專利名稱：非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶顯示裝置的制造方法，特別是涉及用于確保均勻度和優(yōu)良的元件性能的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法。
背景技術(shù)：
作為在利用液晶顯示裝置(Liquid Crystal Display)或有機(jī)EL(Electroluminecent)材料的有機(jī)發(fā)光顯示裝置(Organic Light EmittingDisplay)等中使用的開(kāi)關(guān)元件的薄膜晶體管(Thin Film TransistorTFT)，在所述平板顯示裝置的性能中是最重要的構(gòu)成要素。
在這里，作為判斷所述TFT性能基準(zhǔn)的遷移率(mobility)或漏電流(leakage current)等主要受作為電荷傳送體移動(dòng)路徑的活性層(activelayer)材料的硅薄膜具有何種狀態(tài)(state)或何種結(jié)構(gòu)的影響。例如現(xiàn)有常用的液晶顯示裝置，TFT的活性層大部分是非晶質(zhì)硅(amorphous Si下面稱作a-Si)膜。
但是，因?yàn)榛钚詫邮褂胊-Si膜的a-Si TFT遷移率在0.5cm2/Vs上下非常低，所以限制放入液晶顯示裝置制作全部開(kāi)關(guān)元件。這意味著，液晶顯示裝置的外部電路用驅(qū)動(dòng)元件必須非常迅速地動(dòng)作，但因a-Si TFT不能滿足外部電路用驅(qū)動(dòng)元件所要求的動(dòng)作速度，所以作為所述a-Si TFT實(shí)現(xiàn)外部電路用驅(qū)動(dòng)元件實(shí)際上存在困難。
因而，制造液晶顯示裝置中，外部電路用驅(qū)動(dòng)部件，例如驅(qū)動(dòng)電路、各種控制器和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器等，通過(guò)在單晶硅膜上集成的元件構(gòu)成，與驅(qū)動(dòng)液晶顯示裝置必須的迅速的動(dòng)作速度對(duì)應(yīng)，a-Si TFT具有開(kāi)關(guān)功能的同時(shí)由于表示為確保圖像質(zhì)量必須的低漏電特性，所以適用于作為像素開(kāi)關(guān)元件。
而作為活性層應(yīng)用多晶硅(下面稱作poly-Si)膜的poly-Si TFT，由于遷移率高達(dá)數(shù)十～數(shù)百cm2/Vs，可以加速為可對(duì)應(yīng)外部電路用驅(qū)動(dòng)元件的高驅(qū)動(dòng)速度。因此，如在玻璃基板上形成poly-Si膜，則不僅可實(shí)現(xiàn)像素開(kāi)關(guān)元件，還可實(shí)現(xiàn)外部電路用驅(qū)動(dòng)部件等。由此，不僅不必要外部電路形成中必要的其他模制工序，而且形成像素區(qū)域時(shí)可甚至一同形成外部電路用驅(qū)動(dòng)元件，因此可期待降低外部電路用驅(qū)動(dòng)部件的費(fèi)用。
不僅如此，因?yàn)閜oly-Si TFT具有高遷移率可制作得比a-Si TFT小，并且通過(guò)集成工序可同時(shí)形成外部電路驅(qū)動(dòng)元件和像素區(qū)域的開(kāi)關(guān)元件，所以更加容易線寬細(xì)化并非常有利于得到用a-Si TFT-LCD難以實(shí)現(xiàn)的高分辨率。
并且，因所述poly-Si TFT具有高的電流特性，所以適合作為下一代平板顯示裝置的有機(jī)發(fā)光顯示裝置的驅(qū)動(dòng)元件，因此最近在非常積極地進(jìn)行在玻璃基板上形成poly-Si膜制造TFT的poly-Si TFT的研究和應(yīng)用所述有機(jī)發(fā)光顯示裝置的研究。
作為在玻璃基板上形成所述poly-Si膜的方法，例如有在a-Si膜蒸鍍后進(jìn)行規(guī)定的熱處理使所述a-Si膜結(jié)晶的方法。但是這種情況因在600℃以上的高溫玻璃基板發(fā)生變形使可靠性和成品率下降。
由此，作為可不導(dǎo)致玻璃基板發(fā)生熱損傷(thermal damage)僅使a-Si膜結(jié)晶的方法，可以使用激元激光器退火(Excimer Laser AnnealingELA)方法。
根據(jù)ELA工序，通過(guò)激光照射熔化a-Si膜(melting)后，再使其凝固(solidification)的同時(shí)結(jié)晶。結(jié)晶時(shí)的晶粒在熔化后凝固的同時(shí)從隨即生成的晶核成長(zhǎng)而形成，此時(shí)所述晶粒根據(jù)激光照射條件的不同具有數(shù)十納米～數(shù)百微米的多種尺寸。
圖1A是用于說(shuō)明現(xiàn)有的ELA工序的平面圖及剖面圖，圖1B是在ELA工序中得到的poly-Si內(nèi)的顯微結(jié)構(gòu)照片。
如圖1A所示，ELA工序以沿掃描方式通過(guò)激元激光器13全面照射在玻璃基板10上蒸鍍100～2000厚的a-Si膜11的方式進(jìn)行，激光13照射的區(qū)域結(jié)晶形成poly-Si膜12。為防止照射激光13期間從玻璃基板10進(jìn)入雜質(zhì)而導(dǎo)致元件特性下降，在玻璃基板10和a-Si膜11之間插入緩沖層14。
所述激光器13照射的a-Si膜11通過(guò)激光器13的能量部分熔化(partial melting)或完全熔化(complete melting)，此時(shí)a-Si膜11結(jié)晶而得到poly-Si膜12內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)如圖1B所示。
