DE60030517T2 - Verfahren zur wärmebehandlung durch laserstrahlen, und halbleiteranordnung - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserwärmebehandlungsverfahren zum Bilden eines polykristallinen Siliziumfilmes mit einer hervorragenden kristallinen Eigenschaft zum Herstellen eines hochmobilen Dünnfilmtransistors und einer Halbleitervorrichtung, die unter Benutzung solch eines Verfahrens erzeugt ist.
  • Hintergrundstechnik
  • Gegenwärtig erzeugen Pixelabschnitte einer Flüssigkristalltafel ein Bild durch Schalten von Dünnfilmtransistoren, die aus einem amorphen oder polykristallinen Siliziumfilm auf einem Glas oder einem synthetischen Quarzsubstrat gebildet sind. Wenn eine Treiberschaltung (die jetzt typischerweise unabhängig außerhalb angebracht ist) zum Treiben der Pixeltransistoren gleichzeitig auf der Tafel hergestellt werden kann, würden deutliche Vorteile in Hinblick auf die Produktionskosten, Zuverlässigkeit und ähnliches der Flüssigkristalltafel erzielt werden. Gegenwärtig weist der Dünnfilmtransistor jedoch, da der Siliziumfilm, der eine aktive Schicht des Transistors bildet, eine schlechte kristalline Eigenschaft aufweist, eine schlechte Fähigkeit in Hinblick auf die Mobilität und ähnliches auf, wodurch es schwierig gemacht wird, eine integrierte Schaltung herzustellen, die eine hohe Geschwindigkeit und Funktionalität verlangt. Die Laserwärmebehandlung wird allgemein als ein Weg zum Verbessern der kristallinen Eigenschaft des Siliziumfilmes zum Herstellen eines hochmobilen Dünnfilmtransistors durchgeführt.
  • Die Druckschrift US 5,643,801 beschreibt das Lasererwärmen von dünnen Filmen unter Benutzung eines Laserstrahles kurzer Wellenlänge von 400 nm oder weniger in einem Wellenlängen- und streifenförmigen Strahlprofil. Die US 5,643,801 bestimmt, dass Laserstrahlen und eine Pulsbreite von 50 nsec oder weniger benutzt werden sollten zum Erzielen des niedrigen Flächenwiderstandes. Der Einfluss eines Energiedichtegradienten des Laserstrahles auf die Trägermobilität, die erhalten wird, wird nicht angesprochen. Daher wurde eine mittlere Elektronenmobilität für einen Siliziumfilm von 80 cm2/Vs erzielt.
  • Die JP 8-228006 offenbart die Herstellung von Dünnfilmtransistoren mit isoliertem Gate. Unter Benutzung eines Laserstrahles, dessen Wellenlänge 350 nm überschreiten kann und der linear bearbeitet ist, werden Inseln eines amorphen Halbleiterfilmes fotoerwärmt. Die Druckschrift gibt an, dass, wenn TFTs gebaut werden, die Kanten der inselförmigen Halbleiterbereiche nicht als Kanalbereiche benutzt werden sollen. Somit werden diese Kanten weggeätzt. Ebenfalls offenbart diese Druckschrift nicht, dass man Aufmerksamkeit auf den Energiedichtegradienten des Laserstrahles zum Erzielen einer niedrigen Trägermobilität richten soll.
  • Die Beziehung zwischen der kristallinen Eigenschaft des Siliziumfilmes und der Mobilität des Dünnfilmtransistors wird wie folgt beschrieben: im Allgemeinen ist der Siliziumfilm, der aus der Laserwärmebehandlung herrührt, ein polykristalliner Film. Kristalldefekte sind lokal an polykristallinen Korngrenzen vorhanden, die Trägerbewegung in der aktiven Schicht des Dünnfilmtransistors verhindern. Folglich ist es zum Erhöhen der Mobilität des Dünnfilmtransistors nur notwendig, die Häufigkeit für die Träger sich über die Korngrenzen zu bewegen, zu verringern, während sie sich in der aktiven Schicht bewegen, und eine Kristalldefektdichte zu verringern. Der Zweck der Laserwärmebehandlung ist das Bilden eines polykristallinen Siliziumfilmes mit einer großen Korngröße und ebenfalls mit einer kleinen Zahl von Kristalldefekten an den Kristallgrenzen.
  • 11 ist ein Bild, das ein Beispiel eines herkömmlichen Laserwärmebehandlungsgerätes zeigt. In 11 ist eine Pulslaserquelle 501 eine Excimerlaserquelle (wie ein KrF (Wellenlänge von 248 nm) und XeCl (Wellenlänge von 308 nm)), die eine typische Pulslaserquelle einer Wellenlänge von weniger als 350 nm ist zum Emittieren von ultraviolettem Licht, das üblicherweise als Wärmebehandlungslaser benutzt wird. Excimerlaserlicht 502 wird von der Pulslaserquelle 501 emittiert. Ein Strahlhomogenisierer 503 macht eine Intensitätsverteilung von Excimerlaserlicht 502 gleichförmig. Ein fokussierendes optisches System 504 fokussiert das Excimerlaserlicht 502. Ein amorpher Siliziumfilm 505 ist so vorgesehen, dass er der Laserwärmebehandlung unterworfen wird. Der amorphe Siliziumfilm 505 ist auf einem darunter liegenden Siliziumoxidfilm 506 auf einem Glas- oder Quarzsubstrat 507 gebildet.
  • Hier im folgenden wird ein herkömmliches Laserwärmebehandlungsverfahren beschrieben. Excimerlaserlicht 502, das von der Pulslaserquelle 501 emittiert wird, wird durch den Strahlhomogenisierer 503 auf den amorphen Siliziumfilm 505 durch das fokussierende optische System 504 gerichtet. Der amorphe Siliziumfilm 505 wird in dem Bereich geschmolzen, der durch das Excimerlaserlicht 502 bestrahlt wird. Dann, wenn sich die Temperatur verringert, kristallisiert das geschmolzene Silizium zum Bilden eines polykristallinen Siliziumfilmes. Da Silizium einen extrem hohen Absorptionskoeffizienten für Excimerlaserlicht aufweist, kann die Wärmebehandlung effektiv durchgeführt werden selbst bei einem dünnen Siliziumfilm. Aufgrund des übermäßig hohen Absorptionskoeffizienten wird jedoch Laserlicht zu der Zeit absorbiert, zu der es ungefähr 10 nm von der Oberfläche eingedrungen ist. Ein Schmelzprozess von einem amorphen Siliziumfilm 505 ist in 12A bis 12D gezeigt. 12A zeigt einen Zustand des Siliziumfilmes 505 nach dem Strahlen des Laserlichtes in die durch P gezeigte Richtung; 12B zeigt einen Zustand, der einige 10 Nanosekunden nach 12B erhalten wird; und 12D zeigt einen Zustand nach dem Kristall- wachstum. Nach dem Bestrahlen mit dem Laser weist der Siliziumfilm 505 eine Schmelztiefenverteilung und eine Temperaturverteilung entsprechend eines in 12A gezeigten Gaußstrahlprofiles 601 auf, und ein geschmolzener Abschnitt 603 des Siliziumfilmes wird erzeugt. Wärme wird im allgemeinen in einem gewissen Aufspreizungswinkel geleitet. Wenn daher die Schmelztiefe durch die Wärmeleitung vergrößert wird, werden diese Verteilungen breiter, wie in 12B gezeigt ist, was in gleichförmigen Verteilungen resultiert, wie in 12C gezeigt ist. Somit wird der geschmolzene Abschnitt 603 aus Siliziumfilm gebildet. Da es keine laterale Temperaturverteilung gibt, geht folglich die Rekristallisierung in der vertikalen Richtung voran, wodurch die resultierenden Kristallkörner 604 eine vertikal längliche Form aufweisen, wie in 12D gezeigt ist. Mit andern Worten, die Kristallkorngröße wird in der Richtung der Ebene verringert, in der sich die Träger bewegen.
