CN1246879C - 晶化方法 - Google Patents

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Abstract

一种晶化方法，包括以下步骤：在一个透明衬底上形成一缓冲层；在缓冲层上淀积厚度范围为600到2000埃的非晶硅；使用一个具有完全熔化能量密度的激光束重复地照射非晶硅层以便完全熔化该层；把激光束移动一个平移距离以进行下一个激光束照射。

Description

晶化方法
技术领域
本发明涉及非晶硅淀积，具体涉及用于连续横向固化(sequential lateralsolidification)(SLS)的非晶硅淀积方法。
背景技术
对厚度薄，重量轻，并且功耗低的平板显示器设备有很大需求。平板显示器设备可以分为两种基本类型。一种类型是通过发射光来显示图像的光发射显示设备，另一种类型是使用外部光源来显示图像的光接收显示设备。等离子体显示板(PDP)，场致发射显示(FED)设备，和电致发光显示设备是光发射显示器的例子。液晶显示器是光接收显示器的例子。液晶显示器广泛用于膝上型计算机和台式监视器，因为其具有优良的分辨率、颜色范围和图像质量。
液晶显示器(LCD)设备使用液晶分子的光学各向异性和极化性质来产生图像。液晶分子由于其长、薄的形状而具有确定的定向对准(orientationalalignment)。定向对准可以由一个施加的电场来控制。换句话说，当一个施加的电场变化时，液晶分子的对准也变化。由于光学各向异性，入射光的折射取决于液晶分子的定向对准。因此，通过适当地控制所施加的电场，可以产生希望的光图像。
虽然已知有多种类型的液晶显示设备，其中具有以阵列布置的薄膜晶体管(TFT)和像素电极的有源矩阵液晶显示器(AM-LCD)可能是最通用的。这是因为有源矩阵LCD可以以合理的成本产生高质量的图像。
LCD的TFT一般包括多晶硅(p-Si)或非晶硅(a-Si)作为有源层。由于可以在一个较低温度淀积非晶硅(a-Si)以在一个玻璃衬底上形成一个薄膜，因此其更广泛地用于液晶显示器(LCD)设备中的开关元件。但是，非晶硅(a-Si)在用于大面积LCD设备时有问题，因为非晶硅的电学特性存在问题。与非晶硅相比，多晶硅在用于TFT开关元件时提供更快的显示器响应时间。因此，多晶硅(p-Si)更适于大面积LCD设备(例如大型膝上型计算机和电视机)，它们需要更大的场效应迁移率。
在LCD应用的多晶硅形成期间，经常使用激光处理技术。这种多晶硅也可以用于TFT开关设备的驱动电路。
图l是表示一个有源矩阵液晶显示器的主要部件的示意图。在图1中，LCD设备包括一个衬底2上的驱动电路3和有源矩阵4。有源矩阵4位于衬底2的中心部分，选通驱动电路3a和数据驱动电路3b分别位于衬底2的左部和上部。在有源矩阵4中，把多个选通线6设置在横向上，把多个数据线8设置在纵向(与选通线6垂直)上。各对选通线6和数据线8定义了多个像素区域。选通驱动电路3a把地址信号传送到选通线6，数据驱动电路3b与地址信号同步地把显示信号传送到数据线。多个电气隔离的像素电极10被设置在像素区域中。各选通线6和数据线8的交叉处是多个作为开关元件的薄膜晶体管(TFT)“T”。TFT形成一个矩阵格式，其中每个TFT“T”对应于一个特定像素电极10。
选通驱动电路3a和数据驱动电路3b电气连接到一个控制信号输入端口12，控制信号输入端口12连接到一个控制器(未示出)，该控制器控制选通驱动电路3a和数据驱动电路3b。选通驱动电路3a和数据驱动电路3b包括CMOS(互补金属氧化物半导体)晶体管，该晶体管作为倒相器把信号传送到像素电极10。即，选通驱动电路3a和数据驱动电路3b是具有移位寄存器的硅薄膜互补金属氧化物半导体(CMOS)结构。该移位寄存器可以是互补(P型和N型)或单导通(monoconductive)TFT的一个静态或动态电路。