在此，在完全熔化前，poly-Si膜內(nèi)的晶粒尺寸一般隨激光器能量增加而變大，在具有最大值后在完全熔化的區(qū)間再減少。為得到優(yōu)良的元件特性，如晶粒體般的結(jié)晶缺陷越少越好，但晶粒的尺寸越大晶粒分布的均勻度(即元件特性的均勻度)就越下降，這成為阻礙元件特性的均勻度的重要原因，使產(chǎn)品可靠性和成品率下降。
由此，為批量制作適宜的poly-Si TFT優(yōu)良的元件特性是重要的，但還要求元件特性的均勻度。因此，把通過(guò)ELA工序結(jié)晶的poly-Si膜應(yīng)用于產(chǎn)品時(shí)，只能在保障均勻度的范圍內(nèi)應(yīng)用具有適當(dāng)尺寸的晶粒的poly-Si膜。
但是，因?yàn)檫@時(shí)由于晶粒尺寸的限度不能制作遷移率高的poly-Si TFT，同時(shí)，在外部電路集成中也只能是有限性的，所以作為ELA工序在實(shí)現(xiàn)SOG(Silicon On Glass)結(jié)構(gòu)中是有限的。
并且，ELA工序不僅在元件的特性方面有限度，在工序方面也有如下限度。
根據(jù)ELA工序，每束(shot)激光照射能量存在離散，并且在具有300～400μm左右大小的激光光束外部激光能量減少的分布(profile)區(qū)間約在20～30μm左右，所以通常把每束重疊(overlap)在90％或90％以上來(lái)確保均勻度。因此，為將所給區(qū)域完全結(jié)晶，對(duì)相同區(qū)域必須重復(fù)照射至少10次以上，這樣ELA工序在工程效率及費(fèi)用方面是非常不利的。
而James Im等在美國(guó)專利US 6322625和US 6368945中公開(kāi)了在高生產(chǎn)率中保障均勻度并且使晶粒尺寸大的結(jié)晶方法。如圖2A所示，稱作連續(xù)側(cè)向結(jié)晶(Sequential Lateral Solidification下面稱作SLS)的方法，是在激光23和a-Si膜21之間配置規(guī)定的掩膜25，以所需的形態(tài)照射激光光束使所述a-Si膜結(jié)晶的方法。并且，在實(shí)際的工序中可在所述掩膜25和a-Si膜21之間配置規(guī)定的光學(xué)系統(tǒng)25a，以規(guī)定比例縮小，向a-Si膜21照射通過(guò)所述掩膜21的激光20。在圖2A中，分別以附圖符號(hào)20表示玻璃基板、用24表示緩沖層。
在此，作為用于實(shí)現(xiàn)SLS概念的方案，可舉出2-束SLS工序。圖2B是表示2-束SLS工序中使用的掩膜的平面圖，如所示，2-束SLS工序用掩膜25具有兩列的縫隙陣列(slit array)相錯(cuò)開(kāi)而配置的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)2-束SLS工序，通過(guò)作為圖2B所示的掩膜25內(nèi)空隙區(qū)域的縫隙圖案(slit pattern)26第一次照射激光。如圖2C所示，此時(shí)，在縫隙圖案26區(qū)域的a-Si膜部分進(jìn)行結(jié)晶，此時(shí)，在各縫隙圖案26區(qū)域的結(jié)晶，通過(guò)晶粒成長(zhǎng)從縫隙圖案的邊緣部開(kāi)始向縫隙圖案中心部進(jìn)行，在兩個(gè)邊緣部成長(zhǎng)起來(lái)的晶粒在縫隙圖案中心部會(huì)合終止。由此，在結(jié)晶區(qū)域的中心部通過(guò)晶粒之間的碰撞生成突出部(protrusion)210。
而這種現(xiàn)象，在激光照射后，在熔化的硅冷卻同時(shí)在縫隙圖案中心附近自然生成核前，以從縫隙圖案26的邊緣部成長(zhǎng)起來(lái)的晶粒在中心部會(huì)合的方式使縫隙圖案的寬度W充分小到3～5μm左右才有可能。假設(shè)縫隙圖案26的寬度W相當(dāng)寬，從縫隙圖案26的邊緣部成長(zhǎng)的晶粒，在從中心部與從相對(duì)的縫隙圖案的邊緣成長(zhǎng)起來(lái)的晶粒會(huì)合前，在中心附近區(qū)域通過(guò)生成核來(lái)生成poly-Si，從而使結(jié)晶后的結(jié)晶性下降，結(jié)果使元件特性和均勻度降低。
其次，仔細(xì)觀察第一次激光照射后的結(jié)晶狀態(tài)，如圖2C的下側(cè)所示，側(cè)向成長(zhǎng)的長(zhǎng)度Lg是縫隙圖案26寬度W的約1/2左右，突出部210生成保持一定間隔Sp1同時(shí)又結(jié)晶的區(qū)域。在各結(jié)晶區(qū)域內(nèi)存在有成長(zhǎng)到結(jié)晶開(kāi)始部的微細(xì)晶粒區(qū)域212和突出部210處長(zhǎng)的晶粒220。即，第一次照射后，就可以以與掩膜25內(nèi)的縫隙陣列同樣的形態(tài)呈現(xiàn)結(jié)晶區(qū)域陣列?？p隙陣列形態(tài)的各結(jié)晶區(qū)中部分未結(jié)晶的a-Si膜21的區(qū)域以和縫隙圖案26間的間隔d1類似的寬度存在。
所述第一次激光照射后，由于存在未結(jié)晶的a-Si區(qū)域，為全部結(jié)晶a-Si膜，通過(guò)圖2B所示的掩膜25的縫隙圖案26進(jìn)行第一次激光照射。此時(shí)，所述第二次激光照射，通過(guò)從第一次激光照射后的結(jié)晶區(qū)域以規(guī)定距離移動(dòng)基板后，再照射激光的方式進(jìn)行。移動(dòng)距離約與縫隙長(zhǎng)度L相同或稍小。由于在圖2B所示的掩膜25中兩列縫隙陣列錯(cuò)開(kāi)配置第二次照射區(qū)域稍重疊在第一次照射未結(jié)晶的整個(gè)部分和第一次照射后的結(jié)晶區(qū)域。
