專利名稱：半導體裝置、退火方法、退火裝置和顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在多晶膜(多晶半導體薄膜)的表層部分上制造場效應晶體管的技術、以及適用于由制造場效應晶體管用的多晶半導體薄膜基片和場效應晶體管組合而成的液晶顯示裝置和信息處理裝置等電子設備制造技術的半導體裝置，涉及制造該半導體裝置用的退火方法和退火裝置、以及采用該半導體裝置的顯示裝置。
背景技術：
液晶顯示器(LCD)的顯示方法有對各個像素進行開關的有源矩陣方式。在有源矩陣方式的像素開關中，主要采用場效應晶體管之一種的非晶硅薄膜晶體管(以下簡稱為a-SiTFT)。
在液晶顯示器的研究開發(fā)中，技術課題有(1)高精細化、(2)高開口率化、(3)輕量化、(4)低成本化。為解決這些課題，作為場效應晶體管的一種的多晶硅薄膜晶體管(以下簡稱為Poly-SiTFT)作為取代非晶硅薄膜晶體管(a-SiTFT)的產(chǎn)品深受關注。Poly-SiTFT，與a-SiTFT相比，載流子遷移率高2個數(shù)量級以上，所以能減小元件尺寸，并且也能形成集成電路，因此，液晶顯示器上也能安裝驅(qū)動電路和運算電路。
在這種Poly-SiTFT的制作中，利用受激準分子激光結晶法。受激準分子激光結晶法，例如在日經(jīng)マイクロデバイス增刊平板顯示器1999年(日經(jīng)BP公司1998年、132-139頁)中有詳細敘述。
現(xiàn)參照

圖1A～1D，詳細說明采用過去的受激準分子激光結晶法的Poly-SiTFT的制造方法。如圖1A所示，在玻璃基片5上依次淀積底層保護膜(例如SiO2膜、SiN膜和SiN/SiO2積層膜等)102和非晶硅薄膜103。然后，如圖1B所示，當利用光學系統(tǒng)把光束整形成為四方形狀或長方形狀的受激準分子激光(XeCl和KrF等)50照射到非晶硅薄膜103上時，非晶硅薄膜103在50～100毫微秒的短時間內(nèi)，經(jīng)過熔化、凝固過程，從非晶結構變換成多晶結構。用受激準分子激光50在箭頭105的方向上進行掃描，當非晶硅薄膜103進行局部急冷急熱時，如圖1C所示形成多晶硅薄膜106。
利用圖1C所示的多晶硅薄膜106來制作圖1D所示的薄膜晶體管。在多晶硅薄膜106的上部形成SiO2薄膜的柵絕緣膜107。進一步在多晶硅薄膜106的特定區(qū)內(nèi)分別摻入雜質(zhì)元素，這樣即形成源區(qū)109和漏區(qū)108。源區(qū)109和漏區(qū)108之間是溝道區(qū)106。在柵絕緣膜107上設置柵電極110，形成保護膜111，并且形成源電極112和漏電極113。這種Poly-SiTFT，當在柵電極110上加電壓時，能控制源區(qū)109和漏區(qū)108之間所流過的電流。
但是，一般像素部內(nèi)所用的TFT，在有源矩陣控制中為了保持電荷，不要求過高的遷移率，而是要求低截止電流。為了降低截止電流，放寬漏端的電場強度，所以必須增大TFT的溝道長度，但不能降低像素部的開口率。其結果，像素用TFT尺寸較大。
另一方面，被用于驅(qū)動電路和運算電路的TFT要求高速動作，所以要求高遷移率，截止電流沒有多大問題。因此，尤其溝道長度的微細化對高速化是有效的，所以必須縮短TFT的溝道長度。其結果，驅(qū)動電路和運算電路用TFT尺寸減小。
這樣，在像素用TFT和驅(qū)動電路/運算電路用TFT中要求的特性和尺寸完全不同。這些TFT希望全部在同一基片上同時(實質(zhì)上是在同一工序中)形成，否則將喪失把這些不同種類的TFT制作在液晶顯示器電路內(nèi)的經(jīng)濟性優(yōu)點。
但是，利用上述過去的激光退火法只能形成具有一定結晶性的Poly-SiTFT。因此，若用過去的方法在同一基片內(nèi)制作不同尺寸的TFT，則產(chǎn)生以下問題(1)和(2)。
(1)尺寸大的TFT，溝道區(qū)內(nèi)的晶粒界增多，所以，雖然閾值電壓偏差減小(截止電流降低)，但動作慢。
(2)尺寸小的TFT，溝道區(qū)內(nèi)的晶粒界減少，所以，動作快(高速動作)，但閾值電壓偏差增大(截止電流大)。
這樣，利用過去的方法，不能在同一基片內(nèi)同時制作要求尺寸和特性不同的全部多種TFT。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供這樣的半導體裝置、退火方法、退火裝置和顯示裝置，該裝置，能直接或間接地在同一基片上形成具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層，其結果，對尺寸不同的TFT，進行晶粒直徑的控制，使作為TFT激活層的溝道區(qū)內(nèi)的橫切電流方向上的平均晶粒界Na成為一定。
本發(fā)明的半導體裝置，其特征在于在同一基片上的半導體元件電路內(nèi)具有包括2種以上的平均晶粒直徑的半導體層。
本發(fā)明半導體裝置，其特征在于具有將在基片上直接或間接形成的半導體層作為溝道區(qū)的2種以上的場效應晶體管，在上述晶體管的柵長為L，且對流入上述晶體管內(nèi)的電流方向進行橫切的結晶粒界數(shù)的平均值為Na的情況下，Na/L的比在上述晶體管之間是±5％以內(nèi)的頻度分布。
所述的半導體裝置，其特征在于上述Na/L的比在上述晶體管之間為±2％以內(nèi)的頻度分布。
所述的半導體裝置，其特征在于在上述基片上進一步具有使上述晶體管動作的電路層。
本發(fā)明的退火方法，其特征在于具有以下工序預先設定有關激光強度及其分布的預定目標的工序、在激光光源和照射場之間準備光束截面調(diào)制部，而且，在上述照射場內(nèi)準備基片和光束截面測量部并使其可更換的工序、在上述照射場內(nèi)布置上述光束截面測量部、從上述光源射出激光、利用上述光束截面調(diào)制部調(diào)制上述激光的強度及其分布、并利用上述光束截面測量部來測量上述照射場的入射面內(nèi)的激光強度及其分布的工序、根據(jù)上述測量結果來調(diào)整上述光束截面調(diào)制部的參數(shù)，使上述測量結果與上述設定目標相一致的工序、把上述基片布置在上述照射場內(nèi)，使該基片的入射面位于上述照射場的入射面內(nèi)，并對上述基片和上述光束截面調(diào)制部進行位置對準的工序、以及當上述測量結果達到與上述設定目標相一致時，把經(jīng)過上述光束截面調(diào)制部進行了調(diào)制的激光照射到上述基片上的工序，通過反復進行上述位置對準工序和上述激光照射工序，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上的平均晶粒直徑的半導體層。
本發(fā)明的退火裝置，其特征在于，具有激光光源光束截面調(diào)制部，它設置在上述激光光源和照射場之間，用于調(diào)制激光的強度及其分布；光束截面測量部，用于測量上述照射場的入射面內(nèi)的激光強度及其分布；設定裝置，用于預先設定有關激光強度及其分布的預定目標；以及控制部，用于調(diào)節(jié)上述光束截面調(diào)制部的參數(shù)，以使上述光束截面測量部的測量結果與上述設定目標相一致。
所述的退火裝置，其特征在于把上述光束截面測量部布置在與上述基片相同的平面上。
所述的退火裝置，其特征在于上述光束截面調(diào)制部是包括作為空間強度調(diào)制光學元件的移相器在內(nèi)的成像光學系統(tǒng)。
本發(fā)明的退火方法，其特征在于當把激光照射到非單晶半導體層上進行退火時，把從預先存儲了上述激光的光束截面的存儲裝置中讀出的光束截面作為目標，設定退火用光束截面，從而進行退火。
所述的退火方法，其特征在于從預先存儲的存儲裝置中讀出的光束截面，是通過實驗而求出的最佳上述激光的激光斷面被存儲起來的光束截面。
所述的退火方法，其特征在于從預先存儲的存儲裝置中讀出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存儲到上述存儲裝置內(nèi)，并在下次的退火工序中從上述存儲裝置中讀出的光束截面。
所述的退火方法，其特征在于從預先存儲的存儲裝置中讀出的光束截面，在退火工序中在顯示畫面上顯示出上述激光的光束截面。
本發(fā)明的非單晶半導體薄膜的退火方法，其特征在于(a)在激光源和光束截面測量部之間插入空間強度調(diào)制光學元件，把上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，分別測量把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述光束截面測量部的入射面上時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(b)在具有非單晶半導體薄膜的基片和上述激光光源之間插入上述空間強度調(diào)制光學元件，把上述基片的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，分別測量已被證實通過該調(diào)制激光的照射而使上述半導體薄膜進行結晶從而進行橫向生長時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(c)分別把與上述工序(b)的測量結果相對應的上述工序(a)的測量結果設定為激光強度及其分布以及上述間隙d1的目標值，(d)分別控制激光強度及其分布以及上述間隙d1，以便達到上述設定目標值，在該控制條件下把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件進行調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通過反復進行上述工序(b)～(d)，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
所述的退火方法，其特征在于把上述工序(C)的設定目標值存儲起來，每次在基片上照射激光時把上述目標值調(diào)出，根據(jù)調(diào)出的上述目標值來進行上述工序(d)、(e)。
所述的退火方法，其特征在于上述工序(b)的激光強度及其分布以及間隙d1，其條件是上述非單晶半導體薄膜進行結晶，再穩(wěn)定地橫向生長晶體，而且生長的膜上不產(chǎn)生破壞。