非常重要的是，与图1类似的有源矩阵液晶显示器(AM-LCD)设备包括具有低OFF状态泄漏电流的有源矩阵4和驱动电路3。此外，重要的是，CMOS晶体管具有高场效应迁移率。但是，TFT开关和CMOS晶体管中使用的多晶硅具有很多晶粒，并因此具有晶界。这些晶粒和晶界中断了载流子的移动，并且造成有源矩阵元件的退化。如果晶粒更大并且晶界更规则地分布在多晶硅内，那么场效应迁移率增大。因此，能产生大晶粒的硅晶化方法是一个重要方向。
为了解决上述问题，必须控制晶场分布，或者需要一个单晶器件。在RobertS.Sporilli，M.A.Crowder，和James S.Im，Mat，Res.Soc.Symp.Proc Vol.452，956-957，1997中描述了通过连续横向固化(SLS)在一个玻璃衬底上形成单晶硅层的技术。该技术利用的事实是，硅晶粒倾向于从液态硅和固态硅之间的介面横向地生长。如下面例子所示，基于该理论，上述参考文件教导了通过控制一个移动激光束的激光能量和辐射范围使非晶硅层晶化，以产生具有预定长度的硅晶粒。因此，连续横向固化(SLS)(诱发硅晶粒的横向生长)可以使用激光能量形成单晶硅膜。
图2是表示晶粒尺寸随激光能量密度变化的曲线图，图3A-3C给出用于解释由大晶粒组成的p-Si膜的形成机制的横剖面图。如图3A到3C所示，顺序地在一个透明衬底1上形成缓冲层12和非晶硅层14。
现在参见图2和图3A，第一区域是一个部分熔化区。当使用一个具有第一区域内的能量密度的激光束照射非晶硅层14时，只有非晶硅层14的表面部分“A”熔化。此后，在一个退火工艺期间，在垂直方向形成多个小的晶粒“G1”。
图2的第二区域表示一个具有几乎熔化整个区域的能量密度的激光束。当使用一个具有第二区域内的能量密度的激光束照射非晶硅层14时，几乎所有的非晶硅都熔化，参见图3B。此外，在非晶硅层14和缓冲层12之间形成多个籽晶(seed)13。由于籽晶13的存在，硅晶粒倾向于水平地生长。但是，由于多个籽晶13随机地分布在透明衬底1上，即使晶粒“G2”较大也很难获得多个均匀的晶粒“G2”。
图2的第三区域表示一个完全熔化区。当使用一个具有第三区域内的能量密度的激光束照射非晶硅层14时，所有的非晶硅都熔化，参见图3C。然后，在退火工艺期间进行均匀的核化。因此，在熔化的硅中形成多个晶核15，获得精细晶粒“G3”。
根据上述硅晶化机制，可以实验地获得合适的激光能量密度，并且该合适的激光能量密度区域可以称为一个工艺窗(process window)。
图4示意性表示连续横向固化(SLS)。当使用一个具有能完全熔化非晶硅层20的能量密度的第一激光束时，产生第一完全熔化区域“I”。此外，由于液相-固相接触，在固相非晶硅和液相非晶硅之间的介面24形成多个籽晶24。在退火期间，多个籽晶24倾向于横向生长(相对于图4中的垂直方向)，从而产生多个第一晶粒26。此外，在退火期间，可以在第一熔化区域“I”的中间附近形成多个精细晶粒28，因此第一晶粒26把该区域划分为两个部分。
在形成第一晶粒26后，施加一个具有能完全熔化硅层的能量密度的第二激光束。第二激光束最好具有与第一激光束相同的能量密度和束宽。在第二激光束照射衬底22之前，移动该激光束使得第一熔化区域“I”的底部区域(部分II)和精细晶粒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。在退火期间，顶部区域“III”的第一晶粒26倾向于横向生长，直至形成单晶晶粒30。即，通过重复第一和第二激光束照射和退火工艺来形成单晶晶粒30。
