專利名稱：用于連續(xù)橫向固化的非晶硅淀積的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及非晶硅淀積，具體涉及用于連續(xù)橫向固化(sequential lateralsolidification)(SLS)的非晶硅淀積方法。
背景技術(shù)：
對厚度薄，重量輕，并且功耗低的平板顯示器設(shè)備有很大需求。平板顯示器設(shè)備可以分為兩種基本類型。一種類型是通過發(fā)射光來顯示圖像的光發(fā)射顯示設(shè)備，另一種類型是使用外部光源來顯示圖像的光接收顯示設(shè)備。等離子體顯示板(PDP)，場致發(fā)射顯示(FED)設(shè)備，和電致發(fā)光顯示設(shè)備是光發(fā)射顯示器的例子。液晶顯示器是光接收顯示器的例子。液晶顯示器廣泛用于膝上型計(jì)算機(jī)和臺式監(jiān)視器，因?yàn)槠渚哂袃?yōu)良的分辨率、顏色范圍和圖像質(zhì)量。
液晶顯示器(LCD)設(shè)備使用液晶分子的光學(xué)各向異性和極化性質(zhì)來產(chǎn)生圖像。液晶分子由于其長、薄的形狀而具有確定的定向?qū)?zhǔn)(orientationalalignment)。定向?qū)?zhǔn)可以由一個(gè)施加的電場來控制。換句話說，當(dāng)一個(gè)施加的電場變化時(shí)，液晶分子的對準(zhǔn)也變化。由于光學(xué)各向異性，入射光的折射取決于液晶分子的定向?qū)?zhǔn)。因此，通過適當(dāng)?shù)乜刂扑┘拥碾妶?，可以產(chǎn)生希望的光圖像。
雖然已知有多種類型的液晶顯示設(shè)備，其中具有以陣列布置的薄膜晶體管(TFT)和像素電極的有源矩陣液晶顯示器(AM-LCD)可能是最通用的。這是因?yàn)橛性淳仃嘗CD可以以合理的成本產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。
LCD的TFT一般包括多晶硅(p-Si)或非晶硅(a-Si)作為有源層。由于可以在一個(gè)較低溫度淀積非晶硅(a-Si)以在一個(gè)玻璃襯底上形成一個(gè)薄膜，因此其更廣泛地用于液晶顯示器(LCD)設(shè)備中的開關(guān)元件。但是，非晶硅(a-Si)在用于大面積LCD設(shè)備時(shí)有問題，因?yàn)榉蔷Ч璧碾妼W(xué)特性存在問題。與非晶硅相比，多晶硅在用于TFT開關(guān)元件時(shí)提供更快的顯示器響應(yīng)時(shí)間。因此，多晶硅(p-Si)更適于大面積LCD設(shè)備(例如大型膝上型計(jì)算機(jī)和電視機(jī))，它們需要更大的場效應(yīng)遷移率。
在LCD應(yīng)用的多晶硅形成期間，經(jīng)常使用激光處理技術(shù)。這種多晶硅也可以用于TFT開關(guān)設(shè)備的驅(qū)動電路。
圖1是表示一個(gè)有源矩陣液晶顯示器的主要部件的示意圖。在圖1中，LCD設(shè)備包括一個(gè)襯底2上的驅(qū)動電路3和有源矩陣4。有源矩陣4位于襯底2的中心部分，選通驅(qū)動電路3a和數(shù)據(jù)驅(qū)動電路3b分別位于襯底2的左部和上部。在有源矩陣4中，把多個(gè)選通線6設(shè)置在橫向上，把多個(gè)數(shù)據(jù)線8設(shè)置在縱向(與選通線6垂直)上。各對選通線6和數(shù)據(jù)線8定義了多個(gè)像素區(qū)域。選通驅(qū)動電路3a把地址信號傳送到選通線6，數(shù)據(jù)驅(qū)動電路3b與地址信號同步地把顯示信號傳送到數(shù)據(jù)線。多個(gè)電氣隔離的像素電極10被設(shè)置在像素區(qū)域中。各選通線6和數(shù)據(jù)線8的交叉處是多個(gè)作為開關(guān)元件的薄膜晶體管(TFT)“T”。TFT形成一個(gè)矩陣格式，其中每個(gè)TFT“T”對應(yīng)于一個(gè)特定像素電極10。