所述的退火方法，其特征在于在上述工序(b)中，進一步測量基片的溫度，掌握該基片溫度和上述激光強度以及上述橫向生長的關系，根據(jù)該關系在上述工序(d)中對基片進行加熱。
本發(fā)明的退火裝置，其特征在于在把激光照射到非單晶半導體層上進行退火的裝置中，把從預先存儲了上述激光的光束截面的存儲裝置中讀出的光束截面作為目標來設定退火用光束截面，從而進行退火。
所述的退火裝置，其特征在于從上述預先存儲的存儲裝置中讀出的光束截面，是通過實驗求出的最佳上述激光束截面存儲起來的。
所述的退火裝置，其特征在于從上述預先進行存儲的存儲裝置中讀出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存儲到上述存儲裝置內(nèi)，在下次的退火工序中從上述存儲裝置中讀出的光束截面。
所述的退火裝置，其特征在于從上述預先進行存儲的存儲裝置中讀出的光束截面，在顯示畫面上被顯示出來。
所述的退火方法，其特征在于在上述工序(a)中，在上述光束截面測量部的入射面上設置螢光板，把該螢光板布置在實質(zhì)上與上述基片的入射面相同的平面上來進行測量。
所述的退火方法，其特征在于在上述工序(a)、(b)、(d)中，在上述空間強度調(diào)制光學元件上利用具有使激光折射用的臺階的移相器，該移相器被布置成使激光軸通過上述臺階的狀態(tài)。
本發(fā)明的退火裝置，用于對非單晶半導體薄膜進行退火，其特征在于，具有激光光源，載物臺，用于放置具有非單晶半導體薄膜的基片；空間強度調(diào)制光學元件，用于調(diào)制來自上述激光光源的激光；光束截面測量部，具有入射面，并測量該入射面內(nèi)的激光強度及其分布；該入射面的入射條件實質(zhì)上等同于從上述激光源通過上述空間強度調(diào)制光學元件射入到上述基片的入射面內(nèi)的條件，定位裝置，用于使上述載物臺上的基片或上述光束截面測量部和上述空間強度調(diào)制光學元件進行相對移動，把上述基片的入射面或上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下；以及控制裝置，其中，由上述空間強度調(diào)制光學元件進行調(diào)制后的調(diào)制激光進行照射使上述非單晶半導體薄膜進行結晶，從而進行橫向(側面)生長，當其已被證實時的激光強度及其分布，由上述光束截面測量部進行測量，并且對上述間隙d1進行測量，這些測量結果分別作為激光強度及其分布以及上述間隙d1的目標值而進行設定，使上述光束截面測量部所測出的強度和分布與上述目標值相一致，為此，對上述光束截面測量部和上述定位裝置的動作進行控制。
所述的退火裝置，其特征在于把上述光束截面測量部的入射面布置在與上述基片的入射面實質(zhì)上是相同的平面上來進行測量。
所述的退火裝置，其特征在于上述光束截面測量部具有一種螢光板，該板布置在與基片的入射面實質(zhì)上是相同的平面上，對被照射的激光的強度及分布進行測量。
所述的退火裝置，其特征在于在上述空間強度調(diào)制光學元件中利用具有使激光折射用的臺階的移相器，該移相器被布置成激光軸通過上述臺階的狀態(tài)。
本發(fā)明的薄膜晶體管，分別被形成在顯示裝置的像素和像素驅(qū)動用電路內(nèi)，其特征在于，該薄膜晶體管通過以下工序而被形成(a)在激光光源和光束截面測量部之間插入空間強度調(diào)制光學元件，并把上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，并分別測量把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述光束截面測量部的入射面上時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(b)在具有非晶半導體薄膜的基片和上述激光源之間插入上述空間強度調(diào)制光學元件，并把上述基片的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，并把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，分別測量在通過該調(diào)制激光的照射而使上述半導體薄膜進行結晶從而進行橫向生長已被證實時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(c)分別把與上述工序(b)的測量結果相對應的上述工序(a)的測量結果設定為激光強度及其分布以及上述間隙d1的目標值，(d)分別控制激光強度及其分布以及上述間隙d1，以便達到上述設定目標值，并在該控制條件下把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件進行調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通過反復進行上述工序(b)～(d)，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
本發(fā)明的顯示裝置，具有介由預定間隙互相接合的一對基片、被保持在該間隙內(nèi)的電氣光學物質(zhì)、被形成在一邊的基片上的對置電極，被形成在另一邊的基片上的像素電極、與該像素電極相導通的晶體性半導體薄膜、用于驅(qū)動像素的像素驅(qū)動電路、以及被形成在該像素驅(qū)動電路上的晶體性半導體薄膜，該顯示裝置的特征在于上述各晶體性半導體薄膜的形成方法如下(a)在激光源和光束截面測量部之間插入空間強度調(diào)制光學元件，把上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，分別測量把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述光束截面測量部的入射面上時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(b)在具有非單晶半導體薄膜的基片和上述激光光源之間插入上述空間強度調(diào)制光學元件，把上述基片的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，分別測量在通過該調(diào)制激光的照射而使上述半導體薄膜進行結晶從而進行橫向生長已被證實時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(c)分別把與上述工序(b)的測量結果相對應的上述工序(a)的測量結果設定為激光強度及其分布以及上述間隙d1的目標值，(d)分別控制激光強度及其分布以及上述間隙d1，以便達到上述設定目標值，并在該控制條件下把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件進行調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通過反復進行上述工序(b)～(d)，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
本發(fā)明的半導體裝置，其特征在于在同一基片上的半導體元件電路內(nèi)具有包括2種以上的平均晶粒直徑的半導體層。
本發(fā)明的半導體裝置，其特征在于具有將在基片上直接或間接形成的半導體層作為溝道區(qū)的2種以上的場效應晶體管，在上述晶體管的柵長為L，且對流入上述晶體管內(nèi)的電流方向進行橫切的結晶粒界數(shù)的平均值為Na的情況下，Na/L的比在上述晶體管之間是±5％以內(nèi)的頻度分布。
上述Na/L的比在上述晶體管之間為±2％以內(nèi)的頻度分布時效果更好。
再者，在上述基片上能具有使上述晶體管動作的電路層。
本發(fā)明的退火方法具有以下工序預先設定有關激光強度及其分布的預定目標的工序、在激光光源和照射場之間準備光束截面調(diào)制部，而且，在上述照射場內(nèi)準備基片和光束截面測量部并使其可更換的工序、在上述照射場內(nèi)布置上述光束截面測量部、從上述光源射出激光、利用上述光束截面調(diào)制部調(diào)制上述激光的強度及其分布、并利用上述光束截面測量部來測量上述照射場的入射面內(nèi)的激光強度及其分布的工序、根據(jù)上述測量結果來調(diào)整上述光束截面調(diào)制部的參數(shù)，使上述測量結果與上述設定目標相一致的工序、把上述基片布置在上述照射場內(nèi)，使該基片的入射面位于上述照射場的入射面內(nèi)，并對上述基片和上述光束截面調(diào)制部進行位置對準的工序、以及當上述測量結果達到與上述設定目標相一致時，把經(jīng)過上述光束截面調(diào)制部進行了調(diào)制的激光照射到上述基片上的工序，通過反復進行上述位置對準工序和上述激光照射工序，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上的平均晶粒直徑的半導體層。
本發(fā)明的退火裝置，其特征在于具有激光光源
光束截面調(diào)制部，它設置在上述激光光源和照射場之間，用于調(diào)制激光的強度及其分布；光束截面測量部，用于測量上述照射場的入射面內(nèi)的激光強度及其分布；設定裝置，用于預先設定有關激光強度及其分布的預定目標；以及控制部，用于調(diào)節(jié)上述光束截面調(diào)制部的參數(shù)，以使上述光束截面測量部的測量結果與上述設定目標相一致。
希望把上述光束截面測量部布置在與上述基片相同的平面上。上述光束截面調(diào)制部是包括作為空間強度調(diào)制光學元件的移相器在內(nèi)的成像光學系統(tǒng)。
涉及本發(fā)明的退火方法，其特征在于當把激光照射到非單晶半導體層上進行退火時，從預先存儲了上述激光的光束截面的存儲裝置中讀出的光束截面作為目標，設定退火用光束截面，進行退火。
涉及本發(fā)明的退火裝置，其特征在于在把激光照射到非單晶半導體層上進行退火的裝置中，從預先存儲了上述光束截面的存儲裝置中讀出的光束截面作為目標，設定退火用光束截面，進行退火。
