CN101042511A - 使用激光掩模结晶的显示器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种显示器件，包括彼此交叉以形成像素的栅线和数据线；以及靠近所述交叉点的薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括多晶硅层，其中该多晶硅层包括多个圆形晶体，并且四个毗邻的圆形晶体的中心构成一等边矩形。

Description

使用激光掩模结晶的显示器件
本申请为申请人于2004年12月29日递交的发明专利申请200410103506.1的分案申请。本申请要求享有2003年12月29日在韩国递交的韩国专利申请P2003-99390号的权益，该申请全文可供参考。
技术领域
本发明涉及一种激光掩模以及使用其的结晶方法，具体涉及一种能够改善硅薄膜结晶特性的激光掩模以及使用其的结晶方法。
背景技术
近来，由于对信息显示器件特别是便携式信息显示器件的需求，对薄膜型平板显示(FPD)器件的研发和市场化取得了积极的进展，正在取代阴极射线管(CRT)。在这些平板显示器件当中，液晶显示(LCD)器件利用液晶的光学各向异性显示图像。LCD因其具有良好的分辨率、色彩表现能力和图像质量而被用于笔记本计算机、台式监视器和其它显示器件。
有源矩阵(AM)驱动方法是LCD器件中使用的一种典型驱动方法，用非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)作为开关元件驱动LCD器件的各像素。英国人LeComber等人在1979年公开了a-Si TFT技术，并且在1986年被商业化应用于三英寸液晶便携电视。近来已经开发出显示面积在50英寸以上的TFT-LCD器件。然而，a-Si TFT的场效应迁移率大约是1cm2/Vsec，这阻碍了其在对像素施加信号的外围电路中的应用，因为外围电路一般是按1MHz以上的频率工作。为此，正在积极从事对于用场效应迁移率大于a-Si TFT的多晶硅(多晶-Si)TFT在玻璃基板上的像素区和驱动电路区内的外围电路中同时形成开关晶体管的研发。
自从1982年出现LCD彩色电视以来，多晶-Si TFT主要用于小型平板显示器件中，例如是摄像机的目镜。这种TFT具有低的光敏特性和高的场效应迁移率，并且可以直接制造在基板上形成驱动电路。提高的迁移率能增加驱动电路的工作频率。驱动电路的频率容量决定了在维持适当显示性能的同时所能驱动的像素数量。具体地说，增加的频率会缩短施加到像素的信号的充电时间，从而减少信号畸变并提高图像质量。与驱动电压高达25V的a-Si TFT相比，多晶-Si TFT的驱动电压在10V以下，消耗的功率较小。
在基板上直接淀积多晶硅薄膜或是淀积一层非晶硅薄膜然后通过热处理使其结晶就能制成多晶-Si TFT。为了用廉价的玻璃作为基板，需要采用低温处理，并且，为了对驱动电路采用多晶-Si TFT，需要一种提高场效应迁移率的方法。使非晶硅薄膜结晶的热处理方法一般有固相结晶(SPC)方法和受激准分子激光退火(ELA)方法。
SPC方法按600℃左右的低温形成多晶硅薄膜。按照这种方法，是在具有低熔点的玻璃基板上淀积一层非晶硅薄膜，然后按600℃左右执行数十小时的缓慢热处理形成多晶硅薄膜。用SPC方法获得的多晶硅薄膜具有数μm(微米)比较大的颗粒。然而晶粒中有许多缺陷。尽管多晶-Si TFT中的晶界没有这样坏，这些缺陷对多晶-Si TFT的性能也会有负面影响。
受激准分子激光器退火方法是低温下制造多晶-Si TFT的一种典型方法。受激准分子激光器用十纳秒时间对非晶硅薄膜照射高能激光束使非晶硅薄膜结晶。按照这种方法，在很短时间内使非晶硅熔化并且结晶，不会损坏玻璃基板。与按照常规热处理方法制造的多晶-Si薄膜相比，用受激准分子激光器方法制造的多晶硅薄膜还具有良好的电特性。例如，用受激准分子激光器方法制造的多晶-Si TFT的场效应迁移率在100cm2/Vsec以上，a-Si TFT的场效应迁移率是0.1~0.2cm2/Vsce，而按照一般热处理方法制造的多晶-Si TFT的场效应迁移率是10~20cm2/Vsce(IEEE Trans.Electron Devices，vol.36，no.12，p2868，1989)。
以下要描述采用激光器的结晶方法。图1的示意图表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸与用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之间的关系。
如图1所示，如在IEEE Electron Device Letters，DEL-7，276，1986中所述，在第一和第二区I和II内，多晶硅薄膜的晶粒随着能量密度的增大而增大。然而，在第三区III内，如果能量密度大于特定的能量密度Ec，结晶的多晶硅薄膜的晶粒尺寸就会急剧下降。也就是说，按照图1的曲线所示，当能量密度高于特定的能量密度Ec时，硅薄膜的结晶机理变得与不同。
图2A到2C、3A到3C和4A到4C的示意图表示按照图1的激光能量密度的硅结晶机理。也就是表示了按照各激光器能量密度的顺序结晶过程。采用激光退火的非晶硅的结晶机理会受到包括激光能量密度、照射压力的基板温度的激光照射条件以及包括吸收系数，热传导率，质量，杂质含量和非晶硅层厚度等物理/几何特性等诸多因素的影响。
首先如图2A到2C所示，图1的第一区(I)是部分熔化区，结晶的非晶硅薄膜12仅仅达到虚线，并且此时形成的晶粒G1的尺寸是大约100埃。如果用激光束照射基板10上已形成缓冲层11的非晶硅薄膜12，非晶硅薄膜12就会熔化。此时，由于强激光能量直接照射在非晶硅薄膜12的表面上，而照射非晶硅薄膜12下部的激光能量比较弱，非晶硅薄膜12的一定部分熔化。由此执行部分结晶。