  • 13 zeigt die Abhängigkeit der Mobilität (n-Kanal) eines MOS-Transistors von der Bestrahlungsenergiedichte von Laserlicht, wobei der MOS-Transistor seine aktive Schicht aus dem so gebildeten polykristallinen Siliziumfilm aufweist. 13 zeigt ein Resultat mit der Benutzung einer KrF-Excimerlaserquelle als Pulslaserquelle 501 (11) und einer Pulsdauer von ungefähr 15 nsec (FWHM). Zusätzlich weisen der Siliziumoxidfilm 506 und der amorphe Siliziumfilm 505 eine Dikke von 200 nm bzw. 50 nm auf. Hierin ist die Laserbestrahlungsfläche definiert als eine Fläche mit einer Bestrahlungsintensität, die 1/e2 mal oder mehr des Spitzenwertes aufweist, und die Bestrahlungsenergiedichte wurde aus der Strahlungslaserenergie berechnet. Wie aus 13 gesehen werden kann, wurde unter den oben beschriebenen Laserwärmebehandlungsbedingungen die maximale Mobilität von 80 cm2/Vs durch Setzen der Excimerlaserstrahlungs-energiedichte auf 230 mJ/cm2 erhalten, und ungefähr 80% oder mehr der maximalen Mobilität wurden in dem Bereich von ±5 mJ/cm2 davon erzielt. Solch eine Mobilität ist jedoch noch unzureichend, um eine integrierte Schaltung hoher Geschwindigkeit und hoher Funktionalität herzustellen. Weiterhin ist, wie in 13 gezeigt ist, die Mobilität hochgradig abhängig von der Bestrahlungsenergiedichte. Daher haben bei der Einführung solch eines Verfahrens in der Produktionslinie die erzeugten Transistoren Variation in ihren Eigenschaften, wenn nicht die Laserausgabe und die Fokussierungsfähigkeit des optischen Systems hochgradig strikt gesteuert werden. Der Grund dafür kann wie folgt gedacht sein: da Silizium eine hohe Absorption für das Excimerlaserlicht hat, variiert ein Schmelzzustand davon mit einer leichten Änderung in der Bestrahlungsenergiedichte, so dass sich der Rekristallisationsprozess ändert.
  • In Hinblick auf die Verbesserung der Korngröße des polykristallinen Siliziumfilmes ist ein Versuch in Artikeln gemacht worden, eine Laserwärmebehandlung mit Laserlicht langer Wellenlänge von 350 nm oder mehr auszuführen (Druckschrift 1 (Appl. Phys. Lett. 39, 1981, S. 425–427), Druckschrift 2 (Math. Res. Soc. Symp. Proc., Bd. 4, 1982, S. 523–528) und Druckschrift 3 (Math. Res. Soc. Symp. Proc., Bd. 358, 1995, S. 915–920). Hierin wird eine zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers (Wellenlänge von 532 nm) als das Laserlicht langer Wellenlänge von 350 nm oder mehr benutzt. Bei diesen berichteten Beispielen entspricht ein Strahlprofil an der Bestrahlungsposition einer achsensymmetrischen Gaußverteilung. Gemäß den Druckschriften 1 und 2 ist ein Rekristallisationsprozess der Laserwärmebehandlung unter Benutzung der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers wie folgt beschrieben: die Beschreibung wird hier unter Bezugnahme auf 14A bis 14D gegeben. Wie in 14A gezeigt ist, wenn ein fokussierter Laserstrahl 611 mit einem Gaußstrahlprofil 601 von dem fokussierenden optischen System 504 auf den Siliziumfilm 505 in die durch P gezeigte Richtung gerichtet wird, wird eine Temperaturverteilung 612, die nahe der Gaußverteilung ist, innerhalb des Siliziumfilmes 505 erzeugt. Daher wird ein geschmolzener Abschnitt 613 in einem Schmelzzustand gebildet, wie in 14B gezeigt ist. In einem flachen Abschnitt C der Schmelztiefe in 14B wird eine longitudinale Temperaturverteilung aufgrund des Wärmeverlustes hauptsächlich zu dem Substrat erzeugt. Als Resultat tritt ein dreidimensionales iso tropes Kristallwachstum 614 in der vertikalen Richtung auf, wie in 14C gezeigt ist, wodurch die rekristallisierte Korngröße auf einen Wert so niedrig wie einige 100 Nanometer durch die flache Schmelztiefe begrenzt wird. Ein Abschnitt D, der bis zu der Schnittstelle mit dem Substrat in 14B geschmolzen ist, weist einen großen Temperaturgradienten in der lateralen Richtung auf, was in einem unterschiedlichen Rekristallisationsprozess 615 resultiert, wie in 14D gezeigt ist. Genauer, der vertikal gewachsene Kristall mit einer kleinen Korngröße dient als Saatkristall für laterale Rekristallisation zu dem Zentrum mit einer hohen Temperatur. Als Resultat werden große Kristallkörner mit einem Durchmesser von mehreren Mikrometer in der Ebene, in der sich die Träger bewegen, erzeugt.
  • Bei diesem berichteten Beispielen verursacht jedoch das achsensymmetrische Gaußstrahlprofil ein signifikantes Problem. Da das Profil achsensymmetrisch an der Bestrahlungsposition ist, wachsen Kristallkörner 616 radial, wie in 15 gezeigt ist. Folglich weist ein MOS-Transistor mit seiner aktiven Schicht, die aus diesem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, solch eine Struktur auf, wie sie in 16 gezeigt ist. In 16 enthält der Transistor eine Source 701, einen Drain 702, einen Kanal 704, der zwischen Source 701 und Drain 702 eingefügt ist, und ein Gate 703, das über dem Kanal 704 gebildet ist. Die aktive Schicht, die Source 701, Drain 702 und Kanal 703 enthält, ist aus dem polykristallinen Siliziumfilm gebildet. Kristallkörner 616 weisen nicht die gleiche Orientierung im Kanal 704 auf, in dem sich die Träger bewegen. Da die Träger an den Grenzflächen der Kristallkörner 616 mit unterschiedlichen Orientierungen gestreut werden, wird die Trägermobilität verringert. Da weiterhin individuelle Kristallkörner auf zentralsymmetrische Weise gewachsen sind, wird wahrscheinlich eine Lücke, d.h. eine Versetzung, eine Art von Kristalldefekten zwischen den individuellen Kristallkörnern erzeugt, wodurch die Kristalldefektdichte erhöht wird. Daher weist der polykristalline Siliziumfilm, der aus der Laserwärmebehandlung resultiert, eine extrem schlechte Qualität in Hinblick auf die Gleichförmigkeit in der Ebene auf, und kein erfolgreicher Dünnfilmtransistor ist insoweit berichtet worden.
  • Hierin wird die Beziehung zwischen der Dicke eines Siliziumfilmes und eines MOS-Transistors beschrieben. Allgemein wird, wenn der Siliziumfilm, der die aktive Schicht bildet, dünner wird, ein s-Faktor, wie er durch dVG/d(logIDS) definiert ist (worin VG eine Gatespannung ist, und IDS ein Drainstrom ist), verringert, wodurch eine Schwellenspannung verringert wird. Als Resultat wird eine Treiberspannung des Transistors verringert, wodurch eine signifikante Verringerung in dem Energieverbrauch erzielt wird. Daher ist solch ein Transistor hoch vorteilhaft, der in tragbaren Informationsendgeräten angebracht ist, eine Hauptanwendung der Flüssigkristalltafeln. Da jedoch die in den Druckschriften 1 und 2 benutzten Siliziumfilme so dick sind wie 0,2 bis 1 μm, kann nicht erwartet werden, dass sie praktisch als ein Transistor funktionieren aufgrund ihrer hohen Schwellenspannung und Energieverbrauch.
  • Die Laserwärmebehandlung wird gewöhnlich mit einem Substrat ausgeführt, das für eine Laserwärmebehandlung großer Fläche bewegt wird. Für die gleichförmige Qualität des resultierenden Filmes wird das Substrat gewöhnlicherweise um einen Abstand geringer als eine Strahlbreite während jedes Intervalles der Laserpulsbestrahlung bewegt, so dass der Laser auf den gleichen Abschnitt mehrere Male gerichtet wird. Gemäß der Druckschrift 3 ist es wünschenswert, den Laser auf den gleichen Abstand 200-mal oder mehr zu richten. Das ist so wegen einer vergrößerten Röntgenstrahlbrechungsspitzenintensität und eines verringerten Widerstandes des Siliziumfilmes nach der Laserwärmebehandlung. Obwohl die Druckschrift 3 nicht die Oberflächenrauhigkeit erwähnt, erzeugt solch eine große Zahl von Bestrahlungen allgemein eine signifikante Oberflächenrauheit und verursacht ein teilweises Abschmelzen als auch ein Entfernen des Siliziumfilmes von dem Substrat. Beim Herstellen eines koplanaren oder versetzten MOS-Transistors, dessen aktive Schicht aus einem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, wird ein Gateoxidfilm kurzgeschlossen, wenn die Oberflächenrauheit groß ist. Weiterhin kann der MOS-Transistor selbst nicht gebildet werden, wenn der Siliziumfilm teilweise entfernt worden ist.
  • Bei der herkömmlichen Wärmebehandlung unter Benutzung eines Excimerlasers, d.h. typischerweise eines Pulslasers mit einer Wellenlänge von 350 nm oder weniger als eine Lichtquelle ist eine Kristallkorngröße klein aufgrund des vertikalen Rekristallisationswachstums, und der resultierende Dünnfilmtransistor weist eine Mobilität so niedrig wie ungefähr 80 cm2/Vs auf. Da weiter die Mobilität hochgradig von der Bestrahlungsenergiedichte abhängt, kann eine konstante Mobilität nicht erzielt werden, was Variation in den Eigenschaften der resultierenden Transistoren verursacht.