涉及本發(fā)明的顯示裝置，具有通過預定間隙互相接合的一對基片、保持在該間隙內(nèi)的電氣光學物質(zhì)、形成在一邊的基片上的對置電極，形成在另一邊的基片上的像素電極、與該像素電極相導通的晶體性半導體薄膜、用于驅(qū)動像素的像素驅(qū)動電路、以及形成在該像素驅(qū)動電路上的晶體性半導體薄膜，該顯示裝置的特征在于上述各晶體性半導體薄膜的形成方法如下(a)在激光源和光束截面測量部之間插入空間強度調(diào)制光學元件，把上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，分別測量把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述光束截面測量部的入射面上時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(b)在具有非單晶半導體薄膜的基片和上述激光光源之間插入上述空間強度調(diào)制光學元件，把上述基片的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，分別測量已被證實通過該調(diào)制激光的照射而使上述半導體薄膜進行結晶從而進行橫向生長時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(c)分別把與上述工序(b)的測量結果相對應的上述工序(a)的測量結果設定為激光強度及其分布以及上述間隙d1的目標值，(d)分別控制激光強度及其分布以及上述間隙d1，以便達到上述設定目標值，在該控制條件下把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件進行調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)至少通過反復進行上述工序(b)～(d)，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
如上所述，通過反復進行激光的平均強度(激光束流)和分布(光束截面)的測量、間隙調(diào)整定位、激光照射，即可在同一基片上同時分別制作出TFT尺寸不同但在溝道區(qū)內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na為一定的結晶區(qū)。
而且，測量、位置對準、照射這三個動作不一定每次都反復進行。也可以最初進行全部測量，將其測量結果存儲(記錄)起來，根據(jù)需要將其調(diào)出，求出對準位置所必須的操作量，然后對每個結晶區(qū)并行地進行位置對準和照射。
并且，本發(fā)明涉及使移相器相對于基片接近預定位置，照射預定束流的激光的所謂接近曝光方式。但也可以將其和投影法(把移相器布置在離開基片的激光源一側的投影方式)組合使用。
在本說明書中，所謂“光束截面(ビ一ムフルエンス)”是指為了結晶而射入到非單晶半導體層內(nèi)的二維的光強度分布。而且，光束質(zhì)量測試儀(プロフアイラ)(光束截面)，為了標準化可以降低光束強度。
在本說明書中，所謂“激光注量(laser fluence)”是表示激光能量密度的尺度，是對每單位面積的能量進行時間積分的結果，具體來說，是在光源或照射區(qū)域內(nèi)測得的激光的平均強度。
在本說明書中，所謂“移相器(位相シフタ)”是指對激光這樣的光進行調(diào)制，形成其強度的空間性的分布的空間強度調(diào)制光學元件。在此，“移相器”是受激準分子激光結晶法中所用的空間強度調(diào)制光學元件的術語，是區(qū)別于半導體裝置制造的光刻工藝中曝光工序所用的“移相掩膜”的術語。
附圖的簡要說明圖1A～圖1C是說明過去的退火方法用的概要斷面圖，圖1D是表示過去的半導體裝置的概要斷面圖，圖2是表示本發(fā)明的退火裝置(投影型激光退火裝置)的一例的總體概要圖。
圖3是表示退火裝置的光學系統(tǒng)的立體圖。
圖4是表示圖2的退火裝置的光學系統(tǒng)的結構方框圖。
圖5是表示激光源的一例的方框電路圖。
圖6是表示基片載物臺的定位機構的結構方框圖。
圖7是表示移相器的定位機構的俯視圖。
圖8是表示移相器的定位機構的一部分的放大斷面圖。
圖9是表示本發(fā)明的退火方法的一例的流程圖。
圖10A是表示光束截面A的圖。
圖10B是表示由光束截面A的激光照射所形成的小粒徑晶體區(qū)的模式圖。
圖10C是表示光束截面B的圖。
圖10D是表示由光束截面B的激光照射所形成的大粒徑晶體區(qū)的模式圖。
圖11A是說明本發(fā)明的退火方法用的概要斷面圖，圖11B是表示本發(fā)明的半導體裝置的概要斷面圖。
圖12A是TFT的激活層上所設置的激光標記的模式圖。
圖12B是柵層間膜除去后的TFT的激活層上所設置激光標記的模式圖。
圖13是表示載物臺高度hz和每1μm的結晶粒界數(shù)(平均值Na)的關系的特性曲線圖。
圖14A是表示光束截面螢光面上的一元光束截面的掃描型電子顯微鏡照片圖像(SEM圖像)。
圖14B是一元光束截面特性曲線圖。
圖15A是二維光束截面的計算機模擬圖像，圖15B是表示光束截面螢光面上的二維光束質(zhì)量測試儀的SEM圖像。
圖16A是與結晶化有關的模擬結果和實際結果合并表示的光束截面特性曲線圖。
圖16B是表示激光照射區(qū)的非晶質(zhì)Si和結晶硅的SEM圖像。
圖17A是表示橫向生長/膜破壞和光束截面的關系的特性曲線圖。
圖17B是表示橫向生長過程中的Si薄膜的SEM圖像。
圖18A是表示光束截面的特性曲線圖。
圖18B是表示激光照射區(qū)的重復圖形的SEM圖像，圖18C是放大表示圖18B的SEM圖像的一部分的放大SEM圖像。
圖19是表示本發(fā)明的另一退火裝置(接近型激光退火裝置)的整體概要圖。
圖20是表示圖19的退火裝置的光學系統(tǒng)的結構方框圖。
圖21是表示間隙d1和每1μm的結晶粒界數(shù)(平均值Na)的關系的特性曲線圖。
圖22是表示顯示裝置的內(nèi)部透視立體圖。
發(fā)明的
具體實施例方式
以下參照附圖，詳細說明本發(fā)明的最佳實施方式。
第1實施方式如圖2所示，本實施方式激光結晶裝置10是在激光光源1側布置了衰減器2和光束截面調(diào)制部3的投影型激光退火裝置。在光束截面調(diào)制部3的下游側布置反射鏡4，使激光50照射到被布置在激光軸50a終端側的被處理基片5上。
在移動載物臺7上并排布置被處理基片5和光束圖形制作器6，借助于移動載物臺7使其分別在X方向、Y方向、Z方向的各個方向上移動，以使位置與光源側的光學系統(tǒng)對準。
移動載物臺7，例如圖6所示大致具有3個載物臺71、72、73。也就是說，在無圖示的直線導軌上支承X載物臺71并使其可移動，其上面支承Y載物臺72并使其可移動，再上面支承Z載物臺73并使其可移動，并且再上面支承被處理基片5。另外也可以增加使Z載物臺驅(qū)動機構73圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的θ旋轉(zhuǎn)載物臺(無圖示)。再者，移動載物臺7具有加熱器7a，能把被處理基片5加熱到預定溫度。
在Z載物臺73的主體上設置了左右一對滑動件74a、74b，并且其能沿著直線導軌(無圖示)被滑動導向。兩個滑動件74a、74b的對向面向上傾斜。在兩個滑動件74a、74b之間設置了升降臺76，其能沿著向上傾斜面被滑動導向。也就是說，升降臺76具有與兩個滑動件74a、74b的向上傾斜面相匹配的向下傾斜面，在該升降臺76上放置被處理基片5。
滑動件74a、74b的側部以分別旋轉(zhuǎn)自如的狀態(tài)與對應的滾珠絲杠75a、75b的一端相連結。滾珠絲杠75a、75b的另一端被連結在如步進馬達和伺服馬達那樣的高精度電動機所構成的升降驅(qū)動機構9的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動軸上。容量傳感器78被設置成能檢測升降臺76上面的高度位置的狀態(tài)。若高度位置檢測信號從傳感器78被傳送到控制器8內(nèi)，則控制器8對升降驅(qū)動機構9的動作進行控制，分別使?jié)L珠絲杠75a、75b進行旋轉(zhuǎn)，使升降臺76上升或下降，這樣，使升降臺76上的被處理基片5的位置與光源側的光學系統(tǒng)精密地對準。
如圖3所示，光束質(zhì)量測試儀(ビ一ムプロフアイラ)6的光學系統(tǒng)的位置調(diào)整到其光軸與激光光源側的光軸50a相一致。光束質(zhì)量測試儀6設置在對準機構80上。該對準機構80與上述移動載物臺7相同步，在XYZ各方向上被驅(qū)動。而且，也可以把對準機構80設置在移動載物臺7上。
對準機構80具有X載物臺81、Y載物臺82、Z載物臺83。X載物臺81由無圖示的直線導軌支承可進行移動，其上面對Y載物臺82進行支承并使其可移動，其上面對Z載物臺83進行支承并使其可移動，再上面對光束質(zhì)量測試儀6的支持臺66進行支承。設置無圖示的傳感器，用于檢測Z載物臺83上面的高度位置，根據(jù)該高度位置檢測信號由微機8來調(diào)整Z載物臺83的高度hz。
支持臺66具有光學波導管64。光學波導管64的一側從水平向上彎曲90°，形成垂直狀，在該彎曲部上安裝反射鏡62，另外在其前端安裝物鏡65。物鏡65被布置在接近透光性螢光板1b的背面處。光學波導管64的另一側與CCD攝相機63光學性連接。
這種光束質(zhì)量測試儀6在螢光板61上接受為紫外光的受激準分子激光50，將其變換成可見光，在CCD63上接收反射鏡62上反射的可見光，同時測量出激光強度和光束截面。
并且，為了控制衰減器2、光束截面調(diào)制部3、移動載物臺7、設置了微機8。在微機8的輸入側連接光束質(zhì)量測試儀，在輸出側分別連接衰減器2、光束截面調(diào)制部3、移動載物臺7的控制系統(tǒng)。CCD相機63向微機8發(fā)送攝像數(shù)據(jù)，由微機8對收到的攝像數(shù)據(jù)進行圖像處理。
激光光源1具有使波長248nm的KrF受激準分子激光進行振蕩的激光振蕩器。該激光振蕩器具有的輸出性能是沿光軸50a射出激光50，該激光的能量(注量)足以熔化被處理基片5上的非晶質(zhì)硅膜303。