按照典型的激光结晶方法，晶体生长通过用激光照射使非晶硅薄膜的表层熔化的基本熔化，用熔化的硅固化过程中产生的潜热熔化非晶硅薄膜下部的二次熔化，以及下层的固化等完成。以下要详细解释这些晶体生长过程。
被激光束照射的非晶硅薄膜的熔化温度在1000℃以上，并且基本上熔化成液态。由于表面熔化层与下层的硅和基板之间有很大的温度差，表面熔化层快速冷却直至形成固相晶核并且固化。表面层仍然是熔化的直至完成固相成核和固化。如果激光能量密度很高或是对外的散热很低，熔化状态会持续很长时间。由于表面层会在使硅结晶的1400℃熔化温度以下的低温熔化，在温度低于相变温度时，表面层会冷却并维持在超冷却状态。
超冷却状态越大，也就是薄膜的熔化温度越低或是冷却速度越快，在固化时晶核的形成速率越高，使得在固化过程中形成良好的晶体生长。在随着熔化的表层冷却开始固化时，晶体从晶核朝上生长。此时，在熔化的表面层从液态到固态的相变过渡过程中会产生潜热，因此在下面的非晶硅薄膜溶化而开始二次熔化。下层非晶硅随后发生固化。此时，下层二次熔化的晶核生长速率加快，因为下层非晶硅薄膜比基本熔化层的超冷却更快。因此，二次熔化层形成的晶体尺寸更小。因此就必须降低固化的冷却速度以改善结晶特性。可以通过限制所吸收的向外发射的激光能量降低冷却速度。这种限制方法有加热基板、双激光束照射或是在基板与非晶硅层之间插入一缓冲绝缘层等。
图3A到3C的截面图表示图1中第二区(II)的硅结晶机理，第二区(II)代表接近完全结晶区的状态。
参照图3A到3C，多晶硅薄膜具有向下形成到下缓冲层11界面的3000到4000埃比较大的晶粒30A-30C。如果用接近完全熔化的能量而不是完全熔化的能量照射非晶硅薄膜12，紧靠缓冲层11下面的几乎所有非晶硅薄膜12会熔化。此时，在熔化的硅薄膜12’与缓冲层11之间界面上尚未熔化的固体籽晶35用作晶核以引发侧向生长，从而形成比较大的颗粒30A-30C(J.Appl.phys.82，4086)。然而，由于仅仅在激光能量使固体籽晶35留在缓冲层11表面上时才会发生结晶，工艺余量极为有限。另外，由于固体籽晶35不是均匀产生，多晶硅薄膜的结晶颗粒30A-30C具有不同的结晶方向，这样会产生不均匀的结晶特性。
图4A到4C的截面图表示图1中对应着完全结晶区的第三区(III)的硅结晶机理。
参照图4A到4C，用对应着第三区(III)的能量密度形成的很小晶粒30是不规则的。当激光能量密度大于一特定能量密度Ec时，施加的能量足以使非晶硅薄膜12完全熔化，不会留下可能生长成晶粒的固体籽晶。然后，在接收到强能量激光束时被熔化的硅薄膜12’经历迅速冷却过程，产生许多均匀的晶核35，随之产生精细的晶粒30。
同时，采用脉冲式激光的受激准分子激光退火方法主要用于激光结晶，近来出现并且受到广泛关注的还有一种连续横向固化(SLS)方法，通过在水平方向上生长晶粒以显著改善结晶特性。
连续横向固化(SLS)方法利用了晶粒从液相硅与固相硅之间界面上横向生长的特点(Robert S.Sposilli，M.A.Crowder，and James S.Im，Mat.Res.Soc.Symp.proc.Vol.452，956到957，1997)。按照这种方法，控制激光能量密度和激光束的照射范围，晶粒按预定长度横向生长，从而增大硅粒的尺寸。
这种SLS是横向固化(LS)的一个例子，以下要参照附图说明有关LS的结晶机理。图5A到5C的截面图表示按照现有技术的顺序结晶过程。
参照图5A，如果激光具有在图1中第三区(III)内的能量密度，能够完全熔化非晶硅薄膜112的能量密度照射在非晶硅薄膜112的一部分上，非晶硅薄膜的该部分完全熔化。可以用一构图掩模形成激光照射区和激光非照射区。此时如图5B和5C所示，由于激光有足够的能量，受激光照射的非晶硅薄膜112会完全熔化。然而，激光束是按一定间隔照射在非晶硅薄膜112上的，晶体从激光器非照射区(固相)的硅薄膜112与熔化的硅薄膜112’(液相)之间的界面上生长。
该界面为这种结晶提供晶核。换句话说，熔化的非晶硅薄膜112’在激光束照射之后立即从左/右界面即激光非照射区的界面上开始冷却。这是因为固相非晶硅薄膜112的热传导率比缓冲层111或是硅薄膜112和112’下面的玻璃基板要高。因此，在水平固相与液相之间界面上而不是中心部位的熔化的硅薄膜112’首先到达晶核形成温度，在相应的部分形成晶核。在形成晶核之后，颗粒130A和130B从低温侧到高温侧水平生长，也就是从界面到中心部位。由于横向结晶能够形成大尺寸的颗粒130A和130B，并且这一过程是用第三区的能量密度进行的，与其它区域相比，工序余量不受限制。然而，SLS存在以下问题。
也就是说，结晶是通过微小和重复地移动掩模或工作台以增大晶粒尺寸来执行的。结果会使大尺寸非晶硅薄膜的结晶加工时间延长，并且会降低产量。
发明内容
为此，本发明提供了一种激光掩模及使用其的结晶方法，能够基本上解决因现有技术的局限和缺点带来的一个或多个问题。
本发明的优点是提供了一种激光掩模及使用其的结晶方法，能够改善硅薄膜的结晶特性。
本发明的另一优点是提供了一种液晶显示器件，其包括用所述结晶方法制造的具有改善的结晶特性的硅薄膜。
以下要说明本发明的附加特征和优点，一部分可以从说明书中看出，或者是通过对本发明的实践来学习。采用说明书及其权利要求书和附图中具体描述的结构就能实现并达到本发明的目的和其它优点。
为了按照本发明的意图实现上述目的和其它优点，以下要具体和广泛地说明，一种显示器件包括：彼此交叉以形成像素的栅线和数据线；靠近交叉点的薄膜晶体管(TFT)，该TFT包括多晶硅层，该多晶硅层包括多个圆形晶体，四个毗邻的圆形晶体的中心构成一等边矩形。
