhalten, welches dasjenige Einkristallkorn ist, das durch den Hauptlichtblitz 21 erhalten wird, wie er in 6 gezeigt ist. Das heißt, das laterale Kristallwachstum beginnt von dem Ausgangspunkt 14 des Kristallwachstums in die Richtung eines Pfeiles C. Jedoch wird dieses laterale Kristallwachstum weitgehend durch den Anfangsprozeß der Kristallisation bestimmt. In diesem Anfangsprozeß bildet sich ein Kern mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit während des Kühlvorganges und sodann bewegt er sich zu der Stufe des seitlichen Kristallwachstums. Bei dem bekannten Verfahren wird das Einkristallkorn nur durch einen Lichtblitz mit unterschiedlichen Wahrscheinlichkeit gebildet. Daher hat das bekannte Verfahren weiterhin unüberwundene Nachteile hinsichtlich der Reproduzierbarkeit und Konsistenz der Kernbildung sowie des darauffolgenden lateralen Kristallwachstums.
  • Bei dem Kristallisationsverfahren nach dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wie es in 6 gezeigt ist, wird die Kristallisation so ausgeführt, daß das Einkristallkorn, welches durch den Hauptlichtblitz 21 gebildet wird, teilweise mit dem Einkristallkorn überlappt, welches durch den zweiten Lichtblitz 22 gebildet wird, und weiter überlappt der Bereich des zweiten Lichtblitzes teilweise mit dem nächsten Lichtblitz (nicht gezeigt), usw. In dem ersten Lichtblitz 21 dominiert noch die Prozeßwahrscheinlichkeit als der Hauptfaktor für die Kornbildung und das nachfolgende laterale Wachstum des Einkristallkorns. Bei dem nächsten Lichtblitz 22 und dem darauffolgenden ist die kristallisierte Region bereits zusammenhängend mit dem Ausgangsbereich des Kristallwachstums 14. Dies bedeutet, daß bereits ein Kristallkeim für ein Kristallwachstum vorliegt und das Kristall von dem Kristallkeim aus gewachsen werden kann. Demgemäß wird die Krisallisation bestimmt durch das Wachstum aus dem Semi-Gleichgewicht einer Schmelze-Festkörper-Lösung, wodurch die oben erwähnte Reproduzierbarkeit und Konsistenz des Kristallwachstums durch die vorliegende Erfindung erheblich verbessert werden kann.
  • Wenn außerdem zum Erhöhen der Dichte der Einkristallregion 15 das Konzept der "Lichtquelle", wie es im Zusammenhang mit dem die Erfindung erläuternden Beispiel beschrieben wurde, verwendet wird, wird eine Formgebung und Veränderung des Strahles ermöglicht, so daß die streifenförmige Einkristallregion durch Anwenden des Step-und-Repeat-Verfahrens im Umfang der Amplitudenmodulationsmaske 5, des Phasenschiebers 8 und der Länge des lateralen Wachstums gebildet werden kann.
  • Bei einer Variante des dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird bei dem Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht das Licht relativ zu der Grundschicht mit einem Schrittlänge (Vorschubraster: 20) bis zur Größe einer Kristallwachstumslänge bewegt, und der vorausgehende erste Lichtblitz 21 überlappt teilweise mit dem Bereich des zweiten Lichtblitzes 22, welcher dem ersten folgt, wodurch eine streifenförmige Einkristallregion gebildet wird.
  • Während die vorliegende Erfindung im Detail im Zusammenhang mit einigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich anhand seines Fachwissens verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung, ohne den Schutzbereich zu verlassen. Beispielsweise wird in den Ausführungsbeispielen ein amorphes Substrat 9, wie etwa ein Glassubstrat, als die Grundschicht aus isolierendem Material verwendet, jedoch ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise ist es möglich, eine Grundschicht zu verwenden, die aus verschiedenen transparenten oder lichtundurchlässigen isolierenden Materialien gefertigt ist, wie etwa Keramiken, Kunststoffe, oder ähnliche. Ferner kann die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht, die auf der Grundschicht angeordnet ist, eine amorphe Halbleiterschicht sein, oder eine polykristaline Halbleiterschicht, die aus einer großen Anzahl von sehr dünnen Einkristallen gebildet ist. Dementsprechend ist es auch möglich, die Halbleiterdünnschicht nach der vorliegenden Erfindung durch Rekristallisieren der vorstehenden verschiedenen Halbleiterschichten zu bilden.