衰減器2具有的功能是調(diào)節(jié)電介質(zhì)的多層膜涂敷濾波器的角度，從而對激光的強度(振幅)進行光學調(diào)制，它具有無圖示的傳感器、電動機和控制系統(tǒng)。而且，在本實施方式的裝置10中，從光源1射出的激光50通過衰減器2而調(diào)制成所需強度等級的注量，但激光源1本身也可以具有光束截面調(diào)整功能。也就是說，如圖5所示，在光源1中設置控制電路14、光傳感器15，光電變換器16、比較器17，利用傳感器15來檢測從激光振蕩器的真空容器11中射出的振蕩激光50，利用光電變換器16把光檢測信號變換成電信號S1，用比較器17對該信號S1和預定的閾值信號S2進行比較，根據(jù)其比較結果，由控制電路14來控制電源13，對激光振蕩器內(nèi)的兩電極12a、12b之間所加的電流進行反饋控制。若采用這種光源1，則能省略衰減器2。
光束截面調(diào)制部3具有調(diào)制激光空間強度分布的功能，它由移相器31和成像光學系統(tǒng)32構成。在本實施方式的裝置10中采用了把移相器31布置在離開基片5的激光源1一側的投影方式。
如圖4所示，成像光學系統(tǒng)32具有沿激光光軸50a從光源側依次排列的均化器32a、第1聚光鏡32b、第2聚光鏡32c、掩模32d、移相器31、遠心型縮小透鏡32e。
均化器32a具有對來自光源1的振蕩激光進行均勻化的功能。第1聚光鏡32b對來自均化器32a的均勻激光進行聚光，它被布置成與第2聚光鏡32c共軛關系。在第2聚光鏡32c的出射光路上設置了掩模32d。掩模32d遮擋非有效激光?？s小透鏡32e具有在1/1～1/20倍范圍內(nèi)縮小圖像的功能，布置成與被處理基片5上的絕緣性間隙膜305成共軛關系。
移相器31被布置在接近掩模32d處，對掩模32d的圖形開口面進行覆蓋。而且移相器31為了掩模32d的更換和光軸的對準位置，具有包括傳感器、執(zhí)行機構、控制系統(tǒng)在內(nèi)的對準機構。利用下述對準機構來精密地調(diào)整移相器31和掩模32d的相互間距離。
現(xiàn)參照圖7、8，詳細說明移相器31的對準機構。移相器31由支架90進行支承并能移動。如圖7所示，支架90具有同心布置，互相連結的外環(huán)91和內(nèi)環(huán)92。外環(huán)91由X驅(qū)動機構93和Y驅(qū)動機構94進行支承并能移動，分別在X方向和Y方向上進行微調(diào)整移動。
內(nèi)環(huán)92如圖8所示，具有固定移相器31用的多個止動器92a。移相器31被嵌入到內(nèi)環(huán)92中，其周緣由止動器92a進行卡止固定。內(nèi)環(huán)92由3個支點95a、95b、95c進行支承。這3個支點95a、95b、95c中，2個分別與氣缸96a的桿相連結(圖中為方便起見僅示出1個)?？刂破?根據(jù)從容量傳感器(無圖示)來的位置檢測信號來控制各氣缸桿的Z方向移動量，由此使移相器31對準到X-Y面上(移相器31的露出)。
這樣，移相器31的位置與成像光學系統(tǒng)32的其他零件精密對準。在本說明書中，所謂“移相器高度(間隙d)”是指移相器和掩模的相互間距離。
以下參照圖9，具體地說明利用本發(fā)明的退火裝置使非晶質(zhì)硅膜的特定區(qū)域進行結晶的情況。
首先，把衰減器的倍率調(diào)整到1/100倍(工序S1)。然后使光束質(zhì)量測試儀6進入，位于照射場內(nèi)(工序S2)，用對準機構7和80把光束質(zhì)量測試儀6的光軸粗調(diào)整到光源側的光軸50a上(工序S3)。之后，用對準機構7和80使光束質(zhì)量測試儀6的光軸精密地調(diào)整到光源側的光軸50a上(工序S4)。
再者，利用對準機構90把移相器31的位置對準到掩模32d上，把移相器31和掩模32d間的間隙d調(diào)整到希望值上。這樣來調(diào)整調(diào)制光學系統(tǒng)(工序S5)。
激光結晶工序，最初使移動載物臺7在面內(nèi)方向上移動，使激光光源1的光軸50a的前端在光束質(zhì)量測試儀6的螢光板61上定位，用激光照射，測量其強度和光束截面(工序S6)。這時，根據(jù)移相器31的形狀和與半導體基片5的距離、激光的強度分布、激光的角度分布等，設定所需的光束截面。成像光學系統(tǒng)32由透鏡等光學部件構成，把基片5保持在離開成像光學系統(tǒng)32的焦點位置的散焦位置上進行激光照射。根據(jù)這時的掩模圖形和散焦量來控制反峰值圖形的光束截面形狀和寬度。而且，反峰值圖像的寬度，與散焦量的1/2次方成比例進行放大。這樣測量光束截面(工序S6)。
對基片表面的任意點進行照射的光線群，包括通過光軸50a的中心光線而從被分割的光線中形成。某光線和中心光線形成的角，是取決于均化器32a的幾何形狀的、掩模32d中的該光線和中心光線所形成的角，乘上遠心型透鏡32e的倍率所得的值。
移相器31具有預定的臺階31a，在臺階31a處分割光線群內(nèi)分別獨立地產(chǎn)生菲涅耳衍射。這些衍射圖形在基片表面上進行重疊，所以在基片表面的光強度分布中，不僅移相器31的參數(shù)(間隙d、相位差θ)，而且射入到移相器31內(nèi)的光線群的擴展量(ε)和光線間的干涉性也復雜地相關。移相器31使沿光軸50a通過掩模32d的光50的相位交互地偏離0、π。
在光束截面測量后，使光束質(zhì)量測試儀6從照射場中退出(工序S7)，使基片載物臺進入照射場內(nèi)(工序S8)。用對準機構7和80粗調(diào)整基片5的入射面大體與光源側的光軸50a對準(工序S9)。然后，用對準機構7和80使基片5的入射面精密地調(diào)整對準到光源側的光軸50a上(工序S10)。這樣，若使基片位置對準光學系統(tǒng)32，則基片5被布置在縮小透鏡32e的成像位置上。
然后，調(diào)整衰減器2的角度，使測出的強度和光束截面與預先設定的目標相一致。也就是說，使衰減器的初始倍率(1/100倍)增大100倍，調(diào)整到與實像等倍率(1倍)(工序S1)。
接著，使移動載物臺7在面內(nèi)方向上移動，這次，使光軸50a的前端在半導體基片5的預定結晶區(qū)域內(nèi)定位，用預先設定的強度和光束截面的激光進行照射。也就是說，用圖10A所示的光束截面A的脈沖激光進行照射，對非晶質(zhì)硅膜303進行退火，形成圖10B所示的小晶粒r1(工序S12)。激光50首先在衰減器2內(nèi)調(diào)節(jié)電介質(zhì)的多層膜涂敷濾波器的角度，對光束截面進行光學調(diào)制。然后，利用由2組(分別為X方向和Y方向)的小透鏡對構成的均化器32a分割成發(fā)散光束。1次發(fā)射的脈沖持續(xù)時間為30毫微秒。被分割的光束的各中軸光線利用聚光鏡32b集中到掩模32d的中心上。并且，各光束僅少量地被形成為發(fā)散型，所以對掩模32d的整體進行照明。被分割的微小出射區(qū)出現(xiàn)的全部光線群分別照射掩模32d上的全部點，所以，即使激光出射面上的光強度有面內(nèi)搖擺，也能使掩模32d的光強度均勻。
通過掩模32d的各區(qū)的光線群的中心光線，即通過均化器32a的中心部分的一對透鏡32a、32b的發(fā)散光線群，利用掩模圖形附近的凸透鏡32c而變成平行光線，然后通過遠心型縮小透鏡32e，垂直照射到基片5上。
再者，用圖10C所示的光束截面的脈沖激光進行照射，對非晶質(zhì)硅膜303進行退火，形成圖10D所示的大晶粒r2(工序S12)。這樣，在硅膜中的預定選擇區(qū)內(nèi)生成大粒徑的晶粒r2。
移動載物臺7能在XY面內(nèi)按每個預定間隔步進式移動來改變位置，所以通過挪動照射區(qū)從而反復進行退火，能使大面積進行結晶(工序13)。并且，通過掩模32d的同一個部位的光線群聚集到基片面的一點上，也就是說能以均勻的光強度在基片面上制作掩模32d的縮小像。而且，XY表示水平面的X軸和Y軸，Z表示在與水平面相垂直的方向上延伸的軸。
而且，激光強度也可以用半導體功率計等分別進行測量。并且，也可以直接在CCD63上接收為紫外光的受激準分子激光。
螢光板61設置在與半導體基片5相同的平面上或者相平行的平面上。
在螢光板61設置在有臺階的平行平面上的情況下，使移動載物臺7上下移動，把螢光板61定位在與半導體基片5相同的高度上進行測量。
這樣能在與實際照射時相同的條件下測量基片面上的激光光束截面。
用CCD63所接受光的圖像輸入到微機8內(nèi)，用任意的掃描線進行切片，從圖像信號的強度分布中測量出激光強度和光束截面。
然后，對測出的強度和預先設定的目標強度進行比較，計算出操作量，向衰減器2輸出操作信號，一邊進行反饋，一邊調(diào)節(jié)衰減器2的角度，使測出的強度達到目標強度。
并且，對測出的光束截面和預先設定的目標光束截面進行比較，計算出操作量，向光束截面調(diào)制部3和移動載物臺7輸出操作信號，使測出的光束截面達到目標的光束截面，為此，一邊反饋，一邊調(diào)節(jié)移相器31的位置和移動載物臺7的高度。
判斷前面的照射區(qū)域是否是最后的(工序S14)。在工序S14的判斷結果是“否”的情況下，進行工序12的退火，在判斷結果是“是”的情況下，使基片載物臺返回到原來位置上，結束結晶處理。
反復進行以上的測量、定位、照射，在同一基片內(nèi)同時分別制作出TFT尺寸不同但在溝道區(qū)內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na為一定的結晶區(qū)。
測量、定位、照射，也可以是并非這樣地交互進行，而是最初進行所有的測量，求出定位所需的操作量，然后對每個結晶區(qū)平行地進行定位和照射。
實施例以下表示尺寸不同但特性相同的TFT-A(小尺寸TFT)和TFT-B(大尺寸TFT)的制作例，作為本發(fā)明的實施例。
首先準備基片，如圖11A所示，在絕緣體基片5(例如康寧1737玻璃，熔融石英、藍寶石、塑料、聚酰亞胺等)上，形成絕緣性的保護膜302(例如四乙基原硅酸鹽(TEOS)和用O2的等離子化學氣相生長法生成的、膜厚300nm的SiO2膜，或者SiN/SiO2積層膜、氧化鋁、云母等)，在該保護膜302上形成非晶質(zhì)半導體膜303(例如用等離子化學氣相生長法生長的、膜厚100nm的非晶質(zhì)Si層或非晶質(zhì)SiGe層等)。并且，在非晶質(zhì)半導體膜303上生成柵絕緣膜305(例如四乙基原硅酸鹽(TEOS)和用O2的等離子化學氣相生長法生長的、膜厚100nm的SiO2層)。成膜后，對這些薄膜302、303、305進行脫氫處理。例如在氮氣環(huán)境中進行600℃×1小時的加熱處理。
