使用脈沖序列退火方法將薄膜固相再結晶的方法

專利名稱：使用脈沖序列退火方法將薄膜固相再結晶的方法
使用脈沖序列退火方法將薄膜固相再結晶的方法發明背景發明領域本發明的實施例一般涉及制造半導體器件的方法。更具體地說，本發明涉及熱處理基板的方法。相關技術的描述集成電路(IC)市場持續地需要更大的存儲容量、更快的切換速度以及更小的特征結構尺寸。工業上主要采用的步驟之一是將在大熔爐中批式處理硅晶片改成在小腔室中單一晶片處理以符合這些需求。在這種單一晶片處理期間，晶片通常被加熱至高溫使得可在限定于晶片中的多個IC器件中產生多種化學及物理反應。可相對于塊體半導體基板(諸如，硅晶片)和絕緣層上覆硅(SOI)基板中之一或二者來制造集成電路。形成SOI基板的一種方法包括在絕緣體上外延生長單晶硅。外延硅單晶晶片由于絕佳的特性而已被廣泛地使用來作為制造分立的半導體、雙極IC等的晶片。 外延硅單晶晶片由于絕佳的軟性誤差(soft error)和鎖定(latch up)特性，也廣泛地被使用在微處理器單元或閃存器件中。不幸地，外延生長的硅傾向形成結晶缺陷(諸如錯位和層疊缺失)，而可能在所得制造的器件中或器件之間導致不希望的漏電。此外，外延生長技術因為需要在基板與覆層之間具有緊密的晶格匹配而具有非常緩慢的生長速率，因而大大地減少了產量并造成較高的運作花費。因此，需要有一種可有效地在基板上形成高質量單晶層的改良方法。

發明內容
本發明實施例可提供使用一種使用一系列序列能量脈沖的電磁能量將薄膜固相再結晶的方法。明確地說，本發明實施例提供一種將沉積在基板上的層相轉變的方法，包含以下步驟在所述基板上沉積絕緣層；在所述絕緣層的期望區中形成一晶種區域，所述晶種區域具有呈第一相結構的第一材料；在所述晶種區域及所述絕緣層的至少一部分上沉積具有第二相的第一材料層；以及使用所述晶種區域作為晶種，朝向所述晶種區域的表面引導多個電磁能量脈沖維持一段足以再結晶及轉化所述第一材料層的時間，其中所述晶種區域的所述表面上沉積有所述第一材料層，以使所述第一材料層自所述第二相結構轉為所述第一相結構并具有如下方所述晶種區域的相同晶粒結構及晶體定向。本發明實施例也提供一種在基板上外延生長結晶層的方法，所述方法包含以下步驟在所述基板上沉積第一絕緣層；在所述第一絕緣層中形成第一晶種區域，所述第一晶種區域具有呈結晶態的第一材料；在所述第一晶種區域及所述第一絕緣層的至少一部分上沉積呈非晶態的第一材料的第一層；在第一材料的所述第一層上沉積第二絕緣層；在所述第二絕緣層中形成第二晶種區域，所述第二晶種區域具有呈結晶態的第一材料；在所述第二晶種區域及所述第二絕緣層的至少一部分上沉積呈非晶態的第一材料的第二層；使用所述第一晶種區域作為晶種，朝向所述第一晶種區域的表面引導多個第一電磁能量脈沖維持一段足以再結晶及轉化第一材料的所述第一層的時間，其中所述第一晶種區域的所述表面上沉積有第一材料的所述第一層，以使第一材料的所述第一層自非晶態轉為結晶態并具有如下方所述第一晶種區域的相同晶粒結構及晶體定向；以及使用所述第二晶種區域作為晶種，朝向所述第二晶種區域的表面引導具有不同于所述第一電磁能量的波長及脈沖數量的第二電磁能量維持一段足以再結晶及轉化第一材料的所述第二層的時間，其中所述第二晶種區域的所述表面上沉積有第一材料的所述第二層，以使第一材料的所述第二層自非晶態轉為結晶態并具有如下方所述第二晶種區域的相同晶粒結構及晶體定向。本發明實施例還提供一種在基板上外延生長單晶硅層的方法，所述方法包含以下步驟在所述基板的表面上沉積絕緣層；在所述絕緣層的期望區中形成過孔，其中使用單晶硅材料填充所述過孔；在所述過孔及所述絕緣層的至少一部分上沉積非晶硅層；以及使用在所述過孔中的所述單晶硅材料作為晶種，朝向所述過孔的表面引導多個電磁能量脈沖以外延再生長所述非晶硅層，其中所述非晶硅層位于所述過孔的所述表面上，使得所述非晶硅層再結晶以具有如下方所述單晶硅材料的相同晶粒結構及晶體定向。附圖簡要說明通過參照上述實施例與發明內容的說明，可詳細理解本發明的前述特征，其中部分實施例圖示于附圖中。然應注意的是，附圖僅說明了本發明的典型實施例，因而不應視為對本發明范圍的限制，亦即本發明可具有其他等效實施方式。圖IA圖示激光退火設備的示意等角圖，所述設備適于將能量投射在本文所述實施例的基板的界定區域上。圖IB圖示根據本發明實施例圖示于圖IA中的激光退火設備的示意圖。圖2A至圖2C圖示將自能量源傳遞至退火區域的能量脈沖調整為時間函數的多種實施例，以獲得改良的熱對比及退火工藝結果。圖3為圖示根據本發明的一個實施例的工藝的流程圖。圖4A至圖4G圖示基板在圖3中所示工藝的各個階段的示意截面圖。圖5為基板的俯視圖，圖示一或多個結晶晶種區域彼此間隔開來并遍布絕緣層， 所述絕緣層形成在非晶層下方。圖6為圖示根據本發明另一實施例的工藝的流程圖。圖7A至圖7L圖示基板在圖6中所示工藝的各個階段的示意截面圖。為了容易理解，已盡可能指定使用相同的元件符號來代表各圖中的相同元件。可預期一個實施例中的一些元件和特征結構可有益于結合在其他實施例中，而無需多加說明。具體描述本發明一般提供使用多個電磁能量脈沖將薄膜固相再結晶的方法。在一個實施例中，可使用本發明的方法通過將多個能量脈沖傳遞至非晶層所沉積的結晶晶種區域或層上來退火整個基板表面或基板表面的選定區域以再結晶所述非晶層，使所述非晶層具有如下方結晶晶種區域或層的相同晶粒結構或晶體定向。如后文所述，退火工藝一般包括以一系列的序列能量脈沖來傳遞足夠的能量以誘導非晶層的受控結晶，使用下方區域實質上純且有序(pure ordered)的晶體作為晶種，使得具有新排列的晶體或晶粒的單晶層遍及非晶層逐漸形成。