選通驅(qū)動電路3a和數(shù)據(jù)驅(qū)動電路3b電氣連接到一個(gè)控制信號輸入端口12，控制信號輸入端口12連接到一個(gè)控制器(未示出)，該控制器控制選通驅(qū)動電路3a和數(shù)據(jù)驅(qū)動電路3b。選通驅(qū)動電路3a和數(shù)據(jù)驅(qū)動電路3b包括CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)晶體管，該晶體管作為倒相器把信號傳送到像素電極10。即，選通驅(qū)動電路3a和數(shù)據(jù)驅(qū)動電路3b是具有移位寄存器的硅薄膜互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)結(jié)構(gòu)。該移位寄存器可以是互補(bǔ)(P型和N型)或單導(dǎo)通(monoconductive)TFT的一個(gè)靜態(tài)或動態(tài)電路。
非常重要的是，與圖1類似的有源矩陣液晶顯示器(AM-LCD)設(shè)備包括具有低OFF狀態(tài)泄漏電流的有源矩陣4和驅(qū)動電路3。此外，重要的是，CMOS晶體管具有高場效應(yīng)遷移率。但是，TFT開關(guān)和CMOS晶體管中使用的多晶硅具有很多晶粒，并因此具有晶界。這些晶粒和晶界中斷了載流子的移動，并且造成有源矩陣元件的退化。如果晶粒更大并且晶界更規(guī)則地分布在多晶硅內(nèi)，那么場效應(yīng)遷移率增大。因此，能產(chǎn)生大晶粒的硅晶化方法是一個(gè)重要方向。
為了解決上述問題，必須控制晶場分布，或者需要一個(gè)單晶器件。在RobertS.Sporilli，M.A.Crowder，和James S.Im，Mat，Res.Soc.Symp.Proc Vol.452，956-957，1997中描述了通過連續(xù)橫向固化(SLS)在一個(gè)玻璃襯底上形成單晶硅層的技術(shù)。該技術(shù)利用的事實(shí)是，硅晶粒傾向于從液態(tài)硅和固態(tài)硅之間的介面橫向地生長。如下面例子所示，基于該理論，上述參考文件教導(dǎo)了通過控制一個(gè)移動激光束的激光能量和輻射范圍使非晶硅層晶化，以產(chǎn)生具有預(yù)定長度的硅晶粒。因此，連續(xù)橫向固化(SLS)(誘發(fā)硅晶粒的橫向生長)可以使用激光能量形成單晶硅膜。
圖2是表示晶粒尺寸隨激光能量密度變化的曲線圖，圖3A-3C給出用于解釋由大晶粒組成的p-Si膜的形成機(jī)制的橫剖面圖。如圖3A到3C所示，順序地在一個(gè)透明襯底1上形成緩沖層12和非晶硅層14。
現(xiàn)在參見圖2和圖3A，第一區(qū)域是一個(gè)部分熔化區(qū)。當(dāng)使用一個(gè)具有第一區(qū)域內(nèi)的能量密度的激光束照射非晶硅層14時(shí)，只有非晶硅層14的表面部分“A”熔化。此后，在一個(gè)退火工藝期間，在垂直方向形成多個(gè)小的晶粒“G1”。
圖2的第二區(qū)域表示一個(gè)具有幾乎熔化整個(gè)區(qū)域的能量密度的激光束。當(dāng)使用一個(gè)具有第二區(qū)域內(nèi)的能量密度的激光束照射非晶硅層14時(shí)，幾乎所有的非晶硅都熔化，參見圖3B。此外，在非晶硅層14和緩沖層12之間形成多個(gè)籽晶(seed)13。由于籽晶13的存在，硅晶粒傾向于水平地生長。但是，由于多個(gè)籽晶13隨機(jī)地分布在透明襯底1上，即使晶?！癎2”較大也很難獲得多個(gè)均勻的晶粒“G2”。
圖2的第三區(qū)域表示一個(gè)完全熔化區(qū)。當(dāng)使用一個(gè)具有第三區(qū)域內(nèi)的能量密度的激光束照射非晶硅層14時(shí)，所有的非晶硅都熔化，參見圖3C。然后，在退火工藝期間進(jìn)行均勻的核化。因此，在熔化的硅中形成多個(gè)晶核15，獲得精細(xì)晶?！癎3”。
根據(jù)上述硅晶化機(jī)制，可以實(shí)驗(yàn)地獲得合適的激光能量密度，并且該合適的激光能量密度區(qū)域可以稱為一個(gè)工藝窗(process window)。
圖4示意性表示連續(xù)橫向固化(SLS)。當(dāng)使用一個(gè)具有能完全熔化非晶硅層20的能量密度的第一激光束時(shí)，產(chǎn)生第一完全熔化區(qū)域“I”。此外，由于液相-固相接觸，在固相非晶硅和液相非晶硅之間的介面24形成多個(gè)籽晶24。在退火期間，多個(gè)籽晶24傾向于橫向生長(相對于圖4中的垂直方向)，從而產(chǎn)生多個(gè)第一晶粒26。此外，在退火期間，可以在第一熔化區(qū)域“I”的中間附近形成多個(gè)精細(xì)晶粒28，因此第一晶粒26把該區(qū)域劃分為兩個(gè)部分。