然后，用圖2裝置進行激光結晶。激光光源1，例如采用KrF受激準分子激光等脈沖振蕩的高能量激光。
從激光源1發(fā)出的激光，透過能對功率和光束截面進行調(diào)制的衰減器2和光束截面調(diào)制部3。其結果，使功率和光束截面被調(diào)制。然后，經(jīng)過反射鏡4等光學元件，到達移動載物臺7。在移動載物臺7上布置半導體基片5，激光結晶的方法是用被調(diào)制的激光來照射半導體基片5來進行的。在移動載物臺7上設置了能測量光束截面也能作為功率計使用的光束質(zhì)量測試儀6。該裝置與測量用的微機8相連動，對移動載物臺7的高度hz、功率以及能調(diào)制光束截面的光學系統(tǒng)的參數(shù)(例如衰減器2的角度和移相器31的位置等)進行設定，以取得最佳光束截面。
圖10A所示的光束截面A用于形成小徑晶粒區(qū)r1；圖10C所示的光束截面B用于形成大徑晶粒區(qū)r2。這些光束截面A、B由與上述測量用的微機8相連動的系統(tǒng)來進行條件設定。
利用光束截面A或光束截面B的激光50來照射非晶質(zhì)硅膜303，形成所需的晶粒直徑的多晶硅結晶膜。例如，在用光束截面A的激光照射選擇區(qū)r1的情況下，如圖10B所示，在該選擇區(qū)r1內(nèi)形成小粒徑的結晶。并且，例如在用光束截面B的激光照射選擇區(qū)r2的情況下，如圖10D所示在該選擇區(qū)r2內(nèi)形成大粒徑的結晶。這樣，能在同一基片上分別制作出不同尺寸的結晶區(qū)。
于是，獲得了圖11B所示的薄膜晶體管。
對在TFT溝道區(qū)內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na，進行評價如下。
從TFT的激活層的邊緣可以看出，如圖12A所示用激光標記Mb等在4個地方作標記。然后在鹽酸和氫氟酸等的酸溶液中除去圖11B所示的源電極312、漏電極313、柵電極309、層間絕緣膜314，使作為激活層的多晶硅層306露出來。然后，使TFT形成面接觸HF∶K2CrO3(0.15mol/l)＝2∶1的混合液30秒，即進行所謂干壁繪畫法腐蝕(Secco etching)，使晶粒界顯著。對腐蝕面進行水洗，干燥后用掃描型電子顯微鏡進行圖像觀察。而且，作為圖像觀察裝置也可以采用表面光潔度計和原子間力顯微鏡等。
在溝道區(qū)內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的計數(shù)，例如對源部分的2個地方的標記Mb和漏部分的2個地方的標記Mb分別進行10等分，分別決定平行的直線。對該直線和粒界相交叉的數(shù)進行平均而進行計算。
因為用光束截面來控制粒徑，所以在小粒徑結晶區(qū)內(nèi)存在的晶粒界比大粒徑結晶區(qū)稠密。
TFT-A的柵長La定為2μm；TFT-B的柵長Lb定為4μm；寬度W均定為2μm。
為了獲得具有同一性能的TFT，預先分別測量了圖10A所示的光束截面A和圖10C的所示的光束截面B。如圖13所示，在此情況下，根據(jù)載物臺高度hz和每1μm的結晶粒界數(shù)的關系數(shù)據(jù)，由hz值來決定希望的光束截面。
在此情況下，移相器的高度d＝0μm為一定，測量條件如下TFT-A1所需的光束截面A在hz＝30μm時激光強度為500mJ/cm2(條件1)TFT-B1所需的光束截面B在hz＝20μm時激光強度為700mJ/cm2(條件2)利用該條件1和條件2，在基片上的多個區(qū)內(nèi)照射圖10A、10C所示的光束截面A、B激光，使非晶質(zhì)硅膜進行結晶。
用這些方法制作的結晶區(qū)，分別按照與TFT-A1、TFT-B1相符合的尺寸制作布線圖案，進行以下工藝。
如圖11B所示，在柵絕緣膜上設置了柵電極309(例如高濃度磷摻雜多晶硅、W、TiW、WSi2、MOSi2)。對柵電極309進行掩蓋，進行離子注入，形成了源區(qū)311、漏區(qū)310。例如，離子注入，若是N型TFT，則按1015cm-2數(shù)量級注入P+，若是P型TFT，則按1015cm-2數(shù)量級注入BF2+。然后，在電爐內(nèi)以氮為載流氣體從500℃起在600℃下進行1小時的退火，進行雜質(zhì)的激活。并且，快速熱退火(RTA)中也可以在700℃下加熱1分鐘。最后形成層間絕緣膜314，形成接點孔，形成源電極312、漏電極313。源電極312和漏電極313的材料，例如采用Al、W、Al/TiN等的金屬。
評價試驗TFT的評價，在350mm×400mm的基片上引2條對角線，在交叉的中央位置以及中央位置和基片四角的中點共計5個點上進行評價。
在區(qū)域內(nèi)，TFT的寬度W為2μm的一定值，長度La為2μm的TFT-A1、長度Lb為4μm的TFT-B1按一定的圖形來形成。在5個點的各個位置上，當測量TFT特性時，得到TFT-A1和TFT-B1上具有相同的特性。
再者，為了調(diào)查溝道區(qū)內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na和柵長L的比Na/L，對測量了特性的TFT，為了弄清楚多晶硅層，把位置的標記Mb和上層部除去，在50μm×50μm的范圍內(nèi)用掃描型電子顯微鏡來分析評價。其結果，多個被測的TFT-A1和TFT-B1內(nèi)的溝道區(qū)306內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na和柵長L的比Na/L，均為±5％以內(nèi)的頻度分布(偏離中心值的次數(shù)的發(fā)生頻度；標準偏差)。
本發(fā)明制作的多個TFT的特性測量結果，TFT-A1和TFT-B1，盡管晶體管尺寸不同，但能獲得同一性能(電子遷移率250cm2.V/s)。
并且，在光束截面測量中，利用上述條件1和條件2，并且調(diào)整移相器31的高度d，檢測出最佳的d時，TFT-A1中d＝5μm為最佳；TFT-B1中，d＝1μm為最佳。
在這些條件下分別制作TFT-A1和TFT-B1，多個被測TFT-A1和TFT-B1內(nèi)的溝道區(qū)306內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na和柵長L的比Na/L，均為±2％以內(nèi)的頻度分布。制作的多個TFT的特性測量結果，TFT-A1和TFT-B1，盡管晶體管尺寸不同，但能獲得同一性能(電子遷移率250cm2.V/sec)。
以下說明用上述實施方式制作的薄膜晶體管實際適用于有源矩陣型液晶顯示裝置的例子。
圖22表示采用薄膜晶體管的有源矩陣型顯示裝置的一例、顯示裝置120，其板的結構包括一對絕緣基片121、122和保持在兩者之間的電氣光學物質(zhì)123。電氣光學物質(zhì)123廣泛采用液晶材料。在下側的絕緣基片121上用集成法形成了像素陣列部124和驅(qū)動電路部。驅(qū)動電路部被劃分為垂直驅(qū)動電路125和水平驅(qū)動電路126，這些驅(qū)動電路125、126分別具有按照本發(fā)明制作的TFT-1A(參見圖11B、圖10B)。
并且，在絕緣基片121的周圍部上端上形成了外部連接用的端子部127。端子部127通過布線128與垂直驅(qū)動電路125和水平驅(qū)動電路126相連接。在像素陣列部124上形成了行狀的柵布線129和列狀的信號布線130。在兩種布線的交叉部上，形成了像素電極131和對其進行驅(qū)動用的薄膜晶體管132。該薄膜晶體管132相當于按本發(fā)明制作的上述TFT-B1(參見圖11B、圖10D)，對像素電極131進行開關驅(qū)動。
像素用TFT132的柵電極309與對應的柵布線129相連接，漏區(qū)305與對應的像素電極131相連接，源區(qū)310與對應的信號布線130相連接。并且，柵布線129與垂直驅(qū)動電路125相連接，信號布線130與水平驅(qū)動電路126相連接。
驅(qū)動電路用TFT-A1，與過去的多晶硅TFT相比，閾值電壓偏差小，截止電流低。并且，TFT-A1的載流子遷移率達到與過去的多晶硅TFT相同的程度，開關動作速度快。
另一方面，像素用TFT132(TFT-B1)與過去的多晶硅TFT相比，載流子遷移率高，動作快。并且，TFT132(TFT-B1)，閾值電壓偏差達到和過去的多晶硅TFT相同程度，進行低截止電流動作。
第2實施方式以下說明本發(fā)明第2實施方式的接近型激光退火裝置及使用其的退火方法。
如圖19所示，激光退火裝置10A在激光源1的光軸50a的始端上布置了衰減器2和光束截面調(diào)制部3的均勻化光學系統(tǒng)32，經(jīng)過反射鏡4把保持半導體基片5的移動載物臺7布置在終端上。光束截面調(diào)制部3的移相器31布置在接近移動載物臺7上的半導體基片5的入射面的位置上。
并且，激光退火裝置10A與半導體基片5并排地設置了光束質(zhì)量測試儀6，把半導體基片5和光束質(zhì)量測試儀6一起固定在移動載物臺7上。
并且，設置了控制用的計算機8，在輸入側連接光束質(zhì)量測試儀6，在輸出側連接衰減器2、光束截面調(diào)制部3、移動載物臺7的控制系統(tǒng)C。作為控制裝置的計算機8分別控制衰減器2、光束截面調(diào)制部3、移動載物臺7的動作。
衰減器2具有的功能是調(diào)節(jié)電介質(zhì)的多層膜涂敷濾波器的角度，對激光的強度(光束截面)進行光學調(diào)制，它具有由計算機8來控制其動作的無圖示的傳感器、電動機和控制系統(tǒng)。在此，所謂“光束截面”是表示激光能量密度的尺度，是對每單位面積的能量進行時間積分的結果。
光束截面調(diào)制部3具有調(diào)制激光空間強度分布的功能，它由移相器31和均勻化光學系統(tǒng)32構成。
移相器31還具有用于掩膜圖形的更換和光軸方向定位的、無圖示的傳感器、執(zhí)行機構(アクチユエ一タ)和控制系統(tǒng)。
移相器31，例如按0和π交互地對通過掩模32d的光的相位進行錯開，在移相部內(nèi)產(chǎn)生光強度極小的反峰值圖形，利用該反峰值圖形在半導體基片5上例如對非晶質(zhì)半導體膜的最早凝固的區(qū)域(晶核)進行位置控制，從這里開始橫向生長晶體(橫向生長；沿膜面的二維生長)，這樣，把大粒徑的晶粒設置在指定位置上。這時利用移相器的形狀和與半導體基片5的距離、激光的角度分布等，設定希望的光束截面。
