專利名稱：非晶硅結(jié)晶法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非晶硅膜的結(jié)晶，尤其是涉及一種連續(xù)橫向固化(SLS)結(jié)晶法。
背景技術(shù)：
多晶硅(p-Si)和非晶硅(a-Si)通常用作液晶顯示器(LCD)中的薄膜晶體管(TFT)的有源層材料。由于非晶硅(a-Si)可以在低溫下沉積從而在玻璃基板上形成薄膜，所以，在液晶顯示器(LCD)中普遍使用非晶硅(a-Si)。但遺憾的是非晶硅(a-Si)TFT的顯示響應(yīng)時間較慢，這限制了它們在大屏幕LCD中的適用性。
相反，多晶硅TFT則能提供快得多的顯示響應(yīng)時間。因此，多晶硅(p-Si)更適于用于大屏幕LCD裝置，例如膝上型電腦和壁掛式電視。這些應(yīng)用通常要求TFT的場效應(yīng)遷移率大于30cm2/Vs，并伴有低漏電流。
多晶硅膜由具有晶界的晶粒制成。晶粒越大，晶界越規(guī)則，則場效應(yīng)遷移率越好。因而，能產(chǎn)生大晶粒(最理想的是單晶)的結(jié)晶方法是非常有用的。
將非晶硅結(jié)晶成多晶硅的方法是連續(xù)橫向固化法(SLS)。SLS結(jié)晶利用了硅晶粒往往從液態(tài)和固態(tài)硅之間的界面橫向生長的事實。通過SLS，利用具有一定強度即能使非晶硅熔化的強度的激光束使非晶硅結(jié)晶，從而使熔融的硅在重結(jié)晶時形成橫向生長的硅晶粒。


圖1A是傳統(tǒng)的連續(xù)橫向固化(SLS)設(shè)備的示意性結(jié)構(gòu)圖，而圖1B表示在圖1A所示的設(shè)備中使用的傳統(tǒng)掩模38的平面圖。在圖1A中，SLS設(shè)備32包括一激光源36，一掩模38，一聚光鏡40和一個物鏡42。激光源36發(fā)射激光束34。激光束34的強度通過一個位于激光束34光路中的衰減器(未示出)進行調(diào)節(jié)。激光束34通過聚光鏡40聚光后射向掩模38。
掩模38包括多個能使激光束34穿過的狹縫“A”和吸收激光束34的光吸收區(qū)“B”。每個狹縫“A”的寬度有效地確定了由第一次激光照射產(chǎn)生的結(jié)晶硅的晶粒大小。另外，狹縫“A”之間的距離確定了用SLS方法結(jié)晶的非晶硅的橫向晶粒生長尺寸。物鏡42設(shè)置在掩模下方并能縮小穿過掩模38的激光束的形狀。
進一步參照圖1A，在靠近物鏡42的地方設(shè)置X-Y平臺46?？梢匝貎蓚€正交軸方向運動的X-Y平臺46包括一個用于驅(qū)動x軸平臺的X軸向驅(qū)動單元和用于驅(qū)動y軸平臺的y軸向驅(qū)動單元。襯底44放置在X-Y平臺46上以接收來自物鏡42的光。雖然在圖1A中未示出，但可以知道，非晶硅膜位于襯底44上，由此構(gòu)成樣本襯底。
為了使用傳統(tǒng)的SLS設(shè)備，通常將激光源36和掩模38固定在預(yù)定的位置上，而由X-Y平臺46沿x軸和/或y軸方向移動樣本襯底44上的非晶硅膜?；蛘?，也可以固定X-Y平臺46而移動掩模38以使樣本襯底44上的非晶硅膜結(jié)晶。
當進行SLS結(jié)晶時，通常在襯底和非晶硅膜之間形成一個緩沖層。然后在緩沖層上沉積非晶硅膜。之后，如上所述地使非晶硅結(jié)晶。非晶硅膜通常利用化學氣相沉積法(CVD)沉積在緩沖層上。但遺憾的是，該方法制造的非晶硅帶有很多氧氣。為了減少氫氣含量，通常要對非晶硅進行熱處理以脫氫，這樣便會形成平滑的結(jié)晶薄膜。如果不進行去氫處理，則晶體硅膜的表面將會很粗糙，從而會使結(jié)晶硅膜的電特性變差。
圖2是表示帶有部分結(jié)晶的非晶硅膜52的襯底44的平面圖，當進行SLS結(jié)晶時，由于激光束34只具有有限的束寬，而且掩模38只有有限的尺寸，所以很難一次結(jié)晶整個非晶硅膜52。因此，通常需要移動襯底38數(shù)次，使得在不同的位置重復(fù)進行結(jié)晶，由此使襯底完全結(jié)晶。在圖2中，對應(yīng)于一個掩模位置的區(qū)域“C”被稱之為一方塊。通過多次照射激光束可實現(xiàn)方塊“C”內(nèi)非晶硅結(jié)晶。
下面將解釋非晶硅膜52的SLS結(jié)晶方法。圖3A至3C是利用傳統(tǒng)的SLS方法使一塊非晶硅膜52進行結(jié)晶的平面圖。在圖示的結(jié)晶過程中，很顯然，掩模38(見圖1A和1B)具有三條狹縫。
根據(jù)激光束的能量通量、襯底的溫度和非晶硅膜的厚度(以及其它因素)可以確定晶粒的橫向生長長度。應(yīng)該理解，在最佳條件下可以得到最大橫向晶粒生長量。在圖3A至3C所示的SLS方法中，狹縫的寬度是最大橫向晶粒生長長度的兩倍。
圖3A表示利用第一次激光束照射使非晶硅膜52結(jié)晶的初始步驟。如參照圖1A所述的那樣，激光束34穿過掩模38并照射到樣本襯底44的一塊非晶硅膜52上。參見圖3A，激光束34由三條狹縫“A”分成三路光束。三路光束照射并熔化非晶硅膜52的區(qū)域“D”、“E”和“F”。各路光束的能量通量應(yīng)能足以導(dǎo)致非晶硅膜52的完全熔化。即由激光束34輻照的非晶硅膜部分完全熔化直到緩沖層。
進一步參見圖3A，在完全熔化液相硅之后，開始在固相非晶硅和液相硅的界面56a和56b上結(jié)晶。結(jié)晶是以出現(xiàn)晶粒橫向生長方式進行。因而，如圖所示，晶粒58a和58b從未熔化的區(qū)域到完全熔化的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)橫向生長。當(1)從界面生長的晶粒在熔融硅區(qū)域的中部50a附近碰撞時；或(2)隨著熔融硅區(qū)固化到足以產(chǎn)生固化晶核從而在中部區(qū)50a內(nèi)形成多晶硅顆粒時，停止橫向生長。