圖IA圖示本發明一個實施例的等角視圖，可用來實行本發明。在一個實施例中， 能量源20適于在基板10的限定區域或退火區域12上投射能量，以優先在退火區域12中退火某一期望區域。在一個實施例中，如圖IA中所示，基板中僅有一或多個限定區域(諸如退火區域1 在任何給定時間下暴露于來自能量源20的輻射。在本發明的一方面中，基板10的單一區域相繼暴露于自能量源20傳遞的期望量能量，以使基板的期望區域優先退火。在一個實例中，通過相對電磁輻射源的輸出來移動基板(例如，傳統X-Y平臺、精密平臺)及(或)相對基板平移輻射源的輸出，相繼暴露基板表面上的一個區域。一般而言，使用一或多個傳統電致動器17(例如，線性馬達、導螺桿及伺服馬達)來控制基板10的移動及位置，其中所述一或多個傳統電致動器可為單獨精密平臺的一部分(未示出)。可使用來支撐且定位基板10的傳統精密平臺以及熱交換裝置15可購自加州羅內特帕克市的Parker Hannifin公司。在另一實施例中，同時相繼暴露整個基板10的表面(例如，相繼暴露所有的退火區域12)。在圖示于圖IA的一方面中，退火區域12(及傳遞至退火區域的輻射)經調整尺寸以匹配裸片(die)13(例如，在圖IA中圖示40個“裸片”)或形成在基板表面上的半導體器件(例如，存儲器芯片)的尺寸。在一方面中，退火區域12的邊界經對準且經調整尺寸以貼合限定各裸片13的邊界的“刻痕”線或“刻劃”線10A。在一個實施例中，在執行退火工藝之前，使用通常出現在基板表面上的對準標記及其他傳統技術將基板對準至能量源 20的輸出，使得退火區域12可適當地對準至裸片13。相繼布置退火區域12使得所述退火區域12僅重疊在裸片13間的諸如刻劃線或刻痕線的固有的未使用間隙/邊界中，減少了基板上器件形成的區域中能量重疊的需要，且由此減小了重疊退火區域間的工藝結果的差異。因此，由于可將相繼布置的退火區域12間所傳遞能量的任何重疊減到最少，因改變基板關鍵區域暴露至能量源20傳遞的能量而產生的工藝差異量減到最小。在一個實例中， 各個相繼布置的退火區域12為尺寸約22mm乘約33mm的矩形區域(例如，面積7 平方毫米(mm2))。在一方面中，形成在基板表面上的各個相繼布置的退火區域12的面積介于約 4mm2(例如2mmX2mm)至約IOOOmm2 (例如，25_X40mm)之間。應理解退火區域12的尺寸可取決于工藝方案所需來調整。如下文所述，在一個實施例中，退火區域12的尺寸可經調整以匹配形成在絕緣層中或絕緣層正表面上的結晶晶種區域的尺寸。在一個實例中，退火區域12的尺寸可經調整以處理具有約30nm2至約60nm2之間的表面積的晶種區域。在一個實例中，晶種區域可包含許多遍布絕緣層或在絕緣層邊緣布置的晶種區域。應注意，退火區域12的邊緣的形狀可為不背離本發明如本文所述的范圍的任何形狀。一般而言，期望能將具有每單位時間均勻能量密度(例如，瓦/(平方毫米·秒)(W/ (mm2 · s))的能量脈沖傳遞至整個退火區域12，使得在退火區域12的所有部分的退火工藝是均勻的。舉例來說，期望能將具有小于約5%的均勻性的能量脈沖傳遞至整個退火區域 12，其中均勻性是根據將標準差除以平均值來測量。能量源20 —般適于傳遞電磁能量以優先退火基板表面特定的期望區域。電磁能量的典型來源包括(但不限于)光輻射源(例如激光或閃光燈)、電子束源、離子束源及 (或)微波能量源。在一方面中，將基板10暴露至激光的多個能量脈沖，其中所述激光在期望的一段時間內以一或多個適當波長發出輻射。在一方面中，調配(tailor)能量源20的多個能量脈沖，使得橫跨退火區域12傳遞的能量及(或)在脈沖時間內所傳遞的能量為最佳化，而不會熔化或幾乎不會熔化已沉積在基板表面上的區域或特定層(例如，在本發明實施例中的非晶硅層)，但傳遞足夠能量以促進非晶層410的外延再生長(自結晶晶種區域的表面逐漸生長)。因此，在退火區域下方的結晶晶種區域的大部分被激活且傳播通過所述非晶層，從而使沉積在結晶晶種區域上的非晶層再結晶。以此方式，各個脈沖完成微退火 (micro-anneal)循環，在靠近無序退火區域的底部處導致有序晶體的一些晶格面的外延生長。同時，來自能量源20的多個能量脈沖可受控調整，使得傳遞傳遞至整個退火區域12的能量能夠在非晶層中自一個晶格面或自小群晶格面中同時去除大量的損害。在一個實施例中，調諧能量源20的波長使得輻射的大部分被設置在基板10上的層所吸收。對于在含硅層上執行的退火工藝而言，例如，輻射的波長可小于約800nm，且可在深紫外線(UV)、紅外線(IR)或其他期望波長下傳遞。在一個實施例中，能量源20是強光源 (諸如激光)，適于以介于約500nm至約11微米之間的波長傳遞輻射。在另一實施例中，能量源20可為特征為多個輻射發射燈(諸如氙、氬或氪放電燈)的鎢絲鹵素燈或閃光燈。在此例子中，可使用快門來管理脈沖(將在下文討論)。在所有例子中，在退火工藝中使用的能量脈沖一般歷時相對短的時間，諸如約1納秒(ns)至約10毫秒(ms)的數量級。圖IB為圖IA中的設備的示意側視圖。功率源102耦接至能量源20。在一個實施例中，能量源20包含能量產生器104 (能量產生器104可為如以上所述的光源)和光學器件 108。能量產生器104經配置以產生能量并將所述能量引導至光學組件108中，所述光學組件108轉而依期望調整能量的形狀以便將能量傳遞至基板10。光學組件108 —般包含透鏡、 濾光器、鏡子等，可經配置以聚焦、極化、去極化、濾波或調整由能量產生器104產生的能量的相干性(coherency)，以傳遞均勻的能量柱至退火區域12。光學組件108的實例進一步詳細地揭露于2007年7月31所申請的美國專利申請號11/888，433(標題為“APPARATUS AND METHOD OF IMPORVING BEAN SHAPING AND BEAM H0M0GENIZATI0N”，所述專利申請的全文并入本文參考。為了傳遞能量脈沖，能量產生器104可含有脈沖激光，所述脈沖激光經配置而以單一波長或同時以兩個波長來發射光。在一個實施例中，能量產生器104可包含Nd:YAG激光，具有一或多個內部頻率轉換器以致使激光頭以不同激光頻率來發射光。或者，能量產生器104可經配置以同時發射三個或更多個波長，或進一步替代地或此外地以提供可調波長 (wavelength-tunable)輸出。在一個實例中，使用在能量產生器104中的激光頭是Q開關式Ο -switched)以發射短、強脈沖，其中脈沖歷時時間為(例如)1納秒至1秒的范圍。在一個實施例中，為了實現脈沖激光，設備可含有開關106。開關106可以為能在 ι微秒(ys)或更短時間內開啟或關閉的快速快門。或者，開關106可以為光學開關，諸如不透明晶體，當臨界強度的光照射到不透明晶體時，所述不透明晶體將在小于ι μ s的時間內變得透明。在一些實施例中，光學開關可經配置以在小于Ins內改變狀態。光學開關通過中斷朝向基板引導的電磁能量的連續射束來產生脈沖。通過控制器21來操作開關，且開關可設在能量產生器104的外側，諸如所述開關耦接至或緊固至能量產生器104的輸出區， 或開關可設在能量產生器104的內側。在替代實施例中，能量產生器可通過電子裝置來切換。控制器21可經配置以如需要切換功率源102的開關，或可提供電容器110使得所述電容器110可由功率源充電并通過控制器21的電路激發而放電至能量產生器104。借助電容器的電開關是一種自開關(self-switching)，因為電容器110提供的能量降低至特定的功率閥值時，能量產生器104將停止產生能量。當電容器110由功率源102充電時，隨后所述電容器110可放電至能量產生器104以產生另一能量脈沖。在一些實施例中，可配置電開關以在1納秒內切換功率開關。在一個實施例中，如