  • Andererseits weisen bei der herkömmlichen Laserwärmebehandlung unter Benutzung einer zweiten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers zum Vergrößern der Kristallkörner und somit Erhöhen der Mobilität des Dünnfilmtransistors individuelle Kristallkörner nicht die gleiche Orientierung aufgrund der Benutzung einer axialsymmetrischen Gaußstrahles auf. Daher weist der resultierende Dünnfilmtransistor eine niedrige Mobilität und eine hohe Kristalldefektdichte an den Korngrenzen auf.
  • Weiterhin wird zum Verbessern der Kristallqualität so viel wie 200 Schüsse oder mehr des Lasers auf den gleichen Abschnitt gerichtet. Somit wird der Gateoxidfilm des MOS-Transistors kurzgeschlossen aufgrund der großen Oberflächenrauheit, oder der Dünnfilmtransistor kann aufgrund des Abschmelzens des Siliziumfilmes nicht hergestellt werden.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserwärmebehandlungsverfahren zum Bilden eines Dünnfilmes mit einer hervorragenden Kristalleigenschaft vorzusehen, die notwendig ist zum Herstellen eines Dünnfilmtransistors hoher Leistung. Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein produktives stabiles Laserwärmebehandlungsverfahren vorzusehen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Ein Laserwärmebehandlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
  • Gemäß diesem Laserwärmebehandlungsverfahren kann ein Dünnfilm hoher Qualität mit einer großen Kristallkorngröße stabil erzielt werden.
  • Laterales Kristallwachstum kann zuverlässig erzielt werden, wodurch ein polykristalliner Film hoher Qualität erhalten werden kann.
  • Gemäß diesem Laserwärmebehandlungsverfahren kann ein Dünnfilm mit höherer Qualität mit einer großen Kristallkorngröße stabil erzielt werden.
  • Gemäß Anspruch 2 kann erwartet werden, dass ein Nachglüheffekt erzielt wird.
  • Nach Anspruch 3 kann ein Spitzenwert, der Abschmelzen verursacht, unterdrückt werden, so dass der Gradient der Bestrahlungsenergiedichteverteilung vergrößert werden kann.
  • Gemäß der Erfindung werden Anforderungen bezüglich der Leistung des optischen Systems dass das Strahlprofil formt, verringert, wodurch Verringerung in den Kosten erzielt werden kann.
  • Gemäß Anspruch 4 kann eine stabile Wärmebehandlung ausgeführt werden.
  • Nach Anspruch 5 kann eine stabile produktive Wärmebehandlung bei niedrigen Kosten ausgeführt werden.
  • Nach Anspruch 6 kann eine stabile Wärmebehandlung ausgeführt werden.
  • Nach Anspruch 7 kann eine effektive Wärmebehandlung ausgeführt werden.
  • Nach Anspruch 8 kann eine Wärmebehandlung mit stabilen Eigenschaften ausgeführt werden.
  • Nach Anspruch 9 kann eine große Korngröße erzielt werden, wodurch eine hervorragende Laserwärmebehandlung erzielt werden kann.
  • Nach Anspruch 10 kann ein polykristalliner Film mit einem hervorragenden Oberflächenzustand erzielt werden.
  • Nach Anspruch 11 kann ein polykristalliner Film mit einem hervorragenden Oberflächenzustand erhalten werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist ein Bild, das eine konzeptionelle Struktur eines Laserwärmebehandlungsgerätes als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 2 ist ein schematischer Querschnitt, der eine Struktur eines Zieles zeigt, das der Laserwärmebehandlung von 1 zu unterwerfen ist.
  • 3 ist ein Bild, das zeigt, wie Laserlicht auf den gleichen Abschnitt mehrere Male gerichtet wird.
  • 4A ist ein Bild, das schematisch ein lineares Strahlprofil der vorliegenden Erfindung zeigt, und 4B ist ein Bild, das schematisch zeigt, wie ein Filmmaterial auf dem Substrat geschmolzen wird.
  • 5 ist ein schematisches Bild, das einen polykristallinen Siliziumfilm zeigt, der durch ein Laserwärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung gebildet wird.
  • 6 ist ein Bild, das die Abhängigkeit der Mobilität eines NMOS-Transistors von der Bestrahlungsenergiedichte zeigt, worin der NMOS-Transistor eine aktive Schicht aufweist, die aus einem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch ein Laserwärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
  • 7 ist ein schematisches Bild, das ein MOS-Transistor zeigt, der eine aktive Schicht aufweist, die aus einem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch ein Laserwärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist.
  • 8 ist ein schematisches Bild, das eine Strahlintensitätsverteilung in der Linienrichtung eines linearen Strahlprofiles mit Interferenz zeigt.
  • 9 ist ein schematisches Bild, das einen Rekristallisationsprozess durch ein Laserwärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 10 ist ein Bild, das für jeden Strahlungsenergiedichtegradienten die Abhängigkeit der Mobilität eines NMOS-Transistors von der Strahlungsenergiedichte zeigt, worin der NMOS-Transistor eine aktive Schicht aufweist, die aus einem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch ein Laserwärmebehandlungsverfahren der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
  • 11 ist ein Bild, das konzeptionelle Struktur eines herkömmlichen Laserwärmebehandlungsgerätes zeigt, das einen Excimerlaser benutzt.
  • 12A bis 12D sind Bilder, die schematisch einen herkömmlichen Wärmebehandlungsprozess darstellen, der einen Excimerlaser benutzt.
  • 13 ist ein Bild, dass die Abhängigkeit der Mobilität eines herkömmlichen NMOS-Transistors von der Bestrahlungsenergiedichte zeigt, worin der NMOS-Transistor eine aktive Schicht aufweist, die aus einem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch eine Excimerlaserwärmebehandlung erhalten wird.
  • 14A bis 14D sind Bilder, die schematisch einen herkömmlichen Wärmebehandlungsprozess darstellen, der eine zweite Harmonische eines Nd:YAG-Lasers benutzt.
  • 15 ist ein schematisches Bild, das Kristallkörner zeigt, die durch die herkömmliche Wärmebehandlung gebildet sind, die eine zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers mit einem Gaußprofil benutzt.
  • 16 ist ein schematisches Bild, das einen MOS-Transistor zeigt, der eine aktive Schicht aufweist, die aus einem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch die herkömmliche Wärmebehandlung gebildet ist, die eine zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers mit einem Gaußprofil benutzt.
  • Beste Art zum Ausführen der Erfindung
  • Ausführungsform 1
  • 1 ist ein Bild, das die Struktur eines Gerätes zum Ausführen eines Laserwärmebehandlungsverfahrens der vorliegenden Erfindung zeigt. In 1 emittiert ein Oszillator 101 der zweiten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers, der eine Pulslaserquelle benutzt wird, Laserlicht (Wellenlänge von 532 nm) 102. Ein variables Abschwächungsglied 103 stellt die Intensität des Laserlichts 102 ein. Ein optisches System 104, das den Strahl bildet, wandelt Laserlicht 102 in einen linearen Strahl um. Ein Target 200 ist auf einer mobilen Bühne 105 vorgesehen. Das Laserlicht 102 tritt in das optische System 104 zum Formen des linearen Strahles ein, nachdem es auf eine vorbeschriebene Intensität durch das variable Abschwächungsglied 103 eingestellt ist. Das Laserlicht wird in ein lineares Strahlprofil durch das optische System 104 zum Formen des linearen Strahles umgewandelt und danach auf das Target 200 für die Laserwärmebehandlung gerichtet. Ein Substrat des Targets 200 ist auf der mobilen Bühne 105 vorgesehen, so dass Substrat während der Laserbestrahlung bewegt werden kann. Das Target 200 ist im einzelnen in 2 gezeigt. Wie in 2 gezeigt ist, ist ein Siliziumoxidfilm mit einer Dicke 200 nm als ein unterliegender Film 202 auf einem Glassubstrat 203 durch CVD (chemische Dampfabscheidung) gebildet. Ein amorpher Siliziumfilm 201 mit einer Dicke von 70 nm ist darauf als ein Filmmaterial auf dem Substrat durch LPCVD (chemische Dampfabscheidung unter niedrigem Druck) gebildet. Das so erhaltene Substrat wird als Target 200 benutzt.
