CN1239756C - 一种结晶非晶硅的方法 - Google Patents

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Abstract

掩模和该掩模在连续横向固化(SLS)的非晶硅结晶中的应用。所述掩模包括遮挡激光束的光吸收区和可使激光束通过的多个阶梯形光透射区。每个光透射区具有多个相邻的矩形子区。相邻的矩形子区形成台阶。在操件中，使掩模相对于非晶硅薄膜横向移动，同时借助激光完成SLS结晶。通过光照区控制晶粒生长，从而形成高质量多晶硅。

Description

一种结晶非晶硅的方法
本申请要求2001年5月11日在韩国申请的第2001-25694号韩国专利申请的权益，该申请在本文中以近乎全文叙述的引用方式加以结合。
发明领域
本发明涉及一种结晶非晶硅的方法，更确切地说，涉及一种连续横向固化(SLS)结晶方法。
背景技术
在液晶显示(LCD)装置中，常用多晶硅(p-Si)和非晶硅(a-Si)作为薄膜晶体管(TFTs)的有源层材料。由于非晶硅(a-Si)可以在低温下沉积从而在玻璃基板上形成薄膜，所以在液晶显示器(LCD)中普遍使用非晶硅(a-Si)。但遗憾的是，非晶硅(a-Si)TFTs的显示响应时间较慢，这限制了它们对大屏幕LCD的适用性。
相反，多晶硅TFTs则能提供快得多的显示响应时间。因此，多晶硅(p-Si)更适合用于大屏幕LCD装置，例如膝上型计算机和壁挂式电视机等。这些应用通常要求TFTs的场效应迁移率大于30cm2/Vs，并伴有低漏电流。
多晶硅薄膜由具有晶界的晶粒制成。晶粒越大，晶界越规则，场效应迁移率越好。因此，能产生大晶粒(理想的是单晶)的硅结晶方法是非常有用的。
把非晶硅结晶成多晶硅的一种方法是连续横向固化(SLS)。SLS结晶利用了硅晶粒往往从液态和固态硅之间的界面横向生长的事实。通过SLS，利用具有一定强度和能产生相对运动的激光束使非晶硅结晶，所述激光束能使非晶硅熔融从而使熔融的硅在再结晶时形成横向生长的硅晶粒。
图1A是传统的连续横向固化(SLS)设备的示意性结构图，图1B表示在图1A的设备中使用的传统掩模38的平面图。在图1A中，SLS设备32包括激光发生器36，掩模38，聚光镜40，和物镜42。激光发生器36产生并发射激光束34。激光束34的强度由激光束34光路中的衰减器(未示出)调节。激光束34由聚光镜40聚光后射向掩模38。
掩模38包括多个能使激光束34穿过的狭缝“A”，和吸收激光束34的光吸收区“B”。每个狭缝“A”的宽度有效地确定了由第一次激光辐射产生的结晶硅的晶粒尺寸。此外，每个狭缝“A”之间的距离确定了用SLS方法结晶的非晶硅的横向晶粒生长尺寸。物镜42设置在掩模下方并能缩小穿过掩模38的激光束的形状。
进一步参照图1A，在靠近物镜42的地方设置X-Y平台46。可沿两个正交轴方向运动的X-Y平台46包括驱动X轴平台的X轴向驱动单元和驱动Y轴平台的Y轴向驱动单元。将基板44放在X-Y平台46上以便接收来自物镜42的光。尽管在图1A中没有示出，但是很显然，基板44上设有非晶硅薄膜，由此构成样本基板。
为了使用传统的SLS设备，通常将激光发生器36和掩模38固定在预定位置上，而由X-Y平台46沿X轴和/或Y轴方向移动样本基板44上的非晶硅薄膜。此外，也可以将X-Y平台46固定，而使掩模38移动来结晶样本基板44上的非晶硅薄膜。
当进行SLS结晶时，通常在基板上形成缓冲层。然后将非晶硅沉积在缓冲层上。然后，按上述方式使非晶硅结晶。一般用化学汽相沉积(CVD)法在缓冲层上沉积非晶硅薄膜。遗憾的是，该方法产生的非晶硅带有很多氢。为了减少氢的含量，通常要对非晶硅薄膜进行热处理，热处理会引起脱氢，这样便会形成平滑的结晶硅薄膜。如果不能脱氢，结晶硅薄膜的表面将会很粗糙，从而会使结晶硅薄膜的电特性变坏。
图2是表示带有部分结晶的非晶硅薄膜52的基板44的平面图。当进行SLS结晶时，由于激光束34只具有有限的光束宽度，而且掩模38只有有限的尺寸，所以很难一次结晶整个非晶硅薄膜52。因此，相对于大的基板来说，通常要在基板上多次设置掩模38，而且针对多次掩模设置要重复进行结晶。在图2中，与一个掩模位置对应的区域“C”构成方块形式。通过多次辐射激光束可实现在方块“C”内的非晶硅结晶。