圖1所示，可期望在熱處理期間通過使基板10的表面與熱交換裝置15的基板支撐表面16熱接觸來控制基板的溫度。熱交換裝置15通常適于在退火工藝之前或退火工藝期間加熱及(或)冷卻基板。在此配置中，可使用熱交換裝置15(諸如可得自加州圣塔克拉拉應用材料公司的傳統基板加熱器)來改良基板退火區域的處理后的性質。一般而言，將基板10放置在處理腔室(未示出)(含有熱交換裝置15)的封閉處理環境(未示出)中。內部放有基板的處理環境在處理期間可被抽空或含有適合于所需工藝的氣體。例如，本發明實施例可使用在需要提供特定氣體至腔室的沉積工藝或注入工藝中。所述氣體可為反應性，諸如用于沉積工藝的前驅物，或非反應性，諸如通常使用在傳統熱處理中的惰性氣體。在一個實施例中，可在執行退火工藝之前預熱基板，使得漸增的退火能量的需求減到最少，這樣做可減少由于快速加熱或冷卻基板而引起的任何應力且也可使基板的退火區的缺陷密度減到最小。在圖IA所示的一方面中，熱交換裝置15含有電阻加熱元件15A 與溫度控制器15C，適于加熱設置在基板支撐表面16上的基板。溫度控制器15C聯通控制器21。在一方面中，期望預熱基板至介于約20°C至約750°C之間的溫度。在一方面中，其中基板是由含硅材料所形成，期望預熱基板至介于約20°C至約500°C之間的溫度。在另一實施例中，期望在處理期間冷卻基板以減少任何由于退火工藝期間添加能量至基板產生的內部擴散。在需要漸進熔化基板的工藝中，隨后的冷卻可增加再生長速度， 這可增加處理期間多個區域的非晶化。在一方面中，熱交換裝置15含有一或多個流體通道 15B及低溫冷卻器15D，適于冷卻設置在基板支撐表面16上的基板。在一方面中，傳統低溫冷卻器15D (與控制器21聯通)適于通過一或多個流體通道15B傳遞冷卻流體。在一方面中，期望冷卻基板至介于約-240°C至約20°C之間的溫度。控制器21 (圖1A)通常經設計以便于本文所述的熱處理技術的控制及自動化，且通常控制器21可包括中央處理單元(CPU)(未示出)、存儲器(未示出)、及支持電路(或 I/O)(未示出)。CPU可為使用在工業設備中用于控制各種工藝及硬件(例如，傳統電磁輻射檢測器、馬達、激光硬件)及監控工藝(例如，基板溫度、基板支撐件溫度、來自脈沖激光的能量、檢測器信號)的任何形式計算機處理器中的一種。存儲器(未示出)連接至CPU 且可為一或多個可讀存儲器，諸如隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、軟盤、硬盤或任何其他形式的本地或遠程數字儲存器。可在存儲器內編碼并存儲軟件指令和數據以指示 CPU。支持電路(未示出)也連接至CPU而以傳統方式支持處理器。支持電路可包括傳統緩存器、電源、時鐘電路、輸入/輸出電路、子系統等。可通過控制器讀取程序(或計算機指令)來判定在基板上可執行何種任務。較佳地，程序可由控制器的軟件讀取且包括編碼以監控和控制基板位置、在各個電磁脈沖中傳遞的能量、一或多個電磁脈沖的時序、各脈沖以時間為函數的強度和波長、基板多個區域的溫度及上述的組合。如上所述，能量源20 —般適于傳遞電磁能量以優先熔化基板10的特定期望區域。 電磁能量的典型來源可包括(但不限于)光學輻射源、電子束源、離子束源和(或)微波能量源。在本發明的一個實施例中，能量源20適于傳遞光學輻射(諸如激光)以選擇性將基板的期望區域加熱到熔點。在一方面中，基板10暴露至激光的能量脈沖，且所述激光以一或多個適當波長發出輻射，且所發出的輻射具有期望能量密度(W/cm2)和(或)脈沖歷時時間以增強特定期望區域的優先熔化。對于在含硅基板上實行的激光退火工藝而言，輻射的波長通常小于約800nm。在任一例子中，退火工藝通常發生在基板的給定區域上而歷時相對短的時間，諸如約1秒或更短的數量級。在退火工藝使用的期望波長和脈沖輪廓可鑒于基板的材料性質并根據激光工藝的光和熱模擬來決定。圖2A至圖2C圖示自能量源20傳遞至退火區域12 (圖1)的能量脈沖屬性的多種實施例，其中能量脈沖屬性經調整為時間的函數以獲得改良的熱對比及退火工藝結果。在一個實施例中，期望以時間的函數改變激光脈沖的形狀，及(或)改變傳遞能量的波長以增強欲熔化的基板區域的熱輸入，并使至其他區域的熱輸入減到最少。在一方面中，也可期望能改變傳遞至基板的能量。圖2A圖示呈梯形的電磁輻射脈沖(例如，脈沖201)。在此例子中，在脈沖201的兩個區段(例如202及204)中，傳遞的能量是以時間為函數改變。盡管圖2A圖示脈沖201 輪廓或形狀(其中能量相對于時間以線性方式改變)，由于以脈沖傳遞的能量的時間差異可(例如)具有二次、三次或四次塑形曲線，此圖并不意欲將本發明范圍限制于此。在另一方面中，以時間為函數呈脈沖傳遞的能量的輪廓或形狀可為二階、三階或指數形曲線。在另一實施例中，在處理期間使用具有不同形狀(例如，矩形和三角形調制脈沖，正弦和矩形調制脈沖、矩形、三角形和正弦調制脈沖等)的脈沖可以是有利的，以獲得期望的退火結果。在圖2A所示的實施例中，調整區段202的斜率、脈沖201的形狀、區段203的形狀、 在功率值的時間(例如，區段203位在能量值E1Kgg 204的斜率以及(或)區段204的形狀以控制退火工藝。應注意，由于考慮粒子和工藝結果差異，一般不希望使材料在退火區域內汽化。因此期望調整能量脈沖的形狀以快速地將退火區域的溫度提升至目標溫度而不使所述區域過熱并造成粒子汽化。在一個實施例中，如圖2C所示，可調整脈沖201的形狀使得所述脈沖201的形狀具有多個區段(例如，區段202、203A、203B、203C及204)而使用來快速將退火區域提升至目標溫度且隨后保持材料在所述溫度一段期望時間(例如、)，同時防止材料在退火區域內汽化。