按照本发明的另一方面，一种显示器件包括：彼此交叉以形成像素的栅线和数据线；靠近交叉点的薄膜晶体管(TFT)，该TFT包括多晶硅层，该多晶硅层包括具有多边形的多个晶体，并且四个毗邻晶体的中心构成一等边矩形。
应该意识到，以上的概述和下文的详细说明都是解释性的描述，都是为了进一步解释所要求保护的发明。
附图说明
所包括的用于便于理解本发明并且作为本申请一个组成部分的附图表示了本发明的实施例，连同说明书一起可用来解释本发明的原理。
在附图中：
图1的曲线表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸与用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之间的关系；
图2到图4的截面图表示按照图1的激光器能量密度的硅结晶机理；
图5A到5C的截面图表示按照现有技术的一种连续结晶过程；
图6A的平面图表示用于连续横向固化(SLS)的一例激光掩模；
图6B的平面图表示用图6A的掩模结晶的硅薄膜；
图7的放大平面图表示图6B中结晶硅薄膜的部分“E”；
图8A到8C的平面图表示用图6A的掩模使硅薄膜结晶的顺序过程；
图9A表示按照本发明的激光掩模中构成周期性图案的一种方法；
图9B的示意图表示图9A中透射区之间的尺寸和距离；
图10表示构成具有四块的激光器掩模的一种方法，每一块具有图9A中的一个掩模图案；
图11A到11D表示按照图10所述方法构成的四块激光掩模；
图12A到12D表示用图11A到11D中所述方法使硅薄膜结晶的过程；
图13A表示按照本发明一实施例构成激光器掩模的一种方法；
图13B表示按图13A所述的图案构成方法制造的一例激光掩模；
图14A到14G表示用图13B的激光掩模使硅薄膜结晶的顺序过程；
图15的平面图表示一种液晶显示面板的结构，其中驱动电路与LCD面板的阵列基板集成在一起；
图16表示用按照本发明的结晶方法结晶的硅薄膜制造的一例LCD器件。
具体实施方式
以下要参照附图详细解释本发明的实施例。
图6A的平面图表示用于连续横向固化(SLS)的一例激光掩模，与现有技术相比能缩短结晶时间。参照图6A，激光掩模270包括狭缝型图案275，其具有预定的宽度和长度的矩形透射区273。激光掩模270包括两个透光的矩形透射区273和用于遮光的遮挡区274。透过狭缝275的透射区273的激光束按照透射区273的形状(例如是矩形)使硅薄膜结晶。
然而，参照图6B，由于激光束的衍射，结晶硅薄膜的边沿部位(E)具有不同于掩模图案(狭缝275)的圆形。以下要详细说明。为了参照，图6B中所示结晶硅薄膜边沿部位(E)上的虚线表示用于结晶的掩模270的狭缝275的形状。
图7的放大平面图表示图6B中结晶硅薄膜的部分“E”。如图7所示，边沿部分(E)的中心区域‘A’具有类似于狭缝275的结晶图案，因为激光束的能量密度足以完全熔化被照射的硅薄膜。然而，激光束在狭缝275的边沿部分(E)角上的区域‘B’处会衍射。因此，激光束没有足够的能量密度完全熔化硅薄膜。结果就会形成凸起或圆形的边沿部分(E)。换句话说，由于结晶硅薄膜的圆形边沿部分(E)中的晶粒是由熔化的非晶硅界面上靠近非晶硅薄膜(固相)形成的晶核生长的，第二晶粒230B会朝着不同于第一晶粒230A的方向生长。也就是说，第二晶粒230B的结晶特性不同于第一晶粒230A，并因此在结晶硅薄膜中出现一个断续区。此时，由于断续区具有宽度(W)，结晶硅薄膜的凸起边沿部分(E)具有不同的结晶特性，按照LCD器件对硅薄膜的要求，需要缩小断续区的宽度(W)。
以下要描述用上述掩模使硅薄膜结晶的结晶过程。图8A到8C的平面图表示用图6A的掩模使硅薄膜结晶的顺序过程。
首先，如图8A所示，将图6A的掩模270定位在基板210上，用第一激光束照射，使形成在基板210上的非晶硅薄膜212结晶。此时的结晶区对应着掩模270的透射区273，如果掩模270有两个透射区，结晶区就有两个在水平方向上具有预定长度的结晶区。换句话说，如果用包括矩形狭缝275的掩模270在基板210的表面上照射第一激光束，透过狭缝275受到第一激光束照射的硅薄膜就具有由位于上、下边界面上的非晶硅薄膜212(固相)附近形成的晶核横向生长(垂直于图8A)的第一晶粒230A。此时，如上所述，由于激光束的衍射，结晶硅薄膜212’的边沿部分具有不同于掩模图案狭缝275的形状的圆形，并且从溶化的非晶硅边界表面的非晶硅薄膜212(固相)附近形成的晶核开始，第二晶粒230B沿不同于第一晶粒230A的方向生长。也就是说，第二晶粒230B的结晶特性不同于第一晶粒230A，并且在结晶硅薄膜中存在一个断续区。
在完成第一结晶之后，按照不大于掩模270图案的水平长度(狭缝275的宽度)的短距离上移动工作台(未表示)或者位于基板210上方的掩模270，然后用第二激光束照射，在‘X’轴方向上继续结晶过程。例如，在‘X’轴方向上移动工作台使其与按狭缝图案结晶的硅薄膜212’的断续区280重叠之后，用第二激光束照射基板210的表面。
然后如图8B所示，在‘X’轴方向上形成与通过第一结晶形成的结晶硅薄膜212’具有相同图案的第二结晶图案212”，同时与第一结晶硅薄膜212’的断续区280重叠。然后，若是按如上参照第一激光束所述的相同方式用第三激光束照射基板210的表面，就能形成与按照第二结晶形成的结晶硅薄膜212”具有相同图案的第三结晶图案212，同时与第二结晶硅薄膜212”的断续区280重叠。此时，断续区280越宽，下一束激光束的重叠区域就越宽，这样会增加总的加工时间。结晶硅薄膜212’，212”和212的断续区280具有不同的结晶特性，从这一点来看，由于断续区280周围的硅薄膜212仍处在没有结晶的非晶体状态，下一束激光束需要覆盖这些断续区280。