圖2D是用于說(shuō)明第二次激光照射后的結(jié)晶狀態(tài)的圖。第二次激光照射時(shí)熔化的區(qū)域，例如附圖符號(hào)216a和216b之間的區(qū)域，不僅是第一次激光照射后未進(jìn)行結(jié)晶的區(qū)域，而且也含有第一次激光照射時(shí)結(jié)晶的區(qū)域的一部分。附圖符號(hào)216、216a、216b是第二次照射后熔化的液態(tài)-Si和殘留的poly-Si區(qū)域，即第一次激光照射時(shí)結(jié)晶的部分中第二次照射后未熔化而殘留的部分，例如附圖符號(hào)216和216b之間部分的區(qū)域。由此，在第二次激光照射后，在這些邊界熔化的區(qū)域內(nèi)第一次激光照射時(shí)形成的晶粒作為籽晶(seed)的作用而成長(zhǎng)，兩邊緣的籽晶成長(zhǎng)在中心部會(huì)合而完成結(jié)晶，與第一次激光照射時(shí)同樣新生成突出部217、217a。
圖2E是表示2-束SLS工序后結(jié)晶得到的poly-Si膜內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)照片。
這種2-束SLS工序，通過(guò)第二次激光照射完成該區(qū)域的結(jié)晶，使該過(guò)程在移動(dòng)設(shè)置了基板的SLS裝備的載物臺(tái)，反復(fù)進(jìn)行整個(gè)基板a-Si膜的結(jié)晶。
這種2-束SLS工序的優(yōu)點(diǎn)在于，不管基板尺寸多大可迅速結(jié)晶寬大區(qū)域，而且工序窗(precess window)寬廣，可在某種程度控制比上述ELA工序大的晶粒和結(jié)晶的poly-Si膜的微觀結(jié)構(gòu)。
但是，由于2-束SLS工序的poly-Si膜也不是單晶，對(duì)提高TFT特性依然有限度。另外，排列成一列的poly-Si晶粒的有序性有可能成為弊端。這是因?yàn)椋魀oly-Si和單晶硅膜配置的有序性與玻璃基板上的像素配置和外部電路配置設(shè)計(jì)不吻合可能出現(xiàn)適得其反效果的緣故。
另外，2-束SLS工序，由于每個(gè)激光束的能量的變動(dòng)(fluctuation)結(jié)晶的寬度有時(shí)出現(xiàn)細(xì)微差別，這有可能在造成突出部間微觀結(jié)構(gòu)些微不同時(shí)，結(jié)果導(dǎo)致均勻度下降。
結(jié)果，通過(guò)所述2-束SLS工序形成的poly-Si膜在確保用于實(shí)現(xiàn)SOG(Silicon-On-Glass)結(jié)構(gòu)的優(yōu)良元件特性上也有限度，從而存在在結(jié)晶的區(qū)域和像素部及外部電路用TFT的配置中必須互相吻合設(shè)計(jì)上的制約。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明是為解決所述現(xiàn)有問(wèn)題而研發(fā)的，其目的在于，提供一種可確保均勻度和優(yōu)良的元件性能的a-Si膜的結(jié)晶方法。
為了達(dá)到所述目的，本發(fā)明的提供一種非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其作為在液晶顯示裝置制造時(shí)把在非晶質(zhì)基板上形成的a-Si通過(guò)熱源的照射結(jié)晶的a-Si膜的結(jié)晶方法，其特征在于，將像素部的TFT形成區(qū)域和外部電路部的TFT形成區(qū)域的a-Si膜部分選擇地進(jìn)行熱源的第一次和第二次照射制成多晶體后，把所述多晶體內(nèi)的晶粒中任何一個(gè)進(jìn)行熱源的第三次照射以所需的位置和大小制成單晶區(qū)域。
在這里，所述熱源可以使用激元激光器、固體激光器、鹵素?zé)艉虲W激光器。
所述第一次至第三次熱源的照射使用掩膜和用于縮小照射的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行，該掩膜為僅照射a-Si膜的一部分具有規(guī)定形態(tài)的縫隙圖案。
所述第一次至第三次熱源的照射通過(guò)掩膜的縫隙圖案的第一次照射后，移動(dòng)基板或掩膜進(jìn)行第二次照射，再使基板或掩膜移至大體規(guī)定距離進(jìn)行用于制成單晶區(qū)域的第三次照射。
所述第三次照射在第一次及第二次熱源照射后，選擇性在重復(fù)區(qū)域形成的晶粒中的任何一個(gè)進(jìn)行照射。
所述第三次照射使用掩膜來(lái)進(jìn)行，該掩膜在籽晶(seed)晶粒上配置比籽晶晶粒小或同樣大小的掩蔽區(qū)域。
在用于制作所述單晶區(qū)域的第三次照射后，再進(jìn)行用于所述單晶區(qū)域長(zhǎng)大的第四次照射。
用于所述熱源的第一次和第二次照射的掩膜配置成以縫隙圖案互相成規(guī)定角度最好是互相垂直，用于熱源的第三次照射的掩膜具有與籽晶相同或比其小的圓形或多邊形的掩蔽區(qū)域。
所述熱源的第四次照射，使用掩膜來(lái)進(jìn)行，該掩膜具有與第三次照射后制成的單晶區(qū)域的大小相同或比其小的圓形或多邊形的掩蔽區(qū)域。
在所述熱源的第一次照射與第二次照射之間和在熱源的第二次照射與第三次照射之間可分別使用具有比所述熱源的第一次照射和第二次照射時(shí)使用的縫隙圖案窄或同樣大小的縫隙圖案的掩膜進(jìn)行熱源的追加照射。
在所述熱源的第一次照射與第二次照射之間和在熱源的第二次照射與第三次照射之間可分別使用掩膜進(jìn)行熱源的追加照射，該掩膜具有分別照射所述熱源的第一次照射和第二次照射時(shí)使用的縫隙圖案的兩側(cè)邊緣部的一對(duì)縫隙圖案。