均勻化光學系統(tǒng)32由透鏡等光學零件構成，在偏離均勻化光學系統(tǒng)2的焦點位置的散焦位置上固定半導體基片5，用激光照射。
用這時的掩膜圖形和散焦量來控制反峰值圖形的形狀和寬度。
反峰值圖形的寬度W，與移相器31和半導體基片5之間的間隙d1的1/2次方成比例(W＝k·d1/2；k為系數(shù))進行放大。
光束質(zhì)量測試儀6在螢光板61上接受為紫外光的受激準分子激光，將其變換成可見光，在CCD63上接受反射鏡62反射的可見光，同時測量激光強度和光束截面。該測量系統(tǒng)的光強度能達到光束截面測量所需的強度即可。
激光強度也可以用半導體功率計(パワ一メ一タ)等分別進行測量。
并且，也可以直接在CCD63上接受為紫外光的受激準分子激光。
并且，螢光板61設置在與半導體基片5同一平面上或者平行平面上。在把螢光板61設置在具有臺階的平行平面上的情況下，使移動載物臺7上下移動，把螢光板61設在與半導體基片5相同的高度上進行測量。這樣能在與實際照射時相同的條件下測量基片面上的激光光束截面。
希望螢光板61處于在光學上與半導體基片5表面等效的位置上。這時，螢光板61具有在入射的激光軸方向上移動的機構，使其偏離量反映在移動載物臺7的上下量上。
用CCD63受光的圖像被輸入到微機8內(nèi)，用任意的掃描線進行切片，從圖像信號的強度分布中測量出激光強度和光束截面。
然后，對測出的強度和預先設定的目標強度進行比較，計算出操作量，向衰減器2輸出操作信號，一邊進行反饋，一邊調(diào)節(jié)衰減器2的角度，使得測出的強度達到目標強度。
并且，對測出的光束截面和預先設定的目標光束截面進行比較，計算出操作量，向光束截面調(diào)制部3和移動載物臺7輸出操作信號，使測出的光束截面達到目標的光束截面，為此一邊反饋，一邊調(diào)節(jié)移相器31的位置和移動載物臺7的高度。而且，在本實施方式中，說明了利用反饋控制方法來調(diào)節(jié)激光強度、激光分布、間隙d1的例子。但本發(fā)明并非僅限于這樣，可以在最初測量激光強度、激光分布、間隙d1的全部內(nèi)容，將其測量結果設定為目標值，存儲(記錄)起來，在需要激光照射時分別將其調(diào)出使用。這樣能實現(xiàn)重復性良好的激光照射，能穩(wěn)定地進行TFT溝道部的結晶。
移動載物臺7能在前后、左右、上下3維方向上移動，它具有面內(nèi)方向和光軸方向定位用的無圖示的傳感器、執(zhí)行機構和控制系統(tǒng)。
在此，所謂“預先設定的目標強度”是指通過下述證實試驗(參見圖14A～圖18C)已經(jīng)證實，使非晶質(zhì)半導體薄膜進行結晶，晶粒橫向生長，結晶的膜不會因熱收縮而被破壞的激光強度(激光注量)和分布(光束截面)。
參照圖20，詳細說明退火裝置的光學系統(tǒng)。
退火裝置10利用強度和光束截面被調(diào)制后的激光50來照射預先在基片5上依次淀積了底層保護膜302、非晶質(zhì)硅膜303、頂層膜305的試樣(參見圖11A)。結晶對象是非晶質(zhì)硅膜303。底層保護膜302和頂層膜305分別為SiO2絕緣膜。
從作為光源的KrF受激準分子激光裝置1射出波長248nm的長光束的激光50。激光50，首先在衰減器2內(nèi)對電介質(zhì)的多層膜涂敷濾波器的角度進行調(diào)節(jié)，對光束截面進行光學調(diào)制。然后，被2組(分別為x方向和y方向)的小透鏡對構成的均化器32a分割成發(fā)散光束。而且，1次發(fā)射的脈沖持續(xù)時間為30毫微秒。被分割的光束的各中軸光線通過聚光鏡32b(1號凸鏡)而聚集在掩膜32d的中心上。
并且，各光束極小量地形成發(fā)散型，所以，全面照亮掩模32d。被分割的微小出射區(qū)射出的全部光線群分別照射掩膜32d上的全部點，所以，即使激光射出面上的光強度有面內(nèi)搖擺，也能使掩模32d的光強度均勻。
通過掩模32d各區(qū)域的光線群的中心光線，即通過均化器32a的中心部分的透鏡對的發(fā)散光線群，通過掩模附近的凸透鏡32c而變成平行光線后，通過遠心型縮小透鏡32e，垂直地照射具有加熱器7a的移動載物臺7上放置的基片5。
移動載物臺7能在XYZ各方向上調(diào)整位置，所以通過挪動照射區(qū)反復進行退火，能將大面積進行結晶。并且，通過掩模32d的同一個部位的光線群聚集到基片面的一點上，也就是說能以均勻的光強度在基片面上制作掩模32d的縮小像。而且，XY表示水平面的X軸和Y軸，Z表示在與水平面相垂直的方向上延伸的軸。
對基片表面任意點進行照射的光線群，由包括通過光軸a的中心光線、被分割的光線而被形成。某光線和中心光線形成的角，是取決于均化器32a的幾何形狀的、掩膜32d中的該光線和中心光線所形成的角，乘上遠心型透鏡32e的倍率所得的值。
布置在離試樣500μm以內(nèi)的近處的移相器31，具有預定的臺階31a，在臺階31a處使分割光線群分別獨立地進行菲涅耳衍射。這些衍射圖形在基片表面上重疊，所以在基片表面的光強度分布上，不僅移相器31的參數(shù)(間隙d，相位差θ)，而且射入到移相器31內(nèi)的光線群的擴展量(ε)和光線間的干涉性，都是復雜相關的。
實施本發(fā)明的激光退火裝置憑借以上結構，激光結晶工序，最初使移動載物臺7在面內(nèi)方向上移動，從而使激光光源1的光軸50a的前端在光束質(zhì)量測試儀6的螢光板上定位，用激光照射，測量其強度和光束截面。
然后，分別對衰減器2的角度、移相器31的位置、移動載物臺7的高度進行位置對準，以便測出的強度和光束截面與預先設定的目標相一致。
然后，使移動載物臺7在面內(nèi)方向移動，這次把光軸a的前端定位到半導體基片5的預定結晶區(qū)內(nèi)，設定為間隙d1，用預先設定的強度和光束截面的激光進行照射。
反復進行以上的測量、定位、照射，在同一基片內(nèi)同時分別制作出TFT尺寸不同但在溝道區(qū)內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na為一定的結晶區(qū)。
測量、定位、照射，也可以是并非這樣地交互進行，而是最初進行所有的測量，求出定位所需的操作量，然后對每個結晶區(qū)平行地進行定位和照射。
證實試驗一邊參照圖14A～圖18C，一邊根據(jù)試樣表面上的光束截面的實測結果來弄清楚調(diào)制激光的特征，對其實測結果和模擬結果進行比較，同時對比研究實測結果和結晶膜的組織。并且也弄清了各種臨界光強度。
采用平行光時的單個移相器(光路差δ為180°)的一維的標準化菲涅耳衍射圖形示于圖14A內(nèi)。移相器和光束質(zhì)量測試儀的相互間距離(等同于移相器/基片間的間隙d1)定為110μm。圖14B是表示圖14A的衍射圖形的一維光束截面的特性曲線圖。圖中的特性曲線C(細線)表示計算機模擬的、一維光束截面，特性曲線D(粗線)表示在光束圖形制作器螢光板面上測出的一維光束截面。實測結果(特性曲線D)包括高次振動在內(nèi)，與理論結果(特性曲C)很一致。尤其最小強度幾乎為零，這表示受激準分子激光具有強的自干涉性。而且，希望光束質(zhì)量測試儀6的分辨率比欲制造的晶粒徑小一個數(shù)量級，在圖14A、14B的測量例中，為0.4μm的分辨率。
In-plane cross-coupled移相器的二維標準化菲涅耳衍射圖像示于圖15A和圖15B。間隙d定為30μm，相位差定為180°。圖中用粗線圍住的正方格子，一邊長為5μm。圖15A表示計算機模擬圖像；圖15B表示在光束質(zhì)量測試儀螢光板面上出現(xiàn)的激光注量的實像。在格子狀的主圖形(粗線)以外，也能看到內(nèi)部的微細二維圖形(細線)，已經(jīng)證實該光束質(zhì)量測試儀對2維圖形的評價也是有效的。
圖16A是表示在橫坐標上取離開激光軸50a的距離(μm)；在縱坐標上取標準化的激光強度指數(shù)(任意單位)，均化器產(chǎn)生的多光束形成的斷面的特性曲線圖。縱軸的標準化的強度指數(shù)是作為結晶大致目標的參數(shù)，若對其進行平均，則收斂到1.0。而且，在圖16A中，當強度指數(shù)為1.0時，相當于0.2J/cm2的激光注量，若對其乘上系數(shù)0.95，則可求出進行多晶化的臨界光強度的0.19J/cm2。
圖中，特性曲線E(細線)表示模擬結果；特性曲線F(粗線)表示實測結果。實測結果和模擬結果，除了有限個數(shù)的光束所引起的高空間頻率成分外，兩者的一致性良好。
圖16B是在低平均光強度條件下進行結晶的膜組織。試樣是在基片溫度500℃下是300nm厚的SiO2頂層膜/200nm厚的a-Si膜/1000nm厚的SiO2膜/Si結構。生成多晶的部位(亮的部分)是局部高光強度的部位，局部低光強度的部分(暗的部分)是未結晶的區(qū)域。暗的部分，在圖16A的特性區(qū)線E上與比0.19J/cm2所示的線(強度指數(shù)0.95)低的位置非常一致。產(chǎn)生的多晶化的臨界光強度約為0.19J/cm2，該值與均勻照射時相同。而且，從高平均光強度的實驗中已經(jīng)查明，橫向結晶的開始和膜不完全的臨界光強度分別為0.48J/cm2、0.90J/cm2。另外，也已查明，能用單發(fā)射來生長的距離約為7微米。
圖17A的特性曲線圖是在橫坐標上取離開激光軸a的距離(μm)；在縱坐標上取被標準化的激光強度指數(shù)(無單位)，就已結晶的Si是否橫向生長，并且，過大的收縮力是否會破壞橫向生長的結晶膜，來表示和激光注量的關系。圖中的特性曲線P是橫向生長的臨界線，在其上方區(qū)內(nèi)橫向生長Si晶體；在其下方區(qū)內(nèi)不橫向生長。特性曲線Q是膜破壞臨界線，在其上方區(qū)內(nèi)過大的收縮力會破壞Si晶體膜；在其下方區(qū)內(nèi)不會破壞Si晶體膜。對兩條特性曲線P、Q的指數(shù)乘上系數(shù)后的激光注量的換算值，分別約為0.5J/cm2和0.9J/cm2。特性曲線R是激光強度的光束截面。在特性曲線R位于被兩條特性曲線P、Q夾持的區(qū)內(nèi)時不會產(chǎn)生膜破壞，能穩(wěn)定地橫向生長。
