CN1240884C - 非晶硅结晶法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掩模和其在非晶硅连续横向固化(SLS)结晶方法中的应用。该掩模包括一个用于阻挡激光束的光吸收部分，和具有按矩形面积递增排列的图案的多个第一梯形光透射部分和具有按矩形面积递增排列的图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许激光束通过并包括多个相邻的矩形图案。第二光透射部分位于第一光透射部分之间并具有少于第一光透射部分的梯形图案数。操作中，在用激光束进行SLS结晶时，掩模横向移动一段不大于梯形图案宽度的距离。第一和第二光透射部分控制晶粒的生长，从而可形成高质量的多晶硅。

Description

非晶硅结晶法
本申请要求2001年6月7日在韩国申请的第2000-31624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。
技术领域
本发明涉及非晶硅膜的结晶，尤其是涉及一种连续横向固化(SLS)结晶法。
背景技术
多晶硅(p-Si)和非晶硅(a-Si)通常用作液晶显示器(LCD)中的薄膜晶体管(TFT)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)TFT的显示响应时间较慢，这限制了它们在大屏幕LCD中的适用性。
相反，多晶硅TFT则能提供快得多的显示响应时间。因此，多晶硅(p-Si)更适于用于大屏幕LCD装置，例如膝上型电脑和壁挂式电视。这些应用通常要求TFT的场效应迁移率大于30cm2/Vs，并伴有低漏电流。
多晶硅膜由具有晶界的晶粒制成。晶粒越大，晶界越规则，则场效应迁移率越好。因而，能产生大晶粒(最理想的是单晶)的结晶方法是非常有用的。
将非晶硅结晶成多晶硅的方法是连续横向固化法(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，利用具有一定强度即能使非晶硅熔化的强度的激光束使非晶硅结晶，从而使熔融的硅在重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，而图1B表示在图1A所示的设备中使用的传统掩模38的平面图。在图1A中，SLS设备32包括一激光源36，一掩模38，一聚光镜40和一个物镜42。激光源36发射激光束34。激光束34的强度通过一个位于激光束34光路中的衰减器(未示出)进行调节。激光束34通过聚光镜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照射产生的结晶硅的晶粒大小。另外，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。可以沿两个正交轴方向运动的X-Y平台46包括一个用于驱动x轴平台的X轴向驱动单元和用于驱动y轴平台的y轴向驱动单元。衬底44放置在X-Y平台46上以接收来自物镜42的光。虽然在图1A中未示出，但可以知道，非晶硅膜位于衬底44上，由此构成样本衬底。
为了使用传统的SLS设备，通常将激光源36和掩模38固定在预定的位置上，而由X-Y平台46沿x轴和/或y轴方向移动样本衬底44上的非晶硅膜。或者，也可以固定X-Y平台46而移动掩模38以使样本衬底44上的非晶硅膜结晶。
当进行SLS结晶时，通常在衬底和非晶硅膜之间形成一个缓冲层。然后在缓冲层上沉积非晶硅膜。之后，如上所述地使非晶硅结晶。非晶硅膜通常利用化学气相沉积法(CVD)沉积在缓冲层上。但遗憾的是，该方法制造的非晶硅带有很多氢气。为了减少氢气含量，通常要对非晶硅进行热处理以脱氢，这样便会形成平滑的结晶薄膜。如果不进行去氢处理，则晶体硅膜的表面将会很粗糙，从而会使结晶硅膜的电特性变差。
图2是表示带有部分结晶的非晶硅膜52的衬底44的平面图，当进行SLS结晶时，由于激光束34只具有有限的束宽，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膜52。因此，通常需要移动衬底38数次，使得在不同的位置重复进行结晶，由此使衬底完全结晶。在图2中，对应于一个掩模位置的区域“C”被称之为一方块。通过多次照射激光束可实现方块“C”内非晶硅结晶。
下面将解释非晶硅膜52的SLS结晶方法。图3A至3C是利用传统的SLS方法使一块非晶硅膜52进行结晶的平面图。在图示的结晶过程中，很显然，掩模38(见图1A和1B)具有三条狭缝。
根据激光束的能量通量、衬底的温度和非晶硅膜的厚度(以及其它因素)可以确定晶粒的横向生长长度。应该理解，在最佳条件下可以得到最大横向晶粒生长量。在图3A至3C所示的SLS方法中，狭缝的宽度是最大横向晶粒生长长度的两倍。
