[发明专利]包括半导体薄膜的半导体器件、该薄膜的结晶方法及装置

说明书

本申请为分案申请，其原申请是于2005年8月9日向中国专利局提交的专利申请，申请号为200510091162.1，发明名称为“包括半导体薄膜的半导体器件、该薄膜的结晶方法及装置”。

发明背景

本发明涉及半导体薄膜的结晶方法、具有结晶半导体薄膜的衬底、用于半导体薄膜的结晶装置、在该结晶装置中使用的光调制元件、在结晶薄膜中形成的半导体器件、以及薄膜半导体器件的制造方法，它们都适用于电子装置例如有源矩阵平板显示器。具体而言，本发明涉及在非晶或者多晶半导体薄膜中形成大晶粒尺寸的再结晶区域的情况下、形成用于对准的对准标记的技术。

半导体膜形成技术是用于在绝缘衬底上形成半导体器件例如薄膜晶体管(TFT)、接触型传感器或者光电转换器件的重要技术。通常情况下，具有MIS结构特别是具有MOS结构的场效应晶体管用作薄膜晶体管。

例如，作为平板显示器的一个例子的液晶显示器具有这种一般特性，即尺寸薄而重量轻、功耗低并且容易实现彩色显示。由于这些特征，液晶显示器被广泛地用作个人电脑及其他各种移动信息终端的显示器。在液晶显示器是有源矩阵型时，薄膜晶体管用作像素的开关器件，并且用作构成像素驱动电路的器件。

很多情况下，薄膜晶体管的有源层，即载流子移动层是由硅半导体薄膜形成。在通常情况下，硅半导体薄膜通过例如CVD或者溅射形成在绝缘衬底上。根据例如成膜温度和成膜速率这些条件，该硅半导体薄膜在绝缘衬底上形成为非晶硅或者多晶硅，该多晶硅包括由晶粒边界分开的许多晶粒。

和结晶硅相比，非晶硅的载流子迁移率低一或两个数量级。因此，通常，通过高温热处理使一次形成的非晶硅膜结晶，并且使用该结晶硅。

通过结晶形成的多晶硅的载流子迁移率比非晶硅的载流子迁移率高大约10倍到100倍。这种特征对于将形成用于例如液晶显示器的开关器件的半导体膜材料来说非常好。在这种情况下，最近提出一种结晶方法，其中，为了提高电子或者空穴的迁移率并减小沟道区内晶粒边界的不均匀性，生成大晶粒尺寸的结晶硅。

近年来，其中多晶硅用作有源层的薄膜晶体管的应用已经有了蓬勃的发展。由于其执行高速操作的能力，利用结晶硅的薄膜晶体管作为构成逻辑电路例如多米诺逻辑门和CMOS传输门的开关器件已经引起了特别的关注。这些逻辑电路已经被用于例如液晶显示器或者电致发光(EL)显示器的驱动电路、多路复用器、EPROM、EEPROM、CCD和RAM。

现在将说明形成包括多晶硅区域的硅薄膜的典型现有技术工艺。在这种工艺中，首先制备例如由玻璃形成的绝缘衬底。然后，例如在该绝缘衬底表面上形成SiO₂膜作为底层(undercoat layer)或者缓冲层。随后，通过例如CVD在该底层上形成大约50nm厚的非晶硅膜。为了降低非晶硅膜中的氢浓度，对该非晶硅膜进行脱氢处理。该非晶硅膜通过例如准分子激光结晶法来结晶。具体而言，将准分子激光束施加到该非晶硅膜。因此，该非晶硅熔化并再结晶成多晶硅。

目前，由这样获得的多晶硅形成的硅薄膜被用作n沟道或者p沟道薄膜晶体管的有源层。在这种情况下，该薄膜晶体管的迁移率(电子或者空穴由电场引起的迁移率)在n沟道型晶体管时大约为100到150cm²/Vsec，而在p沟道型晶体管时为80cm²/Vsec。利用这种薄膜晶体管，驱动电路例如信号线驱动电路和扫描线驱动电路可以形成在相同衬底上作为像素开关器件，并且因此可以制造集成驱动电路的显示器。这种整体的结构可以降低显示器的生产成本。

然而，利用通过现有技术方法结晶的多晶硅薄膜制造的薄膜晶体管的电学特性还没有高到可以应用于将数字视频数据转换成模拟视频数据的DC转换器，或者应用于处理数字视频数据的信号处理电路例如门阵列这种程度。为了将薄膜晶体管应用于例如DC转换器或者信号处理电路，认为必须有比上述薄膜晶体管高二到五倍的电流驱动性能。另外，还必须大约300cm²/Vsec的场效应迁移率。

为了实现显示器更高水平的功能和更高的附加值，必须进一步提高薄膜晶体管的电学特性。例如，在为了提供存储功能而给每个像素增加由薄膜晶体管组成的静态存储器时，需要这种薄膜晶体管的电学特性基本上等于利用单晶半导体的晶体管的电学特性。因此，必须提高半导体膜的特性。