如上所述，本發(fā)明的方法可將位于玻璃基板或塑料基板等非晶質(zhì)基板上的a-Si膜在所需的位置以所需的大小形成單晶Si膜。由此，可制造可實(shí)現(xiàn)SOG的高性能TFT，并由于是單晶Si所以可很好地改善均勻度。
另外，由于本發(fā)明的方法僅結(jié)晶必要的部分，可節(jié)省工序時(shí)間和費(fèi)用。
另外，作為單晶Si實(shí)現(xiàn)的元件，由于不僅對(duì)應(yīng)具有低的開(kāi)關(guān)速度的外部電路用元件，也對(duì)應(yīng)要求高開(kāi)關(guān)速度的外部電路用元件，所以本發(fā)明的方法可有利地應(yīng)用于高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
同時(shí)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)高性能TFT可在基板上集成的外部電路的部件增多，所以與a-Si或poly-Si產(chǎn)品相比可降低制模的部件費(fèi)用。
此外，單晶Si與poly-Si相比，因?yàn)橛蓜?dòng)作時(shí)間引起的門限電壓移動(dòng)少，所以本發(fā)明的方法可有利地應(yīng)用于制造作為要求高可靠性和元件特性的均勻度的電流驅(qū)動(dòng)型顯示裝置的有機(jī)發(fā)光顯示裝置，而且由低電壓驅(qū)動(dòng)可降低產(chǎn)品的電力消耗。
另外，由于本發(fā)明不僅在大型玻璃基板上，而且在如Si晶片的小型基板上也可實(shí)現(xiàn)使用單晶Si，所以也可應(yīng)用于在半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的集成工序中的SOI(Silicon On Insulator)和三維集成電路工序中。
以上說(shuō)明了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可對(duì)此進(jìn)行修改和變形。由此，本發(fā)明的范圍理解為只要屬于本發(fā)明真正的思想和范圍，所有的修改和變形都包含在本發(fā)明內(nèi)容中。


圖1A是說(shuō)明現(xiàn)有的ELA工序的平面圖及剖面圖，圖1B是表示現(xiàn)有的ELA工序得到的poly-Si膜的微觀結(jié)構(gòu)照片；圖2A是說(shuō)明現(xiàn)有的2-束SLS工序的剖面圖，圖2B是表示說(shuō)明現(xiàn)有的2-束SLS工序使用的掩膜的平面圖，圖2C是說(shuō)明現(xiàn)有的2-束SLS工序的第一次激光照射后的結(jié)晶狀態(tài)圖，圖2D是說(shuō)明現(xiàn)有的2-束SLS工序的第二次激光照射后的結(jié)晶狀態(tài)圖，圖2E是現(xiàn)有的2-束SLS工序得到的多晶硅膜的微觀結(jié)構(gòu)照片；圖3A～圖3D是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施例的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法的圖；圖4A～圖4D是說(shuō)明在圖3a至圖3d階段的結(jié)晶概念的圖；圖5A～圖5B是表示本發(fā)明結(jié)晶方法中使用的掩膜的圖；圖6A～圖6C是說(shuō)明本發(fā)明第二實(shí)施例的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的理想的實(shí)施例。
液晶顯示裝置制造時(shí)，因?yàn)榻Y(jié)晶a-Si膜得到poly-Si膜的現(xiàn)有結(jié)晶方法對(duì)整個(gè)玻璃基板進(jìn)行結(jié)晶工序，所以在均勻度上必然存在問(wèn)題。另外，由于poly-Si膜在確保用于實(shí)現(xiàn)SOG(Silicon-On-Glass)結(jié)構(gòu)的優(yōu)良的元件特性上有限度，從而有在結(jié)晶區(qū)域和像素部及外部電路用TFT配置中必須互相吻合的設(shè)計(jì)上制約。
而單晶Si膜使用任何設(shè)計(jì)方式(scheme)都可確保優(yōu)良的元件特性。特別是，即使所述單晶Si膜僅形成在最小限度像素部的TFT上，在元件的特性方面有利。另外，若在形成單晶Si膜中，局部結(jié)晶單晶Si膜形成，可確保均勻度。
因此，本發(fā)明通過(guò)控制位置和大小來(lái)形成單晶Si膜，由此在提高形成在玻璃基板、塑料基板或絕緣體等非晶質(zhì)基板上的結(jié)晶Si膜時(shí)的結(jié)晶性的同時(shí)確保均勻度。
因此，本發(fā)明利用如激元激光器、固體激光器、鹵素?zé)艏癈W激光器等熱源進(jìn)行局部多重照射，以如下方式進(jìn)行結(jié)晶過(guò)程，首先將第一次照射區(qū)域形成為縫隙形態(tài)，然后，第二次照射區(qū)域也形成為縫隙形態(tài)，但與所述第一次照射區(qū)域成規(guī)定的角度，最好垂直交叉，然后對(duì)重復(fù)第一次及第二次照射區(qū)域的部分再通過(guò)具有點(diǎn)(dot)形態(tài)照射區(qū)域的第三次照射確保單晶區(qū)域，然后通過(guò)第四次照射擴(kuò)大結(jié)晶區(qū)域尺寸。
這此，移動(dòng)放置基板的載物臺(tái)選擇所需的位置，以設(shè)定結(jié)晶位置。本發(fā)明的結(jié)晶方法，與結(jié)晶整個(gè)薄膜的現(xiàn)有ELA或2-束SLS工序不同，僅選擇必要的部分由單晶Si制作。