  • Der Laserstrahl wird gerichtet, während die mobile Bühne in der Richtung senkrecht zu der Längenrichtung des linearen Strahles mit einem ungefähr rechteckigen Querschnitt bewegt wird, d.h. in der Breitenrichtung des linearen Strahles. Wenn die Bühne um einen Abstand größer als die lineare Strahlbreite während jedes Pulsintervall der Laserlichtbestrahlung bewegt wird, wird der Laserpuls einmal auf den gleichen Abschnitt gerichtet. Wenn solch ein Abstand kleiner als die lineare Strahlbreite ist, wird das Laserlicht auf den gleichen Abschnitt mehrere Male gerichtet, wie in 3 gezeigt ist. In 3 wird der Laserpuls in die durch P gezeigte Richtung gerichtet. Durch Richten des Laserpulses in die durch P gezeigte Richtung, während das Substrat 203 in der durch Q gezeigten Richtung bewegt wird, weist der Puls vor dem vorherigen ein Laserstrahlprofil auf, wie es durch P1 gezeigt ist, der vorherige Puls weist ein Laserstrahlprofil auf, wie es durch P2 gezeigt ist, und der gegenwärtige Puls weist ein Laserstrahlprofil auf, wie es durch P3 gezeigt ist. Da die entsprechenden Laserstrahlprofile der Pulse teilweise einander überlappen, wird das Laserlicht auf den gleichen Abschnitt des Siliziumfilmes 201 mehrere Male gerichtet.
  • 4A und 4B sind konzeptuelle Bilder zu der Zeit, zu der der amorphe Siliziumfilm 201 durch die Laserstrahlbestrahlung geschmolzen wird. Eine Fokussierlinse 1041 die an einem Ausgangsabschnitt des optischen Systemes 104 zum Formen des linearen Strahles von 1 angeordnet ist, fokussiert einen linearen Strahl 300 mit einer Länge L0 und einer Breite W0 auf den amorphen Siliziumfilm 201 zur Bestrahlung. Ein fokussiertes Laserstrahlprofil 301 ist ein Profil mit flacher Oberseite mit einem gleichförmigen Profil in der Längenrichtung L des linearen Strahles 300 und zum Beispiel einem Gaußprofil in der Breitenrichtung W davon, wie durch die gestrichelte Linie in 4A gezeigt ist. Bei der vorliegenden Erfindung wird mit dem Wärmebehandlungsverfahren unter Benutzung eines linearen Strahles der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers der Siliziumfilm ungefähr gleichförmig in seiner Dickenrichtung aufgrund eines kleinen Absorptionskoeffizienten des amorphen Siliziums für die zweite Harmonische erwärmt. Eine laterale Temperaturverteilung 302 in dem Siliziumfilm 201, die aus der Laserbestrahlung resultiert, wird nun in der Richtung senkrecht zu der Längenrichtung L des linearen Strahles 300 erzeugt. Folglich wird ein amorpher Siliziumfilm 201, ein Filmmaterial auf dem Substrat, wie in 4B gezeigt ist, insgesamt in der Tiefenrichtung an einem Abschnitt einer vorbestimmten Strahlintensität oder mehr geschmolzen. Mit andern Worten, ein linienverteilt geschmolzener Abschnitt 303, der insgesamt in der Tiefenrichtung ausgebreitet ist, wird erzeugt. Daher schreitet aufgrund der kleinen Temperaturverteilungen in der Tiefenrichtung als auch in der Längenrichtung L des linearen Strahles 300 das Kristallwachstum eindimensional in der lateralen Richtung voran, d.h. in der Breitenrichtung W des linearen Strahles 300. Somit werden große Kristallkörner mit einer Korngröße von ungefähr einigen Mikrometern erzeugt. Weiterhin sind, wie in 5 gezeigt ist, alle Kristallkörner 306 des polykristallinen Siliziumfilmes, die aus der Laserwärmebehandlung resultieren, in der Kristallwachstumsrichtung orientiert, d.h. in der Breitenrichtung W des linearen Strahles, die senkrecht zu der Längenrichtung L des linearen Strahles ist. Mit andern Worten, sie sind in der Bewegungs-(Abtast)Richtung der mobilen Bühne orientiert.
  • Es soll angemerkt werden, dass, obwohl die herkömmliche Excimerlaserwärmebehandlung einen linearen Strahl benutzt, solche Wärmebehandlung ausgeführt wird auf der Grundlage eines Konzeptes vollständig unterschiedlich von dem der vorliegenden Erfindung. Wie oben mit Bezugnahme auf 12A bis 12D beschrieben wurde, ist die Rekristallisation unter Benutzung des Excimerlasers das Wachstum in der Dickenrichtung des Filmes. Daher ist die Orientierung in der Ebene der individuellen Körner irregulär, wodurch zufällige Kristallorientierung an ihren Grenzebenen verursacht wird. Folglich kann ungleich der Wärmebehand lung der vorliegenden Erfindung mit der Benutzung des linearen Strahles der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers solche Variation in der Kristallorientierung an den Grenzebenen der individuellen Kristallkörner nicht ausgeschlossen werden. In dieser Hinsicht ebenfalls ist es eine wesentliche Begrenzung in Hinblick auf das Erzielen einer hohen Mobilität des Transistors. Nur der Zweck des Benutzens des linearen Strahlens in der Excimerlaserwärmebehandlung ist es, die Gleichförmigkeit in der Ebene der Filmqualität sicherzustellen und die Produktionsfähigkeit zu verbessern. Entgegengesetzt dazu gemäß der vorliegenden Erfindung wird der lineare Strahl in der Wärmebehandlung mit der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers benutzt. Somit wird ein Kristall hoher Qualität mit einer großen Korngröße gebildet, wodurch erfolgreich die Mobilität des Transistors vergrößert wird.
  • Hier im folgenden werden die tatsächlichen Daten der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers, der als Pulslaserquelle benutzt wird, wies eine Pulsenergie von 20 mJ/Puls und eine Pulsdauer von 60 nsec (FWHM) auf. Weiterhin betrug die bestrahlte Fläche der Siliziumfilmoberfläche 50 μm × 10 mm. Das Experiment wurde durchgeführt, wobei die Laserlichtenergie durch das variable Abschwächungsglied 103 von 1 auf die Bestrahlungsenergiedichte von 300 bis 1500 mJ/cm2 eingestellt war. Der Laser wurde auf den gleichen Abschnitt des Siliziumfilmes 20 mal gerichtet. Es sei angemerkt, dass die Atmosphäre in der Luft war und die Substrattemperatur war Zimmertemperatur.
  • Die Laserwärmebehandlung eines amorphen Siliziumfilmes wurde unter solchen Bedingungen ausgeführt, wodurch ein planarer MOS-Transistor hergestellt wurde, der eine aktive Schicht aufweist, die aus dem resultierenden polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist. Der Transistor wurde so hergestellt, dass er einen Drainstrom aufweist, der in die Breitenrichtung des Strahles, d.h. in der Kristallwachstumsrichtung fließt. Die Kanallänge und -breite betragen 5 μm bzw. 10 μm. Die Abhängigkeit der n- Kanalmobilität von der Bestrahlungsenergiedichte ist in 6 gezeigt.
  • Soweit ist kein Dünnfilmtransistor berichtet worden, der eine aktive Schicht aufweist, die aus einem polykristallinen Siliziumfilm auf einem Glassubstrat durch Laserwärmebehandlung unter Benutzung der zweiten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers gebildet wird. Die vorliegende Erfindung ist die Erste, die solch einen Dünnfilmtransistor herstellt. Wie in 6 gezeigt ist, weist der MOS-Transistor eine n-Kanalmobilität nahe zu 200 cm2/Vs bei der Bestrahlungsintensität von 600 mJ/cm2 oder mehr auf, wodurch eine Fähigkeit zweimal so hoch erzielt wird wie durch den Excimerlaser. Die Mobilität des Transistors weist eine extrem niedrige Abhängigkeit von der Bestrahlungsenergiedichte auf, so dass ein akzeptierbarer Bereich der Bestrahlungsenergiedichte zum Erzielen von 80% oder mehr der maximalen Mobilität extrem breit ist, d.h. ±200 mJ/cm2 oder mehr.
  • Im Gegensatz dazu weist, wie zuvor in 13 gezeigt ist, der MOS-Transistor, der eine aktive Schicht aufweist, die aus dem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch die Excimerlaserwärmebehandlung gebildet ist, die maximale n-Kanalmobilität von nur ungefähr 80 cm2/Vs bei der Bestrahlungsenergiedichte von 230 mJ/cm2 auf. Die Mobilität hängt stark von der Bestrahlungsenergiedichte ab, so dass ein akzeptierbarer Bereich der Bestrahlungsenergiedichte zum Erzielen von 80% oder mehr der maximalen Mobilität extrem schmal ist, d.h. ±5 mJ/cm2. Dieses verursacht einen deutlichen Nachteil in der tatsächlichen Produktion. Da zusätzlich der polykristalline Siliziumfilm in der vertikalen Richtung gewachsen ist, ist die Korngröße davon klein wie ungefähr einige Hundert Nanometer bei der Bestrahlungsenergiedichte der maximalen Mobilität, d.h. bei 230 mJ/cm2.