图3A表示利用第一次激光束照射使非晶硅膜52结晶的初始步骤。如参照图1A所述的那样，激光束34穿过掩模38并照射到样本衬底44的一块非晶硅膜52上。参见图3A，激光束34由三条狭缝“A”分成三路光束。三路光束照射并熔化非晶硅膜52的区域“D”、“E”和“F”。各路光束的能量通量应能足以导致非晶硅膜52的完全熔化。即由激光束34辐照的非晶硅膜部分完全熔化直到缓冲层。
进一步参见图3A，在完全熔化液相硅之后，开始在固相非晶硅和液相硅的界面56a和56b上结晶。结晶是以出现晶粒横向生长方式进行。因而，如图所示，晶粒58a和58b从未熔化的区域到完全熔化的区域实现横向生长。当(1)从界面生长的晶粒在熔融硅区域的中部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，停止横向生长。
由于狭缝“A”的宽度(见图1B)是晶粒58a和58b横向最大生长长度的两倍，熔融硅区域“D”、“E”和“F”的宽度也是晶粒横向最大生长度的两倍。因此，当在中部50a处形成多晶硅颗粒时，将停止晶粒的横向生长。这些多晶硅颗粒在后面的结晶步骤起着固化晶核的作用。
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间界面56a和56b的形式形成。因而，做为第一次激光束照射的结果是，形成结晶区域“D”、“E”和“F”。另外，还形成了固化的晶核区50a。
如前所述，通过一次激光照射得到的晶粒横向生长的长度与激光能量通量、衬底温度和非晶硅膜的厚度有关。由横向生长产生的晶粒长度范围一般为1～1.5微米(μm)。
图3B表示利用第二激光束照射使图3A的非晶硅膜52结晶。第一次激光束照射之后，将X-Y平台或掩模38沿晶粒58a或58b(图3A)的横向生长方向、即X方向移动一个不大于晶粒横向生长最大长度的距离。然后，进行第二激光束照射。正如上面所述的那样，受第二激光束照射的区域发生了熔化并产生结晶。由第一次激光束照射产生的硅晶粒58a和58b和/或晶核区域50a充当第二次结晶的晶种。因而，在第二熔融区域中出现横向晶粒生长。通过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附近继续生长，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化的硅区的中部形成晶核区50b时，这些硅晶粒58c和58d的横向生长将停止。
因此，通过重复前述的熔化和结晶步骤，使一块非晶硅膜结晶，从而形成如图3C所述的晶粒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，可将大尺寸的非晶硅膜变成结晶硅薄膜。尽管上述传统的SLS方法获得了很大的成功，但是它还存在一些缺点。
虽然传统的SLS方法能产生大尺寸的晶粒，但X-Y平台或掩模必须反复移动几微米的距离以产生横向晶粒生长。因此，移动X-Y平台或掩模38所需的时间占据了总过程的大部分时间。这严重降低了生产率。
图4是另一种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”。虽然掩模60与图1B中的掩模38相类似，但是横向带状狭缝“G”的宽度小于晶粒最大横向生长长度的两倍。由于狭缝“G”具有较小的宽度，所以当在未熔化的区域和完全熔化的区域之间的界面处产生的晶粒发生碰撞时，晶粒的横向生长将停止。与图3A～3C所述的结晶过程相比，当采用掩模时不形成固化晶核区50a和50b。
下面将讨论利用掩模60的SLS方法。如参照图1A所述，激光束34穿过掩模60并照射到样本衬底44上的非晶硅膜。激光束34被分成三路光束(由于存在三条狭缝“G”)。各路光束经物镜42减径后在非晶硅膜52上形成光束图像。在结晶过程中，光束图像沿X轴方向移动。由于X轴方向上的移动，导致沿光束图像长度上生成结晶。如上所述，X-Y平台46或掩模60移动几毫米(mm)的距离。与参考图3A～3C所述的SLS方法相比，较大的移动量减小了处理时间。
图5A～5C是利用图4中所示掩模进行的结晶中使用的非晶硅膜的平面图。假设掩模60具有三条狭缝。如上所述，晶粒的横向生长长度由激光束34的能量通量、衬底温度和非晶硅膜的厚度等决定。这样，在最佳条件下，晶粒的横向生长可以达到最大。在图5A～5C中，应该理解，狭缝“G”的宽度(图4)小于横向晶粒生长最大长度的两倍。
图5A表示非晶硅膜结晶的初始步骤。参见图1A和5A，从激光源36发出的激光束34穿过掩模60(代替掩模38)并照射到沉积在样本衬底44上的第一块E1非晶硅膜62。激光束34由三条狭缝“G”分成三条光束。三条光束照射并熔化非晶硅膜62的区域“I”、“J”和“K”。由于每一个熔化区“I”、“J”和“K”都对应于狭缝“G”，所以熔化区“I”、“J”和“K”的宽度小于晶粒横向最大生长长度的两倍。激光束的能量通量应能足以导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上开始结晶。即晶粒68a和68b从未熔化的区域到完全熔化的区域进行横向晶粒生长。然后，在晶粒68a和68b沿熔化硅区域的中线60a相碰撞处晶粒停止横向生长。晶界趋于与界面66a和66b形成垂直。做为第一次激光束照射的结果，第一块E1发生部分结晶。之后，通过移动X-Y平台而使光束图像沿X轴方向移动。进行第二次照射，使第二块E2发生部分结晶。在X轴方向重复进行上述结晶过程以形成第三块E3。