在完成‘X’轴方向的结晶过程之后，在‘Y’轴方向上(对于移动工作台的情况是在‘-Y’轴方向上移动)按预定距离移动掩模270或工作台。然后如图8C所示从完成第一结晶过程的那点起开始在‘X’轴方向上再次执行激光器照射过程。
在反复执行上述结晶过程时会出现一个问题，即多晶硅薄膜有多个具有正常颗粒的第一区(P1)和多个具有断续区的第二区(P2)，后者具有不同的结晶特性，并且位于第一区P1之间。也就是说，如果用具有这些断续区的硅薄膜制成LCD器件，LCD器件存在特性不均匀的问题，致使LCD器件的质量存在缺陷。另外，由于断续区周围的硅薄膜仍处在非晶硅状态而没有结晶，需要下一束激光束覆盖这些断续区280。断续区彼此重叠的这些重叠区(称为X-重叠区)会产生照射标记。如果将其用于LCD器件或有机发光二极管，这种照射标记会降低图像质量并产生不均匀的器件特性。
同时，尽管在上述结晶过程中没有解释，晶粒可以在‘Y’轴方向上延伸，并且掩模在‘Y’轴方向上重叠，以便增大晶粒的尺寸，因此可以反复执行结晶。然而，在这种情况下会在‘Y’轴方向上的重叠区(称为Y-重叠区)内产生照射标记。
在采用图9A和图9B中所示的单一扫描方法的激光掩模以及在采用上述过渡方法(多次扫描方法)时，照射标记也是一个严重问题。因此，在激光束重叠的各结晶方法中都需要解决照射标记的问题。本发明为此提供了一种激光掩模及使用其的结晶方法，不会在结晶硅薄膜内形成这种重叠区。为此，按照本发明的激光掩模具有周期性图案。
按照本发明的激光掩模分为四块，每块都具有周期性图案。激光束分四次照射在硅薄膜上，每次使用四块之一。由于采用了周期性图案的掩模，采用上述方法(“四次照射结晶方法”或“四次照射”方法)结晶的硅薄膜具有均匀的结晶特性，没有X-重叠或Y-重叠区。如下文所述的由周期性掩模图案和四次照射方法形成的结晶硅薄膜具有迅速生长的均匀晶粒，没有照射标记。
首先，要说明在激光掩模中构成这种周期性图案的方法。图9A和9B表示按照本发明在激光掩模中构成周期性图案的一种方法。激光掩模有四块，每块具有各自的周期性图案。
参照图9A，按照本发明的激光掩模包括多个具有圆形的透射区。激光掩模被分为四块以解决照射标记问题。在第一块内形成位置为‘A’的透射区375A，并在第二块内形成位置为‘B’的透射区375B、位置为‘C’的透射区375C或位置为‘D’的透射区375D。在第三块内形成不同于第一和第二区内的透射区的透射区。换句话说，如果在第一和第二块内形成位置为‘A’和‘B’的透射区，就在第三块内形成位置为‘C’或‘D’的透射区。在第四块内形成不同于第一到第三区内的透射区的透射区。换句话说，如果第三块具有位置为‘C’的透射区，第四块就具有位置为‘D’的透射区，反之，如果第三块具有位置为‘D’的透射区，第四块就具有位置为‘C’的透射区。
在图9A中，参照具有位置为‘A’(以下称为‘参考点’)的透射区的掩模图案375A，掩模图案375B、375C和375D在激光掩模中按逆时针设置。然而本发明不限于此，按照本发明实施例的激光掩模有四块，每块具有四个掩模图案375A、375B、375C和375D之一。
按照图9A所示的结构，如果四个掩模图案375A到375D的四个透射区被投影在一块内，就构成一等边矩形。相对于参考点而言，两个掩模图案375B和375C的透射区被定位在第一邻接区(即最靠近参考点的四个区)，而位置为‘D’的第四掩模图案375D的透射区被定位在矩形对角线方向上的第二邻接区内。换句话说，在第一块内形成的掩模图案375A的透射区被定位在矩形的一个顶点上，而其它图案375B到375D的透射区被定位在矩形的其它顶点上，如图9A所示。
同时，为了用激光掩模通过四次照射完成非晶硅的结晶且没有照射标记，四个周期性图案375A到375D的尺寸和间隔应该满足一定关系。参见下文所述。
图9B的示意图表示图9A中透射区之间的尺寸和距离，以位置为‘A’的透射区为例。如图所示，假定位置为‘A’的透射区375A的半径是‘R’，而透射区375A中心之间的距离是‘L’，为了能使非晶硅薄膜的整个区域结晶，透射区的半径‘R’应该满足公式(1)。
公式(1)： L 2 2 &le; R < L 2
如果掩模图案(375A到375D)的透射区半径(R)小于L/2，四次照射就不能使整个区域结晶，如果半径(R)大于L/2，掩模图案(375A到375D)则会彼此接触。
以下要详细解释在四块中具有四种掩模图案的激光掩模。图10表示构成具有四块的激光掩模的一种方法，每块具有图9A的掩模图案之一。
如图所示，掩模图案475A到475D按6行×6列矩阵结构设置为如图9A所示的等边矩形。在第一行，位置为‘A’的掩模图案475A的透射区和位置为‘C’的掩模图案475C的透射区从位置为‘A’的掩模图案475A的透射区开始反复交替地设置在‘X’轴方向上。对于第二行，在‘Y’轴方向上移动过对应于第一行中掩模图案475A和475C的等边矩形侧边长度(L’)的距离之后，将掩模图案475B和475D的透射区反复交替地设置。换句话说，在第二行中，在Y轴方向上移动L’之后，位置‘B’的掩模图案475B和位置‘D’的掩模图案475D在X轴方向上重复设置。第一和第三行(即奇数行)具有相同的结构，而第二和第四行(即偶数行)具有相同的结构。
同时，在第一列，掩模图案475A和475B的透射区从位置为‘A’的掩模图案475A的透射区开始反复交替设置。在偶数列中，掩模图案475C和475D的透射区反复交替设置，在这种情况下，偶数列在X轴方向上从奇数列移动了距离L(也就是等边矩形侧边的长度)。第一和第三列(即奇数列)具有相同的结构，而第二和第四列(即偶数列)具有相同的结构。