時間的長度、區段的形狀和各脈沖區段的歷時時間可隨尺寸、熔化深度以及退火區域中含有的材料改變而改變。在一個實施例中，在不同的時間點將兩個或更多個電磁輻射脈沖傳遞至基板的區域，使得基板表面上的區域的溫度可輕易地受到控制。圖2B圖示兩個脈沖201A及201B的圖形，兩個脈沖201A及201B間隔一段時間或周期(t)來傳遞，以選擇性加熱基板表面上的特定區域。在此配置中，通過調整相繼脈沖間的周期，可輕易地控制基板表面上的區域所達到的尖峰溫度。例如，通過減少脈沖間的周期(t)或頻率，傳遞第二脈沖201B之前在第一脈沖201A中傳遞的熱量將有較少時間得以分散，這樣將造成在基板中達到的尖峰溫度高于當增加脈沖間的周期時所達到的溫度。通過以此方式調整周期，可輕易地控制能量及溫度。在一方面中，可期望確保各脈沖自身不具有足夠能量使基板達到目標溫度，但多個脈沖的結合使退火區域12達到目標溫度。相對于傳遞單一能量脈沖，這種傳遞多個脈沖(諸如， 兩個或更多個脈沖)的工藝將傾向減少基板材料所經受的熱沖擊。熱沖擊可導致基板損害及產生粒子，粒子的產生將于后續在基板上施行的處理步驟中產生缺陷。圖3為圖示根據本發明一個實施例的工藝300的流程圖。圖4A至圖4G圖示基板在圖3所示的工藝300的各個階段的示意截面圖。在步驟302，如圖4A所示，絕緣層402形成在基板400的正表面404上。基板可具有或不具有如晶體管之類的半導體器件設置于所述基板中。在一個實施例中，絕緣層402為介電層，諸如氧化物或氮化物。在一個實例中， 絕緣層為形成在含硅基板的正表面上的氧化硅層。可使用傳統熱氧化工藝來形成絕緣層， 所述傳統熱氧化工藝為諸如熔爐退火工藝、快速熱氧化工藝、大氣壓或低壓CVD工藝、等離子體增強CVD工藝、PVD工藝、原子層沉積(ALD)、蒸發技術，或使用噴涂(sprayed-on)、旋涂(spin-on)、滾涂(roll-on)、網印或其他相似類型的沉積工藝。在一個實施例中，絕緣層為厚度介于約50 A至約3,000 A之間的氧化硅層。應理解上述絕緣層的討論并非意欲限制于本文所述的發明的范圍中。可基于處理方案的需要采用任何其他介電材料，所述介電材料為諸如二氧化硅、碳化硅(SiCx)、氧化鋁(AlOx)、氮化硅(SiNx)、氮氧化硅及(或)諸如 SiOxCy的摻雜碳的硅氧化物，例如可購自加州圣塔克拉拉應用材料公司的BLACKDIAMOND 低k介電材料或類似材料。一般而言，本文所使用的術語“基板”，代表可由具有一些自然導電能力的任何材料或經改性以提供導電性的材料形成的物體。典型的基板材料包括(但不限于)半導體 (例如硅(Si)和鍺(Ge))，以及其他展現半導體性質的化合物。這類半導體材料一般包括 III-V族化合物及II-VI族化合物。代表性的III-V族半導體化合物包括(但不限于)砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)及氮化鎵(GaN)。一般而言，術語“半導體基板”包括塊體半導體基板以及具有沉積層沉積于基板上的基板。為此，在某些半導體基板中通過本發明方法處理的沉積層是通過生長同質外延(例如，硅上硅)或異質外延(例如，硅上GaAs)所形成的。例如，本發明方法可使用異質外延方法形成的砷化鎵基板以及氮化鎵基板。相似地，也可應用本發明方法在絕緣基板(例如，絕緣層上覆硅“S0I”基板)上形成的相對薄的結晶硅層上形成集成器件，諸如薄膜晶體管(TFT)。雖然并未在圖中示出，應理解基板表面可含有特征結構，例如晶體管結、過孔、接觸件、接線、或任何其他互連切面(例如，垂直或水平互連)。本文所使用的“基板表面”代表任何執行膜沉積的基板表面。例如，基板表面可包括先前所述的絕緣層。在步驟304，在絕緣層402的期望位置中形成過孔或通孔(through hole)。在一個實施例中，如圖4B中所示，使用選擇材料去除工藝(例如濕蝕刻或干蝕刻型工藝)來選擇性蝕刻絕緣層402，直到開口 406達到期望厚度Cl1，暴露基板400上表面的一部分。在一個實施例中，開口 406的厚度Cl1介于約50埃(人)至約1，000埃(人)之間。在一個實施例中， 在絕緣層402上形成光刻膠圖案之后，可使用光刻膠圖案作為蝕刻掩模來形成開口 406。應理解，開口 406可延伸至下方的基板400中，或者開口 406的厚度小于如圖示(I1的厚度，而不會暴露基板400上表面的一部分，只要當待填充開口 406的結晶晶種材料(隨后將被沉積在后續的步驟中)自一系列的電磁輻射序列脈沖接收到足夠能量時便足以引發非晶層的再結晶。在步驟306，如圖4C中所示，在絕緣層402上和開口 406中沉積具有結晶基底材料的結構的結晶晶種層408。在一個實施例中，使用傳統沉積工藝來形成結晶晶種層408， 傳統沉積工藝諸如化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD、原子層沉積(ALD)或其他類似工藝。隨后，在步驟308，如圖4D中所示，使用化學機械研磨(CMP)來平坦化基板400的正表面404，從而獲得填充有結晶晶種材料的開口 406。或者，可通過選擇性外延生長工藝來形成結晶晶種層408，所述選擇性外延生長工藝諸如氣相外延工藝、液相外延工藝或分子束外延工藝等。在此情形中，結晶晶種層408 —般自基板經由開口 406暴露的表面生長以獲得實質上單晶、無缺陷層。在一個實施例中，結晶晶種層408具有實質上與絕緣層402的厚度(意即，(I1)相同的厚度。在任一種情況中，以實質相同于絕緣層402的厚度的結晶晶種材料來填充開口 406，產生結晶晶種區域408。結晶晶種區域408 —般充當為提供結晶源的晶種，當自電磁輻射的一系列序列脈沖接收到足夠能量時(如后文將討論的脈沖序列退火工藝)，自所述結晶源開始待沉積于所述結晶晶種區域408上的非晶層410的外延再生，并且非晶層410的外延再生向四面八方傳播，諸如橫向分散至遍及非晶層表面，從而在基板表面上形成呈結晶相的期望材料層。在一個實施例中，結晶晶種區域408為具有期望表面積的柱狀形式。在一個實施例中，結晶晶種區域408的表面積介于約30nm2至約60nm2之間。在一個實例中，結晶晶種區域408的表面積約50nm2。在另一實施例中，結晶晶種區域408的表面積介于約726mm2至約IOOOmm2之間。