如图5A所述的进行第一至第三激光束照射的结果，形成了“I”、“J”和“K”结晶区，每个区具有第一至第三块E1、E2和E3。
在图5B中，在第一组激光束照射之后，X-Y平台或掩模沿着与晶粒68a或68b生长方向相反的方向移动一个等于或小于横向生长最大长度的距离。然后沿X轴方向逐块进行结晶。因此，激光束照射的区域被熔化并以图5A所述的方式结晶。此时，通过第一至第三激光束照射生长的硅晶粒68a或/和68b充当此结晶过程的晶种。通过连续横向固化(SLS)方法形成的硅晶粒68c在图5A所示的硅晶粒68a附近继续生长，并且还形成从界面66c固化的硅晶粒68d。这些硅晶粒68c和68d在由激光束照射熔化的硅区域的中线60b处彼此相撞，由此停止了晶粒的横向生长。
因此，通过重复上述非晶硅的熔化和结晶步骤，非晶硅膜的块E1、E2和E3开始结晶，以形成图5C所述的晶粒68e。图5C是表示由晶粒横向生长到预定尺寸所形成的晶硅膜的平面图。
图3A～3C以及图5A和5C所述的传统SLS方法具有一些缺点。传统的SLS方法要花较长的时间使非晶硅膜结晶，由此导致制造效率的降低。另外，由于掩模狭缝的宽度，晶粒横向生长的长度受到限制。
可以利用如图6所示的具有不同狭缝图像的掩模和沿水平方向的激光束扫描来实现更快速的结晶。如图6所示，掩模70包括多个狭缝图像72，它们被分成第一组“M”和第二组“N”。第一狭缝图像72a处于第一组“M”中，第二狭缝图像72b处于第二组“N”内。第一狭缝图像72a和第二狭缝图像72b之间的间隔为“O”。因此，如图6所示，每个第一狭缝图像72a与第二狭缝图像72b之间的间隔“O”相对，每个第二狭缝图像72b与第一狭缝图像72a之间的间隔“O”相对。参见图6，可以看到狭缝图像72的宽度大于间隔“O”。狭缝图像72的宽度应该等于或小于晶粒的最大横向生长长度。
因此，当第一非晶硅结晶步骤之后，掩模70或X-Y平台沿横向(即X轴方向和向右方向)移动时，第一组“M”的第一狭缝图像位于先前由间隔“O”覆盖的位置上。因此，可以通过在非晶硅结晶过程中沿横向重复地移动掩模70而获得所需尺寸的晶粒。下面将参照图7A～7F详细解释利用掩模70的非晶硅膜的结晶。
图7A表示利用图6所示掩模结晶非晶硅膜的初始步骤。如参照图1A所述，激光束34穿过掩模70(代替掩模38)并照射到样本衬底44上的非晶硅膜80上。当对非晶硅膜80施加激光束34时，激光束34沿X轴方向扫描。具有与掩模70的狭缝图像72相同图像的激光束图像部分熔化非晶硅膜80并生成处于第一和第二熔化组“P1”和“P2”中的第一和第二熔化区86a和86b。第一和第二熔化组对应于第一和第二狭缝组“M”和“N”。线光束的能量通量应足以导致非晶硅膜80完全熔化直到下面的缓冲层。
进一步参照图7A，完全熔化之后，液相硅开始在固相非晶硅和液相硅之间的界面85a和84b处结晶。即晶粒82a和82b从未熔化区到完全熔化区的横向晶粒生长。然后，根据熔化硅区域86a和86b的宽度停止横向生长，在所述的熔化硅区域82a和82b中，晶粒82a和82b沿熔化硅区域的中线84c相互碰撞。趋于固化硅的晶粒晶界趋向于与固相非晶硅和液相硅之间的界面84a和84b形成垂直。第一次激光束扫描的结果，第一和第二熔化组“P1”和“P2”部分结晶。此处，全部结晶区86都具有相同的尺寸和形状，因此，第一部分结晶组“P1”与第二部分结晶组“P2”相同但相互偏离。
现参照图7B，之后，通过移动安置有衬底的X-Y平台，光束图像沿X轴方向移动结晶区86的“Q”长度。因此，第一狭缝组“M”的第一狭缝图像72a位于第二部分结晶组“P2”之上，并且第二狭缝组“N”的第二狭缝图像72b位于非晶硅膜80的新的区域之上。尤其是第一狭缝图像72a位于第二结晶区86b之间。之后，进行第二次激光束扫描，因而，被第二激光束照射的硅区域被熔化并结晶。
现参见图7C，暴露于第一次和第二次激光束扫描的重叠区域“R1”被完全结晶成具有一个预定的宽度“T”。同时，紧挨着区域“R1”形成另一个部分结晶区“R2”。换言之，第二次激光束扫描和结晶之后，形成具有横向生长长度为“S”的新晶粒。因为新晶粒88在第一晶粒82a的附近继续生长，所以新晶粒88的晶粒长度“s”等于从第一中线84c(通过第一结晶过程形成)到第二中线84d(通过第二结晶过程形成)的长度。
第二次激光束扫描和结晶之后，掩模70再次沿X轴方向移动结晶区的“Q”长度，以进行第三次激光束扫描。因而，如图7D所示，具有第一狭缝图像72a的第一狭缝组“M”位于部分结晶组“R2”之上。如图7E所示，通过第三次激光束扫描和结晶，部分结晶组“R2”变为一个完全结晶区“R3”。
参见图7F，通过重复进行前述的熔化和结晶步骤，非晶硅膜82变成具有“S”长度晶粒90的多晶硅膜92。