  • Es ist somit ersichtlich, dass in dem Fall der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers der akzeptierbare Bereich der Bestrahlungsintensität mehrere 10 mal breiter als der in dem Fall des Excimerlasers ist. Mit andern Worten, es ist ersichtlich, dass solch eine Laserwärmebehandlung ein innovatives Merkmal aufweist, das allgemeines Wissen überwindet, dass die Laserwärmebehandlung instabil ist. Als Resultat können Stabilität und Zuverlässigkeit, von denen gedacht worden ist, dass sie unmöglich sind, in dem Produktionsprozess erzielt werden. Da weiter die zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers das laterale Kristallwachstum verursacht, ist die resultierende Korngröße ungefähr einige Mikrometer, was bedeutet, dass die Größenordnung der Korngröße um eine von der in dem Fall des Excimerlasers vergrößert ist. Somit kann ein deutlicher Vorteil durch die Wärmebehandlung selbst erzielt werden.
  • Obwohl Silizium hierin als das Filmmaterial beschrieben worden ist, sollte verstanden werden, dass Siliziumcarbid (SiC) oder ein Material, das nur aus Kohlenstoff besteht, oder ein zusammengesetzter Halbleiter oder eine dielektrische Verbindung oder ein Supraleiter hoher Temperatur den gleichen Effekt des Erzielens einer großen Korngröße aufweist, wenn sie der oben erwähnten Laserwärmebehandlung unterworfen werden.
  • Ausführungsform 2
  • In der Ausführungsform 2 wird eine Halbleitervorrichtung beschrieben, die auf dem wärmebehandelten Substratmaterial hergestellt ist, wie in der Ausführungsform 1 beschrieben ist. Wie in 7 gezeigt ist ist ein MOS-Transistorelement gebildet, das eine aktive Schicht aufweist, die aus einem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch die Wärmebehandlung gebildet ist unter Benutzung der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers, wie in der Ausführungsform 1 beschrieben ist. Eine Source 401, ein Drain 402 und ein Kanal 404, der zwischen die Source 401 und den Drain 402 eingefügt ist, sind in der aktiven Schicht gebildet. Ein Gate 403 ist über dem Kanal 404 gebildet. In dem der Transistor derart gebildet wird, dass die Breitenrichtung W des linearen Strahles, d.h. die Kristallwachstumsrichtung der Drainstromfließrichtung C entspricht, wird die Variation in der Kristallorientierung an den Grenzebenen der individuellen Kristallkörner 306 beseitigt, wodurch die Träger nicht an den Grenzebenen gestreut werden. Weiter wird die Kristalldefektdichte an den Korngrenzen aufgrund der extrem kleinen Korngrenzen verringert, wodurch die Mobilität des Transistors deutlich verbessert wird. Folglich wird ein Transistor, der bei einer hohen Frequenz unter den Transistoren tätig ist, die auf dem Substrat zu bilden sind, derart hergestellt, dass die Breitenrichtung W des linearen Strahles, d.h. die Kristallwachstumsrichtung der Drainstromfließrichtung C entspricht, eine Vorrichtung, die bis zu einer hohen Frequenz tätig sein kann, kann erzielt werden. Weiter sind nicht nur bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die Korngröße und somit die Mobilität des Transistors vergrößert, sondern die Bedingungen zum Erzielen der maximalen Mobilität des Transistors sind auch nicht kritisch in Hinblick auf die Laserbestrahlungsenergiedichte. Folglich können die Transistoren mit einer konstanten Eigenschaft vorteilhafterweise erzielt werden, selbst wenn sich die Laserintensität etwas variiert.
  • Ausführungsform 3
  • In der Ausführungsform 3 wird die Form des linearen Strahles beschrieben. Hinsichtlich des linienförmigen Bestrahlungsbereiches wurde das Experiment der Ausführungsform 1 so ausgeführt, dass der Bereich von 50 μm × 10 mm bestrahlt wurde. Wie oben beschrieben wurde, muss die Länge des bestrahlten Bereiches nur 10 mal oder mehr größer als die Breite sein, damit die Laserbestrahlung die laterale Temperaturverteilung innerhalb des Siliziumfilmes nur in der Richtung orthogonal zu der Längenrichtung des linearen Strahles erzeugt und das Kristallwachstum hauptsächlich in einer eindimensionalen Richtung verursacht. Mit andern Worten, das Laserlicht braucht nur eine Breite von 50 bis 100 μm und eine Länge von 1 mm oder mehr aufzuweisen.
  • Ausführungsform 4
  • In der Ausführungsform 4 wird die Bestrahlungsintensität der Laserwärmebehandlung der Ausführungsform 1 beschrieben. Zuerst wird die obere Grenze der Bestrahlungsintensität in der Laserwärmebehandlung unter Benutzung der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers beschrieben. Wenn die Bestrahlungsenergiedichte erhöht wurde, schmolz der Siliziumfilm bei der Bestrahlungsenergiedichte ab, die 1500 mJ/cm2 überschritt und wurde vollständig von dem Substrat entfernt. Folglich wurde gefunden, dass die Bestrahlungsenergiedichte des Laserlichtes 1500 mJ/cm2 oder weniger sein muss. In Hinblick auf die untere Grenze der Bestrahlungsintensität wurde beobachtet, dass sich der amorphe Siliziumfilm in den polykristallinen Film bei ungefähr 100 mJ/cm2 oder mehr änderte. Somit kann die Wirkung der Wärmebehandlung bei der Bestrahlungsintensität von ungefähr 100 mJ/cm2 oder mehr erhalten werden. In Hinblick auf die Korngröße, Mobilität des Transistors nach dem Herstellen der Halbleitervorrichtung und ähnliches wird 400 mJ/cm2 oder mehr bevorzugt.
  • Ausführungsform 5
  • In der Ausführungsform 5 wird die Anzahl beschrieben, die der Laser auf den gleichen Abschnitt in der Laserwärmebehandlung von Ausführungsform 1 gerichtet ist. Bei dem Bestrahlungsexperiment, das in Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, traten deutliche Oberflächenrauheit und teilweise Filmentfernung aufgrund Abschmelzen auf, wenn der Laser 100-mal oder mehr gerichtet wurde, wodurch es unmöglich gemacht wurde, einen Dünnfilmtransistor herzustellen. Solche Oberflächenrauheit und Abschmelzen werden sowohl durch den Siliziumfilm als auch das Laserlicht verursacht. Bei dem Siliziumfilm wird eine ungleichmäßige Wärmeverteilung durch Laserbestrahlung aufgrund ungleichförmiger Dicke und Dichte des Filmes erzeugt. Das Laserlicht weist ein Strahlprofil mit Wellen darin auf aufgrund der Interferenz wie Speckles. Dieser Zustand ist in 8 gezeigt. 8 zeigt die spezielle Verteilung des linearen Strahlprofiles in der Längenrichtung. Wellen werden durch die Interferenz erzeugt, was die Verteilung in dieser Richtung etwas uneben macht. Es ist extrem schwierig, grundsätzlich solche Probleme zu beseitigen. Tatsächlich erzeugt die erste Bestrahlung kleine Oberflächenrauheiten, was in der Ungleichförmigkeit in der zweiten Bestrahlung resultiert. Solch ein Teufelskreis wird wiederholt, so dass die Oberflächenrauheit interaktiv zunimmt mit der Zahl der Bestrahlungen. Es wurde bestätigt, dass Begrenzen der Zahl der Bestrahlungen auf 100 oder weniger die Oberflächenrauheit nicht die Erzeugung eines Dünnfilmtransistors verhindert.
  • Ausführungsform 6
  • In der Ausführungsform 6 wird die Dicke des amorphen oder polykristallinen Siliziumfilmes, der als Target bei der Laserwärmebehandlung von Ausführungsform 1 benutzt wird, beschrieben. In dem Fall des Ausführens der Laserwärmebehandlung, während das Glassubstrat bewegt wird, wird der Laser auf den gleichen Abschnitt mehrere Male gerichtet, was bedeutet, dass die Wärmebehandlung an dem gleichen Abschnitt mehrere Male wiederholt wird. Zuerst wird der polykristalline Polysiliziumfilm mit einer großen Korngröße durch die ersten mehreren Bestrahlungen gebildet. Als Resultat weist der polykristalline Polysiliziumfilm allgemein einen höheren Absorptionskoeffizienten in einem Kristalldefektabschnitt so wie bei den Korngrenzen als in einem hervorragenden Kristallabschnitt auf. Mit andern Worten, der Kristalldefektabschnitt absorbiert eine größere Menge von Laserlicht. Als Resultat wird der Kristalldefektabschnitt zuerst wärmbehandelt, wodurch eine wirksame Kompensation für die Defekte ermöglicht wird. Folglich wird die Tiefe, bis zu der das Licht reicht, sehr wichtig. Eine Eindringtiefe für eine Substanz wird definiert durch die Tiefe, an der die Lichtintensität auf 1/e verringert ist. Die zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers weist eine Eindringtiefe von ungefähr 100 bis 200 nm für polykristallines Silizium auf. Folglich wird ein polykristalliner Polysiliziumfilm mit einer wirksam verringerten Zahl von Kristalldefekten gebildet, wenn der amorphe oder polykristalli ne Siliziumfilm eine Dicke von weniger als 200 nm und bevorzugt weniger als 100 nm aufweist.