由于狹縫“A”的寬度(見圖1B)是晶粒58a和58b橫向最大生長長度的兩倍，熔融硅區(qū)域“D”、“E”和“F”的寬度也是晶粒橫向最大生長度的兩倍。因此，當在中部50a處形成多晶硅顆粒時，將停止晶粒的橫向生長。這些多晶硅顆粒在后面的結(jié)晶步驟起著固化晶核的作用。
如上所述，在定向固化的硅中的晶界往往以垂直于固相非晶硅和液相硅之間界面56a和56b的形式形成。因而，做為第一次激光束照射的結(jié)果是，形成結(jié)晶區(qū)域“D”、“E”和“F”。另外，還形成了固化的晶核區(qū)50a。
如前所述，通過一次激光照射得到的晶粒橫向生長的長度與激光能量通量、襯底溫度和非晶硅膜的厚度有關(guān)。由橫向生長產(chǎn)生的晶粒長度范圍一般為1～1.5微米(μm)。
圖3B表示利用第二激光束照射使圖3A的非晶硅膜52結(jié)晶。第一次激光束照射之后，將X-Y平臺或掩模38沿晶粒58a或58b(圖3A)的橫向生長方向、即X方向移動一個不大于晶粒橫向生長最大長度的距離。然后，進行第二激光束照射。正如上面所述的那樣，受第二激光束照射的區(qū)域發(fā)生了熔化并產(chǎn)生結(jié)晶。由第一次激光束照射產(chǎn)生的硅晶粒58a和58b和/或晶核區(qū)域50a充當?shù)诙谓Y(jié)晶的晶種。因而，在第二熔融區(qū)域中出現(xiàn)橫向晶粒生長。通過第二激光束照射形成的硅晶粒58c在由第一次激光束照射形成的硅晶粒58a附近繼續(xù)生長，而且還形成從界面56c長出的硅晶粒58d。當在因第二次激光束照射而熔化的硅區(qū)的中部形成晶核區(qū)50b時，這些硅晶粒58c和58d的橫向生長將停止。
因此，通過重復(fù)前述的熔化和結(jié)晶步驟，使一塊非晶硅膜結(jié)晶，從而形成如圖3C所述的晶粒58e。
上述在一塊區(qū)域內(nèi)進行的結(jié)晶過程可以在整個非晶硅薄膜52上逐塊重復(fù)。因此，可將大尺寸的非晶硅膜變成結(jié)晶硅薄膜。盡管上述傳統(tǒng)的SLS方法獲得了很大的成功，但是它還存在一些缺點。
雖然傳統(tǒng)的SLS方法能產(chǎn)生大尺寸的晶粒，但X-Y平臺或掩模必須反復(fù)移動幾微米的距離以產(chǎn)生橫向晶粒生長。因此，移動X-Y平臺或掩模38所需的時間占據(jù)了總過程的大部分時間。這嚴重降低了生產(chǎn)率。
圖4是另一種SLS方法中使用的掩模60的平面圖。掩模60具有透光狹縫“G”和光吸收區(qū)“H”。雖然掩模60與圖1B中的掩模38相類似，但是橫向帶狀狹縫“G”的寬度小于晶粒最大橫向生長長度的兩倍。由于狹縫“G”具有較小的寬度，所以當在未熔化的區(qū)域和完全熔化的區(qū)域之間的界面處產(chǎn)生的晶粒發(fā)生碰撞時，晶粒的橫向生長將停止。與圖3A～3C所述的結(jié)晶過程相比，當采用掩模時不形成固化晶核區(qū)50a和50b。
下面將討論利用掩模60的SLS方法。如參照圖1A所述，激光束34穿過掩模60并照射到樣本襯底44上的非晶硅膜。激光束34被分成三路光束(由于存在三條狹縫“G”)。各路光束經(jīng)物鏡42減徑后在非晶硅膜52上形成光束圖像。在結(jié)晶過程中，光束圖像沿X軸方向移動。由于X軸方向上的移動，導(dǎo)致沿光束圖像長度上生成結(jié)晶。如上所述，X-Y平臺46或掩模60移動幾毫米(mm)的距離。與參考圖3A～3C所述的SLS方法相比，較大的移動量減小了處理時間。
圖5A～5C是利用圖4中所示掩模進行的結(jié)晶中使用的非晶硅膜的平面圖。假設(shè)掩模60具有三條狹縫。如上所述，晶粒的橫向生長長度由激光束34的能量通量、襯底溫度和非晶硅膜的厚度等決定。這樣，在最佳條件下，晶粒的橫向生長可以達到最大。在圖5A～5C中，應(yīng)該理解，狹縫“G”的寬度(圖4)小于橫向晶粒生長最大長度的兩倍。
圖5A表示非晶硅膜結(jié)晶的初始步驟。參見圖1A和5A，從激光源36發(fā)出的激光束34穿過掩模60(代替掩模38)并照射到沉積在樣本襯底44上的第一塊E1非晶硅膜62。激光束34由三條狹縫“G”分成三條光束。三條光束照射并熔化非晶硅膜62的區(qū)域“I”、“J”和“K”。由于每一個熔化區(qū)“I”、“J”和“K”都對應(yīng)于狹縫“G”，所以熔化區(qū)“I”、“J”和“K”的寬度小于晶粒橫向最大生長長度的兩倍。激光束的能量通量應(yīng)能足以導(dǎo)致非晶硅膜完全熔化。
液相硅在固相非晶硅和液相硅的界面66a和66b上開始結(jié)晶。即晶粒68a和68b從未熔化的區(qū)域到完全熔化的區(qū)域進行橫向晶粒生長。然后，在晶粒68a和68b沿熔化硅區(qū)域的中線60a相碰撞處晶粒停止橫向生長。晶界趨于與界面66a和66b形成垂直。做為第一次激光束照射的結(jié)果，第一塊E1發(fā)生部分結(jié)晶。之后，通過移動X-Y平臺而使光束圖像沿X軸方向移動。進行第二次照射，使第二塊E2發(fā)生部分結(jié)晶。在X軸方向重復(fù)進行上述結(jié)晶過程以形成第三塊E3。
如圖5A所述的進行第一至第三激光束照射的結(jié)果，形成了“I”、“J”和“K”結(jié)晶區(qū)，每個區(qū)具有第一至第三塊E1、E2和E3。
在圖5B中，在第一組激光束照射之后，X-Y平臺或掩模沿著與晶粒68a或68b生長方向相反的方向移動一個等于或小于橫向生長最大長度的距離。然后沿X軸方向逐塊進行結(jié)晶。因此，激光束照射的區(qū)域被熔化并以圖5A所述的方式結(jié)晶。此時，通過第一至第三激光束照射生長的硅晶粒68a或/和68b充當此結(jié)晶過程的晶種。通過連續(xù)橫向固化(SLS)方法形成的硅晶粒68c在圖5A所示的硅晶粒68a附近繼續(xù)生長，并且還形成從界面66c固化的硅晶粒68d。這些硅晶粒68c和68d在由激光束照射熔化的硅區(qū)域的中線60b處彼此相撞，由此停止了晶粒的橫向生長。
