專利名稱：形成結晶半導體層的方法和裝置，以及制造半導體裝置的方法
背景技術：
本發(fā)明涉及一種用于形成結晶半導體層的方法，一種用于制造半導體裝置的方法，一種用于形成結晶半導體層的裝置，以及一種用于制造顯示裝置的方法，通過采用激光束所述結晶半導體層從非單晶半導體層進行結晶。
正如眾所周知的，諸如薄膜晶體管(TFT)的薄膜半導體設備具有基底，其中由半導體物質如硅組成的半導體層形成在由絕緣材料如石英玻璃形成的基底物質上。在該基底的半導體層中，溝道區(qū)限定在互相分開形成的源極區(qū)和漏極區(qū)之間。在該溝道區(qū)上設置穿過絕緣膜的柵極。
該半導體層一般由非晶硅或多晶硅形成。在采用具有一層非晶硅的基底的TFT中，電子或空穴的遷移率非常低。例如，由于電子遷移率通常不大于大約1cm2/V·sec，因此TFT的運行速率很低。結果是，這種TFT很難用在需要高速運行的設備中。
其中溝道區(qū)域由多晶硅膜形成的半導體層近來被大量使用以達到提高遷移率的目的。該多晶硅膜由具有很小顆粒尺寸的很多結晶顆粒形成。因此，當它作為半導體電路設備運行時，結晶顆粒的分界面成了電子流動的障礙，存在提高遷移率的限制。
因此，已經(jīng)研究獲得了一種薄膜半導體設備，通過增大多晶硅膜的結晶顆粒的尺寸而減小或消除溝道區(qū)域中的結晶顆粒的分界面從而減小或消除電子流動的障礙而提高了遷移率。例如，曾經(jīng)嘗試過形成一種薄膜TFT，而通過在高溫容器中加熱多晶硅以提高顆粒尺寸，因而生成了具有接近1μm的顆粒尺寸的結晶顆粒，從而實現(xiàn)了近100cm2/V·sec的遷移率。為了以這種方式使非晶硅結晶以具有大的顆粒尺寸并形成TFT，需要不低于600℃的高溫下的熱處理。因此，必須將耐高溫但昂貴的石英玻璃板作為絕緣基底，而不能使用價格便宜的玻璃板(如鈉玻璃板(soda glass))。因此，這種TFT價格昂貴并且具有很難用于大屏幕電視接收機的顯示裝置或同類裝置的缺點，因為所述顯示裝置使用很多TFT。
因此，已經(jīng)發(fā)展了一種通過激光退火工藝而不使用高溫熱處理步驟的將非單晶硅結晶化的方法。例如，已經(jīng)進行了一些嘗試，其中為了得到由具有大顆粒尺寸的結晶顆粒組成的多晶硅膜，而將非晶硅膜或多晶硅膜的硅通過用受激準分子激光光束照射該膜而進行結晶化或重結晶化，已經(jīng)將這些方法進行實際使用。根據(jù)這些方法，即使使用不昂貴的玻璃板作為基底，也能增加結晶顆粒的大小。
然而，即使在采用受激準分子激光光束等的方法中，所得到的結晶顆粒的顆粒尺寸最大值大約為1μm，并且顆粒尺寸不均勻(如，Jpn.Pat.Appln.KOKAI Publication No.2001-127301)。該引用的參考文獻揭露了一系列操作，包括通過融化重結晶(fusion re-crystallization)法將帶狀非晶硅膜多結晶化，非晶硅膜進一步在其上進行沉積，并且通過固相增長法使該膜結晶。該現(xiàn)有的方法是一種技術，首先形成由多個小結晶顆粒組成的帶狀多結晶膜的晶體，通過采用該晶體作為種晶使晶體在水平方向上增長以得到具有大顆粒尺寸的晶體的多晶膜。
甚至該提出的方法也是不能令人滿意。這是因為所得到的最大晶粒尺寸大約為1000nm(即1μm)，顆粒尺寸使不均勻，有人提出過在遷移率上的不規(guī)則性變大了(見上述引用參考文獻中的圖2到5)。
此外，作為在傳統(tǒng)多晶半導體設備中沒有注意到的問題，存在在一層中晶粒設置結構的問題。即，在傳統(tǒng)的多晶半導體層中，二維方向上的晶粒設置結構完全是隨機的，并未試圖排列晶粒。晶粒設置的隨意性及不均勻的顆粒尺寸造成薄膜晶體管特性上的不規(guī)則性，并給要使用的裝置帶來了一系列的缺點，原因如下。
在薄膜半導體設備中的晶體管電路的設置中，許多單元電路必須規(guī)則地和系統(tǒng)地設置，例如，形成幾何設置結構。如果作為形成電路的基礎的多晶層的晶粒尺寸或晶體設置是不均勻的，單元電路形成在具有不同的顆粒尺寸或設置的晶粒上。這產(chǎn)生的結果是每個單元電路的遷移率或電子通道結構產(chǎn)生了差別，并對薄膜半導體裝置的性能產(chǎn)生負面影響。例如，如果每個單元電路的特性存在不規(guī)則性，則整個裝置必須以低水平特性為基礎進行設計。
發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的是提供一種形成結晶半導體層的方法，一種制造半導體裝置的方法，一種形成結晶半導體層的裝置和一種制造顯示裝置的方法，在所述結晶半導體層中結晶顆粒形成位置被對齊，并且電子或空穴遷移特率也是統(tǒng)一的。即，在薄膜半導體裝置中，電子或空穴的遷移率上的不規(guī)則性得以改進，其中在薄膜半導體裝置中，根據(jù)具有大顆粒尺寸的每個結晶顆粒設置單元電路。
本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)發(fā)展一種技術，通過該技術，用規(guī)則的能量線或射線或具有預定能量放射照射強度分布的激光光束照射沉積在玻璃等基底或類似物質上的非單晶半導體成而將產(chǎn)生結晶晶粒的位置以很好的順序進行排列。即，在該技術中，在非單晶半導體層中預先形成或規(guī)則排列至少一個種晶，施加一種能量射線，該能量射線具有這樣的照射強度分布結構，使得該種晶的至少一部分不融化但與該種晶相鄰的非單晶半導體膜融化，從而將晶粒生成位置排列成好的順序。這里，“該能量射線具有這樣的照射強度分布結構，使得該種晶的至少一部分不融化但與該種晶相鄰的非單晶半導體膜融化，從而將晶粒生成位置排列成好的順序”的意思是，將具有照射強度最小值的能量射線的區(qū)域定位到所述種晶上，并施加該能量射線或射線，其中照射強度從具有照射強度最大值的能量射線區(qū)域向具有照射強度最小值的能量射線區(qū)域連續(xù)變化。本發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用具有所謂的(110)或(111)晶向面的晶體相初始膜作為種晶能得到晶向匹配的所產(chǎn)生的晶粒，從而實現(xiàn)了本發(fā)明。
在施加能量射線到非晶半導體層之前提供種晶到半導體層上能促進半導體層的結晶化的開始，延長結晶化進行時間，因此對增加所產(chǎn)生的晶粒的大小或按順序設置晶粒分界具有好的效果。為了促進晶體增長的開始，已經(jīng)知道可以應用如激光光束等能量射線及減小超冷卻狀態(tài)時間(即，半導體沒有被固化的狀態(tài)，即使該半導體進入了不大于其熔化點的狀態(tài)時)，該超冷卻狀態(tài)由向施加了該應用的玻璃基底上進行熱傳導到而產(chǎn)生。結果是，結晶化進行時間必須延長。作為用作減小超冷卻狀態(tài)時間的裝置，已經(jīng)廣泛地采用了導熱控制膜，以降低向玻璃基底的熱傳導，該導熱控制膜例如由在玻璃基底和半導體層之間氧化硅(SiO2)形成。采用這種導熱控制膜，為了有效降低到玻璃基底上的熱傳導，該導熱控制膜必須具有多孔結構。雖然提供多孔膜對減小熱傳導是有效的，但由于由多孔性產(chǎn)生的脆性而可能降低了所制造的薄膜半導體設備的強度，并且存在形成在多孔膜上的半導體膜的質量惡化的問題是。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使不使用多孔導熱控制膜等，在半導體層中預先設置該種晶或多個種晶能促進在半導體進入到超冷卻狀態(tài)之前的早期階段晶體增長的開始。因此，可得到在晶粒的顆粒尺寸的增長或依次的晶粒分界的設置。
因此，根據(jù)本發(fā)明第一方面的一種形成結晶半導體層的方法，包括這樣一個形成結晶半導體層的方法制備非單晶半導體層，其中形成至少一個種晶；以能量射線照射該具有形成在其中的種晶的非單晶半導體層，使得在非單晶半導體層中晶體逐漸從種晶側向增長，其中通過將具有能量射線最小強度值的區(qū)域定位到種晶的至少一部分上來進行能量射線的照射，該能量射線具有這樣的結構，在照射表面上具有能量射線最大強度值的區(qū)域連續(xù)減小到具有最小強度值的區(qū)域上。