  • Wie vorstehend erläutert wurde, stellt die vorliegende Erfindung eine Technik bereit, die es ermöglicht, eine Einkristallregion auf einem amorphen Substrat, wie etwa ein Glassubstrat, in einer beliebigen Position bei beliebiger Schrittlänge (Pitch) zu bilden. Ferner wird eine fundamentale Technik bereitgestellt, welche es ermöglicht, ein Einkristallarray zu bilden, das an die jeweilige Leistungsfähigkeit der Halbleiterdünnschicht und die Designregel angepaßt werden kann, welche von der geforderten Schaltungsspezifikation abhängen.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht, bei welchem eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet ist, wobei die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht mit Licht bestrahlt wird, das relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Homogenisieren der Intensitätsverteilung des Lichts; Durchführen einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert wird, in Richtung der Relativbewegung des Lichts zu der Grundschicht zunimmt; Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes auf der bestrahlten Fläche und dadurch Erzeugen eines Ausgangspunktes des Kristallwachstums, wobei der Niedrigtemperaturpunkt durch ein Mittel bereitgestellt wird, das einen Lichtabsorptionspunkt aufweist; und Bilden einer Einkristallregion entlang der Richtung der Relativbewegung des Lichtes zur Grundschicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt umfaßt: Projizieren des amplitudenmodulierten Lichts auf die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht, die auf der Grundschicht gebildet ist.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Licht relativ zu der Grundschicht in einem Raster bis zur Größe der Kristallwachstumslänge bewegt wird, und ein erster Lichtblitz zumindest teilweise mit einem darauffolgenden Lichtblitz räum lich überlappt, wodurch eine streifenartige Einkristallregion gebildet wird.
  4. Vorrichtung zum Bilden einer Halbleiterdünnschicht, wobei eine Nicht-Einkristallhalbleiterschicht auf einer Grundschicht aus isolierendem Material gebildet ist, die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht mit Licht bestrahlt wird, das relativ zu der Grundschicht bewegt wird, wodurch die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht kristallisiert wird, wobei die Vorrichtung aufweist: eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht; einen Homogenisierer zum Homogenisieren der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts; ein Amplitudenmodulationsmittel zum Durchführen einer Amplitudenmodulation, derart, daß die Amplitude des Lichts, dessen Intensitätsverteilung homogenisiert ist, in der Richtung einer Relativbewegung des Lichtes zur Grundschicht zunimmt; ein Mittel mit einem Lichtabsorptionspunkt zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes an der durch das Licht bestrahlten Fläche; und ein Mittel zum Erzeugen der Relativbewegung zwischen dem Licht und der Grundschicht.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, welche ferner aufweist: ein optisches Lichtprojektionssystem zum Projizieren des Lichts, welches durch das Amplitudenmodulationsmittel amplitudenmoduliert ist, auf die Nicht-Einkristallhalbleiterschicht, die auf der Grundschicht gebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, bei welcher das Amplitudenmodulationsmittel eine Lichtabsorptionsmaske ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei welcher das Mittel zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes ein Phasenschieber ist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welcher das Mittel zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes eine Maske ist, die den Lichtabsorptionspunkt aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei welcher ein Phasenschieber, der den Lichtabsorptionspunkt aufweist, sowohl als Amplitudenmodulationsmittel als auch als Mittel zum Bereitstellen des Niedrigtemperaturpunktes dient.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, welche ferner ein Justiermittel zum Justieren des Amplitudenmodulationsmittels und des Mittels zum Bereitstellen eines Niedrigtemperaturpunktes aufweist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei welcher das Justiermittel eine Justiereinrichtung ist, welche einen Laserstrahl sowohl zum Justieren als auch als Justiermarke verwendet.
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