下面将解释非晶硅薄膜的结晶。图3A-3C是表示用传统的SLS法结晶一块非晶硅薄膜的平面图。在所示的结晶过程中，很显然，掩模38具有3条狭缝(参见图1A和1B)。
根据激光的能量通量、基板温度和非晶硅薄膜的厚度(以及其它因素)可以确定横向生长的晶粒长度。应该理解，在最佳条件下可以得到最大的横向晶粒生长量。在图3A-3C所示的SLS方法中，狭缝的宽度是最大横向晶粒生长量的两倍。
图3A表示利用第一次激光束辐射来结晶非晶硅薄膜的最初步骤。如参照图1A所述的那样，激光束34穿过掩模38并照射样本基板44上的一块非晶硅薄膜52。激光束34由三条狭缝“A”分成三路光束。三路光束照射和熔化非晶硅薄膜52的区域“D”、“E”和“F”。各路光束的能量通量应足以导致非晶硅薄膜52完全熔化。
进一步参照图3A，在完全熔化液相硅之后，开始在固相非晶硅和液相硅之间的界面56a和56b上结晶。即，开始从未熔区到完全熔化区实现晶粒58a和58b的横向晶粒生长。当(1)从界面生长的晶粒在熔融硅区的中部50a附近碰撞时；或(2)随着熔融硅区固化到足以产生固化晶核从而在中部区50a内形成多晶硅颗粒时，根据熔融硅区的宽度停止横向生长。
由于狭缝“A”的宽度(参见图1B)是晶粒最大横向生长长度的两倍，所以熔融硅区“D”“E”或“F”的宽度也是晶粒最大横向生长长度的两倍。因此，当在中部50a处形成多晶硅颗粒时，将停止横向晶粒生长。这种多晶硅颗粒在后面的结晶步骤中起固化晶核的作用。
正如上面所讨论的那样，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间界面56a和56b的形式形成。第一次激光束照射的结果是，在一个方块中形成结晶区“D”“E”和“F”。此外，还形成固化的晶核区50a。
如上所述，通过一次激光照射得到的横向晶粒生长长度与激光能量通量、基板的温度和非晶硅薄膜的厚度有关。在上述第一次激光束照射时，由横向生长产生的晶粒长度范围一般为1.5-3微米。
图3B表示用第二次激光束照射来结晶非晶硅。在第一次激光束照射后，X-Y平台或掩模38沿着与晶粒58a或58b横向晶粒生长相反的方向(如图3A中所示)移动几个微米的距离，该距离等于或小于横向晶粒生长的最大长度。然后，进行第二次激光束照射。受第二次激光束照射的区域熔融并按上述方式结晶。由第一次激光束照射产生的硅晶粒58a和58b或/和晶核区50a对第二次结晶起晶种的作用。因此，在第二熔融区出现横向晶粒生长。通过第二次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附近连续生长，而且还形成从界面56c长出的硅晶粒58d。当在因第二次激光束照射而熔融的硅区中部形成晶核区50b时，这些晶粒58c和58d的横向生长将停止。
因此，通过反复进行上述熔融和结晶的步骤，可使一块非晶硅薄膜结晶并形成图3C所示的晶粒58e。
上述在一块区域内进行的结晶过程可以在整个非晶硅薄膜52上逐块重复。因此，可将大尺寸非晶硅薄膜变成结晶硅薄膜。尽管上述传统的SLS方法获得了很大成功，但是它还存在一些缺点。
尽管传统的SLS方法能产生大尺寸晶粒，但是X-Y平台或掩模必须反复移动几微米的距离以便引起横向晶粒生长。因此，移动X-Y平台或掩模38所需的时间占据了整个结晶时间的很大一部分。这明显降低了生产效率。
图4是在另一种SLS方法中使用的掩模60的平面图。掩模60具有透光狭缝“G”和光吸收区“H”。尽管掩模60与掩模38相类似，但是横向条状狭缝“G”的宽度比最大横向晶粒生长长度小两倍。由于狭缝“G”具有较小的宽度，所以当在未熔区和完全熔化区之间的界面上产生的晶粒发生碰撞时，横向晶粒生长将停止。与图3A-3C所述结晶相比，当用掩模60时不形成固化晶核区50a和50b。