特別是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用具有所謂的(110)或(111)晶面取向的種晶或多個種晶作為晶體種晶，每個所產(chǎn)生的晶粒的晶面取向都進行匹配以具有(110)或(111)的平面取向，除了促進了結晶化開始外，這極大地有助于提高所制造的薄膜半導體設備的性能。也就是說，即使得到其中大顆粒尺寸的單晶顆粒以好的順序進行設置的半導體層，并且獲得了其中根據(jù)晶粒設置單元電路的薄膜半導體設備，每個所產(chǎn)生的晶粒的晶面取向上的不規(guī)則性導致每個單元電路的遷移率略微有所差別，因此整個裝置的遷移率的提高可能變得不充分。此外，當不規(guī)則性出現(xiàn)在引起電流開始流動的斷開值(opening value)中，整個電路的性能惡化。
然而，當具有(110)或(111)的晶向面的種晶用作事先設置在半導體層中的晶體種晶時，晶體的增長方向在二維方向被限定，將所產(chǎn)生的晶粒的晶面取向限定為(110)或(111)平面取向。結果，根據(jù)每個晶粒設置的電路的遷移率統(tǒng)一了，由此得到了高性能薄膜半導體設備，其中遷移率充分地提高了。
附圖的簡要描述

圖1A到1E以工藝順序示出了用于制造根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半導體薄膜或層的方法；圖2A到2C以工藝順序示出了用于制造根據(jù)另一實施例的半導體薄膜或層的方法；圖3A和3B示出了得到用于圖1E中所述的結晶化的激光光束強度分布的實施例，其中圖3A示出了移相器，圖3B示出了光強分布；圖4A和4B示出了由具有圖3B所示的光強分布的激光光束得到的照射位置和晶體種晶之間的關系；圖5A和5B示出了基于圖4A和4B所示的激光光束應用的結晶化步驟；圖6A和6B示出了圖4A和4B的另一實施例；圖7示出了自動定位具有圖4B所示的光強分布的激光光束的照射位置和種晶的系統(tǒng)框圖；圖8A和8B是示意性的示出了由結合圖1A到1E或圖2A到圖2C所介紹的結晶化步驟進行結晶的晶粒和由傳統(tǒng)方法進行結晶的晶粒之間的比較的平面圖，其中圖8A是關于本發(fā)明的，圖8B是關于傳統(tǒng)實施例的；圖9為示意性的示出了當種晶具有根據(jù)本發(fā)明的實施例中的點狀形式時結晶狀態(tài)的平面圖；圖10A到10E以工藝順序示意性的示出了用于制造根據(jù)另一實施例的半導體層的方法；圖11A到11D以工藝順序示意性的示出了用于制造根據(jù)另一實施例的半導體層的方法；圖12A到12D示出了其中形成MOS晶體管以在顆粒分界方向上通過電流的實施例，其中MOS晶體管在圖1E所示的半導體層的結晶區(qū)域形成；圖13示出了在圖1E所示的半導體層的結晶區(qū)域中形成的CMOS薄膜晶體管的結構；圖14A到14L示出了用于制造圖13所示的CMOS薄膜晶體管的步驟；
圖15為示出了將根據(jù)本發(fā)明的實施例的顯示設備應用到液晶顯示設備的例子；圖16為圖15所示的液晶顯示設備的橫截面圖；以及圖17為示出了圖15所示的顯示像素外圍控制電路的電路圖。
本發(fā)明的詳細說明現(xiàn)在參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在各附圖中，相同的附圖標記表示相同或相似的部分或部件，并將省略其詳細說明。
在本發(fā)明中，存在兩種類型的結構作為種晶的設置結構。現(xiàn)在參考圖1A到1E描述第一結構的實施例。
通過已知的膜形成方法如CVD法，諸如非晶硅膜12等非單晶半導體形成形成在由玻璃基底等形成的絕緣基底物質11上(圖1)。因此，形成基體以形成該非晶硅膜12作為晶體種晶，通過已知的方法，如在背景技術部分所述的方法進行結晶化處理，通過諸如光蝕刻等方式對該膜將進行成型處理以得到預定圖案(圖1B)。結果，許多點狀，島狀或線性種晶半導體層或結晶半導體層13規(guī)則的排列在絕緣基底物質11上。圖1B示出了一種線性或絲狀種晶半導體層13的例子。
然后，非單晶半導體(如，非晶半導體或非晶半導體和微晶半導體的混合物)的半導體層14通過例如與形成層12相同的方法形成，以覆蓋種晶半導體層即種晶13以及絕緣基底物質11(1C)。此后，半導體層14位于種晶半導體層13上的部分通過諸如CMP(化學機械拋光)的方法去掉，以露出種晶1 3的上表面，將該上表面和半導體層14的上表面平坦化，使之處于相同的高度(圖1D)。該露出的種晶半導體層13用作結晶步驟中的種晶，具有大尺寸的晶粒的結晶半導體層15通過后述的激光退火形成。
在圖1A中所示的步驟中，當形成結晶半導體層時，半導體層以這種方式形成，通過后述的技術使其側面具有固定的晶面取向。結果，經(jīng)過圖1B所示的成型處理的一個或多個種晶半導體層13具有希望的固定晶面取向或晶體增長開始平面。
現(xiàn)在參考圖2A和2B描述第二個種晶排列結構。
非晶或多晶半導體或微晶半導體或這些半導體的混合物的半導體層12形成在絕緣基底物質11上(圖2A)。此后，許多點狀，島狀或直線型種晶半導體層，區(qū)域或種晶13通過諸如激光光束照射等方法形成在該半導體層12的預定位置上(圖2B)。為清楚起見，該圖僅示出了一個種晶13。所得到的半導體層13用作種晶，具有大尺寸晶粒的結晶半導體層15在非單晶半導體層12中通過激光退火形成，如同第一結構(圖2C)。在該半導體層13的情況中，如后所述，通過形成種晶半導體層13，其側面具有固定的晶面取向，能夠形成具有固定晶面取向的結晶半導體層15。
在通過上述的一種結構得到種晶半導體層13后，在該種晶半導體層13中一個或多個種晶設置在絕緣基底物質11的預定位置上，通過施加能量射線到該種晶半導體層13和層13周圍的非單晶半導體層12(圖2B)和14(圖1D)上，使該非單晶半導體層12和14經(jīng)受種晶周圍的晶體增長，因此獲得了具有大顆粒尺寸的結晶半導體層或區(qū)域15。
現(xiàn)在描述形成結晶半導體層15的方法的實施例。將種晶半導體層13用作種晶，將結晶所需的能量射線施加到非單晶半導體層12(圖2B)和14(圖1D)上。當結晶非單晶半導體層12和14時，能量射線的這種照射是適合晶體增長的能量射線強度分布的應用，在該晶體生長中種晶半導體層13被用做晶核。該強度分布是在能量射線照射面上的這樣的能量分布，其具有能量射線施加強度為最大值的區(qū)域以及一個區(qū)域，在該區(qū)域中所述強度連續(xù)減小并改變以具有最小值。將具有這種強度分布的能量射線的最小強度區(qū)域定位到種晶半導體層13的一部分或全部，并施加能量射線，以在水平方向上或側向(圖1E和圖2C中的右左方向)上實現(xiàn)結晶。
具體地，施加具有該強度分布的能量射線，通過這種射線該種晶半導體層13的至少一部分不熔化但非單晶半導體層12和14熔化。
通過施加上述的能量，以種晶13作為晶核，具有大顆粒尺寸的晶粒在水平方向上增長。結果，可有效制造具有結晶半導體層15的薄膜半導體裝置基底，在結晶半導體層15中排列了從種晶生長的具有大顆粒尺寸的晶粒。
現(xiàn)在示意性地介紹用于通過如此得到的薄膜半導體裝置基底而制造薄膜半導體設備的方法的基本例子。
通過采用諸如光蝕刻等方式，在預定位置形成的具有大顆粒尺寸的晶粒的半導體層形成為島形，并在薄膜舉導體設備形成的位置上形成島形部分。隨后，一個晶體管，例如，柵極絕緣薄膜(如，氧化硅膜)在該島形部分上形成，然后形成柵電極，源電極和漏電極，因此形成薄膜晶體管。
N溝道型MOS晶體管和p溝道型MOS晶體管能形成為該島形部分的CMOS結構。此外，尤其是，在相同的晶粒上形成兩個MOS晶體管可將由于晶粒的性質等的不均勻而造成的MOS晶體管的電子和孔穴的遷移率特性的不規(guī)則性減小到很小值。因為沒有穿過所制造的MOS晶體管的溝道區(qū)域中源極區(qū)域/漏極區(qū)域方向(電流流過方向)晶粒分界，如此形成的薄膜半導體設備能具有與單晶Si-MOS或SOI設備的相比的性能。