在形成第一晶粒26后，施加一個(gè)具有能完全熔化硅層的能量密度的第二激光束。第二激光束最好具有與第一激光束相同的能量密度和束寬。在第二激光束照射襯底22之前，移動該激光束使得第一熔化區(qū)域“I”的底部區(qū)域(部分II)和精細(xì)晶粒28被照射。第二激光第二次照射完全熔化部分“II”，并再次熔化第一晶粒。在退火期間，頂部區(qū)域“III”的第一晶粒26傾向于橫向生長，直至形成單晶晶粒30。即，通過重復(fù)第一和第二激光束照射和退火工藝來形成單晶晶粒30。
在上述SLS工藝中，第一和第二激光束照射之間的距離最好是頂部區(qū)域“III”中第一晶粒26的橫向生長的長度。該長度經(jīng)常稱為平移距離(translationdistance)。為了調(diào)整平移距離，必須從第一激光束寬度“I”的中間除去精細(xì)晶粒28。
例如，可以使用束寬為1到3毫米的激光束，90％的重疊率是合適的。所形成的非晶硅層的厚度通常是500埃。如果非晶硅層的厚度大于500埃，激光束必須具有更大的激光能量密度以熔化較厚的非晶硅，這會增加制造成本，并且可能減慢制造過程，而沒有改進(jìn)所生產(chǎn)的薄膜晶體管的性質(zhì)。因此，當(dāng)?shù)矸e非晶硅以誘發(fā)多晶硅時(shí)，非晶硅層應(yīng)該保持500到600埃范圍的厚度。
由于SLS晶化使用具有足以完全熔化硅層的能量密度的激光束，非晶硅層的厚度是一個(gè)重要問題。如果非晶硅層的厚度是大約500埃，在SLS晶化期間會發(fā)生缺陷。當(dāng)平移距離較短時(shí)，會發(fā)生諸如堆疊(pilling)現(xiàn)象和聚集(agglomeration)現(xiàn)象之類的缺陷，并且工藝窗的范圍減小。
圖5表示當(dāng)非晶硅層的厚度是500埃時(shí)，在SLS晶化期間的激光能量密度。在SLS晶化中，當(dāng)用于形成單晶硅的激光能量密度是大約410mJ/cm2時(shí)，平移距離可以在0.05到0.9微米范圍內(nèi)以構(gòu)成工藝窗。此外，當(dāng)激光能量密度是大約450mJ/cm2時(shí)，平移距離的范圍是0.6到1.0微米。
如果在激光能量密度是425mJ/cm2時(shí)的平移距離大于0.95微米，如圖5所示，所得的硅變成多晶硅而不是單晶硅。另一方面，如果在激光能量密度是425mJ/cm2時(shí)的平移距離小于0.3微米，所得的硅變成具有拱起缺陷(例如堆疊和聚集)的晶體硅。因此，500埃厚度的非晶硅具有窄的工藝窗，容易發(fā)生缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明致力于一種用于連續(xù)橫向固化(SLS)的非晶硅淀積方法，其實(shí)質(zhì)上消除了由于現(xiàn)有技術(shù)的局限和缺點(diǎn)導(dǎo)致的一個(gè)或多個(gè)問題。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是提供了一種用于連續(xù)橫向固化(SLS)的非晶硅淀積方法，其增大了工藝窗。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提供了一種用于連續(xù)橫向固化(SLS)的非晶硅淀積方法，其增加了制造產(chǎn)量和產(chǎn)品穩(wěn)定性。
在后面的說明書中將給出本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，它們可以部分地從說明書中了解，或者可以通過本發(fā)明的實(shí)踐獲得。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過說明書、權(quán)利要求以及附圖中特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。