现在将讨论采用掩模60的SLS。如参照图1A所描述的那样，激光束34穿过掩模60并照射样本基板44上的非晶硅薄膜。激光束34分成三路光束(由于存在三个狭缝“G”)。各路光束经物镜42减径后在非晶硅薄膜上形成光束图像。在结晶过程中，光束图像沿X轴的方向移动。由于在X轴方向上的运动，导致沿光束图像的长度生成结晶。如上所述，X-Y平台46或掩模60移动几毫米(mm)的距离。与参照图3A-3C所述SLS方法相比，较大的移动量减少了处理时间。图5A-5C表示的是用图4中所示掩模结晶的非晶硅薄膜的平面图。假设掩模60有三条狭缝。如上所述，根据激光束34的能量通量、基板的温度、非晶硅薄膜的厚度等可以确定横向晶粒生长的长度。因此，在最佳条件下横向晶粒能最大限度地生长。在图5A-5C中，很明显，狭缝“G”(见图4)的宽度比横向晶粒生长的最大长度小两倍。
图5A表示非晶硅薄膜结晶的初始步骤。参照图1A和5A，从激光发生器36发出的激光束34穿过掩模60(该掩模代替掩模38)并照射沉积在样本基板44上的第一块(E1)非晶硅薄膜62。激光束34由狭缝“G”分成三路光束。三路光束照射并熔化非晶硅薄膜62上的区“I”、“J”、和“K”。由于每一个熔融区“I”、“J”、和“K”均对应于狭缝“G”，所以熔融区“I”、“J”、和“K”的宽度比最大横向晶粒生长量小两倍。各路光束的能量通量显然能使非晶硅薄膜完全熔化。
液相硅在固相非晶硅和液相硅之间的界面66a和66b处开始结晶。即，从靠近完全熔融区的未熔融区开始出现晶粒68a和68b的横向晶粒生长。然后，当晶粒68a和68b在熔融的硅区中线60a上发生碰撞时，将根据熔融硅区的宽度阻止横向生长。在定向固化的硅中的晶粒晶界倾向于以垂直于固相非晶硅和液相硅之间界面66a和66b的形式形成。第一次激光束照射的结果，使第一块区域E1部分结晶。随后，通过移动装有基板的X-Y平台，使光束图像沿X轴方向移动几毫米(mm)的距离。接着，进行第二次照射并使第二块区域E2部分结晶。然后，沿X轴方向反复进行结晶。
用图5A中所述第一至第三激光束照射的结果是，在与图4中的掩模60对应的第一到第三块区域E1、E2和E3中形成结晶区“I”、“J”、和“K”，因此生成了结晶的硅晶粒区“I”、“J”、和“K”。
在图5B中，在第一次激光束照射后，X-Y平台或掩模沿与图5A中晶粒68a或68b横向生长相反的方向移动，移动距离比横向生长的最大长度多几微米或几十微米或是少几微米或几十微米。即，沿Y轴方向逐块进行结晶。因此，用图5A中所述方式借助激光束使区域熔化然后结晶。这时，通过第一到第三激光束照射而生成的硅晶粒68a或/和68b对于结晶来说，起晶种的作用，因此，在熔融区中沿Y轴方向出现横向晶粒生长。通过连续横向固化(SLS)形成的硅晶粒68c在图5A的硅晶粒68a附近连续生长，并且还形成从界面66c固化的硅晶粒68d。这些晶粒68c和68d在通过Y轴激光束照射而熔融的硅区中线60b处彼此碰撞，从而阻止横向晶粒生长。
因此，通过重复上述非晶硅的熔化和结晶步骤，将会使非晶硅薄膜的各块区域E1、E2和E3结晶，从而形成如图5C所示的晶粒68e。图5C是表示晶粒横向生长到预定尺寸时形成的结晶硅薄膜的平面图。图3A-3C和5A-5C中所述传统SLS方法具有一些缺点。传统SLS方法需花费比较长的时间来结晶非晶硅薄膜，因此，将会导致生产率低下。此外，由于掩模狭缝宽度有限，所以使横向晶粒生长的长度受到限制。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种利用连续横向固化(SLS)来结晶非晶硅薄膜的方法，该方法基本上克服了因已有技术的局限和缺点而引起的一个或多个问题。
本发明的优点在于提供一种能节省时间的连续横向固化(SLS)方法。
本发明的另一个优点在于提供一种能提高生产率的非晶硅层结晶方法。
本发明的其它特征和优点将在下面的说明中阐述，这些特征和优点的一部分将从说明中明显得出，或是通过本发明的实践而获得。本发明的目的和其它优点将通过在说明书文字部分和权利要求书以及附图中特别指出的方法而实现和得到。