盡管大致有兩種類型的方法可用作上述本發(fā)明中的種晶設置方法，其中結晶半導體層首先形成在絕緣基底物質11上然后成型以按照很好的順序設置點狀、島形或直線型種晶而進行的第一種方法具有一些變形。即，可以形成為非晶半導體層的非晶硅膜12首先形成在絕緣基底物質11上，全部或部分結晶，然后經(jīng)歷成型處理，從而形成種晶。此外，從開始就進行結晶的結晶半導體層可以在絕緣基底物質11上形成，該結晶半導體層可以經(jīng)歷成型處理，從而形成種晶。
下面將描述形成非晶半導體層12的優(yōu)選實施例。
非晶硅膜12以30nm到200nm優(yōu)選為大約100nm的沉積膜厚度沉積在絕緣基底物質11上，具有(111)晶面取向的晶核或多個晶核形成在該非晶硅膜12中。在脫氫處理之后，進行施加激光光束步驟。即，使用具有YAG二次諧波(532mm)、四次諧波(266nm)或類似諧波的脈沖激光，重復施加激光束，同時調節(jié)激光能量，使得整個膜在膜厚度方向上熔化。結果，在絕緣基底物質表面上定位并得到具有晶向面(crystal orientation plane)(111)的結晶Si膜。通過隨后在該物質上的整個表面上實現(xiàn)這種能量射線施加處理，可以形成具有(111)晶向面的種晶。
總的來說，當結晶Si薄膜或層在絕緣基底物質11上直接形成時，具有(100)，(110)或(111)晶向的平面在預定方向上生長。例如由玻璃形成的絕緣基底物質的溫度，原材料通量(flux quantity)，在絕緣基底物質層表面上的氫的覆蓋層及其他因素等與易于出現(xiàn)在這些晶向面中的晶向面密切相關。在晶面取向為例如(110)的平面增長的情況下，在基底物質上互相偶合的兩個Si原子成為晶體增長的核，這種情況在絕緣基底物質11的表面上Si原子之間的擴散距離足夠長的情況下是一維晶體生所允許的。當絕緣基底物質11的表面用氫覆蓋并且在絕緣基底物質表面的氫不被吸收的絕緣基底物質11的溫度下(如30℃到400℃，優(yōu)選為350℃)使原材料熔化，就能夠實現(xiàn)上述條件。
作為形成結晶半導體層的方法，在例如下述的條件下采用等離子CVD法是合適的。
當由等離子分解的SiH4氣體形成膜時，絕緣基底物質11在形成膜的時的溫度設定為350℃，用H2氣將SiH4稀釋近十倍，并進行等離子CVD。通過這種膜形成方法，具有晶面取向(110)的種晶形成在絕緣基底物質11上，采用通過使用一種處理氣體的等離子CVD形成的膜能形成具有晶面取向(110)的結晶Si膜，在所屬處理氣體中SiH4氣體和SiF4氣體以1∶1的比率進行混合。在任何情況下，都期望進行熱處理以去掉在形成硅膜之后包含在硅薄膜和層中的氫氣。
如上所述在絕緣基底物質11上形成結晶Si薄膜后，通過光蝕刻處理將其成型為種晶(多個種晶)或具有預定形狀的小晶體層(多個層)。在光蝕刻過程中，期望形成島形標志，用于后面將進行的激光光束應用定位。上述工藝并不局限于等離子CVD方法，LPCVD方法，濺射法等也可使用。
現(xiàn)在將給出關于種晶設置的第二方面的具體處理的一個實例的說明，即，通過激光光束應用等在預定位置上形成直線型或點狀的一個種晶或多個種晶的方法。
通過等離子CVD方法，非晶硅膜12形成在由玻璃形成的絕緣基底物質11上。由于大量的氫包括在由等離子CVD法形成的非晶硅膜12中，因此期望通過熱處理去掉非晶硅(Si)膜12中的氫氣。作為形成非晶硅膜12的方法，其并不局限于等離子CVD方法，非晶硅膜12可由LPCVD法、濺射法等形成。在這種情況下，用于脫氫的熱處理可取消。此后，基底在光階段上進行處理，在由大約1μmΦ窄的激光光束確定的坐標位置上進行直線型或點狀結晶。激光設備可為脈沖振蕩激光器或連續(xù)振蕩激光器，期望其波長小于550nm。此外，可插入用于切除所述光束不必要的部分和將該光束成形為預定形狀的“掩?！?，設置該“掩?！币源鎸⒓す馐冋?。
現(xiàn)在將參考圖3A和3B描述根據(jù)本發(fā)明的結晶步驟的具體處理。
用于在本發(fā)明中用于優(yōu)選結晶的能量射線如激光光束，在激光強度分布上必須具有周期性的特點以使多個種晶同時生長。可以通過采用激光強度調制元件如圖3A所示的移相器22調節(jié)從受激準分子激光設備如KrF激光受激準分子激光設備發(fā)射的激光光束21的光強度而形成該光強分布。至于激光光束21，盡管在此描述采用KrF激光的例子，還可采用其他激光，如XeCl激光，只要其具有光相干性并能發(fā)射用于熔化硅的能量。另外，可使用其他的任何能量射線。由于激光光束21具有非常高的相干性，當具有不同折射率的部件如玻璃設置在激光光束21的光路中時，由于該部件折射率的不同，在發(fā)射的激光束的部分中就產(chǎn)生了與入射激光光束不同的相位差。
作為移相器22，例如，在光路方向上厚度變化的透明基底，可使用例如具有臺階部分或多個部分的石英板。如圖3A和3B所示，通過將在具有的不同厚度的矩形延長區(qū)域即部分22a和22b之間的臺階部分23處的相位差設置為對應1/2的激光波長，已經(jīng)通過移相器的激光光束21被激光光束21的不同部分的干涉削弱，該激光光束的低強度部分或最小強度區(qū)域24a在施加區(qū)域中對應于的臺階部分23的位置處產(chǎn)生。當遠離低強度部分24a時激光光束21的強度增加，產(chǎn)生高強度部分或最大強度部分25a。低強度部分24a和高強度部分25a之間的激光光束強度改變區(qū)域26a的變化的(inclined)激光光束強度用來進行結晶化。這里，本發(fā)明人已經(jīng)通過實驗確定當激光光束強度分布和激光光束施加到基底上時形成的溫度分布與激光光束照射區(qū)域內(nèi)的低強度部分24a和高強度部分25a的位置和相對強度有很強的相關性。期望激光低強度部分24a與最低溫度部分24一致，高強度部分25a與最高溫度部分25一致。
下面結合圖1E并參考圖4A到圖6B來詳細描述晶體增長步驟。圖2C所示的另一實施例也是一樣的。
通過將最低溫度部分24與圖4A所示的種晶13(虛線所示)的中心13b一致，來進行晶體增長步驟，其中所述最低溫度部分24是當激光照射能量為最小值時產(chǎn)生的。在圖4A中，非晶硅膜的熔點(T1)大約為1000℃，結晶硅的熔點(T2)大約為1415℃。圖4A示出了激光光束21剛剛照射之后該層(種晶13和非單晶半導體層14)中的溫度分布。此時，在所示區(qū)域中，由于整個區(qū)域上的溫度高于由非晶硅膜形成的非單晶半導體層14的熔點(T1)，非單晶半導體層14完全熔化。此外，晶體種晶13中部分區(qū)域13a也熔化了，該部分區(qū)域13a用對應于比結晶硅的熔點(T2)高的溫度的強度的激光進行照射。圖5A示出了這種狀態(tài)。因此，由于種晶13的部分區(qū)域熔化，沒有熔化的剩余種晶成為比初始種晶13窄的區(qū)域。然后，在結晶硅的固液分界位置上的晶體硅成為增長核子，并且晶體增長立即開始。
圖4B示出了當停止激光光束21后經(jīng)過預定時間(t秒)時結晶硅的溫度分布。在圖中的中心附近的夾在點Q1和Q2之間的溫度區(qū)域以外的區(qū)域，具有比結晶硅的熔點(T2)更高的溫度。因此，在非單晶半導體層14中結晶化橫向進行，因此形成結晶區(qū)域15。圖5B示出了該狀態(tài)。由于結晶化以與種晶13相同的晶面取向進行，通過控制種晶13的晶面取向，可以形成具有大顆粒尺寸的硅單晶顆粒，該單晶顆粒的平面取向是可控制的。此外，由于晶核的存在，超冷卻狀態(tài)不會出現(xiàn)，結晶迅速開始。
在上述實施例中已經(jīng)給出了在由具有如圖4A所示的溫度分布106的激光光束得到的最小溫度部分24(最小光強部分24a)與的種晶13的中心13b一致的情況介紹。然而，該部分不必必須與所述中心一致，最低溫度部分24設置在種晶13中的任何位置上就足夠了。圖6A示出了其中將最低溫度部分24設置在從種晶13的中心偏離的位置上的實施例。圖6A示出了最低溫度部分24位于種晶13的左側的情況。通過這種激光施加在照射表面上形成溫度分布106，此時，種晶103設置在非晶半導體層14上的Q2和種晶13的左端部13C之間的部分保持不被熔化。該狀態(tài)由保持不被熔化的固態(tài)層的種晶13d和與種晶13d接觸的熔化硅存在的狀態(tài)構成。