将这样的四个周期性掩模图案在激光掩模的四块中定位，并且将该激光掩模应用于四次照射结晶方法中，就能获得没有X-重叠或Y-重叠的结晶硅薄膜。以下要详细说明。
图11A到11D表示按照图10中所示方法构成的激光掩模中的四块。
在激光掩模中，在第一块480’内形成位置为‘A’的掩模图案475A，在第二块480”内形成位置为‘B’的掩模图案475B，在第三块480内形成位置为‘C’的掩模图案475C，在第四块480””内形成位置为‘D’的掩模图案475D。这种设置方法仅仅是本发明的一个例子，采用这种掩模按四次照射结晶方法就能使硅薄膜结晶，没有照射标记。
各块(480’到480””)包括掩模图案473A到473D之一的多个圆形透射区和一个遮挡区。第一块480’包括位于图10中(2N-1)(N＝1，2，3)行×(2N-1)列中位置为‘A’的掩模图案475A的透射区。第二块480”包括位于(2N)行×(2N-1)列中位置为‘B’的掩模图案475B的透射区。第三块580包括位于(2N-1)行×(2N)列中位置为‘C’的掩模图案475C的透射区。第四块480””包括位于2N行×2N列中位置为‘D’的掩模图案475D的透射区。
尽管掩模图案475A到475C的透射区在图中具有圆形，也可以不受限制地由规则的多边形构成，例如有正三角形、正方形、正六边形和正八边形。另外在图中，尽管圆形掩模图案475A到475D的半径(R)是L/2，只要R与L之间的关系满足公式(1)，就不受此限制。
图12A到12D表示用图11A到11D的激光掩模使硅薄膜结晶的过程。用上述四块激光掩模结晶的硅薄膜具有均匀的结晶特性，没有照射标记。
首先，如图12A所示，在第一激光束通过形成在第一块480内位置‘A’的掩模图案475A(也就是掩模图案475A的透射区473A)照射在基板410上的硅薄膜上时，用位于边界面上的非晶硅薄膜(固相)412作为晶核朝向圆形图案475A的中心生长晶粒，形成具有圆形的第一多晶硅晶体412’。由这一第一结晶形成的结晶区对应着激光器掩模的透射区473A。因此，如果在激光器掩模的第一块内有九个透射区，就会在硅薄膜412中形成九个具有圆形的多晶硅晶体412’。
在完成第一结晶之后，通过图11B的第二块480”用第二激光束照射具有第一多晶硅晶体的硅薄膜412’。第二结晶采用在位置‘B’形成掩模图案475B的第二块480”，不用在X或Y方向上移动基板。如图12B中所示，颗粒从第一多晶硅晶体412’的图案的圆周上开始朝着第二块480”的掩模图案475B的中心生长，形成第二多晶硅晶体412”。第二结晶使得两个第一晶体412’位于第二晶体412”的上、下两侧，并且第二结晶从位置‘B’的掩模图案475B与两个第一晶体412’重叠的区域开始。结果，第二晶体412”就会朝着位置‘B’的掩模图案475B的中心生长。
接着在位置‘C’形成了掩模图案475C的第三块480用第三激光束照射具有第一和第二晶体412’和412”的硅薄膜412。然后如图12C所示，晶粒从通过第一结晶的硅薄膜412’的圆周开始朝着第三块480的掩模图案475C的中心生长，形成第三结晶晶体412。第三结晶是使第一晶体412’位于第三晶体的左、右两侧，并且第三结晶是用第三次照射从两个第一晶体412’与位置为‘C’的掩模图案475C重叠的区域开始。这样就能朝向位置为‘C’的掩模图案475C的中心形成第三晶体412。按照这种方式，用通过第一结晶的第一晶体412’作为晶核朝向掩模图案475B和475C的中心生长第二和第三晶体412”和412。如果掩模图案475A到475D的透射区的半径尺寸大于特定尺寸，用第三照射形成的第三晶体412就会与第二晶体412”和第一晶体412’有部分重叠。然而，即便是在这种情况下，第三晶体412的颗粒仍会以通过第一结晶的第一晶体412’和通过第二结晶的第二晶体412”作为晶核朝向位置为‘C’的掩模图案475C的中心生长。
最后通过在位置‘D’形成掩模图案475D的第四块480””用第四激光束照射具有第一到第三结晶晶体412’到412的硅薄膜。由此如图12D所示，晶粒从通过第二结晶的第二晶体412”和通过第三结晶结晶的第三晶体412的圆周上开始，朝向第四块480””的掩模图案475D的中心生长，形成第四结晶晶体412””。按照这种方式，四次照射方法用激光掩模完成硅薄膜在基板410上的结晶，没有X-重叠或Y-重叠，也就是没有照射标记。
如上所述，激光掩模有四块，每块都具有周期性图案。此时，用四次照射方法形成的第一到第四晶体412’到412””具有与掩模图案475A到475D相同的圆形，因此，结晶硅薄膜具有径向生长的均匀晶粒。
以下要描述按照本发明的激光掩模和用其使大尺寸硅薄膜结晶的一种方法。图13A表示按照本发明实施例构成激光掩模的一种方法。
参见图13A，位置‘A’的掩模图案575A形成在正方形实线表示的第一块580’内，位置‘B’的掩模图案575B形成在第二块580”内，位置‘C’的掩模图案575C形成在第三块580内，而位置‘D’的掩模图案575D形成在第四块580””内。按照图9A或图10所示的图案构成方法，四个掩模图案575A到575D形成在激光掩模的四块580’到580””内。
在第一块580’内，九个圆形透射区(位置‘A’上的掩模图案575A)设置成3行×3列矩阵结构。在相对于第一块580’的位置‘A’上的掩模图案575A朝下移动一个等于等边矩形(也就是用虚线表示的小等边矩形)一边的距离之后，在第二块580”中形成位置为‘B’的掩模图案575B的透射区。和位置‘A’的掩模图案575A一样，按3行×3列矩阵结构形成掩模图案575B的总共9个透射区。在第三块内，在相对于第一块580’的位置‘A’上的掩模图案575A朝右移动一个等于等边矩形一边的距离之后，形成位置为‘C’的掩模图案575C的透射区。按3行×3列矩阵结构形成掩模图案575C的9个透射区。最后，在相对于第一块580’的位置‘A’上的掩模图案575A朝右下移动一个等于等边矩形一边的距离之后，在第四块中形成位置为‘D’的掩模图案575D的透射区。按3行×3列矩阵结构形成掩模图案575D的9个透射区。