为了实现这些和其它优点并且按照本发明的目的，作为概括性和广义性描述，本发明所述在连续横向固化(SLS)的设备中结晶非晶硅薄膜的方法包括，将基板固定到连续横向固化(SLS)设备中的步骤，其中所述基板上带有非晶硅薄膜。然后，用穿过掩模的激光束照射非晶硅薄膜，其中将掩模安装在SLS设备内，所述掩模包括光吸收区和多个形成阶梯状的光透射区，其中每个光透射区具有多个彼此相邻的矩形子区，每个矩形子区的宽度为几微米，例如大于1微米和小于10微米，而且其中每个矩形子区的长度从几百微米(例如200微米)到几个毫米。然后，形成与光透射区相应的第一结晶区，其中每个结晶区具有多个硅子区，每个硅子区具有第一晶粒区、第二晶粒区和中间区。第一和第二晶粒区的晶粒相对于液相和固相硅之间的界面垂直生长。随后，为进行下一次结晶而沿横向移动掩模，随着掩模的移动，矩形子区的长度也前移。接着进行第二次结晶，以形成第二结晶区，在第二次结晶的过程中，第一结晶区中的第二晶粒区继续它们的生长。然后，重复进行形成第一结晶区、移动掩模和进行第二次结晶的过程直到在横向上结晶出非晶硅薄膜。结晶非晶硅薄膜的方法进一步包括在完成横向结晶后沿纵向移动掩模的步骤，而且还包括在沿纵向移动掩模后进行第二次横向结晶的步骤。
在上述方法中，掩模的相邻矩形子区构成台阶形。相邻矩形子区之间的台阶大于或小于晶粒横向生长的最大长度。每个矩形子区的宽度等于或小于横向晶粒生长的最大长度的两倍。这时，每个硅子区的中区是从对侧界面横向生长的晶粒产生碰撞的碰撞区。此外，每个矩形子区的宽度可以等于或大于横向晶粒生长最大长度的两倍。每个硅子区的中区起晶核区的作用。
另一方面，利用连续横向固化(SLS)设备结晶非晶硅薄膜所用的掩模包括遮挡激光束的光吸收区，和多个能使激光束通过的光透射区，每个区构成阶梯形。每一个光透射区包括多个相邻的矩形子区。每一个矩形子区的宽度等于或小于最大横向晶粒生长量的两倍。此外，矩形子区的宽度可以等于或大于最大横向晶粒生长量的两倍。掩模的相邻矩形子区构成台阶形。相邻矩形子区之间的台阶大于或小于最大横向晶粒生长量。每个矩形子区的长度范围为从几百微米到几毫米。
很显然，上面的一般性描述和下面的详细描述都是示例性和解释性的，这些描述意在对本发明的权利要求进行进一步解释。
附图的简要说明
本申请所包含的附图有助于对本发明的进一步理解，这些附图与本申请相结合并作为本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例并与说明书一起解释本发明的原理。
附图中：
图1A是传统的连续横向固化(SLS)设备的示意性结构图；
图1B是表示图1A中所示掩模的平面图；
图2表示带有局部结晶的非晶硅薄膜的基板；
图3A-3C是表示用传统SLS法结晶的一块非晶硅薄膜的平面图；
图4是SLS结晶掩模的平面图；
图5A-5C是表示用图4所示掩模结晶的非晶硅薄膜的平面图；
图6是按照本发明第一实施例所述SLS结晶掩模的平面图；
图7A-7I是表示用图6的掩模完成结晶过程的平面图；
图8是按照本发明第二实施例所述SLS结晶掩模的平面图；
图9A-9G是表示用图8所示掩模完成结晶过程的平面图；
图10是包含数据驱动电路和栅极驱动电路的液晶显示屏的示意图，其中的结晶有源层遵循的是本发明的原理；
图11是表示开关装置和CMOS晶体管的平面图。
具体实施方式
现在将详细说明本发明的实施例，这些实施例的实例示于附图中。在所有附图中将尽可能用相同的参考标记表示相同或相似的部件。
图6是按照本发明第一实施例所述SLS结晶掩模100的平面图。如图中所示，掩模100包括多个阶梯形光透射区“L”。每个光透射区“L”包括矩形形状的第一到第五子区L1、L2、L3、L4和L5。在下文中将每个光透射子区L1-L5称作“矩形子区”。每一个矩形子区L1-L5的长度“P”为几百微米(μm)到几毫米(mm)(即，大于200微米)，宽度为几微米(μm)(即，大于1微米并小于10微米)。在本发明的第一实施例中，矩形子区的宽度等于、或大于最大横向晶粒生长的长度。矩形子区L1-L5借助于小于最大横向晶粒生长长度的台阶“K”而彼此相连。即，第二矩形子区L2设置在比第一矩形子区L1低的位置上，低下的量为台阶“K”的尺寸。因此，当为了准备下一个结晶步骤而将掩模100或X-Y平台移动几百微米(μm)到几毫米(mm)的长度“P”时，由矩形子区L1、L2、L3、L4和L5形成的光束图像包括与结晶区的中部对应的中部或中线。也就是说，现在简单地参照图7B，掩模的第一到第四矩形子区L1-L4与结晶区的中部114重叠。