因此，通過重復(fù)上述非晶硅的熔化和結(jié)晶步驟，非晶硅膜的塊E1、E2和E3開始結(jié)晶，以形成圖5C所述的晶粒68e。圖5C是表示由晶粒橫向生長到預(yù)定尺寸所形成的晶硅膜的平面圖。
圖3A～3C以及圖5A和5C所述的傳統(tǒng)SLS方法具有一些缺點。傳統(tǒng)的SLS方法要花較長的時間使非晶硅膜結(jié)晶，由此導(dǎo)致制造效率的降低。另外，由于掩模狹縫的寬度，晶粒橫向生長的長度受到限制。
可以利用如圖6所示的具有不同狹縫圖像的掩模和沿水平方向的激光束掃描來實現(xiàn)更快速的結(jié)晶。如圖6所示，掩模70包括多個狹縫圖像72，它們被分成第一組“M”和第二組“N”。第一狹縫圖像72a處于第一組“M”中，第二狹縫圖像72b處于第二組“N”內(nèi)。第一狹縫圖像72a和第二狹縫圖像72b之間的間隔為“O”。因此，如圖6所示，每個第一狹縫圖像72a與第二狹縫圖像72b之間的間隔“O”相對，每個第二狹縫圖像72b與第一狹縫圖像72a之間的間隔“O”相對。參見圖6，可以看到狹縫圖像72的寬度大于間隔“O”。狹縫圖像72的寬度應(yīng)該等于或小于晶粒的最大橫向生長長度。
因此，當?shù)谝环蔷Ч杞Y(jié)晶步驟之后，掩模70或X-Y平臺沿橫向(即X軸方向和向右方向)移動時，第一組“M”的第一狹縫圖像位于先前由間隔“O”覆蓋的位置上。因此，可以通過在非晶硅結(jié)晶過程中沿橫向重復(fù)地移動掩模70而獲得所需尺寸的晶粒。下面將參照圖7A～7F詳細解釋利用掩模70的非晶硅膜的結(jié)晶。
圖7A表示利用圖6所示掩模結(jié)晶非晶硅膜的初始步驟。如參照圖1A所述，激光束34穿過掩模70(代替掩模38)并照射到樣本襯底44上的非晶硅膜80上。當對非晶硅膜80施加激光束34時，激光束34沿X軸方向掃描。具有與掩模70的狹縫圖像72相同圖像的激光束圖像部分熔化非晶硅膜80并生成處于第一和第二熔化組“P1”和“P2”中的第一和第二熔化區(qū)86a和86b。第一和第二熔化組對應(yīng)于第一和第二狹縫組“M”和“N”。線光束的能量通量應(yīng)足以導(dǎo)致非晶硅膜80完全熔化直到下面的緩沖層。
進一步參照圖7A，完全熔化之后，液相硅開始在固相非晶硅和液相硅之間的界面85a和84b處結(jié)晶。即晶粒82a和82b從未熔化區(qū)到完全熔化區(qū)的橫向晶粒生長。然后，根據(jù)熔化硅區(qū)域86a和86b的寬度停止橫向生長，在所述的熔化硅區(qū)域82a和82b中，晶粒82a和82b沿熔化硅區(qū)域的中線84c相互碰撞。趨于固化硅的晶粒晶界趨向于與固相非晶硅和液相硅之間的界面84a和84b形成垂直。第一次激光束掃描的結(jié)果，第一和第二熔化組“P1”和“P2”部分結(jié)晶。此處，全部結(jié)晶區(qū)86都具有相同的尺寸和形狀，因此，第一部分結(jié)晶組“P1”與第二部分結(jié)晶組“P2”相同但相互偏離。
現(xiàn)參照圖7B，之后，通過移動安置有襯底的X-Y平臺，光束圖像沿X軸方向移動結(jié)晶區(qū)86的“Q”長度。因此，第一狹縫組“M”的第一狹縫圖像72a位于第二部分結(jié)晶組“P2”之上，并且第二狹縫組“N”的第二狹縫圖像72b位于非晶硅膜80的新的區(qū)域之上。尤其是第一狹縫圖像72a位于第二結(jié)晶區(qū)86b之間。之后，進行第二次激光束掃描，因而，被第二激光束照射的硅區(qū)域被熔化并結(jié)晶。
現(xiàn)參見圖7C，暴露于第一次和第二次激光束掃描的重疊區(qū)域“R1”被完全結(jié)晶成具有一個預(yù)定的寬度“T”。同時，緊挨著區(qū)域“R1”形成另一個部分結(jié)晶區(qū)“R2”。換言之，第二次激光束掃描和結(jié)晶之后，形成具有橫向生長長度為“S”的新晶粒。因為新晶粒88在第一晶粒82a的附近繼續(xù)生長，所以新晶粒88的晶粒長度“s”等于從第一中線84c(通過第一結(jié)晶過程形成)到第二中線84d(通過第二結(jié)晶過程形成)的長度。
第二次激光束掃描和結(jié)晶之后，掩模70再次沿X軸方向移動結(jié)晶區(qū)的“Q”長度，以進行第三次激光束掃描。因而，如圖7D所示，具有第一狹縫圖像72a的第一狹縫組“M”位于部分結(jié)晶組“R2”之上。如圖7E所示，通過第三次激光束掃描和結(jié)晶，部分結(jié)晶組“R2”變?yōu)橐粋€完全結(jié)晶區(qū)“R3”。
參見圖7F，通過重復(fù)進行前述的熔化和結(jié)晶步驟，非晶硅膜82變成具有“S”長度晶粒90的多晶硅膜92。
但是，參見圖1～7F所述的傳統(tǒng)SLS方法有一些問題。例如，參照圖3A～3C所述的SLS方法(即通常指掃描&步進SLS方法)要花相當長的時間使非晶硅膜結(jié)晶，由此降低了產(chǎn)率和產(chǎn)量。參照圖5A～5C所述的SLS方法(通常指連續(xù)SLS方法)和參照圖7A～7F的SLS方法(即通常指單一掃描SLS方法)比掃描&步進SLS方法所花費的時間要短，但它們限制了激光束圖像的寬度。即，因為激光束圖像的寬度小于或等于橫向晶粒生長的最大長度，所以晶粒尺寸受到限制。通過前述方法形成的晶粒尺寸列于表1中。表1還表示了在每種結(jié)晶方法中根據(jù)橫向晶粒生長長度(微米；μm)加工處理的襯底的數(shù)量。[表1]