圖17B是橫向生長過程中的Si薄膜的SEM圖像。離開激光軸50a的單側不足10μm的范圍內(nèi)出現(xiàn)橫向生長的S晶體。但是，離開激光軸50a為10μm以上的區(qū)內(nèi)，激光強度的偏差(バラツキ)大，出現(xiàn)膜破壞的組織(圖中點狀的白塊)。并且，激光軸50a附近區(qū)由于激光注量的強度不足而不進行結晶，仍保持非晶質(zhì)狀態(tài)。該區(qū)不進行橫向生長。
用上述實驗結果，求出了能用高充填率形成大晶粒(平均直徑5微米)的光學系統(tǒng)。得到的光強度分布和膜組織分別示于圖18A～圖18C。圖18A的縱坐標表示被標準化的激光強度(無單位)，是成為結晶大致目標的參數(shù)。若對其進行平均，則會收斂到1.0。圖中的特性曲線G表示模擬結果，特性曲線H表示光束質(zhì)量測試儀螢光板面上出現(xiàn)的截面實像的結果。而且，在圖18A中，若對縱坐標的指數(shù)的最小值0.6乘上平均激光注量0.70J/cm2，則求出橫向結晶的臨界光強度0.42J/cm2；若對指數(shù)的最大值1.3乘上系數(shù)0.70J/cm2，則求出發(fā)生膜破壞的臨界光強度0.91J/cm2。
圖18B表示激光照射(J＝0.70mJ/cm2)區(qū)內(nèi)的反復圖形的SEM圖像(0.24mm×0.24mm)；圖18C表示對圖18B的一部分進行放大后的SEM圖像(20μm×20μm)。已觀察到在離開激光軸50a單側5μm以內(nèi)穩(wěn)定地橫向生長Si晶粒。從此在照射區(qū)全面(0.24mm×0.24mm)內(nèi)能以高充填率均勻地形成5μm左右的大晶粒。
利用高分辨率光束質(zhì)量測試儀抽出了受激準分子激光的性質(zhì)。其結果，能設計試樣表面上光強度分布。再者，對各種臨界光強度進行評價，對其結果進行綜合，這樣設計了用高充填率生長大晶粒的光學系統(tǒng)。通過實驗確認了其的有效性。
在上述實施方式中說明了本發(fā)明的退火裝置、退火方法適用于結晶裝置的例子。但本發(fā)明也可以適用于雜質(zhì)注入后進行的退火工序等其他工序。
實施例以下表示尺寸不同但特性相同的TFT-A2(小尺寸TFT)和TFT-B2(大尺寸TFT)的制作例，作為本發(fā)明的實施例。
首先準備基片，如圖11A所示，在絕緣體基片5(例如康寧1737玻璃，熔融石英、藍寶石、塑料、聚酰亞胺等)的表面上，形成第1薄膜302(例如四乙基原硅酸鹽(TEOS)和由O2的等離子化學氣相生長法生成的、膜厚300nm的SiO2膜，或者SiN/SiO2積層膜、氧化鋁、云母等)，在第1薄膜302的表面上形成第2薄膜的非晶半導體膜303(例如用等離子化學氣相生長法生長的、膜厚100nm的非晶質(zhì)Si層或非晶質(zhì)SiGe等)。并且，其上以SiO2為柵絕緣膜，生成四乙基原硅酸鹽(TEOS)和由O2的等離子化學氣相生長法生長的、(例如膜厚100nm)的SiO2膜305。然后進行脫氫處理，(例如在氮氣環(huán)境中進行600℃×1小時的加熱處理)。
然后，用圖19的裝置進行激光結晶。激光光源1，例如采用KrF受激準分子激光等脈沖振蕩的高能量激光。
從激光光源1發(fā)出的激光，透過能對功率和光束截面進行調(diào)制的衰減器2和光束截面調(diào)制部3。其結果，使功率和光束截面被調(diào)制。然后，到達移動載物臺7。在移動載物臺7上布置半導體基片5，激光結晶的方法是用被調(diào)制的激光來照射半導體基片5。在移動載物臺7上設置了能測量光束截面也能作為功率計使用的光束質(zhì)量測試儀6。該裝置與測量用的微機8相連動，對移動載物臺7的高度hz、功率以及能調(diào)制光束截面的光學系統(tǒng)的參數(shù)(例如衰減器2的角度和移相器31的位置等、間隙d)進行設定，以取得最佳光束截面。
圖10A所示的光束截面A用于形成小粒徑晶體區(qū)r1；圖10C所示的光束截面B用于形成大粒徑晶體區(qū)r2。這些光束截面A、B由與上述測量用的微機8相連動的系統(tǒng)來進行條件設定。
利用光束截面A或光束截面B進行結晶的結果，形成所需的晶粒直徑的多晶硅。例如，在用光束截面A的激光進行結晶的情況下，如圖10B所示，在預定的選擇區(qū)內(nèi)形成小粒徑的結晶區(qū)r1。并且，例如在用光束截面B的激光照射進行結晶的情況下，如圖10D所示在預定的選擇區(qū)內(nèi)形成大粒徑的結晶區(qū)r2。這樣，能通過改變激光截面而分別制作出不同的結晶區(qū)。
對在TFT溝道區(qū)內(nèi)的橫截電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na，進行評價如下。
從TFT的激活層的邊緣可以看出，如圖12A所示用激光標記Mb等在4個地方作標記。然后用鹽酸和氫氟酸等的酸溶液除去圖11B所示的源電極312、漏電極313、柵電極319、層間絕緣膜314，使作為TFT激活層(溝道區(qū))的多晶硅層306露出來。然后，使用壁畫蝕刻液(HF∶KCrO＝2∶1的混合液)對溝道區(qū)306進行30秒的濕式腐蝕，使晶粒界顯著。對腐蝕面進行水洗，干燥后用掃描型電子顯微鏡進行圖像觀察。而且，圖像觀察裝置也可以采用表面光潔度計和原子間力顯微鏡等。
在溝道區(qū)306內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的計數(shù)，例如對源部分的2個地方的標記Mb和漏部分的2個地方的標記Mb分別進行10等分，分別決定平行的直線。對該直線和粒界相交叉的數(shù)進行平均而進行計算。因為用激光的光束截面來控制粒徑，所以在小粒徑結晶區(qū)r1內(nèi)存在的晶體粒界比大粒徑結晶區(qū)r2稠密。TFT-A2的柵長La定為2μm；TFT-B2的柵長Lb定為4μm；寬度W均定為2μm。為了獲得具有同一性能的TFT，預先分別測量了圖10A所示的光束截面A和圖10C的所示的光束截面B。
如圖21所示，在此情況下，根據(jù)載物臺高度Z和每1μm的結晶粒界數(shù)的關系數(shù)據(jù)，改變間隙d1，即可決定希望的光束截面。在本實施例中，TFT-A2所需的光束截面，在間隙d＝300μm時激光強度為0.55mJ/cm2。此外，TFT-B2所需的光束截面，在間隙d1＝100μm時激光強度為0.66mJ/cm2。
利用該條件，在基片上的多個區(qū)內(nèi)進行結晶。
制作的晶體通過圖10A、圖10C所示的光束截面A、B的激光照射而形成。
用這些方法制作的結晶區(qū)，分別按照與TFT-A2、TFT-B2相符合的尺寸進行圖形制作，進行以下工藝。
如圖11B所示，在柵絕緣膜上設置了柵電極309(例如高濃度磷摻雜多晶硅、W、TiW、WSi2、MOSi2)。對柵電極309進行掩蓋，進行離子注入，形成了源區(qū)311、漏區(qū)310。例如，離子注入，若是N型TFT，則按1015cm-2數(shù)量級注入P+，若是P型TFT，則按1015cm-2數(shù)量級注入BF2+。然后，在電爐內(nèi)以氮為載流氣體從500℃起在600℃下進行1小時的退火，進行雜質(zhì)的激活。并且，快速熱退火(RTA)也可以在700℃下加熱1分鐘。最后形成層間絕緣膜314，形成接點孔，形成源電極312、漏電極313。源電極312和漏電極313的材料，例如采用Al、W、Al/TiN等。
TFT的評價，在350mm×400mm基片上引2條對角線，在交叉的中央位置以及中央位置和基片四角的中點共計5個點上進行評價。
在區(qū)內(nèi)，TFT的寬度W為2μm的一定值，長度La為2μm的TFT-A2、長度Lb為4μm的TFT-B2按一定的圖形來形成。在5個點的各個位置上，當測量TFT特性時，TFT-A2和TFT-B2均獲得了同一特性。
再者，為了調(diào)查溝道區(qū)306內(nèi)的橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na和柵長L的比Na/L，對測了特性的TFT，為了弄清楚多晶硅層，把位置的標記和上層部除去，在50μm×50μm的范圍內(nèi)用掃描型電子顯微鏡來分析評價。其結果，多個被測TFT-A2和TFT-B2內(nèi)的各溝道區(qū)306內(nèi)在橫切電流方向上的結晶粒界數(shù)的平均值Na和柵長L的比Na/L，均為±5％以內(nèi)的頻度分布。
對本發(fā)明制作的多個TFT的特性進行了測量，其結果，雖然TFT-A2和TFT-B2的晶體管尺寸不同，但能獲得同一性能(電子遷移率250cm2.V/s)。
如表1所示，在本實施方式中，基片溫度為室溫時能穩(wěn)定地橫向生長Si晶體膜的激光注量為0.6～1.3(J/cm2)的范圍?；瑴囟葹?00℃時能穩(wěn)定地橫向生長Si晶體膜的激光注量為0.5～1.2(J/cm2)的范圍。另外，基片溫度為500℃時能穩(wěn)定地橫向生長Si晶體膜的激光注量為0.4～1.1(J/cm2)的范圍。
對這些結果加以綜合，即可看出，為了穩(wěn)定地橫向生長Si晶體膜，最好對光強度調(diào)制的峰值和最低值進行控制，使激光注量在0.6～0.9(J/cm2)的范圍內(nèi)。

若按照本發(fā)明，則對于具有任意性能的各種尺寸的TFT能在同一基片內(nèi)分別制作所需要的粒徑的晶體區(qū)。
并且，若采用本發(fā)明，則能穩(wěn)定地橫向生長Si晶體膜，而不會產(chǎn)生膜破壞，所以，能提供閾值電壓偏差小而且在高速動作性能上優(yōu)異的TFT。
而且，本發(fā)明不僅能用于使非晶質(zhì)半導體和非單晶半導體的薄膜組織進行結晶的受激準分子激光結晶法，而且也能用于使已摻入到半導體層中的雜質(zhì)激活的激光退火法。
權利要求
1.一種退火裝置，其特征在于，具有激光光源光束截面調(diào)制部，設置在上述激光光源和照射場之間，用于調(diào)制激光的強度及其分布；光束截面測量部，測量上述照射場的入射面內(nèi)的激光的強度及其分布；設定裝置，預先設定有關激光強度及其分布的預定目標；以及控制部，調(diào)節(jié)上述光束截面調(diào)制部的參數(shù)，以使上述光束截面測量部的測量結果與上述設定目標相一致。
2.如權利要求1所述的退火裝置，其特征在于把上述光束截面測量部布置在與上述基片相同的平面上。
3.如權利要求1所述的退火裝置，其特征在于上述光束截面調(diào)制部是包括作為空間強度調(diào)制光學元件的移相器在內(nèi)的成像光學系統(tǒng)。