此后，橫向晶體增長從用作晶核的剩余的作為固態(tài)層種晶的13d開始，如圖6B所示形成結晶區(qū)域15。在這種情況下，由于同樣采用與種晶13相同的晶面取向進行結晶，通過控制種晶或種晶半導體層13的晶面取向可以形成其晶面取向被控制的具有大顆粒尺寸的硅晶粒。另外，由于晶核存在，超冷卻狀態(tài)不會出現(xiàn)，結晶迅速開始，能確保結晶過程所需的足夠長的時間。因此形成具有大的顆粒尺寸或在橫向方向上很長的晶體。
現(xiàn)在將參考圖7給出關于自動匹配最低溫度部分24和種晶13的位置并結晶非晶硅膜的裝置的例子的說明。
在能量射線的路徑中，如，從KrF激光光源40發(fā)出的激光光束的路徑上，設置光空間(opto-spatial)調節(jié)元件，例如圖3A所示的移相器22，以調節(jié)從光源40射出的激光光束的光強。該激光光源具有激光光束產(chǎn)生設備及均質器，用于將由該生產(chǎn)設備產(chǎn)生的激光光束的強度均勻化。因此，具有均勻強度的激光光束進入到移相器22中。
總的來說，假定激光光束21的波長為λ，則用于提供180度的相位差折射率為n的該透明介質的膜厚t為t＝λ/{2×(n-1)}。對于移相器22，假定KrF受激準分子激光的波長為248nm，而且形成移相器22的石英基底物質的折射率為1.508，那么用于給入射激光光束提供180度相位差的臺階部分23的臺階為244nm。因此，可使用在石英基底物質的預定位置上具有244nm的臺階的裝置作為移相器22。
入射激光光束21被該移相器22折射并干涉，使激光光束21的強度產(chǎn)生周期空間分布。即，與激光光束21的通過移相器22的薄部分22a的部分相比，激光光束21的通過厚部分22b的部分被延遲了。作為在激光光束21這些部分之間的相互干涉和折射的結果，可以得到圖3B所示的已經(jīng)通過的激光光束強度分布。圖3B示出了以臺階部分23作為界面(界面部分)在右側和左側之間提供180度的相位差的例子。
可在X，Y，Z和θ方向上移動的工作臺41設置在移相器22的發(fā)射側的激光路徑中。絕緣基底物質11由已知的方法固定在該移動工作臺41的預定位置上，在該絕緣基底物質11上具有種晶和要進行結晶的非晶硅膜(示于圖1D和2B中)。因此，圖3B中所示的激光光束強度分布成像在絕緣基底物質11(非晶硅膜)的上表面。
在該裝置中，為了使種晶13作為提供在絕緣基底物質11上的目標成像，成像照相機42，例如，ITV照相機傾斜地設置在工作臺41的上方。用于輸出目標種晶位置信息的電路43連接照相機42的輸出側。電路43將模擬信號轉換成數(shù)字信號，然后輸出種晶13的位置信息。比較電路44連接到位置信息輸出電路43的輸出側。用于輸出最低溫度位置信息的電路45連接到比較電路44的輸入側。最低溫度位置信息輸出電路45將預先存儲在其中的最低溫度部分24的位置信息輸出到比較電路44。
用作控制移動工作臺41的位置的工作臺位置控制部分46連接比較電路44的輸出側。工作臺位置控制部46具有驅動裝置和控制該驅動裝置的控制電路，該驅動裝置在X-Y-Z-θ方向上驅動移動工作臺41。這樣，構造了一種裝置，用于將通過的激光光束強度分布中的最低強度部分24a定位在絕緣基底物質11的種晶13上。
現(xiàn)在將介紹一種方法，用于將通過的激光光束強度分布中的最低強度部分24a定位在絕緣基底物質11的種晶13上。
在將絕緣基底物質11固定在移動工作臺41上后，作為該基底物質11上的目標的種晶13通過照相機42進行成像，照相機42的圖像信息作為模擬信號供給目標種晶位置信息輸出電路43。電路43將所供給的模擬信號轉換成數(shù)字信號，并輸出種晶13的位置信息到比較電路44。比較電路44將輸入的種晶位置信息和來自最低溫度位置信息輸出電路45的最低溫度部分24的位置信息進行比較，并進行兩位置信息的差值計算。
該差值計算信息輸入到工作臺位置控制部分46中，并用于控制移動工作臺41的位置。通過重復這種計算，移動工作臺41停在比較電路44的計算輸出值變?yōu)榱愕奈恢蒙?。結果，在已經(jīng)通過的激光光束強度分布上的最低溫度部分24與絕緣基底物質11上的種晶13對齊。這樣，如同結合圖6A和6B所介紹的，最低溫度部分24并不一定與種晶13的中心對齊。
在根據(jù)本發(fā)明的工藝中種晶增長的時間為直到熔化的非晶硅膜的預定區(qū)域冷卻到固化溫度或更低溫度的時間，其大約為60納秒。關于這個時間，與現(xiàn)有技術中不預先形成種晶13的模式相比，給出了1.5倍的時間。結果，在該實施例中的橫向增長距離比現(xiàn)有技術中的長，該增長距離為3到4.5μm。圖8A示出了根據(jù)本發(fā)明經(jīng)歷了從每個種晶13在橫向方向上晶體增長的放大的結晶區(qū)或克(gram)15。從圖8A明顯看出，在該實施例中的橫向晶體增長中，晶體在從條狀或直線種晶13以很好的順序在橫向方向上規(guī)則增長，該種晶13由小晶粒30A的集合形成。以良好的順序規(guī)則增長的大的長形的晶粒，當形成諸如薄膜晶體管的電路時，能構成沒有在操作特性上的不規(guī)則性的穩(wěn)定電路(even circuit)。
圖8B示意性的示出了由不使用種晶的現(xiàn)有技術得到的結晶區(qū)域29B。該現(xiàn)有技術為采用具有向上凹入的光強度分布的激光光束的激光退火。關于根據(jù)現(xiàn)有技術的激光退火的中心部分，由于用激光光束21照射的區(qū)域具有相對低的溫度，該低溫部成為區(qū)域30B，其不熔化但在非晶硅膜12的厚度方向上的部分熔化。由于根據(jù)現(xiàn)有技術的激光退火的外圍部分為高溫區(qū)域，因此在厚度方向上的整個非晶硅膜12熔化，形成其中該熔化區(qū)域有不規(guī)則形狀的區(qū)域30C，橫向晶體增長從該不規(guī)則或不穩(wěn)定區(qū)域30C開始，由此形成結晶區(qū)域29B。在圖8B中，附圖標記30D表示沒有結晶的非晶硅。
從圖8A和8B之間的比較明顯看出，比較根據(jù)該實施例和現(xiàn)有技術的橫向增長距離，由根據(jù)本發(fā)明實施例的方法形成的結晶區(qū)15為是根據(jù)現(xiàn)有技術形成的結晶區(qū)29B長度的1.5倍。這能實現(xiàn)是因為由于使用種晶而使超冷卻狀態(tài)沒有出現(xiàn)，因此可確保長的結晶過程時間。另一方面，關于現(xiàn)有技術中的晶體增長開始位置，由于從超冷卻狀態(tài)增長晶體，在晶核的產(chǎn)生中出現(xiàn)時間上的不穩(wěn)定性，并且其位置并不能確定。結果，在現(xiàn)有技術中，結晶開始點的邊緣部(區(qū)域30C的部分)具有固定的擺動。在本發(fā)明中，由于超冷卻狀態(tài)并未出現(xiàn)，已經(jīng)確定可以得到顯示了高定位可控制性的結果，在該結果中在晶體增長開始位置的條狀種晶13邊緣部基本上看不到擺動。
如上所述，結晶區(qū)域的增長是由消除了超冷卻時間和因此給定晶體增長時間的延長得到的結果。定位可控制性的精確度是從預先設置的種晶13得到的效果，該種晶13為晶體增長的核。此外，在結晶硅層中產(chǎn)生的晶粒界面為低角度顆粒界面，已經(jīng)確定該晶粒截面不具有明顯的電學影響。
上述實施例中，在施加激光剛剛結束后溫度分布具有這樣的條件，種晶13的一部分被熔化而剩余部分沒有熔化。然而，本發(fā)明并不局限于此，只要非晶硅部分被熔化并且種晶硅部分的至少一部分不被熔化，其他條件也可使用。由于種晶硅部分的熔點為大約1000℃，結晶硅的熔點為大約1415℃，將種晶13和非晶硅膜12之間的分界部分的溫度落在1000℃到1415℃的范圍之內(nèi)是很好的，從工藝的方面看，該差別是寬的。