雖然在圖4C中絕緣層402內只有一個開口 406，但在一些實施例中，具有超過一個開口 406可以是有利的，開口 406具有結晶晶種材料填充所述開口 406中。在一個實施例中，一或多個結晶晶種區域408位于絕緣層402的邊緣區。在另一實施例中，一或多個結晶晶種區域408遍布絕緣層402表面間隔散布。圖5為基板400的俯視圖，圖示形成于非晶層410下方并遍布絕緣層402間隔散布的一或多個結晶晶種區域408。應理解，結晶晶種區域408的形式并非意欲限制為上述特定形式或形狀，當使用如上述的脈沖序列退火工藝處理時，只要結晶晶種區域408的排列有利于非晶層的固相再結晶的整體速度，所述非晶層將沉積在結晶晶種區域408及絕緣層402上。例如，結晶晶種區域408可為量子點形式、多個點的期望圖案或任何預定形狀。或者，結晶晶種材料可以位于絕緣層402上方的層的形式呈現。在此情況中，結晶晶種層可具有適合的厚度，介于約50埃(人)至約1，000 埃(Λ)之間，或者結晶晶種層可具有任何取決于處理方案所需的期望厚度。在一個實施例中，結晶晶種區域408可含有單晶硅。在另一實施例中，結晶晶種區域408可含有單晶鍺。或者，結晶晶種區域408可含有SixGei_x合金或其他可展現半導體性質的化合物。這類半導體化合物一般包括摻雜或未摻雜的III-V族化合物或II-VI族化合物。適當的IV族元素或化合物實例包括鍺、鍺化硅和碳化硅。適當的III-V族化合物實例包括銻化鎵、砷化鎵、氮化鎵、磷化鎵、銻化鋁、砷化鋁、氮化鋁、磷化鋁、銻化銦、砷化銦、 氮化銦、磷化銦及上述物質的三元或四元化合物。適當的II-VI族化合物實例包括硒化鋅、 硫化鋅、硒化鈣、硫化鈣及上述物質的三元或四元化合物。或者，在一個實施例中，結晶晶種區域408可含有II-VI族或III-V族的二元化合物、II-VI族或III-V族的三元化合物、 II-VI族或III-V族的四元化合物，或上述化合物的混合物或上述化合物的組合物。取決于應用所需，如后文所述，為了充當待形成在絕緣層402和結晶晶種層408上方的非晶層的磁性介質源，結晶晶種區域408可含有金屬、類金屬或磁性金屬，所述磁性金屬諸如鐵(Fe)、 鈷(Co)、鎳(Ni)和上述金屬的合金。在步驟310，非晶層410沉積在基板400的正表面404上，覆蓋結晶晶種區域408 及至少一部分的絕緣層402。在一方面中，如圖4E中所示，非晶層410遍布結晶晶種區域 408及絕緣層402的正表面沉積。在一個實施例中，非晶層410可含有一般與形成在結晶晶種區域408中的材料匹配的非晶材料。例如，當結晶晶種區域408含有鍺材料時，非晶層410可為非晶鍺層。或者，當結晶晶種區域408含有硅材料時，非晶層410可為非晶硅層。可使用傳統沉積工藝來形成非晶層410，所述傳統沉積工藝諸如化學氣相沉積 (CVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)或諸如熱線化學氣相沉積(HWCVD)或原子層沉積(ALD)的其他相似類型的沉積工藝。非晶層410可具有相對薄或任何期望的厚度。在一個實施例中，所形成的非晶層410具有介于約50埃(人)至約1，000埃(人)之間的厚度。在一個實例中，所形成的非晶層410具有約200埃(人)的厚度。在步驟312，將使用多個電磁輻射脈沖412或脈沖序列退火工藝的退火工藝傳遞至基板400的正表面404的區域，或一次傳遞至基板的整個正表面404。來自微退火激光脈沖序列的能量促進非晶層410的一些單層的外延再生，漸進地從單晶表面再結晶化非晶層 410。本文的脈沖序列退火工藝一般通過協同圖IA及圖IB所述的設備執行，允許多個相同的電磁輻射脈沖傳遞至基板，各脈沖完成單一微退火工藝而在期望深度中在1毫秒(ms)或更短時間內，加熱基板數個微米深或基板的數個原子層至亞熔化(submelt)溫度，諸如對硅基板加熱至約1300°C，且隨后允許所賦予能量在晶體晶格內完整地耗散，使得受影響的晶格層的溫度回到靠近受控預熱溫度的低溫。預熱溫度表示在傳遞第一脈沖之前維持基板的溫度，且預熱溫度可介于約400°C至約800°C之間。在各微退火循環中，沒有束縛于晶體晶格的原子被略微移出原子半徑。因為沒有自傳遞脈沖接收到足夠的能量，那些束縛于晶格的原子通常不會移動。在此方式中，各微退火循環將個別填隙原子移動至期望的晶格位置。當填隙原子填充晶格位置時，其他未安置的填隙原子經由基板擴散，直到在晶體晶格內找到期望位置。以此方式，可使用脈沖序列退火(Pulse Train Annealing，此后稱“PTA”) 來控制晶體晶格內的填隙原子的原子位置。因此，可使用PTA工藝在原子長度尺度下于半導體器件內控制原子的移動。在一個實施例中，使用多個電磁輻射脈沖412或脈沖序列退火的退火工藝傳遞至所形成的結晶晶種區域408的表面(意即，在結晶晶種區域408與非晶層410之間的界面) 維持一段期望時間，各脈沖經配置為在基板的至少一部分上執行微退火工藝，如上所述及圖4F所示。典型的電磁能量源包括(但不限于)光學輻射源、電子束源及(或)微波能量源。在一個實施例中，采取短暫脈沖(short-duration pulse)形式來發射能量，各脈沖歷時約1納秒(ns)至約1秒。在一個實施例中，脈沖歷時時間可介于約10納秒至約20 毫秒之間。在一個實施例中，各脈沖一般將以至少10毫瓦(mW)(諸如介于約IOmW至IOW 之間)的能量值傳遞約0. 2J/cm2至約lOOJ/cm2能量密度。在一個實施例中，例如，通過各脈沖傳遞的能量密度為約0. 5J/cm2。選擇用于脈沖的光波長以在基板的晶體晶格內致使原子移動最佳化，促進非晶層410的外延再生。在本發明的一些實施例中，能量脈沖是在紅外線光譜的波長范圍內傳遞。其他實施例使用的脈沖光是在UV光譜的范圍內或結合不同光譜的波長。用于脈沖的能量或光波長可取決于結晶晶種區域408的深度以及非晶層410的材料或厚度而改變。在一個實施例中，(例如)當非晶層410含有非晶硅時，光可具有能產生高于約1，410°C的溫度的能量，此后非晶硅可在這溫度熔化。如上所述，使用多個脈沖來促進非晶層410的外延再生。可使用數目自10至 100，000個的多個脈沖使原子在約單一晶格平面或約一個原子的距離至數個晶格平面或至數個原子距離的范圍內產生移動。