在上述SLS工艺中，第一和第二激光束照射之间的距离最好是顶部区域“III”中第一晶粒26的横向生长的长度。该长度经常称为平移距离(translationdistance)。为了调整平移距离，必须从第一激光束宽度“I”的中间除去精细晶粒28。
例如，可以使用束宽为1到3毫米的激光束，90％的重叠率是合适的。所形成的非晶硅层的厚度通常是500埃。如果非晶硅层的厚度大于500埃，激光束必须具有更大的激光能量密度以熔化较厚的非晶硅，这会增加制造成本，并且可能减慢制造过程，而没有改进所生产的薄膜晶体管的性质。因此，当淀积非晶硅以诱发多晶硅时，非晶硅层应该保持500到600埃范围的厚度。
由于SLS晶化使用具有足以完全熔化硅层的能量密度的激光束，非晶硅层的厚度是一个重要问题。如果非晶硅层的厚度是大约500埃，在SLS晶化期间会发生缺陷。当平移距离较短时，会发生诸如堆叠(pilling)现象和聚集(agglomeration)现象之类的缺陷，并且工艺窗的范围减小。
图5表示当非晶硅层的厚度是500埃时，在SLS晶化期间的激光能量密度。在SLS晶化中，当用于形成单晶硅的激光能量密度是大约410mJ/cm2时，平移距离可以在0.05到0.9微米范围内以构成工艺窗。此外，当激光能量密度是大约450mJ/cm2时，平移距离的范围是0.6到1.0微米。
如果在激光能量密度是425mJ/cm2时的平移距离大于0.95微米，如图5所示，所得的硅变成多晶硅而不是单晶硅。另一方面，如果在激光能量密度是425mJ/cm2时的平移距离小于0.3微米，所得的硅变成具有拱起缺陷(例如堆叠和聚集)的晶体硅。因此，500埃厚度的非晶硅具有窄的工艺窗，容易发生缺陷。
发明内容
因此，本发明致力于一种用于连续横向固化(SLS)的非晶硅淀积方法，其实质上消除了由于现有技术的局限和缺点导致的一个或多个问题。
本发明的优点是提供了一种用于连续横向固化(SLS)的非晶硅淀积方法，其增大了工艺窗。
本发明的另一个优点是提供了一种用于连续横向固化(SLS)的非晶硅淀积方法，其增加了制造产量和产品稳定性。
在后面的说明书中将给出本发明的其他特征和优点，它们可以部分地从说明书中了解，或者可以通过本发明的实践获得。本发明的目的和其他优点可以通过说明书、权利要求以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
为了实现这些和其他优点，并根据本发明的目的，正如所实施和广义描述的，一种晶化方法，包括以下步骤：
在一个透明衬底上形成一缓冲层；
在缓冲层上淀积厚度为600到2000埃的非晶硅层；
使用一个能完全熔化非晶硅层的一个区域的激光束重复地照射非晶硅层；和
在两次照射之间把激光束移动一个平移距离，
所述方法进一步包括在两次照射之间把硅层退火，并且
激光束的能量密度在310和515mJ/cm2之间，最大平移距离的范围是0.2到1.0微米，最小平移距离的范围是0.04到0.1微米。
应该理解，上述一般性说明和以下的详细说明都是示例性和解释性的，是为了提供对本发明权利要求的进一步解释。
附图说明
所包括的用于提供本发明进一步理解并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1是表示一个有源矩阵液晶显示器的主要部件的示意性框图；
图2是表示晶粒尺寸随激光能量密度变化的曲线图；
图3A-3C是表示使用SLS的a-Si膜晶化的横剖面图；
图4是表示连续横向固化(SLS)的工艺图；
图5是表示当非晶硅层的厚度是500埃时在SLS晶化期间可以构成一个工艺窗的激光能量密度的曲线图；