具體地，圖3A至圖3D和圖4A至圖4D是說(shuō)明本發(fā)明第一實(shí)施例的a-Si結(jié)晶方法的圖，說(shuō)明如下。在此，用于進(jìn)行結(jié)晶工序的掩膜、激光和基板的配置與圖2A所示相同。并且可以理解為，圖3A至圖3D是通過(guò)掩膜在a-Si膜上照射的熱源的狀態(tài)。
圖3A是表示第一次激光照射時(shí)的圖案形態(tài)。如圖所示，在掩蔽圖案30a內(nèi)具有作為空隙區(qū)域32a的規(guī)定長(zhǎng)度Ls1和寬度Ws1的縫隙圖案31a。附圖符號(hào)33a表示掩蔽區(qū)域。
若通過(guò)掩蔽圖案30a的縫隙圖案31a以a-Si膜充分熔化程度的能量進(jìn)行第一次照射，則空隙區(qū)域32a的a-Si膜變成液態(tài)Si后，凝固的同時(shí)進(jìn)行結(jié)晶。所述a-Si膜結(jié)晶后的微觀結(jié)構(gòu)如圖4A所示。
參照?qǐng)D4A，在通過(guò)掩蔽圖案得到的縫隙圖案邊緣(edge)部通過(guò)生成核形成晶核后，晶核的成長(zhǎng)向縫隙圖案的中心部分別在A方向和B方向進(jìn)行的同時(shí)，在縫隙圖案的中心部從兩側(cè)邊緣成長(zhǎng)起來(lái)的晶粒相會(huì)合，制成突出部310，從而結(jié)晶終止。在縫隙圖案邊緣部的生成核區(qū)域309形成的晶粒，成長(zhǎng)速度因結(jié)晶方向而異，互相競(jìng)爭(zhēng)的同時(shí)成長(zhǎng)，優(yōu)先成長(zhǎng)的晶粒307長(zhǎng)大。在晶粒成長(zhǎng)初期出現(xiàn)這種競(jìng)爭(zhēng)性成長(zhǎng)，成為在該區(qū)域眾多晶粒聚集的微細(xì)晶粒區(qū)域。在圖4A中，附圖符號(hào)306表示細(xì)微晶粒區(qū)域，Lg1表示晶粒的側(cè)向成長(zhǎng)的長(zhǎng)度。
圖3B是表示第二次激光照射時(shí)圖案狀態(tài)的圖。如圖所示，掩蔽圖案30b內(nèi)具備的縫隙圖案31b，與第一次照射時(shí)的形態(tài)和實(shí)施方式類似，但其配置成與第一次照射時(shí)垂直。所述縫隙圖案31b具有規(guī)定寬度Ws2和長(zhǎng)度Ls2。第二次激光照射通過(guò)適當(dāng)?shù)哪芰咳刍诒螆D案30b內(nèi)的掩蔽區(qū)域33b以外的空隙區(qū)域32b的a-Si膜進(jìn)行。
結(jié)晶與第一次激光照射時(shí)同樣，晶粒的成長(zhǎng)從縫隙圖案邊緣部分別在A方向和B方向進(jìn)行，在縫隙圖案中心部從兩側(cè)邊緣部成長(zhǎng)起來(lái)的晶粒相會(huì)合，從而終止。
但是，所述第二次激光照射時(shí)的空隙區(qū)域32b，可分為a-Si區(qū)域34和第一次激光照射時(shí)結(jié)晶的重復(fù)區(qū)域35，所述a-Si區(qū)域34，與第一次激光照射時(shí)同樣，通過(guò)借助縫隙圖案邊緣部的核生成形成的晶粒的側(cè)向成長(zhǎng)進(jìn)行結(jié)晶，但因?yàn)樵谒鲋貜?fù)區(qū)域35縫隙圖案邊緣部不是a-Si而是poly-Si，所以在該區(qū)域35的結(jié)晶將所述poly-Si形成籽晶(seed)在熔化Si內(nèi)進(jìn)行晶粒成長(zhǎng)。
更具體地，圖4B是說(shuō)明在重復(fù)區(qū)域的第二次激光照射后到結(jié)晶完成的狀態(tài)的圖。
在第一幅圖中，第二次激光照射區(qū)域320不僅熔化第一次激光照射時(shí)的poly-Si區(qū)域324，也熔化a-Si區(qū)域321。此時(shí)，在照射區(qū)域邊緣部出現(xiàn)熔化的區(qū)域和未發(fā)生熔化的區(qū)域的邊界，但在重復(fù)區(qū)域，第一次激光照射時(shí)形成的poly-Si晶粒的一部分未熔化而作為籽晶晶粒323a、323b、323c、323d起作用。
第二幅圖表示激光照射后，在熔化Si339內(nèi)晶粒成長(zhǎng)的狀態(tài)。在a-Si區(qū)城的晶粒成長(zhǎng)334～337和337a，與第一次激光照射時(shí)類似，從縫隙圖案邊緣部的晶核338成長(zhǎng)。但是，在重復(fù)區(qū)域的晶粒成為從poly-Si籽晶晶粒325～328進(jìn)行的晶粒成長(zhǎng)，晶粒3251～3281在熔化區(qū)域339內(nèi)成長(zhǎng)。在重復(fù)區(qū)域內(nèi)，不僅存在第一次激光照射后長(zhǎng)大的大晶粒325～328作為籽晶成長(zhǎng)的晶粒3251～3281，也存在第一次激光照射后從結(jié)晶區(qū)城邊緣附近的細(xì)微晶粒(圖3B的306、圖4B的333b)成長(zhǎng)的晶粒330～333。第二次激光照射后，結(jié)晶時(shí)的籽晶效果是第一次激光照射后形成的晶粒長(zhǎng)度越長(zhǎng)越明顯，由于第一次激光照射后形成的晶粒長(zhǎng)度不大，所以在所述第一次照射后從結(jié)晶區(qū)域邊緣附近的微細(xì)晶粒(圖3B的306、圖4B的333b)成長(zhǎng)的晶粒330～333有幫助的效果少。
第三幅圖表示第二次激光照射后結(jié)晶完成時(shí)的狀態(tài)。第二次激光照射后的重復(fù)區(qū)域，是由從第一次激光照射時(shí)長(zhǎng)大的晶粒成長(zhǎng)的晶粒3252～3282和第一次激光照射后從細(xì)微晶粒區(qū)域成長(zhǎng)的晶粒3301～3331形成。當(dāng)然，重復(fù)區(qū)域的外部區(qū)域照射通過(guò)縫隙圖案的激光后，由表示結(jié)晶后的微細(xì)結(jié)構(gòu)的晶粒3341～3371構(gòu)成。此時(shí)，在第二次照射后的重復(fù)區(qū)域形成的晶粒由現(xiàn)有的2-束SLS工序中看不到的大晶粒構(gòu)成，這樣，在第二次激光照射后在重復(fù)區(qū)域形成的大晶粒，在其后的第三次照射時(shí)再次作為附加結(jié)晶的必要的籽晶結(jié)晶使用。
