CN1573427A - 硅的结晶方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅的结晶方法包括制备一其上形成有非晶硅薄膜的基板；在形成于基板上的非晶硅薄膜的第一区域上方对准具有第一能量区域和第二能量区域的掩模；将激光束穿过掩模的第一和第二能量区域照射到非晶硅薄膜的第一区域上；穿过掩模的第一能量区照射激光束，使非晶硅薄膜的第一区域结晶；以及穿过第二能量区照射激光束来激活结晶的第一区域。

Description

硅的结晶方法
本发明要求享有2003年6月12日在韩国提出的第37738/2003号韩国专利申请的权益，其在此引用以作参考。
技术领域
本发明涉及硅的结晶方法，具体涉及一种能够减少内部晶粒缺陷的硅的结晶方法。
背景技术
目前，随着对提供信息需求的增加，开发了各种类型的具有纤细外形、重量轻且低功耗的平板显示装置。在各种类型的平板显示装置中，液晶显示(LCD)装置正在被广泛用于提供优异的色彩重现。
通常，LCD装置包括彼此面对的两个基板，这两个基板都具有形成在两基板相对表面上的电极，还包括注入在两基板之间所限定的空间内的液晶。因此，LCD显示装置是按照这样的方式显示图像的，即，通过因施加给电极的电压所产生的电场来控制液晶材料的液晶分子，以便通过液晶材料改变透光率。
LCD装置的下基板包括多个薄膜晶体管，每一个薄膜晶体管设有一通常由非晶硅(a-Si:H)形成的有源层。由于非晶硅能够在相当低的温度下作为薄膜沉积到低熔点的玻璃基板上，因此非晶硅通常用于形成LCD面板的开关器件。然而，非晶硅薄膜却恶化了LCD面板开关器件的电特性和可靠性。因此，非晶硅薄膜难以在大尺寸LCD屏幕中使用。
对于LCD装置在膝上计算机和大尺寸壁挂式电视机中的商业应用而言，需要一种具有能改善电特性的象素驱动装置，这些电特性例如是高电场效应迁移率(30cm2/Vs)、无线电频率工作特性和低泄漏电流。为了改善这些电特性，就需要高质量的多晶硅(例如，多硅)。多晶硅薄膜的电特性取决于晶粒的尺寸。例如，晶粒尺寸越大，电场效应迁移率也越大。
在公开号为WO97/45827的PCT和公开号为2001-004129的韩国专利中公开了各种将硅结晶到单晶硅中的方法，这些专利教导了连续横向凝固(SLS)技术，该技术用于通过采用激光作为能量源诱导硅晶体横向生长来制作大的单晶硅结构。SLS技术是基于这样一个事实发展起来的，即，硅晶粒沿着液态硅和固态硅之间的边缘表面的法线方向生长。SLS技术是通过适当调整激光能量强度和激光束投影范围使非晶硅横向生长到预定长度，使非晶硅薄膜结晶。
图1是一种按照现有技术采用SLS技术的结晶硅的设备的示意图。在图1中，SLS装置100包括用于产生激光束112的激光发生器111、用于会聚来自激光发生器111的激光束112的聚光透镜113、用于将激光束分为多个部分并将分成的多个部分投影到面板116上的掩模114、和用于将穿过掩模114的激光束112减小到一预定比例的物镜115。
激光发生器111发射原始激光束112，当所发射的原始激光束112穿过衰减器(未示出)时其强度得以调节，然后通过聚光透镜113将所发射的原始激光束112传送到掩模114。用非晶硅对应着掩模114来沉积设置在X-Y工作台117上的面板116。在这一点，为了使基板116的整个区域都结晶而采用一种通过细微移动X-Y工作台117来逐渐扩大结晶面积的方法。这样，掩模114分为使激光束112透过的激光束透射区114a和吸收激光束112的激光束拦截区B。透射区114a之间的距离(即，每个拦截区114b的宽度)决定了晶粒的横向生长长度。
用SLS装置使硅结晶的方法包括用沉积到缓冲/绝缘层(未示出)的非晶硅来形成结晶硅，其中缓冲层形成在基板116上。通过例如化学蒸汽沉积(CVD)的工艺将非晶硅层沉积到基板116上，其中，在非晶硅层当中会含有大量的氢。由于包含在非晶硅层中的氢通常会经加热从薄膜中扩散出来，因此应当对非晶硅层用热处理来进行脱氢工序。即，当没有预先将氢从非晶硅层中去除时，结晶层就会因在结晶工序中包含在非晶硅层内的氢气的快速膨胀而被剥落下来。