圖9示出了當種晶13以點狀直線排列時晶體增長的具體實施的例子。在該實施例中，在種晶13不存在的區(qū)域31中有大約20納秒(超冷卻時間)的時間沒有晶體增長產(chǎn)生。因此，晶體增長僅從點狀種晶13開始，在20納秒的時間內(nèi)晶體增長不發(fā)生在任何其他位置。在這一時間中的增長距離約為1到1.5μm。因此，通過將種晶點的節(jié)距(D1)設定為2到3μm，可以得到具有良好的均勻性的橫向生長的具有大約2到3μm寬度的每個長形的結晶區(qū)域或硅晶粒15，如圖9所示。
現(xiàn)在參考圖10A到10E介紹從種晶13的形成到實現(xiàn)晶體增長的一系列步驟的實施例。
制備絕緣基底物質11，在該絕緣基底物質11上形成有非單晶半導體，如，非晶硅膜12或14(圖10C)。
如圖10A所示，非單晶硅膜12用通過移相器22的激光光束21進行照射。優(yōu)選的移相器22具有用于能量射線的透射率限制裝置與移相器22相結合的結構，其中該透射率限制裝置能夠例如阻止激光光束21或對激光光束21是半透明的，如光屏蔽掩膜22c，如圖3A所示。除兩個端部外，該掩膜22c加在厚壁部分22b和薄壁部分22a的至少一個表面上(移相器23A在中心具有臺階部分23)。結果，光屏蔽掩膜22c和移相器23A在橫向方向上交替設置。厚壁部分22b和薄壁部分22a具有這樣的結構，其中在石英玻璃上具有相對大的厚度的多個帶狀部分和在石英玻璃中具有相對小的厚度的多個帶狀部分交替設置。這些部分22a和22b的每個表面具有矩形形狀，其相對附圖平面垂直延伸。依據(jù)相移部分的設計來設計該光屏蔽掩膜22c，其可是點狀、帶形、圓形和其他形狀的任何形狀。
在已經(jīng)透射通過如此構造的移相器22的激光光束21的光強度分布(光束剖面)中，如圖10B所示，對應于相移部分23A的區(qū)域具有U或V形，對應于臺階部分23的區(qū)域形成最小強度線。該分布具有由在橫向方向上互相分開的多個光強度分布區(qū)域組成，并且對應于光屏蔽掩膜22c的阻止區(qū)域或半透明區(qū)域位于這些區(qū)域之間。
光屏蔽掩膜22c的寬度W1和相移部分23A的寬度W2依賴于可以到增長的所得的晶粒的設計。例如，當形成大約5μm的顆粒尺寸或長度的晶粒時，光屏蔽掩膜寬度(W1)和相移部分寬度(W2)都確定為10μm，用于相位差的臺階部分23在寬度方向上設置在該相移部分的中心部位。
現(xiàn)在介紹結晶方法。在其上形成有非單晶Si膜或如所希望的形成有非晶硅膜12的絕緣基底物質11安裝在精密移動工作臺41(圖7)上的條件下，進行穿過移相器22的激光光束21的照射(圖10A)。圖10B中所示的剖面示出了激光光束21的的光強分布，該激光光束21的光強已經(jīng)經(jīng)過移相器22的調節(jié)。通過第一次激光照射，每個結晶的種晶13產(chǎn)生在非晶硅膜12上用圖10C所示的穿過相移部分23A或開口的激光光束21照射的區(qū)域。
然后，如圖10D所示，具有安裝在其上的絕緣基底物質11的工作臺41在如箭頭所示的左側方向移動對應于相移部分寬度(W2)的1/4的距離，然后進行第二次激光照射，從而進行從每個種晶13開始的橫向晶體增長處理。在第二次處理中，激光光束21的最小光強部分24a排列(定位)在與由結晶硅膜形成的種晶13重疊的位置。此時，通過將激光光束21的最小強度部分24a的光強設定為比非晶硅膜12的熔點高并比結晶硅膜的熔點低，由結晶硅膜形成的種晶13起到?jīng)]有熔化的晶核的作用，橫向晶體增長開始，因此產(chǎn)生大晶粒32(圖10D)。
然后，具有絕緣基底物質11安裝在其上的工作臺進一步在該附圖中向左的方向移動對應于相移部分寬度(W2)的1/4的距離。此時，進行第三次激光照射，對結晶半導體或用作新的晶核的大晶粒32進行橫向的晶體增長處理。在所述第三次處理中，激光光束21的最小光強部分24a排列(定位)在與由結晶硅膜形成的種晶32重疊的位置。此時，將激光光束21的最小強度部分24a的光強設定為比非晶硅膜12的熔點高并比結晶硅膜的熔點低。結果，結晶硅膜32起到?jīng)]有熔化的種晶的作用，并且橫向晶體增長開始，由此產(chǎn)生通過增加晶粒直徑而得到的大晶粒32A(圖10E)。通過重復上述操作，可以在整個非晶硅膜12上形成具有大直徑的晶粒的半導體。
現(xiàn)在參考附圖11A到11D描述種晶13的形成到實現(xiàn)晶體增長的一系列步驟的另一實施例。
在該實施例中，移相器22對激光光束21的調制結構與前實施例不同。半透明薄膜或層22e設置在移相器22上以適當削弱激光光束21的強度。用于能量射線的透射率限制裝置例如用于沒有衰減地部分地透射激光光束21的開口部分或透明部分22f設置在同樣位置。即，移相器22包括設置到透明體如石英玻璃上的厚壁部分22b和薄壁部分22a，厚壁部分22b和薄壁部分22a之間的臺階部分23，設置在厚壁部分22b和薄壁部分22a的一個表面上的具有開口部分22f的半透明薄膜或層22e。
厚壁部分22b和薄壁部分22a具有這樣的結構，在石英玻璃中具有相對大厚度的多個帶狀部分和在石英玻璃中具有相對小厚度的多個帶狀部分交替設置。該半透明薄膜22e可為點狀，帶狀，圓形及其他形狀的任何一種。半透明薄膜22e構造成覆蓋相移部分23A。半透明薄膜22e及相移部分23A的排列、尺寸等依據(jù)要形成的晶粒的設計。通過例如在移相器22的如石英玻璃上形成大約10nm的氮化硅膜，以產(chǎn)生半透明薄膜22e。此外，只要可達到必要的透明度，可采用任何其他材料，如，氮氧化硅膜。
采用這種方法，每次可形成尺寸為激光結晶處理中每個相移部分23A之間的間隙的1/2的晶粒。例如，為了在第一次激光處理中形成5μm的晶粒，相移部分23A之間的間隙確定為10μm。半透明薄膜22e的開口部分22f形成在相鄰相移部分23A之間。
移相器22用作濾波器，如圖11B所示的這種透射光束通過該濾波器。該濾波器的特性顯示了具有最大光強區(qū)域、U或V形光強分布區(qū)域、中間強度區(qū)域的光強分布(剖面)特性。由已經(jīng)透射通過開口部分22f的投射光束部分得到第一區(qū)域。第二區(qū)域為對應于臺階部分23的直線或點，具有最小光強，由已經(jīng)透射通過相移部分23A的透射光束部分得到。第三區(qū)域具有介于最大光強和最小光強之間的中等光強，由透射通過半透明薄膜22c的透射光束部分形成。在圖11B中在橫向方向上延伸的點劃線表示照射標體即非晶硅的熔點(T1)。移相器22使得可以形成這樣一個步驟，在非晶半導體層12或14中產(chǎn)生種晶并實現(xiàn)從該種晶開始的結晶。
第一次激光處理在絕緣基底物質11安裝在精確移動臺41上的情況下進行(圖7)，其中在該絕緣基底物質11上形成有非單晶半導體層14。通過調制入射的激光光束21，圖11A所示的移相器22發(fā)射具有圖11B所示的光強分布(激光光束分布(p))的激光光束21。此時，在相移部分23A中，激光光束21的強度由于干擾和折射而減小，并輸出具有最小強度部分24a的U形光強分布圖案。激光光束21透射通過在移相器22上半透明薄膜的開口部分而不衰減，從而產(chǎn)生激光光束21的最大光強部分25a(高溫部分25)。以這種方式，可以形成激光光束強度分布P。
現(xiàn)在具體描述結晶方法。下面，用具有由所述激光光束的高光強部分25a形成的溫度分布的高溫部分25，和具有由該激光光束的低光強部分24a形成的溫度分布的低溫部分24來進行說明。雖然未示出非晶硅膜12中的高溫和低溫部分，但示出了由高光強部分25a形成的高溫部分和由低高光強部分24a形成的低溫部分。在第一結晶處理中，進行這樣的調節(jié)，激光光束21的高強度部分25a中的強度完全熔化被激光光束照射的非晶硅膜，但激光光束21的中間強度部分26a的強度不能熔化被激光光束照射的非晶硅膜。這種情況下，將受激準分子激光光束21施加幾次(shot)或，優(yōu)選為10次或是更多。結果，只有用激光光束21的高強度部分25a進行照射的區(qū)域進行結晶，并形成種晶13。此時，當在上述條件下進行結晶時，所產(chǎn)生的晶體的一個面的取向為(111)(圖11C).