圖3C是說(shuō)明第三次激光照射時(shí)的掩蔽圖案配置和結(jié)晶概念的圖。如圖所示，掩蔽圖案30c由表示特定區(qū)域的掩蔽區(qū)域33c和其以外的空隙區(qū)域32c形成。第三次激光照射是在第二次激光照射后的重復(fù)區(qū)域形成的大晶粒中選擇一個(gè)3253，在所述選擇的晶粒上排列掩蔽區(qū)域33c而進(jìn)行。此時(shí)，使掩蔽區(qū)域33c的尺寸小于或等于籽晶結(jié)晶，其形態(tài)可用圓形和多邊形等任意形態(tài)。
第三次激光照射，以熔化掩蔽區(qū)域33c以外的空隙區(qū)域32c設(shè)定激光能量進(jìn)行。第三次激光照射的結(jié)果，除掩蔽區(qū)域33c的Si晶粒，熔化含使有第二次激光照射后形成的poly-Si區(qū)域的全部區(qū)域。結(jié)晶將位于掩蔽區(qū)域33c的Si晶粒作為籽晶在熔化的Si區(qū)域內(nèi)成長(zhǎng)。晶粒成長(zhǎng)進(jìn)行到熔化的Si冷卻同時(shí)與自然生成核形成的晶粒會(huì)合時(shí)為止。如圖4C所示，最終成長(zhǎng)的晶粒直徑，相當(dāng)于晶種的半徑和籽晶結(jié)晶從液態(tài)Si的邊界(圖4C的3461)成長(zhǎng)的長(zhǎng)度Lg3之和的兩倍左右。
圖4C是第三次激光照射后完成結(jié)晶的狀態(tài)的示意圖。如圖所示，原來(lái)是籽晶的區(qū)域3451和通過(guò)在新成長(zhǎng)的區(qū)域348以及熔化區(qū)域內(nèi)由自然生成核成長(zhǎng)形成的poly-Si區(qū)域349設(shè)置邊界350而形成。因?yàn)樗鰌oly-Si區(qū)域349內(nèi)的晶粒通過(guò)自然生成核形成，所以晶粒的尺寸小。在這里，第三次激光照射，通過(guò)從第二次激光照射后得到的Si晶粒選擇一個(gè)作為籽晶使用，可使單晶Si成長(zhǎng)。
因此，本發(fā)明把規(guī)定形態(tài)的縫隙圖案，通過(guò)第一次、第二次及第三次激光照射，在所需的位置上以所需的大小使單晶Si膜成長(zhǎng)。例如，用于形成TFT的Si活性層，僅在TFT形成區(qū)域進(jìn)行第一次、第二次及第三次激光照射后，把作為其結(jié)果形成的單晶Si區(qū)域通過(guò)適當(dāng)?shù)男螒B(tài)蝕刻而得到。
如圖3D所示，在根據(jù)需要再次希望培育單晶Si膜時(shí)，對(duì)具有比第三次激光照射形成的單晶Si區(qū)域小或相同的掩蔽區(qū)域33d的掩蔽圖案30d，進(jìn)行第四次激光照射。此時(shí)，掩蔽區(qū)域33d的大小，比第三次激光照射時(shí)的掩蔽區(qū)域33c大，因而可使單晶Si區(qū)域擴(kuò)大。
此時(shí)，在除去掩蔽區(qū)域33d的Si部分的第三次激光照射時(shí)形成的單晶Si區(qū)域的一部分3481和poly-Si區(qū)域3491因?yàn)槭强障秴^(qū)域32d故全部熔化，如圖4D所示，結(jié)晶從熔化區(qū)域和單晶Si區(qū)域間的邊界3551通過(guò)側(cè)向成長(zhǎng)，成長(zhǎng)一定距離Lg4。
與第三次激光照射時(shí)同樣，在熔化的Si內(nèi)存在由自然生成核成長(zhǎng)的小晶粒形成的poly-Si區(qū)域357，位于poly-Si區(qū)域的晶粒和從籽晶3541發(fā)育的晶粒會(huì)合同時(shí)，通過(guò)第四次照射決定形成的單晶Si的大小。
在第四次激光照射后，在掩蔽區(qū)域的大小和形態(tài)一直發(fā)育的同時(shí)重復(fù)所述工序，根據(jù)照射的次數(shù)可以使各種形態(tài)單晶Si成長(zhǎng)。另外，如上所述，可把形成的單晶Si蝕刻成所需的形態(tài)用作TFT的活性層圖案。形成單晶Si的位置，可通過(guò)移動(dòng)放置基板的載物臺(tái)或掩膜，最好是通過(guò)移動(dòng)載物臺(tái)而進(jìn)行控制。
結(jié)果，本發(fā)明的結(jié)晶方法可不必使a-Si膜的全部區(qū)域結(jié)晶，通過(guò)僅把必要的部分由單晶Si膜結(jié)晶，通過(guò)形成單晶Si而提高像素部及外部電路用TFT的特性，同時(shí)也確保均勻度。
圖5A及圖5B是表示用于實(shí)現(xiàn)第一次～第四次激光照射的掩膜的例圖。
激光透過(guò)掩膜50a、50b而具有規(guī)定的圖案形態(tài)。根據(jù)需要激光可通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)縮小僅照射要結(jié)晶的部分。各束可分別使用掩膜，但為了提高照射位置的正確度和生產(chǎn)率，希望在一個(gè)掩膜內(nèi)制作對(duì)應(yīng)各照射的空隙區(qū)域移動(dòng)基板或掩膜對(duì)所需的位置實(shí)施照射。
照射方式可利用使掩膜和基板在一個(gè)方向移動(dòng)順次照射，或在X或Y方向移動(dòng)順次照射，或者使基板和掩膜旋轉(zhuǎn)順次照射進(jìn)行。
圖5A是在掩膜固定狀態(tài)下從右向左移動(dòng)基板并同時(shí)進(jìn)行照射或在基板固定狀態(tài)下從左向右移動(dòng)掩膜并同時(shí)進(jìn)行照射時(shí)使用的掩膜。在掩膜50a內(nèi)插入對(duì)應(yīng)1～第四次激光照射時(shí)的圖案51～55。其順序是，第一次照射后移動(dòng)大約規(guī)定的距離，以符合所述結(jié)晶概念決定照射位置，進(jìn)行第二次照射，然后在移動(dòng)大約規(guī)定的距離同時(shí)進(jìn)行第三次和第四次激光照射。