此外，采用激光的结晶工序不能同时使表面的整个面积都结晶。例如，由于激光束112的宽度和掩模114的尺寸有限，因此，必须重复多次对准掩模114，并且只要重新对准掩模114就必须重复结晶工序以便使大尺寸的屏幕面板结晶。这样，用掩模114的面积结晶的面积称为单元区块(block)，其中通过反复照射激光束便可实现单元区块的结晶。
图2是按照现有技术的硅的结晶曲线。在图2中，曲线上的第一区表示部分熔化区，其中仅有硅的表面部分熔化形成小尺寸的晶粒。第二区表示接近完全熔化区，其中能够形成比第一区尺寸更大的晶粒。然而，很难获得尺寸均匀的晶粒。第三区表示完全熔化区，其中非晶硅完全熔化且通过均相成核形成微小的晶粒。
按照现有技术是在完全熔化区(即，第三区)内执行采用SLS技术的硅的结晶过程，在所述完全熔化区中非晶硅通过激光结晶使非晶硅完全熔化。
图3是按照现有技术采用SLS技术用于使硅结晶的掩模的示意性平面图。在图3中，掩模114由构图的透射区114a和拦截区114b，其中沿着第一方向延伸的纵向狭槽(slot)限定每个透射区114a。透射区114a的宽度“d”被设计成小于经第一激光照射过程生长的晶粒的最大长度的二倍。当通过掩模114照射第一激光束时，晶粒在非晶硅层的熔化区内从熔化非晶硅的两个边缘横向生长，直到横向生长晶粒的边缘在液相的中线处彼此相遇，所述的非晶硅层的熔化区对应于掩模114的透射区114a。
在结晶过程中，光束图案穿过掩模114且被沿X-轴方向移动的物镜115缩小。因此，当激光图案以数百μm(即，被物镜115缩小的图案的长度)单位移动的同时，结晶过程向前进行。
图4A-4D是按照现有技术的SLS技术的剖面图。在图4A-4D中，描述了二次照射(2-shot)的SLS多晶硅的结晶方法，其中在掩模上限定三个透射图案(区域)。在二次照射的多晶硅结晶方法中，通过照射两次激光束使对应于透射区的非晶硅层的区域结晶。此外，沿着基板的长度方向依次进行结晶过程。当沿着基板的长度方向完成结晶过程时，激光图案沿着宽度方向微小移动，然后沿着长度方向移动继续进行结晶，从而完成对所期望区域的结晶过程。
在图4A中，掩模114(图3中)的位置先与基板相对应，并且照射第一激光束以对沉积在基板上的非晶硅层进行结晶过程。当照射的激光束穿过形成于掩模114中的多个狭缝114a(图3中)时可被分为多个部分。因此，对应于狭缝114a的多个非晶硅层的区域被已分割成多个部分的第一激光束所液化。在这种情况下，将激光的能量强度设定在非晶硅层能够完全熔化的完全熔化区内。
当完成激光束照射时，硅晶粒在固态非晶硅区域与液态非晶硅区域之间的边缘处横向生长。穿过掩模的光束图案的宽度设定为小于生长晶粒的长度的二倍，并且结晶区对应于掩模的透射区114a(图2中)。因此，每个结晶区A1、A2和A3的长度都与每个透射区114a的长度相等。此外，与掩模的拦截区114b(图2中)相对应的非晶硅层的区域作为非晶硅区167保留下来。
这样，晶粒166a和166b在结晶区A1、A2和A3中从液态硅与固态硅之间的边缘处横向生长，从而限定一晶粒边缘，如图4A-4C所示。
接着，其上设置有基板的工作台移动与掩模图案(光束图案)长度相等的数百μm单位的同时，沿着X-轴方向依次执行结晶过程。在4B中，当沿着X-轴方向完成第一结晶过程时，沿着Y-轴方向(即，垂直方向)微小移动X-Y工作台117(图1中)上的掩模114。接着，从沿着X-轴方向完成第一结晶过程的那一点开始第二激光照射。因此，第一激光照射所形成的结晶硅的晶粒经第二激光照射进一步依次生长。例如，晶粒进一步生长成具有一长度，该长度为结晶区A1的晶粒边缘166c至相邻结晶区A2的晶粒边缘区的距离“K”的一半。