但是，参见图1～7F所述的传统SLS方法有一些问题。例如，参照图3A～3C所述的SLS方法(即通常指扫描&步进SLS方法)要花相当长的时间使非晶硅膜结晶，由此降低了产率和产量。参照图5A～5C所述的SLS方法(通常指连续SLS方法)和参照图7A～7F的SLS方法(即通常指单一扫描SLS方法)比扫描 & 步进SLS方法所花费的时间要短，但它们限制了激光束图像的宽度。即，因为激光束图像的宽度小于或等于横向晶粒生长的最大长度，所以晶粒尺寸受到限制。通过前述方法形成的晶粒尺寸列于表1中。表1还表示了在每种结晶方法中根据横向晶粒生长长度(微米；μm)加工处理的衬底的数量。
[表1]
横向晶粒生长结晶法   1.75   2.5   4   7   10   13   16   19   22   30.25
扫描 & 步进   2.1   2.1   2.0   1.9   1.9   1.8   1.7   1.7   1.6   1.5
连续   52.2   36.6   22.9   13.1   9.2   7.0   5.7   4.8   4.2   3.0
单次扫描   62.4   47.4   32.0   32.0   13.9   10.9   8.9   7.5   6.5   4.8
得到的结果：曝光面积＝1.5×25mm2激光频率＝230Hz玻璃衬底尺寸＝370×470mm2平台步进时间＝0.4s加载 & 卸载时间＝10s(每个衬底)横向晶粒生长的最大长度＝1微米(μm)衬底步进距离＝0.75微米(μm)
从表1的结果看出，当横向晶粒生长长度变大时，产量降低。即，横向晶粒生长长度越大，产量越小。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种利用连续横向固化(SLS)方法结晶非晶硅膜的方法，该方法基本上克服了因现有技术的局限性和缺点而引起的一个或多个问题。
本发明的一个优点在于提供了一种能节省结晶时间和提高产率的连续横向固化(SLS)方法。
本发明的另一个优点在于提供一种利用改进的SLS方法提高了制造产率的结晶非晶硅层的方法。
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，结晶非晶硅膜的方法包括；将具有非晶硅膜的衬底放置在连续横向固化(SLS)设备中；用一束穿过掩模的激光束照射非晶硅膜，其中掩模包括一个用于阻挡激光束的光吸收部分，和具有按矩形面积递增排列的图案的多个第一梯形光透射部分和具有按矩形面积递增排列的图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许激光束通过，第二光透射部分位于第一光透射部分之间，且其中按矩形面积递增排列的部分的每一层都具有相同的宽度，穿过掩模的激光束部分把非晶硅膜熔化成液态硅。该方法还包括结晶熔化区，使得晶粒生长区域具有从液态硅和固态硅之间的界面横向生长形成的横向生长晶粒。然后，横向移动掩模以暴露结晶的区域用于后续的结晶，并且进行第二次结晶，使得横向生长的晶粒在结晶硅颗粒区域附近继续生长。该方法还包括在横向结晶非晶硅膜之后，将掩模沿纵向移动，并且然后进行另一次横向结晶。
在另一个方面，用于在连续横向固化(SLS)设备中使非晶硅膜结晶的掩模包括：一个用于阻挡激光束的光吸收部分；和具有按矩形面积递增排列的轮廓的第一、第二梯形光透射部分，其中第一和第二光透射部分用于透过激光束。每个光透射部分包括多个形成梯形形式的彼此相邻的矩形图案。矩形图案可有利地具有相同的宽度，但具有不同的长度。矩形图案的宽度范围从100微米～10毫米，利用下列公式计算矩形图案的长度：XN＝[X(N-1)+GN]，此处N为大于1的自然数，XN为第N个矩形图案的长度，GN为第N个矩形图案中横向晶粒生长的长度。GN是一个变量，小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍。彼此相邻的矩形图形步进量小于或等于横向晶粒的生长最大长度。第二光透射部分位于第一光透射部分之间，在第二光透射部分中的矩形图案少于在第一光透射部分的矩形图案。
应该理解，前述概括性描述和之后的详细描述都是释意性和示例性，意欲对对权利要求限定的本发明作进一步的解释。
附图简要说明
下面将通过附图对本发明的原理做更进一步分解释，这些附图构成本申请说明书的一部分。
附图中：
图1A是现有技术中的连续横向固化(SLS)设备的示意图；
图1B是用在图1A所述设备中的掩模的平面图；
图2是具有部分结晶的非晶硅膜的衬底的平面图；
图3A～3C是表示利用传统SLS方法结晶的一块非晶硅膜的平面图；
图4是根据另一传统的SLS方法用于结晶的掩模的平面图；
图5A～5C是利用图4所示掩模结晶的非晶硅膜的平面图；
图6是根据另一传统的SLS方法用于SLS结晶的掩模的平面图；
图7A～7F是利用图6所示掩模结晶的非晶硅膜的平面图；
图8是根据本发明原理的掩模的平面图；