在一個實施例中，可使用至少30個脈沖(諸如介于約30至約100，000個之間的脈沖)來退火及再結晶非晶層410。在另一實施例中，使用至少 50個脈沖(諸如介于約50至約100，000個之間的脈沖)來退火及再結晶非晶層410。在另一實施例中，使用至少70個脈沖(諸如介于約70至約100，000個之間的脈沖)來退火及再結晶非晶層410。在另一實施例中，使用至少100個脈沖諸如介于約100至約100，000 個之間的脈沖)來退火及再結晶非晶層410。在另一實施例中，使用至少介于約10，000至約70，000個之間的脈沖(例如約50，000個脈沖)來退火及再結晶非晶層410。如上所述， 各脈沖完成一個完整的微退火循環。在施加下一個脈沖之前，允許能量脈沖在基板內完全耗散而使移動停止。以此方式調整脈沖的數量可控制原子在非晶層的晶體晶格內的重新排列。不受限于理論，一般認為撞擊基板表面的各個脈沖將在晶體晶格內產生振動，所述振動穿過基板400傳播。如果脈沖間的時間間距短于耗散各個脈沖傳遞的熱所需的時間，那么熱會堆積在晶格中，且升高晶格的溫度。然而，如果所傳遞的脈沖間的時間間距太長，各脈沖的添加效應將無法致使基板中的溫度升高，且因此各脈沖的熱效應將會局限在晶體晶種區域408的區，或只在基板表面下方的區，例如高達約100埃或表面的更下方，取決于脈沖的歷時時間和強度。因此，加熱基板至低于基板熔點的溫度，但高到足以允許晶格原子重新排列以及非晶層的再生長。在一個實施例中，通過對基板表面傳遞介于約0. 2J/ cm2至約lOOJ/cm2之間的能量脈沖所帶給晶體晶格的振動能量，可在各脈沖結束之后在約 1微秒內以熱的形式耗散且輻射出去。應理解，本文所述在半導體基板上執行激光退火工藝所需的能量可非常的大。例如，在8納秒至10納秒(ns)的脈沖歷時時間下，自能量源傳遞的能量劑量可介于約1焦耳至約10焦耳之間，等同于在各脈沖內對退火區域傳遞介于約 100MW至約1，250MW之間的平均總功率。如果退火區域具有介于約4mm2至約IOOOmm2之間的面積，那么平均能量密度將介于約0. lMW/mm2至約313MW/mm2之間。雖然各脈沖較佳傳遞相等的能量，在一些實施例中，根據預定配方(recipe)改變傳遞脈沖的能量(例如，以期望的圖案斜升或下降)可以是有利的。應理解，可取決于結晶晶種區域及期望的移動量來調諧電磁輻射的強度和波長。 使用的能量波長范圍一般從微波(例如約3厘米)經由可見光至深紫外線(例如約150納米(nm))。可在激光應用中使用范圍自約300nm至約IOOOnm范圍的波長，諸如小于約SOOnm 的波長。由于激光退火工藝的效果取決于待被退火材料對能量源傳遞的能量的透射、吸收及反射，可調諧傳遞能量的波長(λ)或多個波長，使得所述波長可在基板中傳遞期望數量的能量至期望深度。因此，非晶層410越薄，穿透非晶層410所需的電磁輻射波長越短。以此方式，可以按照深度選擇方式使非晶層外延再生長。通過傳遞多個相同的電磁輻射脈沖，上述的脈沖序列退火工藝允許在非晶層410 內控制原子移動的原子能級，其中各脈沖執行完整的微退火循環。在步驟314，傳遞至結晶晶種區域408表面或由結晶晶種區域408吸收的電磁輻射的各個脈沖，在結晶晶種區域408 表面處或附近提供原子能量，自此開始非晶層410的外延再生，并且所述非晶層410的外延再生傳播至四面八方，諸如橫向遍布非晶層410的表面，使得非晶層410逐漸再結晶并具有如下方結晶晶種區域408的相同晶粒結構及晶體定向，如圖4G所示。雖然本文所述的晶種區域是結晶相，應理解本發明的概念也可應用至不同相的晶種區域，所述不同相諸如為多晶形。在以多晶形晶種材料填充開口 406的一個實施例中，當自一系列的電磁輻射序列脈沖接收足夠的能量時(例如，上述的PTA工藝)，多晶形晶種區域將提供結晶源，自此開始多晶形晶種的生長，并且所述多晶形晶種的生長傳播遍及沉積于所述多晶形晶種區域上的非晶層，從而在基板表面上以多晶相形成期望的材料層。圖6為根據本發明另一實施例圖示工藝600的流程圖。圖7A至圖7L圖示基板在圖6中所示的工藝600的各個階段的示意截面圖。由于描述于步驟602至步驟610的工藝步驟相似于上述協同步驟302至步驟310實行的工藝，個別的工藝步驟將不在此重新討論。在步驟612，第二絕緣層702形成在非晶層410上。第二絕緣層702可含有相似于絕緣層402的介電材料。在步驟612執行的沉積工藝及步驟一般相同于上述協同步驟302 所執行的工藝。第二絕緣層702可具有或不具有與絕緣層402相同的厚度，取決于處理方案所需。在步驟614，使用選擇材料去除工藝(所述選擇材料去除工藝一般相同于協同步驟304執行的工藝)來選擇性蝕刻第二絕緣層702，直到開口 706達到期望厚度d2，暴露出非晶層410的上表面的一部分，如圖7G所示。在一個實施例中，開口 706的厚度d2介于約 50埃(人)至約1，000埃(人)之間。應理解，開口 706可如圖示具有小于厚度d2的厚度，而不暴露出非晶層410上表面的一部分。在步驟616，如圖7H所示，在第二絕緣層702上和開口 706中沉積第二結晶晶種層 708 (所述第二結晶晶種層708具有結晶基底材料)。在步驟616所執行的第二結晶晶種層 708的形成一般相同于上述協同步驟306所執行的工藝。隨后，在步驟618，如圖71所示， 使用CMP或相似工藝來平坦化基板400的正表面404，使得獲得填充結晶晶種材料的開口 706。或者，可通過上述協同步驟306的選擇性外延生長工藝來形成第二結晶晶種層708。 在一個實施例中，第二結晶晶種層708(圖71)可具有實質上相同于第二絕緣層702的厚度 (意即，d2)的厚度。在任一種方式中，以實質上相同于第二絕緣層702的厚度的結晶晶種材料來填充開口 706，產生第二結晶晶種區域708。在一個實施例中，第二結晶晶種區域708為柱狀、層狀、量子點形式或任何其他期望的點圖案，或具有如上述協同步驟308的相似情況(例如，表面積或厚度)的形狀。同理， 第二結晶晶種區域708如圖5中所示具有超過一個區域可以是有利的，當自一系列的電磁輻射序列脈沖(例如，先前所述的脈沖序列退火工藝)接收足夠能量時，得以增加待被沉積在第二結晶晶種區域708上的第二非晶層的固相再結晶速度。取決于處理方案所需，在一個實施例中，第二結晶晶種區域708可含有相似于結晶晶種區域408的材料或化合物的材料或化合物。例如，當結晶晶種區域408含有硅材料時，第二結晶晶種區域708可含有鍺材料，或反之亦然。在一個實施例中，第二結晶晶種區域708可含有與結晶晶種區域408的材料或化合物不同的材料或化合物。在一個實施例中，第二結晶晶種區域708可含有單晶硅。在另一實施例中，第二結晶晶種區域708可含有單晶鍺。或者，第二結晶晶種區域708可含有硅鍺。在又另一實施例中，第二結晶晶種區域 708可如先前所述實例含有摻雜或未摻雜的IV族元素或化合物、III-V族化合物或II-VI 族化合物或實質上由摻雜或未摻雜的IV族元素或化合物、III-V族化合物或II-VI族化合物構成。第二結晶晶種區域708可含有金屬、類金屬或諸如鐵0 )、鈷(Co)、鎳(Ni)及上述金屬的合金的磁性材料，以作為待形成在第二絕緣層702及第二結晶晶體區域708上的非晶層的磁性介質源。