在图4C中，形成具有一预定长度的多晶硅薄膜，该薄膜是由晶粒168a和晶粒168b形成的。这样，在新结晶区B1和B2内，晶粒168a和168b从液态硅和固态硅之间的边缘开始垂直生长。晶粒168a和168b进一步生长直至它们彼此接触，从而限定一新的晶粒边缘168c，如图4D所示。
尽管在对应于非晶硅完全熔化区域的完全熔化区内执行采用SLS技术的非晶硅的结晶方法，但是，在大尺寸晶粒内存在许多缺陷169(图4D中)。在能量小于完全熔化区的接近完全熔化区内，这些缺陷(图4D中)通过第二准分子激光退火(ELA)过程得以修复。然而，采用具有高能量的第一激光，然后采用具有第一低能量的激光作为附加过程，这种方法会增加整个加工时间，从而降低了产率。
发明内容
本发明旨在提供一种硅的结晶方法，其能基本上消除因现有技术的局限和缺点而造成的一个或多个问题。
本发明的优点是提供了一种采用SLS方法使硅结晶的方法以得到高质量的晶粒。
以下要说明本发明的附加特征和优点，其中的一部分可以从说明书中看出，或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，以下将作具体和广义的说明，一种硅的结晶方法包括：制备一其上形成有非晶硅薄膜的基板；在形成于基板上的非晶硅薄膜第一区域之上对准具有第一能量区域和第二能量区域的掩模；将激光束穿过掩模的第一和第二能量区照射到非晶硅薄膜的第一区域上；穿过掩模的第一能量区照射激光束，以使非晶硅薄膜的第一区域结晶；以及穿过第二能量区照射激光束来激活结晶的第一区域。
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
所包括的用来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是按照现有技术采用SLS技术用于硅结晶的设备的示意图；
图2是按照现有技术的硅的结晶曲线；
图3是按照现有技术采用SLS技术用于结晶硅的掩模的示意性平面图；
图4A-4D是按照现有技术的SLS技术的剖面图；
图5是按照本发明的示例性掩模的示意性平面图；
图6A-6E是按照本发明的示例性硅的结晶方法的剖面图；以及
图7是按照本发明的另一示例性掩模的示意性平面图。
具体实施方式
以下要具体描述在附图中表示的本发明的最佳实施例。
按照本发明，单个扫描技术可以用于以这样的方式沿第一方向通过激光束扫描使非晶硅层中所期望的区域结晶，即，将激光掩模分为彼此分开一预定间隔的N+1个区块并使每个分隔开的N+1个区块的透射区和拦截区的图案变形。
图5是按照本发明的示例性掩模的示意性平面图。在图5中，掩模270可以包括第一区块C和第二区块D，所述第一区块C具有多个彼此分开一预定间隔的透射图案272a，而所述第二区块D具有类似于第一区块C的透射图案272a的多个透射图案272b。第二区块D的透射图案272b的结构可以与设置在第一区块C的透射图案272a之间的拦截区273a相对应，并且第二区块D的透射图案272b可以由具有多个小的矩形狭缝的激活区E组成。
因此，通过使用掩模270，非晶硅层中所期望的部分可以在具有高能带的激光束的照射过程中被第一和第二区块C和D的透射图案272a和272b完全熔化。这样，非晶硅层的部分可以横向结晶，同时非晶硅层被熔化的部分可以被固化。
在图5中，当沿长度方向移动工作台时，激活区E可以位于由掩模270的第一区块C和第二区块D建立的结晶区上。然后，当穿过掩模270照射具有高能带的激光束时，激光束可以在穿过激活区E的小矩形狭缝275的同时被衍射，并且变成具有低能带的激光束。因此，当具有透射图案272a和272b的掩模270沿着长度方向移动W/3的长度时，第二区块D的透射图案272b可以位于与设置在第一区块C的透射图案272a之间的拦截区273a相对应的非晶硅之上。然后，当工作台再次沿着长度方向移动W/3的长度时，掩模270的激活区E可以位于第一和第二区块C和D所在的结晶区之上。这样，通过沿着长度方向移动工作台并沿着长度方向用掩模270执行结晶过程，便可以通过单个过程扫描来完成所期望区域的结晶和再结晶。