图9A～9F表示利用图8所示掩模进行非晶硅膜结晶的平面图；
图10是液晶显示板的示意图，其中包括一个数据驱动电路和一个栅极驱动电路，还有一个根据本发明的原理结晶的有源层；和
图11是一个开关元件以及CMOS晶体管的平面图，该晶体管具有一个根据本发明的原理结晶的有源层。
具体实施方式
下面将参考附图对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中对所有附图中相同或相似的部件采用相同的标号。
图8是本发明结晶掩模100的平面图。如图所示，掩模100包括第一和第二光透射部分L和M，每个部分具有按矩形面积递增排列的梯形轮廓。即，第一和第二光透射部分L和M具有按矩形面积递增排列的上下轮廓。每个第一光透射部分L由第一至第四矩形图案L1至L4组成，所有的图案具有相同的宽度U。虽然图中示出了四个矩形图案，但第一光透射部分中矩形图案的数量不仅限于四个。然而，矩形图案L1～L4的长度X1～X4不同。，第一矩形图案L的第一长度X1小于或等于在最佳条件下横向晶粒生长的最大长度GMAX的两倍。长度X2，X3，X4…用如下的方式计算：
XN＝[X(N-1)+GN]————————公式(1)
此处N是大于1的自然数(N＞1)，XN为第N个矩形图案的长度，GN为第N个矩形图案中横向晶粒生长的长度。GN是一个变量，在矩形图案L2～LN中GN的值可以相同或不同。但是，每个矩形图案L1～L4的中线处于相同的轴线，参见图8。另外，长度X2，X3，X4，…可以由下面的公式计算：
XN≤[X(N-1)+2GN]————————公式(2)
所得结果，光透射部分L矩形图案L1～L4的长度X1～X4分别表示如下：
X1＝GMAX
X2＝X1+G2
X3＝X2+G3
X4＝X3+G4
如上所述，此处，G2，G3和G4小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍。假设X1，G2，G3和G4彼此相等并小于横向晶粒生长最大长度GMAX[(X1＝G2＝G3＝G4)＜GMAX]。如果GMAX为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)，则矩形图案L1～L4的长度X1～X4分别为2、4、6和8微米(X1＝2μm，X2＝4μm，X3＝6μm，X4＝μm8)。
进一步参见图8，位于第一光透射部分L之间的第二光透射部分M具有矩形图案M1和M2。虽然图8在第二光透射部分M中只示出了两个矩形图案M1和M2，但实际的矩形图案的数量并不仅限于两个，可是该数量应该小于第一光透射部分L的矩形图案数量。因为第二光透射部分M位于第一光透射部分L之间，所以它使第一光透射部分L之间的非晶硅膜区域结晶。第二光透射部分M的矩形图案M1～MN具有相同的宽度和不同的长度。第一矩形图案M1的第一长度Y1小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍。然后，用上述公式(1)或(2)，YN＝[Y(N-1)+GN]或YN≤[Y(N-1)+2GN]确定矩形图案M2～MN的长度(假设有两个以上的矩形图案)。因此，如果GMAX为3μm(GMAX＝3μm)，并且如果Y1和G2都为2微米(X1＝G2＝2μm)，则矩形图案M1和M2的长度Y1和Y2分别为2和4微米(Y1＝2μm，Y2＝4μm)。实际上，矩形图案L1～LN以及M1～MN的宽度可以为几百微米～几毫米。
当在SLS非晶硅结晶中使用图8所示的掩模100时，本发明的方法可以比现有技术更快的速度使一个大面积的非晶硅膜结晶。图9A～9F是表示使用掩模100的结晶方法的平面图。为了简化结晶过程的解释，假设第一矩形图案L1和M2的第一长度X1和Y1为2微米(X1＝Y1＝2μm)，并且GN也为2微米(GN＝2μm)。另外，当激光束照射到非晶硅膜上时，图8所示的掩模100都是位于衬底和激光源之间。
参见图9A，在使用掩模100对非晶硅进行结晶之前，在衬底120上形成一个缓冲层(未示出)并在缓冲层上沉积一非晶硅膜122。然后，对衬底120上的非晶硅膜122进行脱氢处理。之后，将掩模100(见图8)置于固定在X-Y平台上的衬底120的上方。进行第一次激光束照射，使得对应于第一和第二光透射部分L和M的非晶硅部分熔化并随后结晶。
由此形成了对应于图8中光透射部分L和M的结晶区R和S。在每个结晶区R或S中，具有晶粒生长区R1-R4和S1-S2以及结晶硅颗粒区R0和S0。每个晶粒生长区R1-R4和S1-S2包括横向生长晶粒126，每个结晶硅颗粒区包括多晶硅颗粒128。结晶硅颗粒区R0形成在对应于第二～第四矩形图案L2～L4的区域中，结晶硅颗粒区S0形成在对应于第二矩形图案M2的区域中。
当具有足以导致非晶硅膜122完全熔化的能量通量的第一次激光束照射该膜时，透过第一和第二光透射部分L和M曝光的区域R和S被完全熔化。当第一次激光束照射停止时，熔化的硅从固相非晶硅和液相硅之间的界面处迅速结晶。因而，在从界面向下至中心的方向上形成横向生长的第一晶粒122a，而在从界面向上至中心的方向上形成横向生长的第二晶粒122b。因此，横向生长第一和第二晶粒122a和122b在每个第一晶粒生长区R1或S1的中心位置相遇，由此导致形成了一中间线。