  • Ausführungsform 7
  • Bei der Ausführungsform 7 wird eine Auswirkung der Pulsdauer des emittierten Laserlichtes in der Laserlichtbehandlung von Ausführungsform 1 beschrieben. Grundsätzlich muss zum Wärmebehandeln eines amorphen Siliziumfilmes die Pulsdauer ausreichend zum Liefern der Wärmeenergie, die zum Schmelzen des Filmes notwendig ist, innerhalb der Spitzenleistung angelegt werden, die gleich oder kleiner als ein vorgeschriebener Wert ist und die nicht Oberflächenabschmelzen verursacht. Wenn jedoch die vorgeschriebenen Schmelzbedingungen erfüllt sind, erhöht erhöhte Pulsdauer unerwünschterweise die Laserausgabe, wodurch die Effektivität und die Produktionsfähigkeit eines Produktionsgerätes verschlechtert werden. Diesmal wurde das Experiment mit der Pulsdauer von 60 ns durchgeführt. Zum langsamen Abkühlen und Rekristallisieren des Filmes zum Verbessern der Kristalleffektivität, der Effektivität, kann die nicht abschmelzende Wärmebehandlung mit der Pulsdauer von weniger als 200 ns ausgeführt werden, dass heißt einige Male 60 ns, und bevorzugt weniger als 100 ns, was ungefähr zweimal 60 ns ist.
  • Ausführungsform 8
  • In der Ausführungsform 8 wird die Laserlichtenergie bei der Laserwärmebehandlung von Ausführungsform 1 beschrieben. Bei dem Experiment der Ausführungsform 1 wurde eine optimale Eigenschaft erzielt mit der Energieintensität von 800 mJ/cm2 pro Puls bei der bestrahlten Position. Zu dieser Zeit betrug die gesamte Bestrahlungsenergie 4 mJ/Puls. Das von dem Oszillator emittierte Laserlicht wird zu 10 bis 20% in dem zwischenliegenden optischen System verloren. Mit andern Worten, das Laserlicht, das von dem Oszillator emittiert wird, braucht nur eine Energie von 5 mJ/Puls oder mehr aufzuweisen. Da das Laserlicht eine höhere Energie pro Puls aufweist, kann es auf ein weiteres Gebiet gerichtet werden. In dem Fall der vorliegenden Erfindung kann die Länge des linearen Strahles erhöht werden, wodurch die Produktionsfähigkeit verbessert werden kann. Es sei angemerkt, für die untere Grenze des linearen Strahles, wie oben beschrieben wurde, d.h. für einen Bereich von 1 mm Länge, der mit dem Bestrahlungslaserlicht mit einer Breite von 50 μm zu bestrahlen ist, wird ein Laseroszillator von mindestens 0,5 mJ/Puls benötigt. Weiterhin wird es in Hinblick auf die Produktionsfähigkeit extrem vorteilhaft sein, wenn ein Bereich von 25 mm (1 Zoll) Länge mit einem einzelnen Puls bestrahlt werden könnte. Dieses ist so, da ein Bereich eines Dünnfilmtransistors (TFT), der ungefähr 1,3 Zoll in der Diagonale misst, durch einen einzelnen Strahl abgetastet wird, als eine herzustellende Halbleitervorrichtung. In diesem Fall wird der Laseroszillator von 15 mJ/Puls benötigt. Wir oben beschrieben wurde, wird der Effekt des linearen Strahles gemäß der vorliegenden Erfindung durch den Laseroszillator von 0,5 mJ/Puls oder mehr erzielt, und der Laseroszillator von 15 mJ/Puls oder mehr ist bevorzugt in Hinblick auf die Produktionsfähigkeit.
  • Ausführungsform 9
  • In der Ausführungsform 9 wird der Laser zur Benutzung in der Laserwärmebehandlung der Ausführungsform 1 beschrieben. Die Laserbestrahlung unter Benutzung der zweiten Harmonischen des Nd:YAG ist in der Ausführungsform 1 beschrieben worden. In dem Fall der zweiten Harmonischen von Nd:YAG kann eine hohe Ausgabe erzielt werden aufgrund ihrer Wirksamkeit, wodurch eine produktive Wärmebehandlung erzielt werden kann. Gemäß dem Prinzip der vorliegenden Erfindung ist der Bestrahlungslaser grundsätzlich bestimmt durch eine Absorption des Laserlichtes in dem amorphen Silizium. Daher kann ein Film mit einer großen Korngröße hergestellt werden, solange das Pulslaserlicht eine Absorption in der gleichen Größenordnung und eine Wellenlänge von 350 nm bis 800 nm aufweist. Folglich kann zusätzlich zu der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers die Wärmebehandlung ausgeführt werden unter Benutzung von: eine Harmonische eines anderen ionendo tierten Nd-Festkörperlasers wie eine dritte Harmonische eines Nd:YAG-Lasers, eine zweite oder dritte Harmonische eines Nd:Glaslasers und eines zweite oder dritte Harmonische eines Nd:YLF-Lasers, eine zweite oder dritte Harmonische eines ionen-dotierten Yb-Festkörperlasers wie Yb:YAG und Yb:Glas; oder eine fundamentale oder zweite Harmonische eines Ti:Saphirlasers. Diese Festkörperlaser können eine effektive stabile Oszillation bewirken. Insbesondere in einem Festkörperlasers, der den Kristall wie YAG oder YLF als Medium benutzt, kann eine Pulswiederholungsfrequenz der Pulsoszillation vergrößert werden, wodurch hervorragende Produktionsfähigkeit erzielt werden kann.
  • Ausführungsform 10
  • Obwohl die Laserwärmebehandlung unter Benutzung eines linearen Strahlprofiles Herkömmlicherweise mit dem Excimerlaser durchgeführt wird, beruht solch eine Wärmebehandlung auf einem Konzept grundsätzlich unterschiedlich von dem der Wärmebehandlung unter Benutzung eines Laserlichtes mit einer Wellenlänge von 350 nm oder mehr. Bei der Wärmebehandlung unter Benutzung des Laserlichtes mit einer Wellenlänge von 350 nm oder mehr schreitet das Kristallwachstum in dem Rekristallisierungsprozess lateral voran, d.h. in der Richtung in der Ebene des Filmes, so dass eine Korngröße vergrößert werden kann. Bei der Wärmebehandlung unter Benutzung des Excimerlasers schreitet jedoch das Kristallwachstum vertikal voran, d.h. in der Dickenrichtung des Filmes, wodurch es schwierig ist, eine Korngröße zu vergrößern. Die Wärmebehandlung unter Benutzung des Linienexcimerlaserstrahls verbessert nur die Gleichförmigkeit in der Ebene der Filmqualität nach der Wärmebehandlung und der Produktionsfähigkeit.
  • Der laterale Wachstumsprozess in der oben erwähnten Wärmebehandlung unter Benutzung des Laserlichtes mit einer Wellenlänge von 350 nm oder mehr wird hoch durch die Temperaturverteilung beeinflusst, die lateral in dem Siliziumfilm erzeugt wird. Mit andern Worten, der laterale Wachstumsprozess wird stark durch die Energiedichteverteilung in der Breitenrichtung des emittierten linearen Strahles beeinflusst. Die Wärme, die in den Siliziumfilm durch die Laserlichtbestrahlung eingeführt wird, wird gleichförmig in das Substrat verteilt. Mit andern Worten, die laterale Temperaturverteilung innerhalb des Siliziumfilmes ist gleichförmig verringert. Wie in 9 gezeigt ist, besteht der Siliziumfilm 201, der der Laserwärmebehandlung unterworfen wird, aus einem geschmolzenen Abschnitt (Flüssigphase) 2011 und einer Festphase 2012. In dem geschmolzenen Abschnitt 2011 des Siliziumfilmes 201 schreitet das Kristallwachstum lateral in der Richtung, die durch 2014 gezeigt ist, von einem Abschnitt voran, der früher auf eine Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt gekühlt ist, zu einem Abschnitt, der später auf eine Temperatur niedriger als der Schmelzpunkt gekühlt wird. Dieses Kristallwachstum 2014 wird durch einen Mikrokristall 2013 verhindert, der durch natürliche Nukleation während der Verringerung in der Temperatur wächst, und das laterale Kristallwachstum wird gestoppt. Mit andern Worten, die Kristallkörner brauchen nur solange wie möglich vor solch einer natürlichen Nukleation zu wachsen. Dieses benötigt eine hohe Kristallwachstumsrate. Allgemein wird eine Kristallwachstumsrate v in einem kleinen Bereich als Ausdruck von v = kΔT/Δx gegeben, worin k eine Ratenkonstante ist, ΔT eine Differenz in der Temperatur in dem kleinen Bereich ist, und Δx eine Breite des kleinen Bereiches ist. Genauer, wenn der Siliziumfilm eine Temperaturverteilung in seiner lateralen Richtung aufweist, würde die Kristallwachstumsrate vergrößert werden, und somit könnte der polykristalline Siliziumfilm mit einer großen Korngröße gebildet werden, wenn die Temperaturverteilung einen steilen Gradienten in dem Bereich aufweist, der eine Temperatur gleich oder höher als der Schmelzpunkt aufweist. In Hinblick auf ein praktisches Problem, d.h. der steile Gradient der lateralen Temperaturverteilung innerhalb des Siliziumfilmes, solch ein steiler Gradient kann realisiert werden durch Bewirken, dass die Bestrahlungsenergiedichteverteilung einen steilen Gradienten an der Targetoberfläche aufweist.