從表1的結(jié)果看出，當橫向晶粒生長長度變大時，產(chǎn)量降低。即，橫向晶粒生長長度越大，產(chǎn)量越小。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明旨在提供一種利用連續(xù)橫向固化(SLS)方法結(jié)晶非晶硅膜的方法，該方法基本上克服了因現(xiàn)有技術(shù)的局限性和缺點而引起的一個或多個問題。
本發(fā)明的一個優(yōu)點在于提供了一種能節(jié)省結(jié)晶時間和提高產(chǎn)率的連續(xù)橫向固化(SLS)方法。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于提供一種利用改進的SLS方法提高了制造產(chǎn)率的結(jié)晶非晶硅層的方法。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在下面的說明中闡述，這些特征和優(yōu)點的一部分將從說明中明顯得出，或是通過本發(fā)明的實踐而獲得。本發(fā)明的目的和其它優(yōu)點將通過在說明書文字部分和權(quán)利要求書以及附圖中特別指出的方法而實現(xiàn)和得到。
為了實現(xiàn)這些和其它優(yōu)點并且按照本發(fā)明的目的，作為概括性和廣義性描述，結(jié)晶非晶硅膜的方法包括；將具有非晶硅膜的襯底放置在連續(xù)橫向固化(SLS)設(shè)備中；用一束穿過掩模的激光束照射非晶硅膜，其中掩模包括一個用于阻擋激光束的光吸收部分，和具有層疊圖案的多個第一梯形光透射部分和具有層疊圖案的第二梯形光透射部分，其中第一和第二梯形光透射部分允許激光束通過，第二光透射部分位于第一光透射部分之間，且其中層疊部分的每一層都具有一固定的寬度，穿過掩模的激光束部分把非晶硅膜熔化成液態(tài)硅。該方法還包括結(jié)晶熔化區(qū)，使得晶粒生長區(qū)域具有從液態(tài)硅和固態(tài)硅之間的界面橫向生長形成的橫向生長晶粒。然后，橫向移動掩模以暴露結(jié)晶的區(qū)域用于后續(xù)的結(jié)晶，并且進行第二次結(jié)晶，使得橫向生長的晶粒在結(jié)晶硅顆粒區(qū)域附近繼續(xù)生長。該方法還包括在橫向結(jié)晶非晶硅膜之后，將掩模沿縱向移動，并且然后進行另一次橫向結(jié)晶。
在另一個方面，用于在連續(xù)橫向固化(SLS)設(shè)備中使非晶硅膜結(jié)晶的掩模包括一個用于阻擋激光束的光吸收部分；和具有層疊輪廓的第一、第二梯形光透射部分，其中第一和第二光透射部分用于透過激光束。每個光透射部分包括多個形成梯形形式的彼此相鄰的矩形圖案。矩形圖案可有利地具有相同的寬度，但具有不同的長度。矩形圖案的寬度范圍從100微米～10毫米，利用下列公式計算矩形圖案的長度XN＝[X(N-1)+GN]，此處N為大于1的自然數(shù)(N＞1)，XN為第N個矩形圖案的長度，GN為第N個矩形圖案中橫向晶粒生長的長度。GN是一個變量，小于或等于橫向晶粒生長最大長度的兩倍。彼此相鄰的矩形圖形步進量小于或等于橫向晶粒的生長最大長度。第二光透射部分位于第一光透射部分之間，在第二光透射部分中的矩形圖案少于在第一光透射部分的矩形圖案。
應(yīng)該理解，前述概括性描述和之后的詳細描述都是釋意性和示例性，意欲對對權(quán)利要求限定的本發(fā)明作進一步的解釋。
附圖簡要說明下面將通過附圖對本發(fā)明的原理做更進一步分解釋，這些附圖構(gòu)成本申請說明書的一部分。
附圖中圖1A是現(xiàn)有技術(shù)中的連續(xù)橫向固化(SLS)設(shè)備的示意圖；
圖1B是用在圖1A所述設(shè)備中的掩模的平面圖；圖2是具有部分結(jié)晶的非晶硅膜的襯底的平面圖；圖3A～3C是表示利用傳統(tǒng)SLS方法結(jié)晶的一塊非晶硅膜的平面圖；圖4是根據(jù)另一傳統(tǒng)的SLS方法用于結(jié)晶的掩模的平面圖；圖5A～5C是利用圖4所示掩模結(jié)晶的非晶硅膜的平面圖；圖6是根據(jù)另一傳統(tǒng)的SLS方法用于SLS結(jié)晶的掩模的平面圖；圖7A～7F是利用圖6所示掩模結(jié)晶的非晶硅膜的平面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明原理的掩模的平面圖；圖9A～9F表示利用圖8所示掩模進行非晶硅膜結(jié)晶的平面圖；圖10是液晶顯示板的示意圖，其中包括一個數(shù)據(jù)驅(qū)動電路和一個柵極驅(qū)動電路，還有一個根據(jù)本發(fā)明的原理結(jié)晶的有源層；和圖11是一個開關(guān)元件以及CMOS晶體管的平面圖，該晶體管具有一個根據(jù)本發(fā)明的原理結(jié)晶的有源層。
具體實施例方式
下面將參考附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述，其中對所有附圖中相同或相似的部件采用相同的標號。
圖8是本發(fā)明結(jié)晶掩模100的平面圖。如圖所示，掩模100包括第一和第二光透射部分L和M，每個部分具有層疊的梯形輪廓。即，第一和第二光透射部分L和M具有層疊的上下輪廓。每個第一光透射部分L由第一至第四矩形圖案L1至L4組成，所有的圖案具有相同的寬度U。雖然圖中示出了四個矩形圖案，但第一光透射部分中矩形圖案的數(shù)量不僅限于四個。然而，矩形圖案L1～L4的長度X1～X4不同。，第一矩形圖案L的第一長度X1小于或等于在最佳條件下橫向晶粒生長的最大長度GMAX的兩倍。長度X2，X3，X4…用如下的方式計算XN＝[X(N-1)+GN]————————公式(1)此處N是大于1的自然數(shù)(N＞1)，XN為第N個矩形圖案的長度，GN為第N個矩形圖案中橫向晶粒生長的長度。GN是一個變量，在矩形圖案L2～LN中GN的值可以相同或不同。但是，每個矩形圖案L1～L4的中線處于相同的軸線，參見圖8。另外，長度X2，X3，X4，…可以由公式(2)XN≤[X(N-1)+2GN]計算。