图6是表示当非晶硅层的厚度是1000埃时在SLS晶化期间可以构成一个工艺窗的激光能量密度的曲线图；和
图7是表示在现有技术和本发明之间的转移特性比较的曲线图。
具体实施方式
下面参考附图中的例子对本发明的实施例进行详细说明。在可能时，所有附图中使用相似的标号表示相同或相似的部分。
图6是表示根据本发明当非晶硅层的厚度是1000埃时在SLS晶化期间可以构成一个工艺窗的激光能量密度的曲线图。当激光能量密度是310mJ/cm2时，最大平移距离是0.2微米，最小平移距离是0.05微米。415mJ/cm2的激光能量密度对应于0.6微米的最大平移距离和0.04微米的最小平移距离，450mJ/cm2的激光能量密度对应于0.8微米的最大平移距离和0.04微米的最小平移距离，515mJ/cm2的激光能量密度对应于1.0微米的最大平移距离和0.1微米的最小平移距离。
与图5相比，图6显示一个大得多的工艺窗。即，由于淀积的非晶硅层的厚度是1000埃(大于现有技术)，因此工艺窗的范围更宽。此外，与现有技术相比，诸如堆叠和聚集之类的缺陷发生在较短的平移距离。例如，当能量密度是415mJ/cm2的激光束照射硅层以形成单晶硅时，缺陷在0.04微米的平移距离以下发生。因此，工艺窗的宽度增加。此外，尽管与现有技术相比，非晶硅较大，但是激光束的能耗不显著增大。
图7是表示现有技术和本发明之间的转移特性比较的曲线图。当选通电压Vg以固定速率逐渐从-15V增加到+20V时，测量流过一有源沟道层的漏电流Id的变化。此外，把漏电压Vd设置为0.1V和10V(Vd＝0.1V，Vd＝10V)，同时测量转移特性。现有技术的非晶硅层厚度是500埃，本发明的非晶硅层厚度是1000埃。
如图7所示，当漏电压Vd是0.1V时，使用500埃厚的现有技术硅层的薄膜晶体管的场效应迁移率是230cm2/V.s。反之，当漏电压Vd是10V时，使用1000埃厚的本发明硅层的薄膜晶体管的场效应迁移率是390cm2/V.s。而且，当漏电压Vd是10V时，显示出具有本发明硅层的薄膜晶体管中的泄漏电流较低。因此，具有由1000埃厚的非晶硅层形成的有源层的薄膜晶体管可以具有改善的电气特性。根据图7所示的实验结果，当非晶硅是利用SLS进行晶化并且用作薄膜晶体管的有源层时，根据本发明，非晶硅层的厚度应该是600到2000埃之间。
如上所述，如果根据本发明的非晶硅淀积形成单晶硅层，薄膜晶体管的场效应迁移率得到改善，因此该薄膜晶体管适合用于具有高分辨率的液晶显示器。即，本发明的硅层可以用作在具有优良图像质量的液晶显示器的驱动电路中的CMOS晶体管的元件。
本领域技术人员应该理解，在不偏离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的非晶硅晶化方法进行各种修改和变化。因此，本发明应该覆盖所有落入所附权利要求及其等同物范围内的修改和变化。

Claims (3)

1.一种晶化方法，包括以下步骤：
在一个透明衬底上形成一缓冲层；
在缓冲层上淀积厚度为600到2000埃的非晶硅层；
使用一个能完全熔化非晶硅层的一个区域的激光束重复地照射非晶硅层；和
在两次照射之间把激光束移动一个平移距离，
所述方法进一步包括在两次照射之间把硅层退火，并且
激光束的能量密度在310和515mJ/cm2之间，最大平移距离的范围是0.2到1.0微米，最小平移距离的范围是0.04到0.1微米。
2.根据权利要求1所述的方法，其中缓冲层上淀积的非晶硅层的厚度是600到900埃。
3.根据权利要求1所述的方法，其中缓冲层上淀积的非晶硅层的厚度是1000埃。
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