  • Hier im folgenden werden tatsächliche Daten der vorliegenden Erfindung beschrieben. Eine Laserwärmebehandlung wurde auf eine Weise ähnlich zu der in der Ausführungsform 1 durchgeführt, die in Bezugnahme auf 1 bis 5 beschrieben wurde. Die zweite Harmonische des Nd:YAG-Lasers, der als Pulslaserquelle benutzt wurde, wies eine Pulsenergie von 20 mJ/Puls und eine Pulsdauer von 60 nsec (FWHM) auf. Weiterhin betrug die strahlbeleuchtete Fläche der Siliziumfilmoberfläche 50 μm × 10 mm oder 250 μm × 10 mm. Das Experiment wurde mit der Laserlichtenergie durchgeführt, die durch das variable Abschwächungsglied 103 von 1 eingestellt wurde auf die Bestrahlungsenergiedichte von 300 bis 1000 mJ/cm2 (was die gesamte Bestrahlungsenergie ist, die durch die strahlbeleuchtete Fläche geteilt ist). Der maximale Gradient der Bestrahlungsenergiedichteverteilung in der Breitenrichtung des linearen Strahles betrug 4 mJ/cm2/μm (bestrahlte Fläche von 250 μm × 10 mm und Bestrahlungsenergiedichte von 800 mJ/cm2) und 30 mJ/cm2/μm (bestrahlte Fläche von 50 μm × 10 mm und Bestrahlungsenergiedichte von 800 nJ/cm2). Der Laser wurde auf den gleichen Abschnitt des Siliziumfilmes 20-mal gerichtet. Es sei angemerkt, dass die Atmosphäre in der Luft war, und die Substrattemperatur war Zimmertemperatur.
  • Hier im folgenden wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Gradienten der Bestrahlungsenergiedichteverteilung beschrieben. Zuerst wird ein lineares Strahlprofil an der bestrahlten Position auf der Oberfläche des amorphen Siliziumfilmes, d.h. eine Bestrahlungsenergiedichteverteilung, gemessen. Diese Bestrahlungsenergiedichteverteilung ist hierin eine Verteilung der Energie in einem einzelnen Puls, der auf einen bestimmen kleinen Abschnitt gerichtet ist, der in Energie pro Einheitsfläche umgewandelt ist. Die Bestrahlungsenergiedichteverteilung wird allgemein in mJ/cm2 ausgedrückt. Die Messung wurde in der Längen- und Breitenrichtung des linearen Strahles unter Benutzung eines linearen Bildsensors ausgeführt, der aus einem eindimensionalen Feld von Fotodioden gebildet ist. Eine zweidimensionale Bestrahlungsenergiedichteverteilung, die durch solch eine Messung erhalten wird, stellt einen Relativwert dar und weist noch nicht einen Absolutwert auf. Ein Integralwert wird erhalten, der die zweidimensionale Strahlungsenergiedichteverteilung ist, die durch die tatsächliche Messung erhalten wird, die in Bezug auf die Fläche integriert ist. Durch Setzen der Bestrahlungsenergieverteilung so, dass die Energie pro Puls des gesamten Laserstrahles gleich dem Integralwert ist, stellt die resultierende Bestrahlungsenergiedichteverteilung einen Absolutwert dar. Die oben erwähnte Energie pro Puls des gesamten Laserstrahles wird getrennt durch ein Messgerät zum Messen der Energie des gesamten Laserstrahles gemessen, wie ein Leistungsmesser. Der Gradient der Bestrahlungsenergiedichteverteilung ist der resultierende Absolutwert der Bestrahlungsenergiedichteverteilung, die in Bezug auf die Position differenziert ist.
  • Unter solchen Bedingungen wurde die Laserwärmebehandlung des amorphen Siliziumfilmes ausgeführt. Die Korngröße des resultierenden polykristallinen Siliziumfilmes war wie folgt: wenn der maximale Gradient der Bestrahlungsenergiedichteverteilung der Breitenrichtung des linearen Strahles 4 mJ/cm2/μm (Bestrahlungsintensität von 800 mJ/cm2) betrug, hatten die Kristallkörner eine Länge von ungefähr 1 μm in der Strahlabtastrichtung. Mit dem maximalen Gradienten von 30 mJ/cm2/μm (Bestrahlungsintensität von 800 mJ/cm2) betrug solch eine Länge der Kristallkörner jedoch 3 μm, was dreimal so groß ist. Dieses resultiert aus der Differenz in einer Kristallwachstumsrate, die von der Differenz in der Steilheit der Temperaturverteilung abhängt, auf der Grundlage der Bestrahlungsenergiedichteverteilung. Planare MOS-Transistoren, deren aktiven Schichten aus diesen polykristallinen Siliziumfilmen gebildet sind, wurden hergestellt. Die MOS-Transistoren wurden so hergestellt, dass sie einen Drainstrom aufweisen, der in der Strahlabtastrichtung fließt, d.h. in der Kristallwachstumsrichtung. Die Kanallänge und -breite betragen 5 μm bzw. 10 μm. Die Abhängigkeit der n-Kanalmobilität von der Bestrahlungsenergiedichte ist in 10 gezeigt. Wie in 10 gezeigt ist, wenn der maximale Gradient der Bestrahlungsenergiedichteverteilung in der Breitenrichtung des linearen Strahles 4 mJ/cm2/μm bei der Bestrah lungsintensität von 800 mJ/cm2 (Bestrahlungsintensität von 800 mJ/cm2) betrug, wies der MOS-Transistor eine etwas niedrige n-Kanalmobilität von ungefähr 100 cm2/Vs bei der Bestrahlungsintensität von 600 mJ/cm2 (der maximale Gradient der Bestrahlungsenergiedichteverteilung von 3 mJ/cm2/μm) oder mehr auf. In dem Fall von 30 mJ/cm2/μm (Bestrahlungsintensität von 800 mJ/cm2) jedoch wurde eine extrem hohe Mobilität von 200 cm2/Vs erzielt. Der Grund, warum die Mobilität des MOS-Transistors deutlich unterschiedlich in Abhängigkeit von dem Gradienten der Bestrahlungsenergiedichte ist, ist dass die Anzahl für die Träger, sich über die Korngrenzen in der aktiven Schicht des MOS-Transistors bewegen, sich aufgrund der Unterschiede in der Länge der Körner unterscheidet. Damit eine integrierte Schaltung hergestellt wird, die eine hohe Geschwindigkeit und Funktionalität verlangt, wird eine Mobilität von ungefähr 100 cm2/Vs benötigt. Folglich muss die Laserwärmebehandlung durchgeführt werden, in der solch ein lineares Strahlprofil benutzt wird, dass die Bestrahlungsenergiedichteverteilung einen maximalen Gradienten von ungefähr 3 mJ/cm2/μm oder mehr aufweist.
  • Obwohl Silizium hierin als das Füllmaterial beschrieben worden ist, soll verstanden werden, dass Siliziumcarbid (SiC) oder ein Material, das nur aus Kohlenstoff besteht, oder ein Verbindungshalbleiter oder eine dielektrische Verbindung oder eine Hochtemperatur-Supraleiterverbindung den gleichen Effekt des Erzielens einer großen Korngröße aufweist, wenn sie der oben erwähnten Laserwärmebehandlung unterworfen wird.
  • In der Ausführungsform 10 weist der lineare Strahl ein Gaußverteilungsprofil in der Breitenrichtung auf. Das Gaußverteilungsprofil in der Breitenrichtung weist einen hoch vorteilhaften Effekt während der Laserwärmebehandlung auf. Wie in 9 gezeigt ist, in dem Fall, in dem das Profil in der Breitenrichtung, d.h. der linearen Strahlabtastrichtung, ein Gaußverteilungsprofil ist, wird der Siliziumfilm auch mit der Laserlichtenergie bestrahlt, die außerhalb des Zentralbereiches verteilt ist, in dem das Laserlicht zum Erwärmen des Siliziumfilmes auf einen Schmelzpunkt oder mehr zum Schmelzen eine Schwellenwertintensität oder mehr aufweist. Daher heizt solches Laserlicht, während es an dem Schmelzpunkt oder niedriger ist, auch das Siliziumsubstrat auf. Mit andern Worten, ein Teil des Laserlichtes, das eine Intensität eines Schmelzschwellenwertes oder weniger auf der gegenüberliegenden Seite der Abtastrichtung aufweist, weist einen Nachglüheffekt auf.