所得結(jié)果，光透射部分L矩形圖案L1～L4的長度X1～X4分別表示如下X1＝GMAXX2＝X1+G2X3＝X2+G3X4＝X3+G4如上所述，此處，G2，G3和G4小于或等于橫向晶粒生長最大長度的兩倍。假設(shè)X1，G2，G3和G4彼此相等并小于橫向晶粒生長最大長度GMAX[(X1＝G2＝G3＝G4)＜GMAX]。如果GMAX為3微米(GMAX＝3μm)，并且如果X1，G2，G3和G4均等于2微米(X1＝G2＝G3＝G4＝2μm)，則矩形圖案L1～L4的長度X1～X4分別為2、4、6和8微米(X1＝2μm，X2＝4μm，X3＝6μm，X4＝μm 8)。
進一步參見圖8，位于第一光透射部分L之間的第二光透射部分M具有矩形圖案M1和M2。雖然圖8在第二光透射部分M中只示出了兩個矩形圖案M1和M2，但實際的矩形圖案的數(shù)量并不僅限于兩個，可是該數(shù)量應(yīng)該小于第一光透射部分L的矩形圖案數(shù)量。因為第二光透射部分M位于第一光透射部分L之間，所以它使第一光透射部分L之間的非晶硅膜區(qū)域結(jié)晶。第二光透射部分M的矩形圖案M1～MN具有相同的寬度和不同的長度。第一矩形圖案M1的第一長度Y1小于或等于橫向晶粒生長最大長度的兩倍。然后，用上述公式(1)或(2)，YN＝[Y(N-1)+GN]或YN≤[Y(N-1)+2GN]確定矩形圖案M2～MN的長度(假設(shè)有兩個以上的矩形圖案)。因此，如果GMAX為3μm(GMAX＝3μm)，并且如果Y1和G2都為2微米(X1＝G2＝2μm)，則矩形圖案M1和M2的長度Y1和Y2分別為2和4微米(Y1＝2μm，Y2＝4μm)。實際上，矩形圖案L1～LN以及M1～MN的寬度可以為幾百微米～幾毫米。
當在SLS非晶硅結(jié)晶中使用圖8所示的掩模100時，本發(fā)明的方法可以比現(xiàn)有技術(shù)更快的速度使一個大面積的非晶硅膜結(jié)晶。圖9A～9F是表示使用掩模100的結(jié)晶方法的平面圖。為了簡化結(jié)晶過程的解釋，假設(shè)第一矩形圖案L1和M2的第一長度X1和Y1為2微米(X1＝Y(jié)1＝2μm)，并且GN也為2微米(GN＝2μm)。另外，當激光束照射到非晶硅膜上時，圖8所示的掩模100都是位于襯底和激光源之間。
參見圖9A，在使用掩模100對非晶硅進行結(jié)晶之前，在襯底120上形成一個緩沖層(未示出)并在緩沖層上沉積一非晶硅膜122。然后，對襯底120上的非晶硅膜122進行脫氫處理。之后，將掩模100(見圖8)置于固定在X-Y平臺上的襯底120的上方。進行第一次激光束照射，使得對應(yīng)于第一和第二光透射部分L和M的非晶硅部分熔化并隨后結(jié)晶。
由此形成了對應(yīng)于圖8中光透射部分L和M的結(jié)晶區(qū)R和S。在每個結(jié)晶區(qū)R或S中，具有晶粒生長區(qū)R1-R4和S1-S2以及結(jié)晶硅顆粒區(qū)R0和S0。每個晶粒生長區(qū)R1-R4和S1-S2包括橫向生長晶粒126，每個結(jié)晶硅顆粒區(qū)包括多晶硅顆粒128。結(jié)晶硅顆粒區(qū)R0形成在對應(yīng)于第二～第四矩形圖案L2～L4的區(qū)域中，結(jié)晶硅顆粒區(qū)S0形成在對應(yīng)于第二矩形圖案M2的區(qū)域中。
當具有足以導(dǎo)致非晶硅膜122完全熔化的能量通量的第一次激光束照射該膜時，透過第一和第二光透射部分L和M曝光的區(qū)域R和S被完全熔化。當?shù)谝淮渭す馐丈渫Ｖ箷r，熔化的硅從固相非晶硅和液相硅之間的界面處迅速結(jié)晶。因而，在從界面向下至中心的方向上形成橫向生長的第一晶粒122a，而在從界面向上至中心的方向上形成橫向生長的第二晶粒122b。因此，橫向生長第一和第二晶粒122a和122b在每個第一晶粒生長區(qū)R1或S1的中心位置相遇，由此導(dǎo)致形成了一中間線。
如圖9A所示，橫向生長的晶粒122a和122b的長度小于或等于橫向生長的晶粒的最大可能長度GMAX。如前所述，橫向生長的晶粒長度依賴于激光能量通量、襯底溫度和非晶硅膜厚度。第一次激光束照射之后，由橫向晶粒生長產(chǎn)生的晶粒一般具有大約1～1.5微米的長度。之后，因為掩模100的矩形圖案L2～L4和M2具有大于或等于4微米(μm)的長度，所以第二～第四晶粒生長區(qū)R2～R4(和S2)沒有中線124，但有結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0和S0。因此，第一晶粒生長區(qū)R1和S1具有1～1.5微米的橫向生長晶粒，而第二～第四晶粒生長區(qū)R2～R4(和S2)只在它們的周圍具有橫向生長的晶粒并在內(nèi)部具有結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0和S0。
第一次激光束照射之后，X-Y平臺或/和掩模100沿X軸方向移動幾百微米至幾毫米(mm)的距離以進行下一次激光束照射。即例如襯底120向左移動一個小于或等于矩形圖案寬度U的距離，即大約幾百微米～幾毫米。
結(jié)果，如圖9B所示，將第一至第三矩形圖案L1-L3置于第二至第四晶粒生長區(qū)R2-R4之上方，和將第一矩形圖案M1置于第二晶粒生長區(qū)S2之上方。由此，使第一至第三矩形圖案L1-L3的處于暴露結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0和部分橫向生長的晶粒126的位置。以此方式放置第一矩形圖案M1以暴露結(jié)晶的硅顆粒區(qū)S0和第二晶粒生長區(qū)S2的部分橫向生長的晶粒126。另外，將第四矩形圖案L4置于可暴露非晶硅區(qū)的位置上，將第二矩形圖案M2置于可暴露非晶硅區(qū)的位置上。然后，通過第一至第四矩形圖案L1-L4(和S1-S2)進行第二次激光束照射。