在步驟620，在基板400的正表面404上沉積第二非晶層710，覆蓋第二絕緣層702 的至少一部分以及第二結晶晶種區域708。在一方面中，如圖7J所示，遍布第二結晶晶種區域708的上表面及第二絕緣層702沉積第二非晶層710。在一個實施例中，第二非晶層710 可含有一般匹配形成在第二結晶晶種區域708中的材料的非晶材料。例如，當第二結晶晶種區域708含有鍺材料時，第二非晶層710可為非晶鍺層。或者，當第二結晶晶種區域708 含有硅材料時，第二非晶層710可為非晶硅層。在圖7J所示的實施例中，當非晶層410及結晶晶種區域408形成在結構的較低位置時，第二非晶層710及第二結晶晶種區域708形成在結構的較高位置。在一個實施例中， 第二非晶層710與第二結晶晶種區域708 —般平行并相對于非晶層410及結晶晶種區域 408。在第二結晶晶種區域708與結晶種區域408為柱狀、點狀形式或任何期望形狀時，從結構上方俯視時，第二結晶晶種區域708可對準結晶晶種區域408或未對準結晶晶種區域 408。雖然本文并未示出，應理解取決于應用所需，基板400下方及(或)第二絕緣層702 與非晶層410之間可有諸如晶體管之類的其他半導體器件。可使用一般與協同步驟310所執行的工藝相同的沉積工藝來形成第二非晶層 710。在一個實施例中，第二非晶層710可具有相對薄的厚度或期望厚度。在一個實施例中， 所形成的第二非晶層710的厚度介于約50埃(人)至約1，000埃(人)之間。在一個實例中，第二非晶層710的厚度約200埃(人)。然而，應理解可取決于處理方案所需而沉積不同厚度。在步驟622，將使用多個脈沖的電磁輻射能量711或脈沖序列退火的退火工藝傳遞至基板400的正表面404的區域，或同時傳遞至基板的整個正表面404。此處所述的脈沖序列退火工藝一般以相同于協同步驟312執行的工藝的方式傳遞。然而，由于激光退火工藝的效果取決于待被退火材料對能量源傳遞的能量的透射、吸收及反射，因此可調諧傳遞能量的波長(λ)或多個波長，使得所述波長可在基板中傳遞期望數量的能量以達到期望深度。應注意，各光子傳遞的能量也可隨著波長(E = hc/X)的函數改變，且因此波長越短，各光子傳遞的能量越大。在一些例子中，某些材料(諸如硅)具有隨著厚度和波長而改變的吸收限(absorption edge)，限制基板材料所吸收的波長。因此，取決于制成基板的材料的厚度及類型，可改變發出的輻射的波長以對基板實現期望的能量傳遞而使損害減到最小并促進基板的暴露區域的均勻加熱。以此方式，當使用多層結晶晶種層及非晶層時，如圖 7J所示的實施例，為了傳遞期望能量以在基板內達到期望深度而不熔化目標層下方的層， 取決于材料的厚度及類型，可調整多個電磁輻射脈沖的能量或波長。在采用多個層的實施例中，例如圖7J所示的結構，一系列的電磁輻射能711序列脈沖可以小于約1064nm的波長傳遞能量至結晶晶種區域408，或所述能量被結晶晶種區域 408的表面所吸收，而在結晶晶種區域408表面處或附近提供原子能量，自所述結晶晶種區域408表面處或附近開始沉積于所述結晶晶種區域408上的非晶層410的外延再生長，并且所述非晶層410的外延再生長傳播到四面八方，諸如橫向遍布非晶層410的表面。退火的目的是使用結晶晶種區域408作為晶種，以便使遍布非晶層410的原子重新排序在晶體晶格中的規則位置處，使得非晶層410逐漸地再結晶并具有如下方結晶晶種區域408的相同晶粒結構及晶體定向。步驟622中圖示以及圖7K中所示的轉化硅層標為元件符號410’。 隨后，一系列的電磁輻射711序列脈沖經調適以小于約SOOnm的波長將能量傳遞至第二結晶晶種區域708表面或被第二結晶晶種區域708表面所吸收，自所述表面開始結晶晶種的生長，并且所述結晶晶種的生長傳播到四面八方，諸如橫向遍布第二非晶層710的表面，從而再結晶第二非晶層710。轉化硅層在步驟624中及圖7L中標為元件符號710’。在一個實例中，自電磁能量源傳遞至第二結晶晶種區域708的電磁能量的波長為約532nm。在又另一實例中，自電磁能量源傳遞至第二結晶晶種區域708的電磁能量的波長為約216nm或約193nm。在本發明的一方面中，Q開關Nd: YAG(摻雜釹的釔鋁石榴石)激光適于以介于約至約1064nm之間的波長傳遞能量。盡管脈沖的時序、歷時時間、輪廓(例如，能量相對于時間)及脈沖的數目與上述協同步驟312所實施的條件類似，但可視工藝方案所需調整這些參數。例如，取決于期望的結晶晶種區域的深度及移動量，施加至結晶晶種區域408 的電磁能量介于約30個脈沖至約10，000個脈沖之間，而施加至第二結晶晶種區域708的電磁能量介于約10，000個脈沖至約100，000個脈沖之間，或反之亦然。應理解，本發明并非意欲限制于所述的兩個結晶晶種區域及兩個非晶層。由于可通過改變能量脈沖的輪廓以深度選擇方式再生長非晶層，因此可采用任何數量的層。在具有多層的結構的例子中(例如，兩個或更多個結晶晶種區域及非晶層)，先前已經經過再結晶的非晶層可變成鄰近的一非晶層(但未結晶)的新結晶晶種源，從而增加再結晶工藝的整體速度。應理解，圖示于圖4和圖7中的步驟的數量及順序并非意欲將本發明的范圍限制于本文所述，由于可添加一或多個步驟，可在不背離本文所述發明的基本范圍下刪除及 (或)重新排序步驟。例如，在圖7J及圖7K所示的實施例中，可首先以短波長(例如介于約至約532nm之間)將一系列的能量序列脈沖傳遞至第二結晶晶種區域708的表面， 且隨后以長波長(例如介于約SOOnm至約1064nm之間)將一系列的能量序列脈沖傳遞至結晶晶種區域408的表面。或者，可在沉積第二絕緣層702之前，使用脈沖序列退火工藝處理第一非晶層410，使得第二絕緣層702及第二結晶晶種層708形成在已經再結晶的第一非晶層410上。此外，雖然圖示的電磁能量被傳遞至結晶晶種區域所在的地方，在一些實施例中，可以實質覆蓋結構整個正表面的方式來傳遞電磁能量。雖然前述是針對本發明實施例，但可在不背離本發明的基本范圍情況下，設計出其他及進一步的實施例，并且本發明的范圍由以下的權利要求書確定。