  • Das Nachglühen verbessert weiter die kristalline Eigenschaft des polykristallinen Siliziumfilmes, der aus der Rekristallisation herrührt. Da das Silizium einen niedrigen Absorptionskoeffizienten für die zweite Harmonische des Ng:YAG-Lasers aufweist, ist die Eindringtiefe, wie sie durch die Tiefe definiert ist, bei der die Laserlichtintensität auf 1/e verringert ist in dem Siliziumfilm, 100 nm oder mehr. Folglich kann eine Kompensation für die Kristalldefekte nahezu bis zu der hinteren Oberfläche des rekristallisierten Siliziumfilmes durchgeführt werden, wodurch weiter die kristalline Eigenschaft verbessert wird. Dieser Effekt kann nicht erwartet werden, dass er bei der herkömmlichen Wärmebehandlung erzielt wird, die Excimerlaserlicht benutzt. Dieses ist so, da das Silizium einen extrem hohen Absorptionskoeffizienten für das Excimerlaserlicht aufweist, und die eindringtiefe beträgt nur einige 10 Nanometer.
  • Ausführungsform 11
  • In der Ausführungsform 11 wird die Beschreibung über den Fall gegeben, in dem die Energiedichteverteilung in der Breitenrichtung des linearen Strahles ein flaches oberes Profil in der Laserwärmebehandlung der Ausführungsform 10 aufweist. In dem Fall, in dem die Steilheit des Gradienten der Bestrahlungsenergiedichte in der Breitenrichtung des linearen Strahles vergrößert wird, wird der Spitzenwert mit Zunahme der Steilheit erhöht. Wenn der Spitzenwert zu hoch ist, wird der Siliziumfilm abgeschmolzen und von dem Substrat entfernt, wodurch es unmöglich gemacht wird, den Dünnfilmtransistor herzustellen. Folglich muss der Spitzenwert unterdrückt werden, während die Steilheit vergrößert wird. Ein oberes flaches Profil ist geeignet als ein Profil, dass die vorangehenden Bedingungen erfüllt.
  • Ausführungsform 12
  • In der Ausführungsform 12 wird ein Energieverteilungsprofil in der Längenrichtung des linearen Strahles in der Laserwärmebehandlung der Ausführungsform 10 beschrieben. In der Ausführungsform 10 ist das Energieverteilungsprofil in der Längenrichtung ein oberes flaches Profil. Es ist jedoch schwierig, ein vollständig gleichförmiges Profil aufgrund der Interferenz zu erhalten, die aus der Kohärenz des Laserlichtes herrührt, und das tatsächliche Profil weist einige Wellen darauf auf, wie in 8 gezeigt ist. Wie von 10 gesehen werden kann, weist der MOS-Transistor, der aus dem polykristallinen Siliziumfilm gebildet ist, der durch die Laserwärmebehandlung der zweiten Harmonischen des Nd:YAG-Lasers erhalten ist, eine konstante Eigenschaft für die Bestrahlungsenergiedichte bei 600 mJ/cm2 oder mehr auf. Folglich braucht die Energieverteilung in der Längsrichtung des linearen Strahles nur eine Standardabweichung von 0,3 oder weniger aufzuweisen, bevorzugt ungefähr 0,2 oder weniger, wenn die Intensität des flachen Abschnittes 1 beträgt.
  • Ausführungsform 13
  • In dem Fall der Laserwärmebehandlung der Ausführungsform 1 sind eine Halbleitervorrichtung, Form des linearen Strahls, Bestrahlungsintensität, die Anzahl der Laserbestrahlungen auf dem gleichen Abschnitt, Dicke des amorphen oder polykristallinen Siliziumfilmes, Pulsdauer des Bestrahlungslaserlichtes, Laserlichtenergie und Laser, wie sie in jeder der Ausführungsformen 2 bis 9 beschrieben sind, auch auf die Laserwärmebehandlung von Ausführungsform 10 anwendbar.
  • Die Ausführungsformen, wie sie oben offenbart sind dienen nur zur Darstellung und als Beispiel und dürfen nicht als Begren zung genommen werden. Der Umfang der vorliegenden Erfindung ist nicht durch die vorangehenden Ausführungsformen definiert sondern durch die beigefügten Ansprüche und enthält alle Änderungen und Modifikationen, die in das Äquivalent und den Umfang der beigefügten Ansprüche fallen.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das Laserwärmeprozessverfahren und -gerät der vorliegenden Erfindung können benutzt werden zum Bilden eines polykristallinen Siliziumfilmes mit einer hervorragenden kristallinen Eigenschaft zum Herstellen eines hochmobilen Dünnfilmtransistors, der zum Beispiel auf einen Pixelabschnitt einer Flüssigkristalltafel angewendet wird. Weiter kann eine Halbleitervorrichtung, die unter Benutzung des Laserwärmebehandlungsverfahrens und -gerät der vorliegenden Erfindung erzeugt ist, auf einen Dünnfilmtransistor angewendet werden, der zum Beispiel einen Pixelabschnitt einer Flüssigkristalltafel bildet.

Claims (12)

  1. Laserwärmebehandlungsverfahren, mit den Schritten: Formen eines Laserstrahles (102), der von einer Pulslaserquelle (101) erzeugt wird, mit einer Wellenlänge von 350 nm bis 800 nm in einen linearen Querschnitt (300) mit einer Breite (W0) und einer Länge (L0), wobei die Länge (L0) des Laserstrahles (102) mindestens zehnmal die Breite (W0) des Laserstrahles (102) beträgt; und Richten des Laserstrahles (102) auf ein Filmmaterial (201), das auf einem Substrat (203) gebildet ist; worin der Laserstrahl (102) einen maximalen Energiedichtegradienten von mindestens 3 mJ/cm2/μm in der Breitenrichtung (W) seines Querschnittes aufweist, und eine Energiedichteverteilung in einer Längenrichtung (L) seines Querschnittes ein angenährtes oberes flaches Profil aufweist, von dem die Standardabweichung höchstens 0,3 beträgt unter der Voraussetzung, dass eine mittlere Intensität eines flachen Abschnittes 1 beträgt.
  2. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Energiedichteverteilung in der Breitenrichtung (W) des Laserstrahles (102) ungefähr ein Gauß-Verteilungsprofil ist.
  3. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Energiedichteverteilung in der Breitenrichtung (W) des Laserstrahles (102) ungefähr ein oberes flaches Profil aufweist.
  4. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Pulslaserquelle (101) eine Harmonische eines Q-geschalteten oszillierenden Festkörperlaser ist, der Ng-Ionen- oder Yb-Ionen-dotierten Kristall oder Glas als ein Anregungsmedium benutzt.
  5. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 4, bei dem die Pulslaserquelle (101) eine ist, die aus der Gruppe gewählt ist, die besteht aus einer zweiten Harmonischen eines Nd-YAG-Lasers, einer dritten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers, einer zweiten Harmonischen eines Nd:Glaslasers, einer dritten Harmonischen eines Nd:Glaslasers, einer zweiten Harmonischen eines Nd:YLF-Lasers, einer dritten Harmonischen eines Nd:YLF-Lasers, einer zweiten Harmonischen eines Yb:YAG-Lasers, einer dritten Harmonischen eines Yb:YAG-Lasers, einer zweiten Harmonischen eines Yb:Glaslasers und einer dritten Harmonischen eines Yb:Glaslasers gewählt ist.
  6. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der von der Pulslaserquelle (101) erzeugte Laserstrahl (102) eine Energie von mindestens 0,5 mJ pro Puls aufweist.
  7. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem der von der Pulslaserquelle (101) erzeugte Laserstrahl (102) eine Pulsdauer von weniger als 200 nsec aufweist.
  8. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das Filmmaterial (201) ein amorpher oder polykristalliner Siliziumfilm ist.
  9. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 8, bei dem der amorphe oder polykristalline Siliziumfilm eine Dicke von weniger als 200 nm aufweist.
  10. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 8, bei dem die Zahl von Pulsen des Pulslaserlichtes, das auf den gleichen Abschnitt des amorphen oder polykristallinen Siliziumfilmes gerichtet ist, höchstens 100 Pulse beträgt.
  11. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 8, bei dem eine Bestrahlungsenergiedichte an einer Oberfläche des amorphen oder polykristallinen Siliziumfilmes in einem Bereich von 100 mJ/cm2 bis 1500 mJ/cm2 liegt.
  12. Laserwärmebehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem das Filmmaterial (201) darauf folgend benutzt wird zum Bilden einer aktiven Schicht (401, 402, 403), die in jedem einer Mehrzahl von Transistoren in einer Halbleitervorrichtung enthalten ist.
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