因此，在進行第二次激光束照射的同時，使處于第一至第三矩形圖案L1-L3下方的結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0發(fā)生再熔化。另外，使處于第四矩形圖案L4下方的非晶硅區(qū)也發(fā)生熔化。第二次激光束照射之后，第二晶粒生長區(qū)R2和S2具有如圖9C所示的沿Y軸方向上生長的所有橫向生長的晶粒。另外，由第一次結(jié)晶過程形成的晶粒126也趨于沿Y軸方向上生長。由第二次激光束照射形成的如圖9C所示的晶粒126在與由第一次激光束照射在第二至第四晶區(qū)R2-R4形成的晶粒鄰近處繼續(xù)生長。因而，晶粒趨于沿著與液相和固相硅之間的界面相垂直的方向上生長。第四矩形圖案L4在第二次結(jié)晶過程中暴露的非晶區(qū)R5也發(fā)生結(jié)晶，并且第二矩形圖案M2暴露的非晶區(qū)S3也發(fā)生結(jié)晶。第二次結(jié)晶過程之后，結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0和S0還存在于第三至第五晶粒區(qū)R3-R5。
第二次激光束照射之后，使X-Y平臺或/和掩模100沿X軸方向移動幾百微米～幾毫米的距離以準備下一次激光束照射。即，例如將襯底120向左移動一個小于或等于矩形圖案寬度U的距離，即大約幾百微米(μm)～幾毫米(mm)。因而，將光透射部分L和M的置于可暴露結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0和S0以及第三至第五晶粒生長區(qū)R3-R5的部分橫向生長的晶粒126的位置。另外，將第四矩形圖案L4置于可暴露新的非晶硅區(qū)的位置，并將第二矩形圖案M2也置于可暴露另一個非晶硅區(qū)的位置。然后，通過第一至第四矩形圖案L1-L4(和S1-S2)進行第三次激光束照射。
結(jié)果，在進行第三次激光束照射的同時，使處于第一至第三矩形圖案L1-L3下方的結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0發(fā)生再熔化和再結(jié)晶。另外，使處于第四矩形圖案L4下方的非晶硅區(qū)也發(fā)生熔化和結(jié)晶。由此形成圖9D所示的第六晶粒生長區(qū)R6。
現(xiàn)參見圖9D，第三次激光束照射之后，第三晶粒生長區(qū)R3和S3具有完全沿Y軸方向延伸的晶粒。另外，通過第二次結(jié)晶過程形成的第四和第五晶粒區(qū)的晶粒也是沿Y軸方向延伸。與第二次激光束照射一樣，由第三次激光束照射形成的晶粒在與由通過第二次激光束照射形成的晶粒的鄰近處繼續(xù)生長。因而，晶粒趨于從液相和固相硅之間的界面橫向生長。
在圖9A-9D所示的X軸方向上進行的結(jié)晶過程中，可以注意到結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0和S0轉(zhuǎn)變成了橫向生長晶粒區(qū)。第三次激光束照射之后，將第四晶粒生長區(qū)R4的橫向生長晶粒與晶粒生長區(qū)S4的晶粒合并。另外，第三次結(jié)晶過程之后，結(jié)晶的硅顆粒區(qū)R0和S0也存在于第四至第六晶粒區(qū)R4-R6。
現(xiàn)參見圖9E和9F，重復(fù)前述的熔化和結(jié)晶步驟，生成了一個較大的晶粒區(qū)F，在該區(qū)域生成了具有Z1長度的連續(xù)生長的晶粒。實際上，本發(fā)明的橫向生長晶粒的長度Z1由相鄰中線124之間的距離所決定。即，通過調(diào)節(jié)掩模100的第一和第二光透射部分L和M的距離，本發(fā)明可以控制晶粒尺寸。另外，通過調(diào)節(jié)矩形圖案的寬度U，可以控制生產(chǎn)產(chǎn)率。
如圖9F所示，橫向生長的晶粒在結(jié)晶過程中于橫向(X軸方向)進行時彼此接界。由掩模中相鄰的第一和第二光透射部分形成的晶粒生長區(qū)相遇并形成一個邊界。因此，橫向晶粒生長在相鄰結(jié)晶區(qū)的邊界上停止。
在圖9E和9F中，當利用圖8所示的掩模沿橫向連續(xù)結(jié)晶時，形成了較大的晶粒。當掩模100具有兩個光透射部分L和一個光透射部分M時，沉積在襯底120上的非晶硅膜122結(jié)晶成寬度為Z的結(jié)晶硅。圖8的第一和第二光透射部分L和M一起產(chǎn)生了長度為Z1的如圖9E和9f所示的晶粒。
在完成橫向結(jié)晶之后，將X-Y平臺或掩模沿縱向(Y軸方向)移動一段幾微米的距離以準備另一次X軸方向上的結(jié)晶。即，為了另一個橫向通道重新定位掩模。然后，使非晶硅膜橫向結(jié)晶。在所有的Y軸向移動和X軸向結(jié)晶完成之后，使硅膜完全結(jié)晶。另外，結(jié)晶相當快。因為掩模100具有層疊的梯形形狀，并且因為X-Y平臺或掩模為進行后續(xù)的結(jié)晶而移動幾百微米～幾毫米，所以結(jié)晶比現(xiàn)有技術(shù)中快很多。
如上所述，本發(fā)明形成的結(jié)晶硅層可以用作薄膜晶體管的有源層，另外其還可以用于驅(qū)動器件和開關(guān)器件。
當液晶顯示器的分辨率變高時，信號線和掃描線的襯墊間距將會減小。因而，要把TCP(帶狀載體封裝)連接到襯墊上就變得更困難。但是，SLS生長多晶硅可以用于驅(qū)動IC(集成電路)并可以形成在與薄膜晶體管相同的襯底上。襯底上形成驅(qū)動IC的這種形式降低了制造成本并易于制造。
圖10是一種液晶顯不板的示意圖，該顯示板包括使用了按本發(fā)明方法制造的結(jié)晶有源層的一個數(shù)據(jù)驅(qū)動電路134a和一個柵極驅(qū)動電路134b。