如图9A所示，横向生长的晶粒122a和122b的长度小于或等于横向生长的晶粒的最大可能长度GMAX。如前所述，横向生长的晶粒长度依赖于激光能量通量、衬底温度和非晶硅膜厚度。第一次激光束照射之后，由横向晶粒生长产生的晶粒一般具有大约1～1.5微米的长度。之后，因为掩模100的矩形图案L2～L4和M2具有大于或等于4微米(μm)的长度，所以第二～第四晶粒生长区R2～R4(和S2)没有中线124，但有结晶的硅颗粒区R0和S0。因此，第一晶粒主长区R1和S1具有1～1.5微米的横向生长晶粒，而第二～第四晶粒生长区R2～R4(和S2)只在它们的周围具有横向生长的晶粒并在内部具有结晶的硅颗粒区R0和S0。
第一次激光束照射之后，X-Y平台或/和掩模100沿X轴方向移动几百微米至几毫米(mm)的距离以进行下一次激光束照射。即例如衬底120向左移动一个小于或等于矩形图案宽度U的距离，即大约几百微米～几毫米。
结果，如图9B所示，将第一至第三矩形图案L1-L3置于第二至第四晶粒生长区R2-R4之上方，和将第一矩形图案M1置于第二晶粒生长区S2之上方。由此，使第一至第三矩形图案L1-L3的处于暴露结晶的硅颗粒区R0和部分横向生长的晶粒126的位置。以此方式放置第一矩形图案M1以暴露结晶的硅颗粒区S0和第二晶粒生长区S2的部分横向生长的晶粒126。另外，将第四矩形图案L4置于可暴露非晶硅区的位置上，将第二矩形图案M2置于可暴露非晶硅区的位置上。然后，通过第一至第四矩形图案L1-L4(和S1-S2)进行第二次激光束照射。
因此，在进行第二次激光束照射的同时，使处于第一至第三矩形图案L1-L3下方的结晶的硅颗粒区R0发生再熔化。另外，使处于第四矩形图案L4下方的非晶硅区也发生熔化。第二次激光束照射之后，第二晶粒生长区R2和S2具有如图9C所示的沿Y轴方向上生长的所有横向生长的晶粒。另外，由第一次结晶过程形成的晶粒126也趋于沿Y轴方向上生长。由第二次激光束照射形成的如图9C所示的晶粒126在与由第一次激光束照射在第二至第四晶区R2-R4形成的晶粒邻近处继续生长。因而，晶粒趋于沿着与液相和固相硅之间的界面相垂直的方向上生长。第四矩形图案L4在第二次结晶过程中暴露的非晶区R5也发生结晶，并且第二矩形图案M2暴露的非晶区S3也发生结晶。第二次结晶过程之后，结晶的硅颗粒区R0和S0还存在于第三至第五晶粒区R3-R5。
第二次激光束照射之后，使X-Y平台或/和掩模100沿X轴方向移动几百微米～几毫米的距离以准备下一次激光束照射。即，例如将衬底120向左移动一个小于或等于矩形图案宽度U的距离，即大约几百微米(μm)～几毫米(mm)。因而，将光透射部分L和M的置于可暴露结晶的硅颗粒区R0和S0以及第三至第五晶粒生长区R3-R5的部分横向生长的晶粒126的位置。另外，将第四矩形图案L4置于可暴露新的非晶硅区的位置，并将第二矩形图案M2也置于可暴露另一个非晶硅区的位置。然后，通过第一至第四矩形图案L1-L4(和S1-S2)进行第三次激光束照射。
结果，在进行第三次激光束照射的同时，使处于第一至第三矩形图案L1-L3下方的结晶的硅颗粒区R0发生再熔化和再结晶。另外，使处于第四矩形图案L4下方的非晶硅区也发生熔化和结晶。由此形成图9D所示的第六晶粒生长区R6。
现参见图9D，第三次激光束照射之后，第三晶粒生长区R3和S3具有完全沿Y轴方向延伸的晶粒。另外，通过第二次结晶过程形成的第四和第五晶粒区的晶粒也是沿Y轴方向延伸。与第二次激光束照射一样，由第三次激光束照射形成的晶粒在与由通过第二次激光束照射形成的晶粒的邻近处继续生长。因而，晶粒趋于从液相和固相硅之间的界面横向生长。
在图9A-9D所示的X轴方向上进行的结晶过程中，可以注意到结晶的硅颗粒区R0和S0转变成了横向生长晶粒区。第三次激光束照射之后，将第四晶粒生长区R4的横向生长晶粒与晶粒生长区S4的晶粒合并。另外，第三次结晶过程之后，结晶的硅颗粒区R0和S0也存在于第四至第六晶粒区R4-R6。
现参见图9E和9F，重复前述的熔化和结晶步骤，生成了一个较大的晶粒区F，在该区域生成了具有Z1长度的连续生长的晶粒。实际上，本发明的横向生长晶粒的长度Z1由相邻中线124之间的距离所决定。即，通过调节掩模100的第一和第二光透射部分L和M的距离，本发明可以控制晶粒尺寸。另外，通过调节矩形图案的宽度U，可以控制生产产率。
如图9F所示，横向生长的晶粒在结晶过程中于横向(X轴方向)进行时彼此接界。由掩模中相邻的第一和第二光透射部分形成的晶粒生长区相遇并形成一个边界。因此，横向晶粒生长在相邻结晶区的边界上停止。
在图9E和9F中，当利用图8所示的掩模沿横向连续结晶时，形成了较大的晶粒。当掩模100具有两个光透射部分L和一个光透射部分M时，沉积在衬底120上的非晶硅膜122结晶成宽度为Z的结晶硅。图8的第一和第二光透射部分L和M一起产生了长度为Z1的如图9E和9f所示的晶粒。