掩模图案575A到575D的透射区的位置对应着第一块580’内用虚线表示的矩形的位置。相对于位于第一块580’的N行×M列中的图案575A，位于第二块580”的N行×M列中位置‘B’的掩模图案575B在Y轴方向上移动了等边矩形一边的长度，位于第三块580的N行×M列中位置‘C’的掩模图案575C朝右(也就是-X轴方向)移动了等边矩形一边的长度，而位于第四块580””的N行×M列中位置‘D’的掩模图案575D朝-X和Y轴方向移动了等边矩形一边的长度。换句话说，如果掩模图案575B到575D形成在第一块580’内，掩模图案575B到575D从掩模图案575A起朝X轴向、Y轴向以及X和Y轴向移动了预定距离(也就是等边矩形一边的长度)。
在附图中，还要在实线所示的四块580’到580””之外形成掩模图案575A到575D。四块580’到580””是用于在激光掩模上构成周期性图案575A到575D的虚拟区域，因此，可以按照激光设备和光学系统等加工条件重新设置掩模图案575A到575D。
块580’到580””可以在四次照射结晶方法中用作下一次照射的参考。因此，朝X轴方向的移动距离(也就是X-步进距离(Dx))大致等于正方形水平一侧(一块)的长度，而朝Y轴方向的移动距离(也就是Y-步进距离(Dy))大致等于正方形垂直一侧(一块)的长度。X-步进距离(Dx)代表用于四次照射方法的激光掩模或工作台在X轴方向上的移动距离，而Y-步进距离(Dy)代表在X-轴结晶之后为了进行Y-轴方向结晶使激光掩模或工作台在Y轴方向上的移动距离。Y-步进距离(Dy)还代表激光掩模或工作台在Y轴方向上的移动距离，使得硅薄膜上在X-轴方向结晶过程中没有受四次照射激的光束照射的下部区域能够按四次照射方法结晶。为了消除X-重叠或Y-重叠，在确定X-步进距离(Dx)和Y-步进距离(Dy)时要考虑到四块580’到580””的周期性。
以下用一个例子来描述上述具有四个掩模图案的激光掩模。图13B表示参照图13A的图案构成方法制造的一例激光掩模。
如上所述，用按照本发明一实施例的掩模构成方法形成的激光掩模570具有四块，即位置‘A’的掩模图案575A，位置‘B’的掩模图案575B，位置‘C’的掩模图案575C和位置‘D’的掩模图案575D。激光掩模570遮挡按一定周期性形成的掩模图案575A到575D的透射区以外的激光束。掩模570可以用遮光的金属制成，例如是铬，铝等等。尽管在激光掩模570的每一块内形成9个透射区，考虑到激光设备和光学系统等加工条件，也可以在每块内形成9个以上的透射区。
以下要描述用这种激光掩模使大尺寸硅薄膜结晶的一种方法。图14A到14G表示用图13B的激光掩模使硅薄膜结晶的顺序过程。
如图所示，为了便于解释，用实线代表四个块。这样，用每一块由正方形实线标识。在本例中，左起第一块580’对应着位置‘A’的掩模图案，第二块580”对应着位置‘B’的掩模图案，第三块580对应着位置‘C’的掩模图案，而第四块580””对应着位置‘D’的掩模图案。
参见图14A，通过图13B中所示的激光掩模用激光束照射淀积在基板510上的硅薄膜512，执行第一结晶。此时，如上所述，激光束所具有的能量密度对应着完全熔化区，并且用位于边界面上的非晶硅(固相)薄膜512作为晶核使晶体朝着圆圈中心生长，从而在第一照射区(P1)内形成多晶硅第一晶体512’。第一晶体512’具有径向晶粒。在这种情况下，第一照射区(P1)在整体上不会结晶，但会按照掩模570的图案形成多个圆形的第一晶体512’。具体地说，由第一结晶形成的结晶区对应着掩模570的透射区。因此，如果具有四块580’到580””的掩模有36个透射区，硅薄膜就也会有36个多晶硅晶体512’，每个晶体具有预定的半径。
在完成第一结晶之后，将安装基板的工作台(未表示)或掩模570朝X-轴方向移动一距离，该距离等于正方形(一块)的边长，并等于X-步进距离(Dx)，然后照射第二激光束。例如，如果工作台朝着“-X”轴方向移动X-步进距离(Dx)，使第三块形成的位置‘C’的第一晶体512’与第四块中位置‘D’的掩模图案重叠。然后，用第二激光束照射基板表面，就会形成如图14B所示与第一晶体512’具有相同形状的第二晶体512”。此时，第二晶体512”的位置相对于第一晶体512’偏移了X-步进距离(Dx)，使第二晶体512”与第一晶体512’局部重叠。
图14B中第一激光照射和第二激光照射彼此重叠的两个中心区也就是第一照射区(P1)和第二照射区(P2)彼此重叠的区域(在这种情况下排除第一照射区P1和第二照射区P2彼此不重叠的区域)受到第二照射激光束的照射，晶体从第一晶体512’的圆周开始朝向第二照射的掩模570的图案的中心生长，形成多晶硅第二晶体512”。换句话说，通过第一结晶的两个第一晶体512’位于第二晶体512”的上下两侧，而第二结晶是从掩模图案与两个第一晶体512’彼此重叠的区域520’开始，由此形成朝着掩模图案(参见图12B)中心生长的第二晶体512”。在图14B中，在第二照射过程中用掩模570的第一块形成的晶体是第一晶体而不是第二晶体。
接着，将工作台或掩模570朝X-轴方向再次移动X-步进距离(Dx)，然后用第三激光束照射硅薄膜512。此时，由第二块形成的位置‘B’的第一晶体512’与第四块中位置‘D’的掩模图案重叠。然后，如图14C所示形成和第一晶体512’具有相同形状的第三晶体512。第三晶体512的位置相对于第一晶体512’偏移了X-步进距离(Dx)，并因此与第一晶体512’和第二晶体512”局部重叠。