然后，如圖11D所示，其上安裝有絕緣基底物質11的X-Y-Z-θ工作臺41在由箭頭所示的一個方向如X方向上移動。在該實施例中，在附圖中基底向左移動預定距離L1。關于該移動距離，基底以這樣的方式移動，使得激光光束21的每個最低溫度部分24與通過第一激光處理而結晶的種晶13的中心部位對齊。
此后，通過將第二激光光束對移動后的絕緣基底物質11進行照射處理，使用結晶的該半導體層作為種晶13，進行橫向結晶步驟。此時，以這樣的方式設定激光強度，由最低強度部分24a的光強產(chǎn)生的最低溫度部分24變成不低于非晶硅的熔點并且不高于結晶硅的熔點，由第一次激光處理而結晶的部分成為用于非晶硅膜的橫向增長的晶體增長核(種晶13)。結果，在由非晶硅膜生長形成的結晶半導體層32中產(chǎn)生了幾乎沒有超冷卻時間的橫向增長，與晶體從非晶硅膜增長的現(xiàn)有技術相比，所述晶體增長距離為1.5倍。此外，由于種晶13定位在平面(111)，由第二激光光束照射而得到的結晶硅部分32的晶體增長方向為(110)(圖11D)。
在第二結晶處理之后，通過移動例如玻璃基底，預定的未結晶區(qū)域移動到的結晶光徑上，第一和第二結晶處理步驟順次進行，由此在整個膜上形成由具有大顆粒尺寸的晶粒組成的結晶半導體膜。
根據(jù)上述的各種實施例，可以在絕緣基底物質11如玻璃基底上的預定位置，形成顯示了大晶粒的性能的大晶粒或硅層。在任何實施例中，島形標記和單晶顆粒之間的位置關系是確定的，由此處理基于該關系上的薄膜晶體管形成步驟。
參考圖12A到12D，現(xiàn)在將介紹采用單晶顆?；蚋鶕?jù)單晶顆粒的Si層而形成的薄膜晶體管的形成結構，及使用這種晶體管制成的CMOS電路。這里，“根據(jù)單晶顆?！北硎疽粋€晶粒不具有穿越薄膜晶體管的源電極35和漏電極36之間的溝道的邊界面。由于在本發(fā)明中得到的晶粒具有以固定間隔互相平行的晶粒分界面，因此當通過采用單晶顆粒而形成晶體管電路29C時，所述晶體和晶體管的方向不必互相精確地一致，所述單晶顆粒為一個結晶區(qū)域15。當在晶體管形成區(qū)域存在晶粒分界面時，通過使電流流過晶粒分界面的方向和晶體管的方向相互一致，可得到非常小的值，該值可以使晶體管的良好的特性如電子或電子空穴的遷移率統(tǒng)一。
如圖12A所示，由于由現(xiàn)有技術得到的晶粒的晶粒分界面不互相平行并不具有固定的間隔，因此難于形成一個晶體管而阻止晶粒分界面存在于晶體管的溝道。
當形成晶體管時，基于未示出的所提供的定位標記，單晶顆粒或根據(jù)單晶顆粒的Si層為島形。通過光蝕刻步驟實現(xiàn)形成所述島的圖案。此后，在每個島狀Si層的上表面形成用于增益絕緣膜的氧化硅膜，如圖12C所示。然后，在該氧化硅膜上，去掉對應于柵極區(qū)和漏極區(qū)的部分以露出部分的Si層。接著，源電極35和漏電極36形成在這些暴露部分上，柵電極37形成在氧化硅膜的這些電極35和36之間的每個部分上。結果是，其中相互對齊地形成兩個溝道的雙柵極MOS形成在晶?；騿谓Y晶區(qū)域15中，其中在溝道中不存在晶粒分界面。
作為另一可選方案，當具有MOS結構的兩個晶體管定位并形成在同一個晶粒15中時，如圖12D所示，由于不同晶粒的性質上的不規(guī)則性等引起的晶體管特性如電子或空穴的遷移特性的不規(guī)則性能有效減小到很小的值。由于由此形成的薄膜晶體管的溝道不包括穿過該溝道的晶粒分界，可得到與單晶Si晶片上形成的MOS或SOI相當?shù)男阅堋?br> 如液晶顯示設備等光電設備的開關電路，控制電路，邏輯電路等可采用這種薄膜晶體管形成。在結晶晶粒上形成薄膜晶體管的方法可如下形成。
現(xiàn)在參考圖13更具體地描述采用薄膜晶體管的CMOS的結構。
如圖13所示，基本上由單晶硅層或等價物組成的半導體層54形成在絕緣基底53的上表面，該絕緣基底53具有形成在例如玻璃組成的透明絕緣基底物質51的上表面的絕緣層。由氧化物膜如SiO2膜形成的柵極絕緣膜58形成在該半導體層54的上表面。由金屬層形成的柵極59形成在柵極絕緣膜58的上表面上。一對n型源極區(qū)55S和n型漏極區(qū)55D，一對p型源極區(qū)56S和p型漏極區(qū)56D在半導體層54中形成。
每個溝道區(qū)57以位于柵極59的下面的方式形成在n型源極區(qū)55S和n型漏極區(qū)55D之間和在p型源極區(qū)56S和p型漏極區(qū)56D之間。柵極59以該方式形成在溝道區(qū)57上面的形式為頂柵型薄膜晶體管。半導體層54和柵極59的上表面用夾層絕緣層60進行覆蓋。
每個布線層62通過每個接觸孔61電連接每個n型源極區(qū)55S，n型漏極區(qū)55D，p型源極區(qū)56S及p型漏極區(qū)56D。這樣，形成了由源極區(qū)55S，漏極區(qū)55D以及溝道區(qū)57組成的n溝道型MOS晶體管71，和由源極區(qū)56S，漏極區(qū)56D以及溝道區(qū)57組成的p溝道型MOS晶體管72。在具有不同極性的兩個MOS晶體管71和72中，源極區(qū)55S電連接源極區(qū)56S，由此形成CMOS 70。
現(xiàn)在將參考圖14A到14L介紹圖13所示的CMOS70的制造步驟的概況。
由例如SiO2，SiN或這些物質的混合體所組成的氧化膜的絕緣層52形成在由玻璃形成的透明絕緣物質11的整個上表面，由此形成絕緣基底53。然后，由非晶硅組成的非晶半導體薄膜或層4a形成在絕緣層52的上表面上(圖14A)。此后，使用根據(jù)本發(fā)明的方法，將該非晶半導體層54a結晶成多晶硅、單晶硅或基于單晶硅的半導體薄膜或層54(圖14B)。
然后，為了采用光刻法限定有效區(qū)(active area)的形狀，抗蝕劑膜81選擇性的形成在半導體層54的上表面(圖14C)。此時，有效區(qū)被定位從而以圖13中所示的晶體管的溝道區(qū)57能形成的方式形成在單晶顆?；蚋鶕?jù)單晶晶體的硅上。在通過采用抗蝕劑膜81作掩膜蝕刻半導體層54并將層54成型為多個島形區(qū)域后，去掉抗蝕劑膜81(圖14D)。柵極絕緣膜58形成在絕緣基底53和島形半導體層54的上表面上(圖14E)。然后，用作形成柵極的導電層59a在柵極絕緣膜58上形成(圖14F)。
為了通過采用光刻法限定柵極的形狀，抗蝕劑膜82選擇性的形成在導電層59a的上表面(圖14G)。將該抗蝕劑膜82用作掩膜對導電層59a進行蝕刻，形成柵極59，然后去掉抗蝕劑膜82(圖14H)。然后，用于注入雜質的作為掩膜的抗蝕劑膜83a選擇性地形成在p溝道型MOS晶體管形成區(qū)域中。通過使用抗蝕劑膜83a和暴露的柵極59作為掩膜，通過加箭頭所示的植入法將n型雜質550僅注入到成為n溝道型MOS晶體管的成為半導體層的源極區(qū)或漏極區(qū)的區(qū)域中或島形區(qū)域54中，由此形成n型源極區(qū)55S和n型漏極區(qū)55D(圖14I)。然后，去掉抗蝕劑膜83a。
此后，成為掩膜用于引入雜質的抗蝕劑膜84a選擇性的形成在n溝道型MOS晶體管形成區(qū)域中。通過采用抗蝕劑膜84a和暴露的柵極59作為掩膜，如箭頭所示，p型雜質560僅注入到成為p溝道型MOS晶體管的半導體層54中，由此形成p型源極區(qū)56S和p型漏極區(qū)56D(圖14J)。去掉抗蝕劑膜84a。然后，中間絕緣層60形成在柵極59、柵極絕緣膜58和絕緣基底53的整個表面(圖14K)。進行激活加入半導體層54中的雜質原子的熱處理步驟。
隨后，用于形成接觸孔的抗蝕劑膜(未示出)選擇性地形成在中間絕緣層60的上表面。用該抗蝕劑膜作為掩膜，蝕刻中間絕緣層60，因此形成到達每個柵極59，漏極區(qū)55D，源極區(qū)55S，漏極區(qū)56D和源極區(qū)56S的每個接觸孔61。在去掉該抗蝕劑膜之后，成為布線層的每個導電層形成在每個接觸孔61和中間絕緣層60的上表面，并且實施構圖以提供預定的布線圖案，由此形成每個布線層62。通過上述步驟完成CMOS 70的制造(圖14L)。
現(xiàn)在參考圖15到17介紹采用由本發(fā)明制造的薄膜晶體管的液晶顯示裝置的例子。
圖15示出了該液晶顯示裝置的示意電路結構，圖16示出了該液晶顯示裝置的示意剖面結構，圖17示出了給圖15所示的顯示像素外圍控制電路的等效電路及像素內(nèi)部引入新功能的實施例。如圖15所示，液晶顯示裝置包括液晶顯示板100及控制該液晶顯示板的液晶控制器102。如圖16所示，該液晶顯示板100具有這樣的結構，其中例如液晶層LQ保持在陣列基底AR和相對的基底CT之間，液晶控制器102設置在液晶顯示板100的外邊部。