如圖10所示，液晶板130包括一個顯示區(qū)132和一個驅(qū)動區(qū)135。在顯示區(qū)132中包括多個開關(guān)器件、即薄膜晶體管(TFT)。數(shù)據(jù)驅(qū)動電路134a和柵極驅(qū)動電路134b也設(shè)置在驅(qū)動區(qū)135中。這些驅(qū)動電路134a和134b包括多個CMOS(互補對稱金屬氧化物半導(dǎo)體)器件。
如圖11所示，CMOS器件由N型TFT C1和P型TFT C2組成，他們由彼此處于推拉輸出電路形式的轉(zhuǎn)換器驅(qū)動。因為CMOS器件C消耗的電功率較小，所以是一個非常適宜的電路。這類CMOS器件要求很快的操作特性，和由本發(fā)明方法生成的多晶硅組成的有源層可以達到的一些特性。另外，因為圖11所示的TFT T由根據(jù)本發(fā)明原理制成的多晶硅形成，這種TFT具有很高的電子遷移性，所以提高了顯示質(zhì)量。
下面將說明CMOS器件C和薄膜晶體管T的制造方法。此時，假設(shè)薄膜晶體管T為N型。
首先，在一個透明襯底150上形成一緩沖層152。并在緩沖層152上形成包含氫氣的非晶硅(a-Si∶H)層。然后將非晶硅脫氫。之后，使用前述方法中的一種(第一或第二實施例)使非晶硅層結(jié)晶，由此形成多晶硅層。
然后對多晶硅層進行構(gòu)圖以形成第一至第三有源層154、156和158。將第一多晶硅有源層154分成一個有源通道區(qū)154a和兩個設(shè)置在有源通道區(qū)154a兩側(cè)上的參雜區(qū)154b。另外，將第二多晶硅有源層156分成一個有源通道區(qū)156a和兩個參雜區(qū)156b，并且將第三多晶硅有源層158分成一個有源層158a和兩個參雜區(qū)158b。在緩沖層152上形成第一絕緣層160并由此覆蓋多晶硅有源層154、156和158。然后，在第一絕緣層160上，具體在有源通道區(qū)154a、156a、158a之上形成柵電極162、164和166。
之后，在利用柵電極162、164和166作為掩模的同時對參雜區(qū)154b、156b和158b進行參雜。參雜區(qū)154b和156b摻n+離子，而參雜區(qū)158b摻p+離子。因此，晶體管T和C1變?yōu)镹型半導(dǎo)體，而晶體管C2變?yōu)镻型半導(dǎo)體。
之后，在第一絕緣層160上形成第二絕緣層168以覆蓋柵電極162、164和166。再對第一和第二絕緣層160和168進行構(gòu)圖以形成暴露摻雜區(qū)154b、156b和158b的接觸孔。對第一和第二絕緣層160和168進行構(gòu)圖后，在第二絕緣層168上形成金屬層。然后對金屬層進行構(gòu)圖以形成源極170a、172a和174a以及漏極170b、172b和174b。如圖11所示，源極170a、172a和174a分別接觸晶體管右側(cè)上的參雜區(qū)154b、156b和158b。之后，形成薄膜晶體管T和CMOS器件C。然后在第二絕緣層168上形成鈍化層176以覆蓋所有的晶體管T、C1和C2。然后對鈍化層176進行構(gòu)圖以暴露薄膜晶體管T的漏極170b部分。由此，使鈍化層176上形成的像素電極178與薄膜晶體管T的漏極170b相接觸。
利用由本發(fā)明第一和第二實施例的方法結(jié)晶的多晶硅制造如圖11所示的開關(guān)器件和操作器件，由此可以實質(zhì)性地縮短制造時間和提高產(chǎn)量。
根據(jù)本發(fā)明的SLS方法，由于其中所用的掩模具有梯形的層疊光透射部分，所以相比現(xiàn)有技術(shù)的方法而言，極大地縮短了非晶硅膜結(jié)晶的時間和制造時間。另外，還可以控制晶粒的尺寸。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)和范圍的前提下，對非晶硅結(jié)晶的方法可以作各種變型和改變。因而，本發(fā)明將覆蓋落入權(quán)利要求范圍內(nèi)的各種變型和變化。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)晶非晶硅膜的方法，包括在襯底上形成一非晶硅膜；用一束穿過掩模的激光束照射非晶硅膜，以形成橫向生長的晶粒；相對于襯底橫向移動掩模；和進行第二次結(jié)晶，以在結(jié)晶的硅顆粒區(qū)域附近使橫向生長的晶粒繼續(xù)生長；其中掩模包括一個用于阻擋激光束的光吸收部分，和具有層疊圖案的多個第一梯形光透射部分和具有層疊圖案的第二梯形光透射部分，其中第一和第二梯形光透射部分允許激光束通過，第二光透射部分位于第一光透射部分之間，每個層疊部分具有固定的寬度；其中將掩模相對于襯底橫向移動一段相當于每個層疊部分寬度的距離；和其中穿過掩模的激光束使非晶硅膜熔化成液態(tài)硅，其中由橫向生長晶粒和結(jié)晶的硅顆粒組成的多個晶粒生長區(qū)通過固化液態(tài)硅而形成，并且通過從液態(tài)硅和固態(tài)硅之間的界面橫向生長形成橫向生長的晶粒。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第二光透射部分具有少于第一光透射部分的層疊層數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于將掩模相對于襯底多次橫向移動以暴露先前形成的結(jié)晶的硅顆粒區(qū)域，以使得橫向生長的晶?？v向生長。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于非晶硅膜在橫向結(jié)晶之后，將掩模相對于襯底縱向移動，并接著將掩模相對于襯底沿橫向移動，進行第二次橫向結(jié)晶。