在完成横向结晶之后，将X-Y平台或掩模沿纵向(Y轴方向)移动一段几微米的距离以准备另一次X轴方向上的结晶。即，为了另一个横向通道重新定位掩模。然后，使非晶硅膜横向结晶。在所有的Y轴向移动和X轴向结晶完成之后，使硅膜完全结晶。另外，结晶相当快。因为掩模100具有按矩形面积递增排列的的梯形形状，并且因为X-Y平台或掩模为进行后续的结晶而移动几百微米～几毫米，所以结晶比现有技术中快很多。
如上所述，本发明形成的结晶硅层可以用作薄膜晶体管的有源层，另外其还可以用于驱动器件和开关器件。
当液晶显示器的分辨率变高时，信号线和扫描线的衬垫间距将会减小。因而，要把TCP(带状载体封装)连接到衬垫上就变得更困难。但是，SLS生长多晶硅可以用于驱动IC(集成电路)并可以形成在与薄膜晶体管相同的衬底上。衬底上形成驱动IC的这种形式降低了制造成本并易于制造。
图10是一种液晶显示板的示意图，该显示板包括使用了按本发明方法制造的结晶有源层的一个数据驱动电路134a和一个栅极驱动电路134b。
如图10所示，液晶板130包括一个显示区132和一个驱动区135。在显示区132中包括多个开关器件、即薄膜晶体管(TFT)。数据驱动电路134a和栅极驱动电路134b也设置在驱动区135中。这些驱动电路134a和134b包括多个CMOS(互补对称金属氧化物半导体)器件。
如图11所示，CMOS器件由N型TFT C1和P型TFT C2组成，他们由彼此处于推拉输出电路形式的转换器驱动。因为CMOS器件C消耗的电功率较小，所以是一个非常适宜的电路。这类CMOS器件要求很快的操作特性，和由本发明方法生成的多晶硅组成的有源层可以达到的一些特性。另外，因为图11所示的TFT T由根据本发明原理制成的多晶硅形成，这种TFT具有很高的电子迁移性，所以提高了显示质量。
下面将说明CMOS器件C和薄膜晶体管T的制造方法。此时，假设薄膜晶体管T为N型。
首先，在一个透明衬底150上形成一缓冲层152。并在缓冲层152上形成包含氢气的非晶硅(a-Si:H)层。然后将非晶硅脱氢。之后，使用前述方法中的一种(第一或第二实施例)使非晶硅层结晶，由此形成多晶硅层。
然后对多晶硅层进行构图以形成第一至第三有源层154、156和158。将第一多晶硅有源层154分成一个有源通道区154a和两个设置在有源通道区154a两侧上的参杂区154b。另外，将第二多晶硅有源层156分成一个有源通道区156a和两个参杂区156b，并且将第三多晶硅有源层158分成一个有源层158a和两个参杂区158b。在缓冲层152上形成第一绝缘层160并由此覆盖多晶硅有源层154、156和158。然后，在第一绝缘层160上，具体在有源通道区154a、156a、158a之上形成栅电极162、164和166。
之后，在利用栅电极162、164和166作为掩模的同时对参杂区154b、156b和158b进行参杂。参杂区154b和156b掺n+离子，而参杂区158b掺p+离子。因此，晶体管T和C1变为N型半导体，而晶体管C2变为P型半导体。
之后，在第一绝缘层160上形成第二绝缘层168以覆盖栅电极162、164和166。再对第一和第二绝缘层160和168进行构图以形成暴露掺杂区154b、156b和158b的接触孔。对第一和第二绝缘层160和168进行构图后，在第二绝缘层168上形成金属层。然后对金属层进行构图以形成源极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上的参杂区154b、156b和158b。之后，形成薄膜晶体管T和CMOS器件C。然后在第二绝缘层168上形成钝化层176以覆盖所有的晶体管T、C1和C2。然后对钝化层176进行构图以暴露薄膜晶体管T的漏极170b部分。由此，使钝化层176上形成的像素电极178与薄膜晶体管T的漏极170b相接触。
利用由本发明第一和第二实施例的方法结晶的多晶硅制造如图11所示的开关器件和操作器件，由此可以实质性地缩短制造时间和提高产量。
根据本发明的SLS方法，由于其中所用的掩模具有梯形的按矩形面积递增排列的光透射部分，所以相比现有技术的方法而言，极大地缩短了非晶硅膜结晶的时间和制造时间。另外，还可以控制晶粒的尺寸。
本领域的技术人员应该理解，在不脱离本发明实质和范围的前提下，对非晶硅结晶的方法可以作各种变型和改变。因而，本发明将覆盖落入权利要求范围内的各种变型和变化。

Claims (25)

1.一种结晶非晶硅膜的方法，包括：
在衬底上形成一非晶硅膜；
用一束穿过掩模的激光束照射非晶硅膜，以形成横向生长的晶粒；
相对于衬底横向移动掩模；和
进行第二次结晶，以在结晶的硅颗粒区域附近使横向生长的晶粒继续生长；
其中掩模包括一个用于阻挡激光束的光吸收部分，和具有按矩形面积递增排列的图案的多个第一梯形光透射部分和具有按矩形面积递增排列的图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许激光束通过，第二光透射部分位于第一光透射部分之间，每个按矩形面积递增排列的部分具有相同的宽度；