陣列基底AR具有多個在透明玻璃基底上的顯示區(qū)域DS內(nèi)以矩陣形式設置的像素電極PE。沿像素電極PE的行延伸的多個掃描線Y(Y1到Ym)及沿多個像素電極PE的列延伸的多個信號線X(X1到Xn)設置在玻璃基底上。像素電極PE和像素開關元件111設置在信號線X1到Xn與掃描線Y1到Ym的每個交叉位置上。每個像素開關元件111響應來自相應掃描線Y的掃描信號讀取來自相應信號線X的視頻信號Vpix，并將其施加到相應像素電極PE上。驅動掃描線Y1到Ym的掃描線驅動電路103和驅動信號線X1到Xn的信號線驅動電路104設置在玻璃基底上的顯示區(qū)域DS的外側。像素開關元件111為控制電路，如結合前述實施例進行描述的，由硅薄膜晶體管組成，并具有例如n溝道多晶或單晶硅層。
每個掃描線驅動電路103和信號線驅動電路104由硅薄膜晶體管組成，與像素開關元件111的薄膜晶體管相似，如同結合上述實施例所描述的，該硅薄膜晶體管具有形成在陣列基底AR上的多個多晶或單晶溝道區(qū)域或基本上是單晶的區(qū)域。相對的基底CT具有透明玻璃基底，單個相對電極或公共電極CE形成在玻璃基底內(nèi)表面上，該電極設置為與多個像素電極PE相對并固定到公共電壓Vcom，和一個未示出的彩色濾波器。
液晶控制器102接收例如視頻信號和從外部供給的同步信號，并產(chǎn)生正常顯示模式的像素視頻信號Vpix，垂直掃描控制信號YCT以及水平掃描控制信號XCT。該垂直掃描控制信號YCT包括例如垂直啟動脈沖，垂直時鐘信號，輸出使能信號ENAB等，所述垂直掃描控制信號提供給掃描線驅動電路103。水平掃描信號XCT包括水平啟動脈沖，水平時鐘信號，多個反相信號(reversal signal)等，并和視頻信號Vpix一起供給信號線驅動電路104。
掃描線驅動電路103由移位寄存器組成，并由垂直掃描控制信號YCT進行控制以在每個垂直掃描(幀)期間將掃描信號順次提供到掃描線Y1到Ym，所述控制信號用于開啟像素開關元件111。該電路103的移位寄存器通過移位與垂直時鐘信號同步的每個垂直掃描周期所提供的垂直啟動脈沖，來選擇多個掃描線Y1到Ym的一個，并參考該輸出使能信號ENAB輸出該掃描信號到所選擇的掃描線上。輸出使能信號ENAB維持在高電平以使在垂直掃描(幀)周期的有效掃描期間內(nèi)可以輸出該掃描信號，而且該輸出使能信號ENAB維持在低電平，以在垂直掃描周期中除有效掃描周期以外的垂直空白周期內(nèi)禁止該掃描信號的輸出。
信號線驅動電路104具有移位寄存器和采樣輸出電路，并以如下方式被水平掃描控制信號控制，它將在一個水平掃描周期(H)內(nèi)輸入的一個視頻信號進行串行/并行轉換，其中每個掃描線Y由掃描信號驅動，并將作為像素顯示信號進行采樣的模擬視頻信號Vpix提供給每個信號線X1到Xn。
公共電極CE設定在公共電壓Vcom上，如圖17所示。在正常顯示模式下，在每個水平掃描周期(H)中公共電壓Vcom的電平從0V和5V中的一個反轉到另一個，并且在靜止圖像顯示模式下，在每個幀周期(F)中又從0V和5V中的一個反轉回另一個。此外，在正常顯示模式中，除了象本實施例這樣與每個水平掃描周期(H)一致地將公共電壓Vcom的電平反轉，公共電壓Vcom的電平例如可在每兩個H或每個幀周期(F)內(nèi)進行反轉。
極性反轉信號與公共電壓Vcom的電平反轉同步地提供給信號線驅動電路104。信號線驅動電路104以如下的方式響應于極性反轉信號來進行電平反轉并輸出結果，即正常顯示模式中具有0V到5V的幅值的視頻信號Vpix具有相對公共電壓Vcom為相反的極性，并且在輸出用于靜止圖像顯示模式中的靜止圖像的在程度上被限制的視頻信號后停止操作。
該液晶顯示板100的液晶層LQ“正常狀態(tài)下為白色”，其中，例如，相對于設置到公共電極CE上的0V公共電壓Vcom，通過將5V的視頻信號Vpix施加到像素電極PE上而進行黑屏顯示。如上所述，采取了H公共反相驅動，其中視頻信號Vpix和公共電壓Vcom之間的電壓關系于正常顯示模式中每個水平掃描周期(H)一致地交替反轉，并且采用了幀反轉驅動，其中根據(jù)靜止圖像顯示模式中的每一幀進行交替反轉。
顯示屏由多個顯示像素PX構成。每個顯示像素PX包括像素電極PE、相對的電極CE和保持在該兩電極之間的液晶層LQ的液晶材料。此外，多個靜態(tài)存儲器部分113和多個連接控制部分114相對多個顯示像素PX進行設置。如圖17所示，像素電極PE連接像素開關元件111，該像素開關元件111選擇性的讀取該信號線X上的視頻信號Vpix，并進一步容性連接到電壓設定為Vcs的輔助電容線，電壓Vcs例如等于公共電極CE的公共電壓Vcom。像素電極PE和相對電極CE通過液晶材料構成液晶電容，像素電極PE和輔助電容線構成不采用該液晶材料的與所述液晶容量并連的輔助電容112。
當被來自掃描線Y的掃描信號進行驅動時，像素開關元件111將信號線X上的視頻信號Vpix施加到顯示像素PX。輔助電容112具有比液晶電容足夠大的電容值，并由施加到顯示像素PX的視頻信號Vpix進行充/放電。當輔助電容112通過充/放電保持視頻信號Vpix時，在該像素開關元件111進入非導電狀態(tài)的情況下，該視頻信號Vpix補償保持在液晶電容中的電壓上的波動，因此維持了像素電極PE和相對電極CE之間的電壓差。
每個靜態(tài)存儲器部分113具有由結合前述實施例進行描述的p溝道薄膜晶體管Q1，Q3和Q5及n溝道薄膜晶體管Q2，Q4，并保持從像素開關元件111施加到顯示像素PX上的視頻信號。每個連接控制部分114具有n溝道薄膜晶體管Q6和Q7，并用作極性控制電路，其不僅控制顯示像素PX和靜態(tài)存儲器部分113之間的電連接，還控制在靜態(tài)存儲器部分113中保持的視頻信號的輸出極性。
薄膜晶體管Q1和Q2構成第一反相電路INVV1，該第一反相電路INV1在處于電源端電壓Vdd(＝5V)和電源端電壓Vsss(＝0V)之間的電源電壓下工作，薄膜晶體管Q3和Q4構成第二反相電路INV2，該第二反相電路NV2在處于電源端電壓Vdd和Vss之間的電源電壓下工作。第一反相電路INV1的輸出端通過由掃描線Y控制的薄膜晶體管Q5連接反相電路INV2，第二反相電路INV2的輸出端連接第一反相電路INV1的輸入端。在通過來自掃描線Y的掃描信號的升高而將薄膜晶體管Q5開啟的幀周期中薄膜晶體管Q5不進入到導電狀態(tài)，但在該幀之后的幀周期中進入到導電狀態(tài)。結果，薄膜晶體管Q5維持在非導電狀態(tài)至少直到像素開關元件111讀取視頻信號Vpix。
薄膜晶體管Q6和Q7分別由極性控制信號POL1和POL2進行控制，根據(jù)例如靜止圖像顯示模式中的每一幀，該極性控制信號POL1和POL2交替設定為高電平。薄膜晶體管Q6連接在像素電極PE和第二反相電路INV2的輸入端之間，并通過薄膜晶體管Q5連接第一反相電路INV1的輸出端。薄膜晶體管Q7連接在像素電極PE和反相電路INV1的輸入端，并連接到反相電路INV2的輸出端。
該液晶顯示裝置為驅動電路集成型，其中液晶控制器102、掃描線驅動電路103、信號線驅動電路104、靜態(tài)存儲器部分113和連接控制部分114設置在與像素開關元件111相同的陣列基底AR上。這里，掃描線驅動電路103、信號線驅動電路104、靜態(tài)存儲器部分113和連接控制部分114能以在結合前述實施例描述的處理中一起形成。因此，生產(chǎn)率可與液晶顯示裝置的性能可以一起改進。此外，由于提供了每個靜態(tài)存儲器部分113，從而能得到保持供給顯示像素PX的視頻信號的功能。在靜止圖像顯示模式中，由于視頻信號從靜態(tài)存儲器部分113供給到顯示像素PX，通過在這種狀態(tài)中暫停掃描線驅動電路103和信號線驅動電路104，整個顯示裝置的功率消耗能夠減小。
盡管已經(jīng)給出關于本發(fā)明應用到液晶顯示裝置的實施例的說明，該液晶顯示裝置為前述實施例中的顯示裝置的一個例子，也可使用其他平面顯示如EL顯示裝置。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可得到這樣的結晶半導體薄膜或層，其中顆粒尺寸大，晶粒形成位置以良好的順序設置，及晶面取向相互對齊。該技術能實現(xiàn)高性能電路結構。
權利要求