為了實(shí)現(xiàn)這些和其他優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)本發(fā)明的目的，正如所實(shí)施和廣義描述的，一種用于連續(xù)橫向固化(SLS)的非晶硅淀積方法包括以下步驟在一個(gè)透明襯底上形成一緩沖層；在緩沖層上淀積厚度范圍為600到2000埃(最好是600到900埃)的非晶硅；使用一個(gè)具有完全熔化能量密度的激光束重復(fù)地照射非晶硅層以便完全熔化該層；把激光束移動一個(gè)平移距離以進(jìn)行下一個(gè)激光束照射。
上述方法進(jìn)一步包括在每次激光束照射后把熔化的硅層退火以形成一單晶硅層。310到515mJ/cm2范圍的激光能量密度是合適的。當(dāng)激光束的能量密度范圍是310到313mJ/cm2時(shí)，最大平移距離的范圍是0.2到1.0微米，最小平移距離的范圍是0.04到0.1微米。優(yōu)選地，在緩沖層上淀積的非晶硅層的厚度是1000埃。
應(yīng)該理解，上述一般性說明和以下的詳細(xì)說明都是示例性和解釋性的，是為了提供對本發(fā)明權(quán)利要求的進(jìn)一步解釋。


所包括的用于提供本發(fā)明進(jìn)一步理解并構(gòu)成說明書一部分的附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。
在附圖中圖1是表示一個(gè)有源矩陣液晶顯示器的主要部件的示意性框圖；圖2是表示晶粒尺寸隨激光能量密度變化的曲線圖；圖3A-3C是表示使用SLS的a-Si膜晶化的橫剖面圖；圖4是表示連續(xù)橫向固化(SLS)的工藝圖；圖5是表示當(dāng)非晶硅層的厚度是500埃時(shí)在SLS晶化期間可以構(gòu)成一個(gè)工藝窗的激光能量密度的曲線圖；圖6是表示當(dāng)非晶硅層的厚度是1000埃時(shí)在SLS晶化期間可以構(gòu)成一個(gè)工藝窗的激光能量密度的曲線圖；和圖7是表示在現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明之間的轉(zhuǎn)移特性比較的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面參考附圖中的例子對本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。在可能時(shí)，所有附圖中使用相似的標(biāo)號表示相同或相似的部分。
圖6是表示根據(jù)本發(fā)明當(dāng)非晶硅層的厚度是1000埃時(shí)在SLS晶化期間可以構(gòu)成一個(gè)工藝窗的激光能量密度的曲線圖。當(dāng)激光能量密度是310mJ/cm2時(shí)，最大平移距離是0.2微米，最小平移距離是0.05微米。415mJ/cm2的激光能量密度對應(yīng)于0.6微米的最大平移距離和0.04微米的最小平移距離，450mJ/cm2的激光能量密度對應(yīng)于0.8微米的最大平移距離和0.04微米的最小平移距離，515mJ/cm2的激光能量密度對應(yīng)于1.0微米的最大平移距離和0.1微米的最小平移距離。
與圖5相比，圖6顯示一個(gè)大得多的工藝窗。即，由于淀積的非晶硅層的厚度是1000埃(大于現(xiàn)有技術(shù))，因此工藝窗的范圍更寬。此外，與現(xiàn)有技術(shù)相比，諸如堆疊和聚集之類的缺陷發(fā)生在較短的平移距離。例如，當(dāng)能量密度是415mJ/cm2的激光束照射硅層以形成單晶硅時(shí)，缺陷在0.04微米的平移距離以下發(fā)生。因此，工藝窗的寬度增加。此外，盡管與現(xiàn)有技術(shù)相比，非晶硅較大，但是激光束的能耗不顯著增大。
圖7是表示現(xiàn)有技術(shù)和本發(fā)明之間的轉(zhuǎn)移特性比較的曲線圖。當(dāng)選通電壓Vg以固定速率逐漸從-15V增加到+20V時(shí)，測量流過一有源溝道層的漏電流Id的變化。此外，把漏電壓Vd設(shè)置為0.1V和10V(Vd＝0.1V，Vd＝10V)，同時(shí)測量轉(zhuǎn)移特性。現(xiàn)有技術(shù)的非晶硅層厚度是500埃，本發(fā)明的非晶硅層厚度是1000埃。