權利要求
1.一種將沉積在基板上的層相轉變的方法，所述方法包含 在所述基板上沉積絕緣層；在所述絕緣層的期望區中形成晶種區域，所述晶種區域具有呈第一相結構的第一材料；在所述絕緣層的至少一部分和所述晶種區域上沉積具有第二相的第一材料層；以及使用該晶種區域作為一晶種，朝向所述晶種區域的表面引導多個電磁能量脈沖維持一段足以再結晶及轉化所述第一材料層的時間，其中所述晶種區域的所述表面上沉積有所述第一材料層，以使所述第一材料層自所述第二相結構轉為所述第一相結構并具有如下方所述晶種區域的相同晶粒結構及晶體定向。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述第一相結構為結晶形或多晶形且所述第二相結構為非晶形。
3.如權利要求1所述的方法，其中電磁能量的各脈沖具有小于熔化或幾乎熔化所述第一材料層的一部分所需的能量。
4.如權利要求3的方法，其中所施加的所述多個電磁能量脈沖是介于至少約30個脈沖至至少約100個脈沖之間，并且其中各脈沖具有約0. 2J/cm2至約lOOJ/cm2的相同能量，且各脈沖歷時約1納秒至約1秒的相同時間。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述多個電磁能量脈沖是以約490nm至約IlOOnm的范圍間的波長傳遞。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述晶種區域是呈現層狀、柱狀、點狀或預定形狀的形式，并具有介于約50 A至約1,000 A之間的厚度。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述晶種區域包括遍布所述絕緣層或在所述絕緣層邊緣處布置的許多晶種區。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述第一材料包含選自由以下物質構成的組的摻雜或未摻雜半導體材料或化合物硅、鍺、SixGei_x合金、III-V族或II-VI族半導體化合物、 II-VI族或III-V族的二元化合物、II-VI族或III-V族的三元化合物、II-VI族或III-V 族的四元化合物，或上述物質的混合物或上述物質的組合物。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述第一材料還包含磁性介質，所述磁性介質選自由以下物質所構成的組鐵0 )、鈷(Co)、鎳(Ni)及上述金屬的合金。
10.一種在基板上外延生長結晶層的方法，所述方法包含 在所述基板上沉積第一絕緣層；在所述第一絕緣層中形成第一晶種區域，所述第一晶種區域具有呈結晶態的第一材料；在所述第一絕緣層的至少一部分和所述第一晶種區域上沉積呈非晶態的第一材料的第一層；在第一材料的所述第一層上沉積第二絕緣層；在所述第二絕緣層中形成第二晶種區域，所述第二晶種區域具有呈結晶態的第一材料；在所述第二絕緣層的至少一部分和所述第二晶種區域上沉積呈非晶態的第一材料的第一層；使用該第一晶種區域作為一晶種，朝向所述第一晶種區域的表面引導多個第一電磁能量脈沖維持一段足以再結晶及轉化第一材料的所述第一層的時間，其中所述第一晶種區域的所述表面上沉積有第一材料的所述第一層，以使第一材料的所述第一層自非晶態轉為結晶態并具有如下方所述第一晶種區域的相同晶粒結構及晶體定向；以及使用該第二晶種區域作為一晶種，朝向所述第二晶種區域的表面引導具有不同于所述第一電磁能量的波長及脈沖數量的第二電磁能量維持一段足以再結晶及轉化第一材料的所述第二層的時間，其中所述第二晶種區域的所述表面上沉積有第一材料的所述第二層， 以使第一材料的所述第二層自非晶態轉為結晶態并具有如下方所述第二晶種區域的相同晶粒結構及晶體定向。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述第一材料包含選自由以下物質所構成的組的摻雜或未摻雜半導體材料或化合物硅、鍺、SixGeh合金、III-V族或II-VI族半導體化合物、II-VI族或III-V族的二元化合物、II-VI族或III-V族的三元化合物、II-VI族或III-V 族的四元化合物，或上述物質的混合物或上述物質的組合物。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述第一材料還包含磁性介質，所述磁性介質選自由以下物質所構成的組鐵、鈷、鎳及上述金屬的合金。
13.如權利要求10所述的方法，其中所述第二層包含不同于第一材料的所述第一層的半導體材料或化合物。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述晶種區域是呈層狀、柱狀、點狀或其他預定形狀的形式，并且所述晶種區域具有介于約50 A至約1,000 A之間的厚度。
15.如權利要求10所述的方法，其中所述第一晶種區域及所述第二晶種區域分別包含遍布所述第一絕緣層和所述第二絕緣層或在所述第一絕緣層和所述第二絕緣層的邊緣處布置的許多晶種區域。
全文摘要
本發明實施例提供使用多個電磁能量脈沖將薄膜固相再結晶的方法。在一個實施例中，可使用本發明方法通過將多個能量脈沖傳遞至結晶晶種區域或層來退火整個基板表面或基板表面的選擇區域以再結晶非晶層，其中在結晶晶種區域或層上沉積有所述非晶層，使得所述非晶層具有如下方結晶晶種區域或層的相同晶粒結構及晶體定向。
文檔編號H01L21/324GK102498552SQ201080041583
公開日2012年6月13日 申請日期2010年5月14日 優先權日2009年9月16日
發明者布魯斯·E·亞當斯, 斯蒂芬·莫法特, 阿倫·繆爾·亨特 申請人:應用材料公司