相对于结晶区的中部而言，中部的特性和特点与横向晶粒生长的最大长度以及矩形子区的宽度密切相关。如果矩形子区的宽度小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍，则中部成为从相对两侧横向生长的晶粒产生碰撞的碰撞区。此外，如果矩形子区的宽度大于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍，则中部成为包含多晶硅颗粒的晶核区。
图7A-7I是表示用图6中的掩模完成结晶过程的平面图。每当激光束照射非晶硅薄膜时，掩模100总是位于基板110和激光发生器之间。
参照图7A，将掩模100(见图6)设置在固定于X-Y平台上的基板110的上方。将非晶硅薄膜设置在基板110上。如上所述，掩模100包括具有第一到第五矩形子区L1-L5的光透射区“L”。然后，进行第一次激光束辐射，使得与矩形子区L1-L5对应的非晶硅子区112a-112e熔化后结晶。
在基板110上形成与图6中的光透射区“L”对应的结晶区115。在每个结晶区115内存在第一晶粒区114a、第二晶粒区114b和中区114。当停止第一次激光束辐射时，熔化的硅在固相非晶硅和液相硅之间的界面上迅速结晶。沿着从界面到中心向下的方向形成第一晶粒区114a，沿着从界面到中心向上的方向形成第二晶粒区114b。因此，第一和第二晶粒区114a和114b在每个硅子区112a(112b，112c，112d或112e)的中部相遇，因此，形成中区114，该区是碰撞区或形成晶核的地方。在每个硅子区112a和112b(112b和112c，112c和112d，112d和112e)之间，存在台阶“K”，该台阶小于第一晶粒区114a的横向晶粒长度。
在第一次激光束照射后，X-Y平台或/和掩模100移动几毫米(mm)的距离以便进行下一次激光束照射。即，例如，使基板110向左移动硅子区(112a-112e)的长度“P”。
现在参照图7B，使第一到第五矩形子区L1-L5向右移动，从而使第一到第五矩形子区L1-L4分别处于第一到第五硅子区112b-112e的上方。当第一到第四矩形子区L1-L4与第二到第五硅子区112b-112e重叠时，第一到第四矩形子区L1-L4中的每一个子区都将使第二到第五硅区112b-112e中的中区114、第一晶粒区114a、和一部分第二晶粒区114b暴露。然后，通过第一到第五矩形子区L1-L5进行第二次激光束辐射。
因此，当进行第二次激光束照射时，非晶硅薄膜中处于第一到第五矩形子区L1-L5下方的区域再次熔化。如图7C所示，第二次激光照射后，第二到第五硅子区112b-112e的第二晶粒区114b趋于沿形成第三晶粒区114c的上行方向生长。即，由第二次激光束照射形成的第三晶粒区114在与由第一次激光束照射形成的第二晶粒区114b邻接处生长，因此，晶粒将相对于液相和固相硅之间的界面垂直生长。在掩模的矩形子区使第二到第五硅子区112b-112e暴露的区域116内，可以获得如图7C所示的较大晶粒114C。此外，在与第五硅子区112e邻接处形成新的第六结晶硅子区112f。
现在参照图7D和7E，重复上述熔化和结晶的步骤以形成更大的晶粒118a和118b，这些晶粒是在图7C所示晶粒114c的基础上继续生长的。实际上，按照本发明所述，由于晶粒横向生长的长度随着矩形子区数量的增加而变得更大，所以晶粒的生长并没有任何限制。然而，当在掩模100中形成多个光透射区“L”(见图6)时，晶粒横向生长的长度受到相邻光透射区“L”之间距离的限制。
在图7E和7F中，如区域120中所展现的那样，较大的晶粒118a和118b彼此邻接(见图7F)。当在横向(X轴方向)上进行结晶时，由掩模100的相邻光透射区形成的结晶区彼此相遇并形成边界。因此，在相邻的结晶区118a和118b的边界上停止横向晶粒生长。
现在参照图7G和7H，在利用图6所示掩模继续沿横向结晶的过程中，将形成较大晶粒。当掩模100具有两个光透射区时，沉积在基板110上的非晶硅结晶成宽度为W1的结晶硅。图6中的每个光透射区“L”形成图7H和7I中所示的宽度为W2的晶粒。
