[发明专利]成膜设备和形成结晶硅薄膜的方法

说明书

本发明是在日本专利申请10-17076的基础上作出的，该申请在此引用参考。

本发明涉及用于形成结晶硅薄膜的成膜设备，所述硅薄膜可作为例如用于液晶显示器的各个象素的TFT(薄膜晶体管)开关材料、集成电路、太阳能电池等，除了结晶薄膜以外，如有必要，该设备还可用于形成电绝缘薄膜(如硅化合物薄膜)。

本发明还涉及形成结晶硅薄膜的方法。

无定形硅薄膜已作为半导体薄膜用作TFT等，因为大面积的无定形硅薄膜能在低温下制得。但是，目前需要晶体粒径为200nm或更大，尤其是约300nm或更大的结晶硅薄膜，以改进晶体管特性和形成带有集成的驱动电路的器件。可使用数种方法形成结晶硅薄膜。例如，可用热CVD法形成该薄膜，在该方法中将基片(即在上面将形成或沉积薄膜的工件或物体)加热至600℃或更高的高温，并在常压或减压下通过热CVD形成薄膜。在另一种方法中，用PVD法(如将基片保持在约700℃或更高的温度下的真空沉积或阴极溅涂沉积)形成结晶硅薄膜。在另一个方法中，在相对低的温度下通过合适的CVD或PVD法形成无定形硅薄膜，随后后处理(在800℃或更高的温度下对无定形薄膜进行热处理，或者在约600℃的温度下对其进行约20小时或更长时间的热处理)进行结晶。另外，可使用对无定形硅薄膜进行激光退火的方法使之结晶。

在这些方法中，激光退火法(对无定形硅薄膜进行激光退火使之结晶)可在比其它方法更低的温度下制造结晶硅薄膜。因此，激光退火法加工的基片不限于石英这类具有高熔点的材料，该方法可用于例如相对价廉并具有低熔点的玻璃这类材料。此外，加工退火可在较短的时间内完成，从而改进了结晶硅薄膜的生产效率。

但是，形成无定形薄膜和进行激光退火常分别在不同的设备中进行，涂覆了薄膜的基片需迁入空气中以便将基片和薄膜置于激光辐照设备中。

在某些情况下，在形成无定形硅薄膜之前或之后形成电绝缘薄膜(如硅化合物薄膜)。该绝缘膜通常在另一个设备中形成。因此，难以使各层膜的边界或它们之间的界面保持清洁，因此难以得到良好的器件特性。另外，在这些设备之间传送基片并重复加热该基片需要长的时间，导致低的生产能力。

根据用激光束照射无定形硅薄膜的方法，该激光必须具有很高的能量密度，以便使结晶硅薄膜具有200nm或更大的实际需要的晶体粒径值，最好具有300nm或更大的晶体粒径值。因此，激光辐照设备必须具有高的功率。由此需要昂贵的设备，并且高发射功率的激光束变得不稳定，使得生产力下降。

由于无定形硅薄膜含有大量的混入其中的氢，如果不经处理，当用激光束辐照薄膜时，氢的膨胀(bumping)会影响薄膜的质量。因此，必须对形成于基片上的无定形硅薄膜进行热处理以除去氢，从而需要耗时的加工步骤。

在使无定形硅薄膜结晶而形成的结晶硅薄膜中存在许多悬空键。因此，为了获得良好的仪器特性，必须将该结晶硅薄膜置于氢等离子体中用氢填充这些悬空键，这也需要耗时的加工步骤。

在用激光束辐照使无定形硅薄膜结晶的方法中，如上所述该激光必须具有非常高的能量密度，以使制得的结晶硅薄膜具有实际允许的晶体粒径值。但是，真空沉积法、阴极溅涂沉积法和其它方法形成的无定形硅薄膜不具有足够高的与基片的粘性。因此，在激光退火过程中薄膜中会由于应力而容易产生局部脱层。

在用真空沉积、阴极溅涂沉积或其它方法形成无定形硅薄膜的情况下，用激光结晶法形成的晶体的粒径难以控制。因此，最终形成的产品薄膜会没有足够大的晶体粒径，或会具有过分大的晶体粒径，形成不规则的晶粒边界，使薄膜具有大的表面粗糙度。

因此，本发明的目的是提供一种成膜设备，它可形成用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，它具有良好的质量，高的生产率，并提供这种结晶硅薄膜的形成方法。

本发明的另一个目的是提供一种成膜设备，它可形成用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，它具有良好的在基片上的质量，具有良好的粘性，并提供这种结晶硅薄膜的形成方法。

本发明的另一个目的是提供一种成膜设备，它可形成用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，它具有良好的质量和预定的晶体粒径，并提供这种结晶硅薄膜的形成方法。

本发明的另一个目的是提供一种成膜设备，它可形成具有良好质量的用作TFT等的半导体薄膜的结晶硅薄膜，并可形成层叠在该结晶硅薄膜上的电绝缘薄膜(如硅化合物薄膜)，更具体地说，它能以良好生产率形成这两种薄膜，同时明显地减少这些薄膜界面的缺陷。