其中将掩模相对于衬底横向移动一段相当于每个按矩形面积递增排列的部分宽度的距离；和
其中穿过掩模的激光束使非晶硅膜熔化成液态硅，其中由横向生长晶粒和结晶的硅颗粒组成的多个晶粒生长区通过固化液态硅而形成，并且通过从液态硅和固态硅之间的界面横向生长形成横向生长的晶粒。
2.如权利要求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按矩形面积递增排列的层数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于将掩模相对于衬底多次横向移动以暴露先前形成的结晶的硅颗粒区域，以使得横向生长的晶粒纵向生长。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于非晶硅膜在横向结晶之后，将掩模相对于衬底纵向移动，并接着将掩模相对于衬底沿横向移动，进行第二次横向结晶。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于每个光透射部分中最短一层的长度小于或等于横向晶粒生长最大长度的两倍。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分各层的长度按照下列公式计算：XN＝[X(N-1)+GN]，其中N为大于1的自然数，XN为第N个矩形图案的长度，GN为第N个矩形图案中横向晶粒生长的长度。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分各层的长度按照下列公式计算：XN≤[X(N-1)+2GN]，其中N为大于1的自然数，XN为第N个矩形图案的长度，GN为第N个矩形图案中横向晶粒生长的长度。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于GN约为2微米。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分中最短一层的长度为2微米。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于光透射部分中各层的步进距离基本相等。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于光透射部分中各层的步进距离等于或小于晶粒横向生长的最大长度。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于固定宽度为100微米～10毫米。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于结晶的硅颗粒区包括多晶硅颗粒。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于掩模移动的距离为100微米～10毫米。
15.一种连续横向固化(SLS)的掩模，包括：
一个用于阻挡激光束的光吸收部分；
多个具有按矩形面积递增排列的图案的第一梯形光透射部分；和
具有按矩形面积递增排列的图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过激光束。
16.如权利要求15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按矩形面积递增排列的层数。
17.如权利要求15所述的掩模，其特征在于每个光透射部分中最短一层的长度大于或等于长度上仅长于最短一层的那一层长度的一半。
18.如权利要求15所述的掩模，其特征在于光透射部分各层的长度按照下列公式计算：XN＝[X(N-1)+GN]，其中N为大于1的自然数，XN为第N个矩形图案的长度，GN为光透射部分中最短一层的长度的一半。
19.如权利要求18所述的掩模，其特征在于GN约为1微米。
20.如权利要求15所述的掩模，其特征在于光透射部分各层的长度按照下列公式计算：XN≤[X(N-1)+2GN]，其中N为大于1的自然数，XN为第N个矩形图案的长度，GN为光透射部分中最短一层的长度的一半。
21.如权利要求15所述的掩模，其特征在于光透射部分中最短一层的长度为2微米。
22.如权利要求15所述的掩模，其特征在于光透射部分中各层的步进距离基本相等。
23.如权利要求15所述的掩模，其特征在于光透射部分中各层的步进距离小于或等于最短一层长度的一半。
24.如权利要求15所述的掩模，其特征在于光透射部分中各层的宽度为100微米～10毫米。
25.如权利要求15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按矩形面积递增排列的层数。
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