完成横向结晶后，X-Y平台或掩模沿纵向(Y轴方向)移动几毫米的距离以备另一次X轴向结晶。如图7I所示，在完成了全部Y轴移动和X轴结晶后，便完全结晶成完整的非晶硅薄膜。结晶硅层122具有在较短时间内完成的宽度为W2的结晶区。由于在进行后面的结晶时，X-Y平台或掩模移动了几毫米，所以与已有技术相比能很快地完成硅薄膜结晶。结晶的硅层适合用于薄膜晶体管，以及其它目的。
图8是按照本发明第二实施例所述用于结晶的掩模平面图。尽管掩模120外观上与图6中的掩模相似，但是掩模120具有更大的台阶(台阶“S”对应于图6中的台阶“K”)。
如图8中所示，掩模120包括多个光透射区“N”，每个区均为阶梯形式。每个光透射区“N”包含第一到第三呈矩形的子区N1、N2和N3。在下文中将每个光透射子区N1-N3称为“矩形子区”。每个矩形子区N1-N3的长度“P”为几百微米(μm)到几个毫米(mm)(例如，大于200微米)，宽度为几个微米(μm)(例如，大于1微米，小于10微米)。在本发明的第二实施例中，几微米(μm)的宽度小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍。由于相邻矩形子区N1-N3之间的台阶“S”大于横向晶粒生长的最大长度，所以第二矩形子区N2的位置比第一子区N1低很多。结果是，当利用掩模120结晶非晶硅薄膜时，可以在每单位时间内结晶更大的区域。然而，与第一实施例相比，第二实施例的横向晶粒生长长度较小。
此外，由于每个矩形子区N1-N3的宽度小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍，所以，横向生长的晶粒在中区内相互碰撞。
图9A-9G是表示用图8所示掩模结晶非晶硅薄膜时所用步骤的平面图。
现在参照图9A，将掩模置于安装在X-Y平台上的基板140的上方。基板140上带有非晶硅薄膜。如上所述，掩模140包括光透射区“N”，每个区上带有第一到第三矩形子区N1-N3。然后，用穿过掩模140的激光照射非晶硅薄膜，使得与矩形子区N1-N3之一分别对应的非晶硅区124a-124c熔化，然后结晶。如图中所示，每一个非晶硅区124a-124c都分成第一晶粒区127a和第二晶粒区127b。第一晶粒区127a与第二晶粒区127b在中区127c处分界。当停止照射激光束时，熔化的硅在固相和液相硅之间的界面上迅速开始结晶。第一和第二晶粒区127a和127b往往垂直生长并在中区127c内相互碰撞。
在结束图9A中所示的激光束照射后，使X-Y平台或/和掩模140沿横向移动几毫米(mm)的距离以便进行下一次激光照射。例如，使带有基板的X-Y平台向左侧移动，或使掩模向右移动的距离等于硅区124a的长度“P”。
如图9B所示，使第一到第三矩形子区N1-N3向右移动，将第一和第二矩形子区N1和N2分别设置在第二和第二硅区124b和124c的上方。因此，第一到第三子区N1-N3将暴露新的硅薄膜区。如图9B和9C所示，由于第一和第二子区N1和N2可使第二和第三硅区124b和124c的第一晶粒区127a暴露，所以在第二次激光照射期间，第一晶粒区127a再次结晶，而且新暴露的部分硅薄膜也同时结晶。
如图9C的区域125所展现的那样，通过第二次激光束照射和结晶而生成的第三晶粒区127d趋于生长到图9A中第二和第三硅区124b和124c的第一晶粒区127a。即，通过第二次激光束照射形成的第三晶粒区127c连续生长到与通过第一次激光照射形成的第一晶粒区127a相邻接，因此，晶粒将相对于中区127c垂直生长，所述中区127c是在结晶期间产生晶粒碰撞的区域。因此，如图9C所示，可以获得第三晶粒区127d的较大晶粒，该区的宽度为“Q”。此外，在第三结晶硅区124c的邻接区形成新的第四结晶硅区124d。
现在参照图9D和9F，重复上述熔化和结晶步骤，在区域129中形成较大晶粒128，通过图8的光透射区“N”形成的晶粒在区域129中相遇。如图9D-9F所示，由图8中的掩模120形成的结晶区129变得更大且宽度为“F”。在本发明的第二实施例中，晶粒的生长受到限制，所以在结晶区129上形成较短的晶粒。在用图8中的掩模继续沿横向(X轴方向)结晶的同时，在非晶硅薄膜中形成多个结晶的晶粒区。