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于每個光透射部分中最短一層的長度小于或等于橫向晶粒生長最大長度的兩倍。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分各層的長度按照下列公式計算XN＝[X(N-1)+GN]，其中N為大于1的自然數(shù)(N＞1)，XN為第N個矩形圖案的長度，GN為第N個矩形圖案中橫向晶粒生長的長度。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分各層的長度按照下列公式計算XN≤[X(N-1)+2GN，其中N為大于1的自然數(shù)(N＞1)，XN為第N個矩形圖案的長度，GN為第N個矩形圖案中橫向晶粒生長的長度。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于GN約為2微米。
9.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分中最短一層的長度為2微米。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分中各層的步進距離基本相等。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于光透射部分中各層的步進距離等于或小于晶粒橫向生長的最大長度。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于固定寬度為100微米～10毫米。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于結(jié)晶的硅顆粒區(qū)包括多晶硅顆粒。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于掩模移動的距離為100微米～10毫米。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第一光透射部分被分開的距離小于第二光透射部分的最長一層的長度。
16.一種連續(xù)橫向固化(SLS)的掩模，包括一個用于阻擋激光束的光吸收部分；多個具有層疊圖案的第一梯形光透射部分；和具有層疊圖案的第二梯形光透射部分；其中第一和第二光透射部分用于透過激光束。
17.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于第二光透射部分具有少于第一光透射部分的層疊層數(shù)。
18.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于每個光透射部分中最短一層的長度大于或等于長度上僅長于最短一層的那一層長度的一半。
19.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于光透射部分各層的長度按照下列公式計算XN＝[X(N-1)+GN]，其中N為大于1的自然數(shù)(N＞1)，XN為第N個矩形圖案的長度，GN為光透射部分中最短一層的長度的一半。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于GN約為1微米。
21.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于光透射部分各層的長度按照下列公式計算XN≤[X(N-1)+2GN]，其中N為大于1的自然數(shù)(N＞1)，XN為第N個矩形圖案的長度，GN為光透射部分中最短一層的長度的一半。
22.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于光透射部分中最短一層的長度為2微米。
23.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于光透射部分中各層的步進距離基本相等。
24.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于光透射部分中各層的步進距離小于或等于最短一層長度的一半。
25.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于光透射部分中各層的寬度為100微米～10毫米。
26.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于第一光透射部分被分開的距離小于第二光透射部分的最長一層的長度。
27.如權(quán)利要求16所述的掩模，其特征在于第二光透射部分具有少于第一光透射部分的層疊層數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種掩模和其在非晶硅連續(xù)橫向固化(SLS)結(jié)晶方法中的應(yīng)用。該掩模包括一個用于阻擋激光束的光吸收部分，和具有層疊圖案的多個第一梯形光透射部分和具有層疊圖案的第二梯形光透射部分，其中第一和第二梯形光透射部分允許激光束通過并包括多個相鄰的矩形圖案。第二光透射部分位于第一光透射部分之間并具有少于第一光透射部分的梯形圖案數(shù)。操作中，在用激光束進行SLS結(jié)晶時，掩模橫向移動一段不大于梯形圖案寬度的距離。第一和第二光透射部分控制晶粒的生長，從而可形成高質(zhì)量的多晶硅。
文檔編號H01L29/786GK1396317SQ0212283
公開日2003年2月12日 申請日期2002年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月7日
發(fā)明者梁明秀 申請人:Lg菲利浦Lcd株式會社