圖5B是在使掩膜或設(shè)置基板的載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行照射使用的掩膜。
作為本發(fā)明另一實(shí)施例，為選擇性地使a-Si膜結(jié)晶可以使用如圖6A所示的掩膜。為表示各激光照射階段照射位置，把1～第四次激光照射時(shí)的各圖案邊界用虛線重合表示。
如圖所示，在掩膜60a內(nèi)具有激光不能透過(guò)的掩蔽區(qū)域63a和透過(guò)激光的空隙區(qū)域62a。掩膜60a的內(nèi)部與所述掩膜的內(nèi)部幾乎相同，第三次及第四次照射時(shí)的掩蔽區(qū)域?yàn)樗倪呅?，用于使第一次及第二次激光照射后在重?fù)區(qū)域形成的晶粒形成籽晶的第三次激光照射時(shí)的掩蔽區(qū)域的配置，是正確排列在第一次及第二次激光照射時(shí)的縫隙中心部的交叉地點(diǎn)的形態(tài)。
這些掩膜60a內(nèi)的圖案通過(guò)如上所述的如投射透鏡的規(guī)定的光學(xué)系統(tǒng)，照射要結(jié)晶的試片。通常，以1/5左右的規(guī)定倍數(shù)縮小。
為了抑制重復(fù)區(qū)域邊緣出現(xiàn)的不需要的晶粒發(fā)生，可在如前面圖6A所示的掩膜60a中以對(duì)再次實(shí)施第一次及第二次照射時(shí)的交差縫隙部分設(shè)計(jì)掩膜共進(jìn)行六次照射，也可再次進(jìn)行第一次或第二次照射，通過(guò)五次照射完成結(jié)晶。
圖6B是說(shuō)明本發(fā)明的又一實(shí)施例的a-Si膜的結(jié)晶方法的圖。如圖所示，該實(shí)施例中的掩膜60b與圖60A同樣在其內(nèi)部具有掩蔽區(qū)域63b和空隙區(qū)域62b。另外，在該實(shí)施例中，在圖6A的實(shí)施中，應(yīng)用比在第一次及第二次激光照射時(shí)應(yīng)用的縫隙圖案更寬的縫隙圖案進(jìn)行第一次和第三次照射。此時(shí)，因?yàn)榭p隙圖案寬，激光照射后不僅存在從縫隙圖案邊緣部長(zhǎng)大的晶粒，還存在中心部通過(guò)自然生成核形成的poly-Si區(qū)域。然而，應(yīng)用第二次及第四次縫隙的照射，熔化這些poly-Si區(qū)域整體與第一次和第三次照射時(shí)從邊緣部側(cè)向成長(zhǎng)而長(zhǎng)大的晶粒一部分。即，在第一次激光照射后通過(guò)側(cè)向成長(zhǎng)形成的晶粒，第二次照射后長(zhǎng)得更大在中心部會(huì)合，第三次照射時(shí)形成的晶粒長(zhǎng)得更大。
另外，該實(shí)施例與圖6A的實(shí)施例比較，可進(jìn)一步減小在重復(fù)區(qū)域邊緣部成長(zhǎng)的不需要的細(xì)微晶粒的影響。這是因?yàn)榈谒拇渭す庹丈浜笮纬傻木Я＃仁褂脠D6A的掩膜時(shí)在第二次照射后在重復(fù)區(qū)域形成的晶粒更大。因此，在用于選擇重復(fù)區(qū)域的大晶粒制作單晶Si圖案的第五次照射時(shí)，在照射位置的排列側(cè)向進(jìn)一步增加余量，由此，第五次激光照射時(shí)掩蔽圖案可更加遠(yuǎn)離重復(fù)區(qū)域邊緣部分而配置，由此可更容易地得到單晶Si圖案。
同樣，第六次激光照射是用于進(jìn)一步培育第五次激光照射時(shí)形成的單晶Si圖案。根據(jù)需要在第一次或第三次照射中可僅使用第一次寬的縫隙，還可以對(duì)第一次～第四次照射的次序進(jìn)行各種變更。
結(jié)果是，按照該實(shí)施例，使用交叉縫隙的照射時(shí)，可以減少重復(fù)區(qū)域附近的不需要的細(xì)微晶粒的影響，更可靠地制造單晶Si。
而第一次及第三次照射，可使用與前面實(shí)施例的第一次及第二次照射時(shí)的掩膜同樣的掩膜來(lái)進(jìn)行，同時(shí)，還可以使用具有比所述第一次及第三次照射時(shí)的縫隙圖案更窄或同樣大小的縫隙圖案的掩膜來(lái)進(jìn)行第二次和第四次照射。此時(shí)，結(jié)晶以如所述的概念進(jìn)行。
作為本發(fā)明的又一實(shí)施例，使用如圖6C所示的掩膜進(jìn)行結(jié)晶必要的照射。在該實(shí)施例中，在第一次照射后在縫隙圖案邊緣部生成的細(xì)微晶粒在第二次照射時(shí)除去的同時(shí)，在第一次照射后長(zhǎng)大至突出部的地方的晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大。由此，更容易得到第三次照射后的單晶Si區(qū)域。不僅如此，第三次照射后即使在重復(fù)區(qū)域邊緣部產(chǎn)生不需要的細(xì)微晶粒的區(qū)域，通過(guò)第四次照射可取除邊緣部的細(xì)微晶粒，進(jìn)一步培育第三次照射時(shí)產(chǎn)生的單晶區(qū)域。這樣，可通過(guò)其后的第五次及第六次照射，更容易得到單晶Si圖案，然后發(fā)育長(zhǎng)大。
該實(shí)施例是可靠發(fā)育單晶Si圖案的方法之一，在第二次或第四次照射時(shí)，即使僅使用一種縫隙圖案也無(wú)妨。另外，在反復(fù)進(jìn)行1～第四次照射后還可以進(jìn)行第五次及第六次照射。另外，由于可把第一次照射時(shí)的縫隙圖案邊緣部分的不需要的晶粒的影響減至最小，可更容易得到單晶Si圖案。