在完成横向(X轴方向)结晶后，X-Y平台或掩模沿纵向(Y轴方向)移动几毫米的距离。然后，再次进行X轴方向的结晶。如图9G所示，通过Y轴方向的移动和X轴方向的结晶，将基板上的整个非晶硅薄膜结晶成多晶硅薄膜130。与第一实施例相比，第二实施例能在单位面积上形成较大数量的晶粒区。此外，在相同的条件下，第二实施例能比第一实施例更快地结晶非晶硅薄膜。
如上所述，通过第一和第二实施例形成的结晶硅层可以作为薄膜晶体管的有源层使用，也可用作其它用途，例如驱动装置和开关装置。
当液晶显示装置的分辨率较大时，信号线和扫描线的垫片间隔将减小。因此，更难以把TCP(载带盒)粘合到垫片上。然而，可以用SLS生长出的结晶硅来驱动ICs(集成电路)和在同一基板上形成薄膜晶体管。这种在基板上驱动ICs的形式可以降低生产成本并降低制造难度。
图10是液晶显示屏的示意图，所述液晶显示屏包括数据驱动电路134a和栅极驱动电路134b，所述电路使用了用本发明所述方式制成的结晶有源层。
如图10所示，液晶显示屏130包括显示区132和驱动区135。在显示区132中，设有多个开关装置，即，薄膜晶体管(TFTs)。在驱动区135中还设有数据驱动电路134a和栅极驱动电路134b。这些驱动电路134a和134b包括多个CMOS(互补的金属氧化半导体)装置。
如图11所示，CMOS装置“C”由N型TFT“C1”和P型TFT“C2”构成，“C1”和“C2”以正常的图腾柱模式彼此反相驱动。由于CMOS装置“C”消耗的电源很少，所以非常适合驱动电路。这种CMOS装置需要有快速操作特性，由上述发明方法形成的多晶硅构成的有源层能够满足所述特性。此外，由于图11中的TFT“T”由按照本发明原理生产的多晶硅形成，所以TFT具有很高的电子迁移性，这有助于改善显示质量。
下面将说明CMOS装置“C”和薄膜晶体管“T”的制造过程。此时，假设薄膜晶体管“T”为N型。
首先，在透明基板150上形成缓冲层152。在缓冲层152上形成包含氢的非晶硅(a-Si:H)层。然后将非晶硅脱氢。随后，用上述方法之一(第一或第二实施例)使非晶硅层结晶，由此形成多晶硅层。
接着将多晶硅层制出一定图案以形成第一到第三有源层154、156和158。将第一多晶硅有源层154分成一个有源通道区154a和两个掺杂区154b，两个掺杂区设在有源区154a的两侧。此外，将第二多晶硅有源区156分成一个有源通道区156a和两个掺杂区156b，将第三多晶硅有源区158分成一个有源层158a和两个掺杂区158b。在缓冲层152上形成覆盖多晶硅有源层154、156和158的第一绝缘层160。然后，在第一绝缘层160上，特别是在有源通道区154a、156a、和158a上形成栅极162、164和166。
随后，在用栅极162、164和166作为掩模的同时对掺杂区154b、156b、和158b进行掺杂。掺杂区154b和156b用n+离子掺杂，而掺杂区158b用p+离子掺杂。此后，晶体管“T”和“C1”成为N型晶体管而晶体管“C2”成为P型晶体管。
接着，在第一绝缘层160上形成覆盖栅极162、164和166的第二绝缘层168。随后将第一和第二绝缘层160和168制出图案以便形成暴露掺杂杂质区154b、156b、和158b的接触孔。在第一和第二绝缘层160和168上制出图案后，在第二绝缘层168上形成金属层。将该金属层制出一定图案以形成源极170a、172a、和174a以及漏极170b、172b、和174b。如图11所示，源极170a、172a、和174a分别接触晶体管右侧的杂质掺杂区154b、156b、和158b。漏极170b、172b、和174b分别接触晶体管左侧的杂质掺杂区154b、156b、和158b。由此，形成薄膜晶体管“T”和CMOS装置“C”。然后，在第二绝缘层168上形成覆盖所有晶体管“T”、“C1”和“C2”的钝化层176。接着，将钝化层176制成一定图案以暴露薄膜晶体管“T”的部分漏极170b。因此，形成在钝化层176上的象素电极178与薄膜晶体管“T”的漏电极170b接触。