4.一種退火方法，其特征在于當把激光照射到非單晶半導體層上進行退火時，把從預先存儲了上述激光的光束截面的存儲裝置中讀出的光束截面作為目標，設定退火用光束截面，從而進行退火。
5.如權利要求4所述的退火方法，其特征在于從預先存儲的上述存儲裝置中讀出的光束截面，是通過實驗求出最佳的上述激光的激光截面而被存儲起來的光束截面。
6.如權利要求4所述的退火方法，其特征在于從預先存儲的上述存儲裝置中讀出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存儲到上述存儲裝置內(nèi)，并在下次的退火工序中從上述存儲裝置中讀出的光束截面。
7.如權利要求4所述的退火方法，其特征在于從預先存儲的上述存儲裝置中讀出的光束截面，在退火工序中在顯示畫面上顯示出上述激光的光束截面的光束截面。
8.一種非單晶半導體薄膜的退火方法，其特征在于(a)在激光源和光束截面測量部之間插入空間強度調(diào)制光學元件，把上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，分別測量將由上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述光束截面測量部的入射面上時的激光強度及分布以及上述間隙d1，(b)在具有非單晶半導體薄膜的基片和上述激光光源之間插入上述空間強度調(diào)制光學元件，把上述基片的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，分別測量已被證實通過該調(diào)制激光的照射而使上述半導體薄膜進行結晶從而進行橫向生長時的激光強度及分布以及上述間隙d1，(c)分別把與上述工序(b)的測量結果相對應的上述工序(a)的測量結果設定為激光強度及分布以及上述間隙d1的目標值，(d)分別控制激光強度及分布以及上述間隙d1，以便達到上述設定目標值，在該控制條件下把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)通過至少反復進行上述工序(b)～(d)，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
9.一種薄膜晶體管，分別被形成在顯示裝置的像素和像素驅(qū)動用電路內(nèi)，其特征在于，該薄膜晶體管通過以下工序而被形成(a)在激光光源和光束截面測量部之間插入空間強度調(diào)制光學元件，并把上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，并分別測量把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述光束截面測量部的入射面上時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(b)在具有非晶半導體薄膜的基片和上述激光源之間插入上述空間強度調(diào)制光學元件，并把上述基片的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，并把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，分別測量在通過該調(diào)制激光的照射而使上述半導體薄膜進行結晶從而進行橫向生長已被證實時的激光強度及分布以及上述間隙d1，(c)分別把與上述工序(b)的測量結果相對應的上述工序(a)的測量結果設定為激光強度及分布以及上述間隙d1的目標值，(d)分別控制激光強度及分布以及上述間隙d1，以便達到上述設定目標值，并在該控制條件下把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件進行調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)通過至少反復進行上述工序(b)～(d)，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
10.一種顯示裝置，具有介由預定間隙互相接合的一對基片、被保持在該間隙內(nèi)的電氣光學物質(zhì)、被形成在一邊的基片上的對置電極，被形成在另一邊的基片上的像素電極、與該像素電極相導通的晶體性半導體薄膜、驅(qū)動像素的像素驅(qū)動電路、以及被形成在該像素驅(qū)動電路上的晶體性半導體薄膜，該顯示裝置的特征在于上述各晶體性半導體薄膜通過以下工序形成(a)在激光源和光束截面測量部之間插入空間強度調(diào)制光學元件，把上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，分別測量把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述光束截面測量部的入射面上時的激光強度及分布以及上述間隙d1，(b)在具有非單晶半導體薄膜的基片和上述激光光源之間插入上述空間強度調(diào)制光學元件，把上述基片的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下，把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，分別測量在通過該調(diào)制激光的照射而使上述半導體薄膜進行結晶從而進行橫向生長已被證實時的激光強度及其分布以及上述間隙d1，(c)分別把與上述工序(b)的測量結果相對應的上述工序(a)的測量結果設定為激光強度及分布以及上述間隙d1的目標值，(d)分別控制激光強度及分布以及上述間隙d1，以便達到上述設定目標值，并在該控制條件下把經(jīng)過上述空間強度調(diào)制光學元件進行調(diào)制后的激光照射到上述基片的入射面上，(e)通過至少反復進行上述工序(b)～(d)，在同一基片內(nèi)分別制作具有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
11.如權利要求8所述的退火方法，其特征在于把上述工序(c)的設定目標值存儲起來，每次在基片上照射激光時把上述目標值調(diào)出，根據(jù)調(diào)出的上述目標值來進行上述工序(d)、(e)。
12.如權利要8所述的退火方法，其特征在于上述工序(b)的激光強度及分布以及間隙d1所取的條件是上述非單晶半導體薄膜進行結晶，進而結晶穩(wěn)定地橫向生長，而且生長后的膜上不產(chǎn)生破壞。
13.如權利要求8所述的退火方法，其特征在于在上述工序(b)中，進一步測量基片的溫度，掌握該基片溫度和上述激光強度以及上述橫向生長的關系，根據(jù)該關系在上述工序(d)中對基片進行加熱。
14.一種退火裝置，把激光照射到非單晶半導體層上進行退火，其特征在于把從預先存儲了上述激光的光束截面的存儲裝置中讀出的光束截面作為目標來設定退火用光束截面，從而進行退火。
15.如權利要求14所述的退火裝置，其特征在于從預先存儲的上述存儲裝置中讀出的光束截面，是通過實驗求出最佳的上述激光束截面而被存儲起來的光束截面。
16.如權利要求14所述的退火裝置，其特征在于從預先存儲的上述存儲裝置中讀出的光束截面是把在上次退火工序中所使用的上述激光的光束截面存儲到上述存儲裝置內(nèi)，在下次的退火工序中從上述存儲裝置中讀出的光束截面。
17.如權利要求14所述的退火裝置，其特征在于在顯示畫面上顯示從預先存儲的上述存儲裝置中讀出的光束截面。
18.如權利要求8所述的退火方法，其特征在于在上述工序(a)中，在上述光束截面測量部的入射面上設置螢光板，把該螢光板布置在實質(zhì)上與上述基片的入射面相同的平面上來進行測量。
19.如權利要求8所述的退火方法，其特征在于在上述工序(a)、(b)、(d)中，在上述空間強度調(diào)制光學元件上利用具有使激光折射用的臺階的移相器，該移相器被布置成使激光軸通過上述臺階的狀態(tài)。
20.一種退火裝置，對非單晶半導體薄膜進行退火，其特征在于，具有激光光源，載物臺，放置具有非單晶半導體薄膜的基片；空間強度調(diào)制光學元件，調(diào)制來自上述激光光源的激光；光束截面測量部，具有入射面，并測量該入射面內(nèi)的激光強度及分布；該入射面的入射條件實質(zhì)上等同于從上述激光源通過上述空間強度調(diào)制光學元件射入到上述基片的入射面內(nèi)的條件，定位裝置，用于使上述載物臺上的基片或上述光束截面測量部和上述空間強度調(diào)制光學元件進行相對移動，把上述基片的入射面或上述光束截面測量部的入射面和上述空間強度調(diào)制光學元件之間的間隙d1調(diào)整到500μm以下；以及控制裝置，使上述光束截面測量部測量已證實了通過由上述空間強度調(diào)制光學元件調(diào)制后的調(diào)制激光的照射、使上述非單晶半導體薄膜進行結晶從而橫向生長的情況時的激光強度及分布，并且對上述間隙d1進行測量，這些測量結果分別作為激光強度及分布以及上述間隙d1的目標值而進行設定，使上述光束截面測量部所測出的強度和分布與上述目標值相一致，為此，對上述光束截面測量部和上述定位裝置的動作進行控制。
21.如權利要求20所述的退火裝置，其特征在于把上述光束截面測量部的入射面布置在與上述基片的入射面實質(zhì)上是相同的平面上來進行測量。
22.如權利要求20所述的退火裝置，其特征在于上述光束截面測量部具有螢光板，該螢光板被布置在與基片的入射面實質(zhì)上是相同的平面上，對被照射的激光的強度及分布進行測量。
23.如權利要求21所述的退火裝置，其特征在于在上述空間強度調(diào)制光學元件中利用具有使激光折射用的臺階的移相器，該移相器被布置成激光軸通過上述臺階的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導體裝置、退火方法、退火裝置和顯示裝置。本發(fā)明的半導體裝置具有在同一基片上的半導體裝置電路內(nèi)有2種以上平均晶粒直徑的半導體層。
文檔編號H01L29/04GK101071758SQ20071009703
公開日2007年11月14日 申請日期2003年9月25日 優(yōu)先權日2002年9月25日
發(fā)明者十文字正之, 松村正清, 木村嘉伸, 西谷干彥, 平松雅人, 谷口幸夫, 中野文樹, 小川裕之 申請人:株式會社液晶先端技術開發(fā)中心