而在所述本發(fā)明的各實(shí)施例中，第二次照射時(shí)的掩膜的縫隙圖案，與第一次照射時(shí)掩膜的縫隙圖案垂直配置，但也可不垂直而配置成具有規(guī)定的角度。
權(quán)利要求
1.一種非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其在液晶顯示裝置制造時(shí)把在非晶質(zhì)基板上形成的非晶質(zhì)硅膜通過(guò)熱源照射結(jié)晶的方法，其特征在于，把像素部的TFT形成區(qū)域和外部電路部的TFT形成區(qū)域的非晶質(zhì)硅膜部分選擇地進(jìn)行熱源的第一次和第二次照射制成多晶體后，把所述多晶體內(nèi)的晶粒中任何一個(gè)進(jìn)行熱源的第三次照射以所需的位置和大小制成單晶區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，所述熱源從激元激光器、固體激光器、鹵素?zé)艉虲W激光器構(gòu)成的組中選擇任何一種使用。
3.如權(quán)利要求1中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，所述第一次至第三次熱源的照射使用掩膜和用于縮小照射的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行，該掩膜為僅照射非晶質(zhì)硅膜的一部分具有規(guī)定形態(tài)的縫隙圖案。
4.如權(quán)利要求3中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，所述熱源的照射，通過(guò)掩膜的縫隙圖案的第一次照射后，移動(dòng)基板或掩膜進(jìn)行第二次照射，再使基板或掩膜移至大體規(guī)定距離進(jìn)行用于制成單晶區(qū)域的第三次照射。
5.如權(quán)利要求4中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，所述第三次照射在第一次及第二次熱源照射后，選擇性在重復(fù)區(qū)域形成的晶粒中的任何一個(gè)進(jìn)行照射。
6.如權(quán)利要求4中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，所述第三次照射使用掩膜來(lái)進(jìn)行，該掩膜在籽晶(seed)晶粒上配置比籽晶晶粒小或同樣大小的掩蔽區(qū)域。
7.如權(quán)利要求4中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，在用于制作所述單晶區(qū)域的第三次照射后，再進(jìn)行用于所述單晶區(qū)域長(zhǎng)大的第四次照射。
8.如權(quán)利要求3中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，用于所述熱源的第一次和第二次照射的掩膜配置成以縫隙圖案互相成規(guī)定角度的方式，用于熱源的第三次照射的掩膜具有與籽晶相同或比其小的圓形或多邊形的掩蔽區(qū)域。
9.如權(quán)利要求3或8中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，用于所述熱源的第一次和第二次照射的掩膜配置成以縫隙圖案互相垂直的方式。
10.如權(quán)利要求8中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，所述熱源的第四次照射，使用掩膜來(lái)進(jìn)行，該掩膜具有與第三次照射后制成的單晶區(qū)域的大小相同或比其小的圓形或多邊形的掩蔽區(qū)域。
11.如權(quán)利要求3中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，在所述熱源的第一次照射與第二次照射之間和在熱源的第二次照射與第三次照射之間分別使用具有比所述熱源的第一次照射和第二次照射時(shí)使用的縫隙圖案窄或同樣大小的縫隙圖案的掩膜進(jìn)行熱源的追加照射。
12.如權(quán)利要求1中所述的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法，其特征在于，在所述熱源的第一次照射與第二次照射之間和在熱源的第二次照射與第三次照射之間分別使用掩膜進(jìn)行熱源的追加照射，該掩膜具有分別照射所述熱源的第一次照射和第二次照射時(shí)使用的縫隙圖案的兩側(cè)邊緣部的一對(duì)縫隙圖案。
全文摘要
一種在玻璃基板或塑料基板等非晶質(zhì)基板上形成單晶Si膜的方法。其是在液晶顯示裝置制造時(shí)把在非晶質(zhì)基板上形成的非晶質(zhì)硅膜通過(guò)熱源的照射而結(jié)晶的非晶質(zhì)硅膜的結(jié)晶方法。其對(duì)像素部的TFT形成區(qū)域和外部電路部的TFT形成區(qū)域的非晶質(zhì)硅膜部分選擇地進(jìn)行熱源的第一次和第二次照射制成多晶體后，對(duì)所述多晶內(nèi)的晶粒中的任何一個(gè)進(jìn)行熱源的第三次照射以所需的位置和大小制成單晶區(qū)域。本發(fā)明因?yàn)椴槐厥狗蔷з|(zhì)硅膜的全部區(qū)域結(jié)晶，而僅將必要的部分通過(guò)單晶硅膜結(jié)晶，所以在提高像素部和外部電路部用的TFT特性的同時(shí)可確保均勻度。
文檔編號(hào)H01L21/20GK1622280SQ20041005776
公開(kāi)日2005年6月1日 申請(qǐng)日期2004年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月26日
發(fā)明者柳明官, 李鎬年, 樸宰徹, 金億洙, 孫暻錫, 李俊昊, 權(quán)世烈 申請(qǐng)人:京東方顯示器科技公司