图11所示开关装置和操作装置是用由本发明第一和第二实施例结晶的多晶硅制成的，因此，可以明显缩短加工时间和提高产量。
按照本发明所述SLS方法，由于当结晶非晶硅薄膜时，X-Y平台和掩模将移动几毫米，所以与已有技术的方法相比显著地减少了结晶时间和制造过程的时间。
对于熟悉本领域的技术人员来说，很显然，可以在不脱离本发明构思和范围的情况下，对结晶非晶硅的方法进行各种改进和变型。因此，本发明意在覆盖落入本发明所附权利要求及其等同物范围内的各种改进和变型。

Claims (20)

1.一种结晶非晶硅薄膜的方法，包括，
将带有非晶硅薄膜的基板固定到连续横向固化(SLS)设备中；
用穿过掩模的激光束照射非晶硅薄膜，其中所述掩模包括光吸收区和多个形成阶梯状的光透射区，其中每个光透射区具有多个矩形子区，每个矩形子区的宽度大于1微米和小于10微米，而且其中每个矩形子区的长度为几百微米至几个毫米，其中穿过所述光透射区的激光束区域将第一结晶区内的非晶硅薄膜熔化成液态硅，其中所述第一结晶区中的每个结晶区具有多个硅子区，每个硅子区具有第一晶粒区、第二晶粒区和中间区，而且第一和第二晶粒区的晶粒从液相和固相硅之间的界面横向生长。
在激光进行连续横向固化结晶的过程中，相对于非晶硅薄膜横向移动掩模，
在第二结晶区上进行第二次结晶，以便使第二晶粒区中的硅晶粒继续生长。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括相对于非晶硅薄膜多次横向移动掩模以使硅晶粒在第二晶粒区中连续生长，直到在横向上结晶出多晶硅薄膜。
3.根据权利要求2所述的方法，进一步包括在完成横向结晶后沿纵向移动掩模。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括在沿纵向移动掩模后进行第二次横向结晶。
5.根据权利要求4所述的方法，其中通过相邻阶梯状的光透射区形成台阶。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述台阶大于硅晶粒横向晶粒生长的最大长度。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述台阶小于晶粒横向生长的最大长度。
8.根据权利要求1所述的方法，其中每个矩形子区的宽度小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍。
9.根据权利要求8所述的方法，其中每个硅子区的中部是硅晶粒子碰撞的碰撞区。
10.根据权利要求1所述的方法，其中每个矩形子区的宽度大于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍。
11.根据权利要求10所述的方法，其中用激光束照射在每个第一结晶区的中部形成多晶硅颗粒。
12.一种连续横向固化(SLS)掩模包括：
遮挡激光束的光吸收区；和
能使激光束穿过的多个阶梯形光透射区。
13.根据权利要求12所述的连续横向固化(SLS)掩模，其中每个阶梯形光透射区包括多个彼此相邻接的矩形子区。
14.根据权利要求13所述的连续横向固化(SLS)掩模，其中每个矩形子区的宽度大于一微米而小于十微米。
15.根据权利要求14所述的连续横向固化(SLS)掩模，其中每一个矩形子区的宽度等于或小于最大横向晶粒生长长度的两倍，该横向晶粒是通过连续横向固化(SLS)掩模生成的。
16.根据权利要求13所述的掩模，其中每个矩形子区的宽度等于或大于最大横向晶粒生长长度的两倍，该横向晶粒是通过连续横向固化(SLS)掩模生成的。
17.根据权利要求12所述的掩模，其中相邻的矩形子区形成台阶。
18.根据权利要求17所述的掩模，其中所述台阶大于最大横向晶粒生长长度，所述横向晶粒是通过连续横向固化(SLS)掩模生成的。
19.根据权利要求17所述的掩模，其中所述相邻矩形子区之间的台阶小于最大横向晶粒生长的长度，所述横向晶粒是通过连续向固化(SLS)掩模生成的。
20.根据权利要求12所述的掩模，其中每个矩形子区的长度范围为几百微米至几毫米。
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