如圖7所示，當(dāng)漏電壓Vd是0.1V時(shí)，使用500埃厚的現(xiàn)有技術(shù)硅層的薄膜晶體管的場效應(yīng)遷移率是230cm2/V.s。反之，當(dāng)漏電壓Vd是10V時(shí)，使用1000埃厚的本發(fā)明硅層的薄膜晶體管的場效應(yīng)遷移率是390cm2/V.s。而且，當(dāng)漏電壓Vd是10V時(shí)，顯示出具有本發(fā)明硅層的薄膜晶體管中的泄漏電流較低。因此，具有由1000埃厚的非晶硅層形成的有源層的薄膜晶體管可以具有改善的電氣特性。根據(jù)圖7所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)非晶硅是利用SLS進(jìn)行晶化并且用作薄膜晶體管的有源層時(shí)，根據(jù)本發(fā)明，非晶硅層的厚度應(yīng)該是600到2000埃之間。
如上所述，如果根據(jù)本發(fā)明的非晶硅淀積形成單晶硅層，薄膜晶體管的場效應(yīng)遷移率得到改善，因此該薄膜晶體管適合用于具有高分辨率的液晶顯示器。即，本發(fā)明的硅層可以用作在具有優(yōu)良圖像質(zhì)量的液晶顯示器的驅(qū)動電路中的CMOS晶體管的元件。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，在不偏離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對本發(fā)明的非晶硅晶化方法進(jìn)行各種修改和變化。因此，本發(fā)明應(yīng)該覆蓋所有落入所附權(quán)利要求及其等同物范圍內(nèi)的修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種晶化方法，包括以下步驟在一個(gè)透明襯底上形成一緩沖層；在緩沖層上淀積厚度為600到900埃的非晶硅層；使用一個(gè)能完全熔化非晶硅層的一個(gè)區(qū)域的激光束重復(fù)地照射非晶硅層；和在兩次照射之間把激光束移動一個(gè)平移距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進(jìn)一步包括在兩次照射之間把硅層退火。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中激光束的能量密度在310和515mJ/cm2之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中最大平移距離的范圍是0.2到1.0微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中最小平移距離的范圍是0.04到0.1微米。
6.一種晶化方法，包括以下步驟在一個(gè)透明襯底上形成一緩沖層；在緩沖層上淀積厚度為900到2000埃的非晶硅層；使用一個(gè)能完全熔化非晶硅層的一個(gè)區(qū)域的激光束重復(fù)地照射非晶硅層；和在兩次照射之間把激光束移動一個(gè)平移距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，進(jìn)一步包括在兩次照射之間把硅層退火。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中激光束的能量密度在310和515mJ/cm2之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中最大平移距離的范圍是0.2到1.0微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中最小平移距離的范圍是0.04到0.1微米。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中緩沖層上淀積的非晶硅層的厚度是1000埃。
全文摘要
一種非晶硅淀積方法,包括以下步驟:在一個(gè)透明襯底上形成一緩沖層;在緩沖層上淀積厚度范圍為600到2000埃的非晶硅;使用一個(gè)具有完全熔化能量密度的激光束重復(fù)地照射非晶硅層以便完全熔化該層;把激光束移動一個(gè)平移距離以進(jìn)行下一個(gè)激光束照射。
文檔編號H01L29/786GK1388565SQ02122109
公開日2003年1月1日 申請日期2002年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月30日
發(fā)明者鄭允皓 申請人:Lg.飛利浦Lcd有限公司