1.一種用于形成結晶半導體層的方法，其特征在于，包括制備其中形成至少一個種晶的非單晶半導體層；以及用能量射線照射其中形成有種晶的非單晶半導體層，以使晶體在非單晶半導體層中從種晶進行橫向增長，其中通過將具有能量射線的最小強度值的區(qū)域定位在種晶的至少一部分上而進行能量射線的照射，能量射線具有這樣的結構，在照射表面中具有能量射線的最大強度值的區(qū)域連續(xù)減小到具有最小強度值的區(qū)域。
2.根據(jù)權利要求1所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于能量射線的最小強度值具有使種晶不熔化的照射強度。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于能量射線的最大強度值為使非單晶半導體層熔化的強度。
4.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于非單晶半導體層為非晶半導體層或多晶半導體層。
5.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于能量射線為受激準分子激光光束。
6.根據(jù)權利要求5所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于受激準分子激光光束為脈沖激光光束。
7.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于通過使用能量射線掃描非單晶半導體層形成種晶。
8.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于至少一個種晶為多個點狀種晶或至少一個絲狀種晶，其中所述多個點狀種晶沿所述非單晶半導體層互相分開。
9.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于通過光空間調節(jié)元件施加這樣的能量射線，其中具有該能量射線的最大強度值的區(qū)域連續(xù)減小到具有最小值強度的區(qū)域。
10.根據(jù)權利要求9所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于光空間調節(jié)元件具有移相器。
11.根據(jù)權利要求10所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于移相器具有包括相互鄰接的至少一個厚部和一個薄部種晶的透明體。
12.根據(jù)權利要求11所述的形成結晶半導體層的方法，進一步包括設置在每個厚部和薄部上的半透明部分，并具有透明部分。
13.根據(jù)權利要求10所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于移相器具有透明體，該透明體包括至少一個厚部，一個薄部種晶，以及由厚壁部分和薄壁部分之間的臺階部分形成的相移部分，能量射線的透射率限制裝置設置在該透明體的至少一個表面上。
14.根據(jù)權利要求13所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于將透射率限制裝置設置在該透明體的每個厚部和薄壁部分，但不設置在相移部分。
15.根據(jù)權利要求13所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于將能量射線的透射率限制裝置設置在包括相移部分的厚部和薄部種晶上。
16.根據(jù)權利要求13所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于非單晶半導體層由非單晶硅形成，通過透射率限制裝置傳輸?shù)哪芰可渚€的強度比通過相移部分傳輸?shù)哪芰可渚€強度低，并用于結晶非單晶硅。
17.根據(jù)權利要求13所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于進行第一次結晶處理和第二次結晶處理，第一次結晶處理中通過未形成透射率限制裝置的移相器的能量射線的強度比結晶非單晶硅所需的能量高，第二次結晶處理中通過相移部分的最小強度比用于熔化結晶硅的強度低，并比用于熔化非單晶硅的強度高。
18.根據(jù)前述任意一個權利要求所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于制備非單晶半導體層包括在絕緣基底上形成結晶半導體層的步驟；在結晶半導體層和絕緣基底上形成非單晶半導體層的步驟；以及去掉結晶半導體上的非單晶半導體層的上部的步驟，其中結晶半導體層成為種晶。
19.根據(jù)權利要求1到17的任意一個權利要求所述的形成結晶半導體層的方法，其特征在于制備非單晶半導體層包括在絕緣基底上形成非單晶半導體層的步驟；以及通過用能量射線照射非單晶半導體層的一部分而在非單晶半導體層中形成種晶的步驟。
20.一種形成結晶半導體層的方法，其特征在于包括在基底上形成非單晶半導體層；通過用能量射線照射非單晶半導體層在非單晶半導體層中形成至少一個種晶，在照射表面上能量射線的照射強度具有最大值的區(qū)域連續(xù)減小到其具有最小值的區(qū)域；以及通過相對于照射能量射線移動所述基底，將具有最小值的能量射線照射強度的區(qū)域定位到種晶上，并施加該能量射線，而使晶粒從非單晶半導體層中的種晶橫向增長，在照射表面上具有最大值的能量射線的照射強度連續(xù)減小到具有最小值的區(qū)域。
21.一種制造半導體設備的方法，其特征在于包括制備其中形成至少一個種晶的非單晶半導體層；通過用能量射線照射到具有種晶形成在其中的非單晶半導體層而使結晶晶體增長區(qū)域在非單晶半導體層中從種晶橫向增長，在照射表面上能量射線的照射強度具有最大值的區(qū)域連續(xù)減小到具有最小值的區(qū)域上，同時將照射強度具有最小值的區(qū)域定位到種晶上；以及在晶體增長區(qū)域中形成至少一個溝道部分，半導體設備的載流子通過該溝道部分遷移。
22.一種制造半導體設備的方法，其特征在于包括制備其中形成至少一個種晶的非單晶半導體層；通過用能量射線照射其中形成有種晶的非單晶半導體層而使在非單晶半導體層中結晶晶體增長區(qū)域從種晶橫向增長，其中在照射表面上能量射線的照射強度具有最大值的區(qū)域連續(xù)減小到具有最小值的區(qū)域上，同時將照射強度具有最小值的區(qū)域定位到所述種晶上；以及在晶體增長區(qū)域內(nèi)形成CMOS晶體管的n溝道部分和p溝道部分。
23.一種用于形成結晶半導體層的裝置，其特征在于包括移動臺，其支撐事先在其中形成至少一個種晶的非單晶半導體層；能量射線源，其向非單晶半導體層發(fā)射能量射線；移相器，其設置在該移動臺和能量射線源之間，并使從能量射線源發(fā)射的能量射線具有一種光強分布，在該光強分布中能量射線的照射強度具有最大值的區(qū)域連續(xù)減小到具有最小值的區(qū)域；以及用于通過移動該移動臺而將移相器的能量射線照射強度具有最小值的區(qū)域定位到種晶上的裝置，其中非單晶半導體層用具有所述光強分布的能量射線進行照射，從而晶體從種晶橫向增長。
24.一種具有控制電路的顯示裝置的制造方法，其中控制電路對顯示部分進行顯示控制，其特征在于包括至少在基底上的控制電路形成區(qū)域中形成非單晶半導體層；在非單晶半導體層中形成至少一個種晶；通過用能量射線照射而使非單晶半導體層結晶，該能量射線具有這樣的結構，能量射線的照射強度具有最大值的區(qū)域連續(xù)減小到該照射強度具有最小值的區(qū)域，同時將照射強度具有最小值的區(qū)域定位到種晶上；以及以至少溝道區(qū)形成在結晶區(qū)的方式形成控制電路。
全文摘要
一種形成結晶半導體層(15)的方法，包括制備其中至少形成一個種晶(13)的非單晶半導體層(14)，用能量射線照射該具有種晶(13)在其中形成的非單晶半導體層(14)，使得晶體在非單晶半導體層(14)中從種晶(13)橫向增長，通過將具有最小能量射線強度值的區(qū)域定位到種晶(13)的至少一部分而進行能量射線的照射，該能量射線具有這樣的結構，在照射表面上具有最大能量射線強度值的區(qū)域連續(xù)減小到具有最小強度值的區(qū)域上。
文檔編號H01L21/20GK1574216SQ20041005520
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月3日 優(yōu)先權日2003年6月3日
發(fā)明者山元良高, 西谷干彥, 平松雅人, 十文字正之, 木村嘉伸 申請人:株式會社液晶先端技術開發(fā)中心