此时，图14C中第一到第三激光束照射的两个中心区彼此重叠，也就是说，第一照射区(P1)、第二照射区(P2)和第三照射区(P3)彼此重叠的区域受到第三照射激光束的照射，因此，第三晶体从第一和第二晶体512’和512”的圆周上开始朝着掩模570的图案中心生长，形成多晶硅第三晶体512。在两个中心区的左侧区域，通过第一结晶的第一晶体512’是位于第三晶体512的左、右两侧，而第三结晶从区域520”开始，其中按照第三照射的掩模图案与两个第一晶体512”重叠，从而形成朝掩模图案(参见图12C)中心生长的第三晶体512。另外，在两个中心区域的右侧区域，通过第一和第二结晶而成的四个第一晶体512’是位于第三晶体512的上/下和左/右侧，第三结晶从第三照射的掩模图案与四个第一晶体512’彼此重叠的区域520”开始，从而形成朝向掩模图案中心生长的第三晶体512。
接着将工作台或掩模570朝X-轴方向再移动X-步进距离(Dx)，然后照射第四激光束，继续执行X-方向上的结晶。此时，由第一块形成的位置为‘A’的第一晶体512’与第四块中位置为‘D’的掩模图案重叠。如图14D中所示形成与第一晶体512’具有相同形状的第四晶体512””。第四晶体512””的位置相对于第一晶体512’偏移了X-步进距离(Dx)，因此与第一、第二和第三晶体512’、512”和512的一部分重叠。
此时，第一到第四激光照射彼此重叠的中心区域，也就是第一照射区(P1)、第二照射区(P2)、第三照射区(P3)和第四照射区(P4)彼此重叠的区域受到第四照射的激光束的照射，第四晶体从通过第二和第三结晶的第二和第三晶体512”和512的外围开始朝向掩模图案570的中心生长，形成第四多晶硅晶体512””。换句话说，通过第二和第三结晶的四个第二和第三晶体512”和512是位于第四晶体512的上/下和左/右侧，第四结晶从第四照射的掩模图案与四个第二和第三晶体512”和512重叠的区域520开始，从而形成朝向掩模图案中心生长的第四晶体512””(参见图12D)。
按照这种方式，在X-轴方向上通过四块激光掩模经过四次照射之后，被四次照射的那部分硅薄膜(“四次照射晶体区”或“四次照射区”)被结晶，如图14D所示没有X-重叠，也就是没有照射标记。也就是说，完全形成第一晶体512’、第二晶体512”、第三晶体512和第四晶体512””的区域对应着已经结晶并且没有照射标记的四次照射区。
同时，在X-轴方向上反复执行结晶过程。然后如图14E和14F所示，没有照射标记的四次照射区(P)在X-轴方向上增大。这一四次照射区(P)是没有照射标记的均匀结晶区，它是用具有四块的激光掩模按四次照射结晶方法形成的，每块都具有周期性图案。
硅薄膜的下部区域没有完全被激光束照射。这是因为结晶过程是仅仅在X-轴方向上执行的。在完成X-轴方向的结晶过程(X-轴结晶)之后，如图14G所示，将掩模570或工作台(在移动工作台的情况下是朝-Y轴方向)朝Y-轴方向移动Y-步进距离(Dy)，然后在-X轴方向上连续执行以上参照X-轴结晶所述的结晶过程，从完成第一X-轴结晶过程的结束点开始。
在这种情况下，采用与X-轴结晶中相同的掩模570连续执行结晶。掩模570的上部图案(即形成在遮挡区以外的图案)的位置对应着在第一X-轴结晶之后尚未完成激光束照射的下部区域。这样就能用-X轴方向的结晶过程使下部区域完全结晶。用这种方法就能形成用-X轴方向上结晶过程结晶的下部区域，没有Y-重叠。
然后，在X轴方向和Y轴方向上反复使用上述方法形成期望尺寸的多晶硅。具体地说，四次照射结晶区(P)是一种没有X-重叠或Y-重叠并具有均匀的结晶特性的结晶区。这是因为该区域不包括照射标记并且晶体具有径向晶粒。
在该实施例中，用具有四块的激光掩模按四次照射结晶方法获得没有X-重叠或Y-重叠的多晶硅薄膜，每块具有周期性图案。尽管掩模图案具有圆形的透射区，也可以形成具有规则多边形的透射区，例如是正三角形，正方形，正六边形，正八角形等等。另外，尽管每一块有9个透射区，每块内透射区的数量可以根据加工条件来改变。
另外，尽管透射区的半径(R)是L/2，其中L是透射区中心之间的距离，只要R与L之间的关系满足公式1，就可以改变。在本实施例中，尽管位置‘A’的掩模图案、位置‘B’的掩模图案、位置‘C’的掩模图案和位置‘D’的掩模图案是按照掩模的第一到第四块的顺序设置的，掩模图案的位置可以改变。另外，只要激光束能四次照射到四个掩模图案上，四个掩模图案还可以按不同的顺序形成。
按照本发明的上述实施例所述，激光束通过具有在四块激光掩模中形成的四个掩模图案的激光掩模照射在硅薄膜上。硅薄膜受到激光束四次照射的部分被完全结晶。四次照射方法包括第一照射的第一结晶、第二照射的第二结晶、第三照射的第三结晶和第四照射的第四结晶。在第一结晶中，用位于圆形图案周围的非晶硅薄膜(固相)作为晶核朝向该图案的中心生长晶体，晶核处在圆周的边界面上。在第二、第三和第四结晶中，用第一、第二和第三晶体的圆周作为起点朝向掩模图案的中心生长晶体。在第三结晶中，晶体也能朝向第三照射的掩模图案的中心生长，采用按第一结晶完成结晶的那一晶体的圆周作为起点。
以下要描述按照本发明用具有改善的结晶特性的硅薄膜制造LCD器件的一种方法。图15的平面图表示一种液晶显示面板的结构，其中驱动电路与LCD面板的阵列基板集成在一起。
如图所示，集成了驱动电路的LCD面板包括阵列基板820、滤色片基板830以及形成在阵列基板820和滤色片基板830之间的液晶层(未表示)。阵列基板820包括像素单元825、单位像素按矩阵结构设置的图像显示区以及位于像素单元825外边沿上的栅驱动电路单元824和数据驱动电路单元823。尽管图中没有表示，阵列基板820的像素单元825包括垂直和水平设置并在基板820上限定了许多像素区的多条栅极线和数据线。像素单元还包括薄膜晶体管，在栅线和数据线的交叉点附近形成开关元件，以及在像素区上形成的像素电极。作为开关元件对像素电极施加信号电压的薄膜晶体管(TFT)是一种场效应晶体管(FET)，用电场来控制电流。
阵列基板820上的数据驱动电路单元823位于阵列基板820上比滤色片基板830更加突出的长边一侧，而栅驱动电路单元824位于阵列基板820的短边一侧。为了适当输出一个输入信号，栅驱动电路单元824和数据驱动电路单元823采用具有CMOS(互补金属氧化物半导体)结构即逆变器的薄膜晶体管。CMOS是一种集成电路，它具有用于高速信号处理的MOS结构，并且需要P沟道和N沟道晶体管。其速度和密度特性介于NMOS和PMOS之间。作为用于通过栅线和数据线为像素电极提供扫描信号和数据信号的器件，栅驱动电路单元824和数据驱动电路单元823连接到外部信号输入端子(未表示)，控制通过外部信号端子传送的外部信号并将其输出到像素电极。
尽管图中没有表示，用来实现颜色的滤色片和作为形成在阵列基板820上的像素电极的一个相对电极的公共电极形成在图像显示区825上。在阵列基板和滤色片基板之间形成一衬垫料，提供均匀的盒间隙。用形成在图像显示区外围的密封图案将阵列基板和滤色片基板粘接，形成一单位液晶显示面板。两个基板通过形成在阵列基板或滤色片基板上的粘接键粘接。采用多晶硅薄膜并集成了驱动电路的LCD面板具有许多优点，例如良好的器件特性、良好的图像质量、充分的显示能力以及低功耗。
以下要通过其制造工艺来描述按照本发明用结晶硅薄膜制造的一种集成了驱动电路的LCD面板。图21表示用按照本发明的结晶方法结晶的一种硅薄膜制造的一例LCD器件。对于形成在像素单元上的薄膜晶体管(TFT)，可以采用N-型和P-型TFT。对于驱动电路单元，可以采用和像素单元中一样的N-型或P-型TFT，也可以使用同时具有采用N-型和P-型TFT的CMOS结构。图16表示一例CMOS液晶显示器件。
以下要描述CMOS LCD器件的制造方法。首先在透明绝缘材料例如是玻璃制成的基板820上形成由氧化硅薄膜(SiO2)构成的缓冲层821。接着在形成了缓冲层的基板820上形成多晶硅制成的有源层824N和824P。为此，在基板820的整个表面上形成一非晶硅薄膜之后，采用按照本发明的四次照射结晶方法使有源层824N和824P连续横向固化。此时，四次照射结晶方法采用具有四块的激光掩模，每块都具有周期性图案。这样就能形成均匀的多晶硅薄膜，没有照射标记。
然后通过光刻术对结晶的多晶硅薄膜构图，在NMOS和PMOS区内形成有源层824N和824P。接着在栅绝缘薄膜825A上的一个特定区域(也就是有源层824N和824P的沟道形成区)上形成由钼(Mo)、铝(Al)或铝合金制成的栅极850N和850P。在栅绝缘薄膜825A上淀积一层栅金属之后用光刻术形成栅极850N和850P。然后顺序执行N-掺杂步骤和P-掺杂步骤形成N-型TFT(即在有源层824N的特定区域通过注入N+离子形成具有源极/漏极区822N和823N的TFT)和P-型TFT。此时，N-型TFT的源极区822N和漏极区823N是通过注入能够提供电子的第五族元素例如是磷(P)形成。源极/漏极区822P和823P是通过注入能够提供空穴的第三族元素例如是硼(B)形成。然后在基板820的整个表面上淀积层间绝缘膜825B，并且用光刻术形成接触孔(未表示)以暴露出部分源极/漏极区822N、822P、823N和823P。最后形成源极/漏极851N、851P、852N和852P，分别通过接触孔连接到源极/漏极区822N、822P、823N和823P，就制成了一个CMOS液晶显示器件。尽管本发明提供了一种具有结晶硅薄膜的LCD器件的制造方法，本发明的原理还可以应用于诸如有机EL等其它显示器件，不仅限于LCD器件。
如上所述，按照本发明的激光掩模和结晶方法有许多优点。按照本发明的激光掩模有四块，每块具有各自的周期性图案。按照本发明的采用激光掩模的结晶方法，只要反复使用这四块，就能够获得没有X重叠或Y重叠也就是没有照射标记的多晶硅薄膜。另外，如果用多晶硅薄膜制造液晶显示器件，由于有源层的结晶特性，器件能获得均匀和改进的特性。此外，由于有源层没有照射标记，液晶显示器件的图像质量也能得到改进。
本领域的技术人员能够看出，无需脱离本发明的原理和范围还能对上述的激光掩模及使用其结晶的方法做出各种各样的修改和变化。因此，本发明应该覆盖属于本发明权利要求书及其等效物范围内的修改和变化。

Claims (4)

1、一种显示器件，包括：
彼此交叉以形成像素的栅线和数据线；以及
靠近所述交叉点的薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括多晶硅层，其中该多晶硅层包括多个圆形晶体，并且四个毗邻的圆形晶体的中心构成一等边矩形。
2、按照权利要求1所述的器件，其特征在于，所述显示器件是液晶显示器件或者发光二极管。
3、一种显示器件，包括：
彼此交叉以形成像素的栅线和数据线；以及
靠近所述交叉点的薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括多晶硅层，其中该多晶硅层包括具有多边形的多个晶体，并且四个毗邻晶体的中心构成一等边矩形。
4、按照权利要求3的显示器件，其特征在于，所述显示器件是液晶显示器件或者发光二极管。
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