在图5中，可以将透射图案272a和272b的宽度设计成等于或者小于由单个激光束的照射而生长成的晶粒的最大长度的二倍。在激活区E中形成的多个小矩形狭缝275可以改变激光束从高能带到低能带的能级，使得具有低能量密度的激光束可以照射到非晶硅上。这样，激活区E便可以使由两个区块掩模结晶的多晶硅被再次结晶和激活，从而修复晶粒内的缺陷。
图6A-6E是按照本发明的示例性硅的结晶方法的剖面图。在图6A中，可以在基板220上形成缓冲层(未示出)，并在缓冲层上沉积非晶硅薄膜222。然后，可以对非晶硅层222进行第一热处理以执行脱氢过程。接着，可以将一掩模(图5中)设置在基板220的上方并与非晶硅层222对准。然后，将第一激光束照射到具有形成在其上的非晶硅层222的基板220上，从而使对应于透射图案272a和272b(图5中)的光束图案照射到非晶硅薄膜222上。这样便完全熔化了用第一激光束照射的第一区域286a和286b。然后，随着非晶硅薄膜222的温度的降低，晶粒可以从非晶硅层的熔化区的两个边缘开始生长，从而形成第一晶粒区282a，第二晶粒区282b以及第一和第二晶粒区282a和282b彼此相遇的晶粒边缘284。
如图6A所示，在晶粒区282a和282b内非晶硅的结晶过程中，完全熔化的非晶硅的部分用两个区域中非晶硅未溶解的部分作为晶种开始结晶。例如，晶粒282a和282b可以从上侧和下侧开始生长，如图6A的第一放大图所示，并且可以在区域的中间部分形成晶粒282a和282b的边缘284。
作为激光束第一照射的结果，可以形成第一结晶组区域C1和第二结晶组区域D2，所述第一结晶组区域C1包括多个结晶区286a且对应于掩模270的第一区块C的透射图案272a(图5中)，而所述第二结晶组区域D2包括多个结晶区286b且对应于掩模270的第二区块D的透射图案272b(图5中)。因此，第一结晶区286a和第二结晶区286b可以具有类似的面积和形状。此外，如图6A的第一放大图所示，在完全熔化区内横向生长的大晶粒282a和282b会有许多内部缺陷285。
如图5所示，形成于激活区E中的小矩形狭缝275可以衍射穿过其中的激光束，从而使激光束具有低能量。因此，当具有高能带的激光束穿过掩模270照射时，与掩模270的激活区E相对应的非晶硅薄膜222(图6A中)可以在接近完全熔化区内被结晶。结果，对于第一区块C(图5中)而言，形成第一结晶组区域C1、第二结晶组区域D1和第三结晶组区域E1，所述第一结晶组区域C1包括多个结晶区286a且对应于掩模270的第一区块C的透射图案272a(图5中)，所述第二结晶组区域D1包括多个结晶区286b且对应于掩模270的第二区块D的透射图案272b(图5中)，所述第三结晶组区域E1包括多个第三结晶区286c。
此外，第一结晶区286a和第二结晶区286b可以具有类似的形状，并且可以将具有均一高能带的激光束照射到第一结晶区286a和第二结晶区286b的相等面积上。还可以通过准分子激光退火(ELA)工艺使第三结晶区286c结晶，所述ELA工艺采用一种具有相对较低能级的准分子激光。
如图6A的第一放大图所示，第一和第二结晶区286a和286b在完全熔化区内可以具有横向生长的大尺寸晶粒。然而，多个缺陷285会恶化电特性。
在图6B中，掩模270(图5中)可以保持固定不动，而沿着长度方向将基板220下面的工作台移动第一结晶区286a的W/3长度。因此，第二区块D的多个透射图案272b可以位于通过激光第一照射而结晶的第一结晶区域组C1的上方。此外，掩模270的激活区E的矩形狭缝275(图5中)可以位于通过激光第一照射而部分结晶的第二结晶区域组D1的上方。然后，穿过掩模270(图5中)照射第二激光束，使得对应于掩模第一区块C的透射图案272a的非晶硅可以完全被熔化，然后被结晶。由对应于设置在第一结晶区域组C1上方的掩模270(图5中)第二区块D的透射图案272b的激光束第一照射而部分结晶的非晶硅的晶粒可以进一步从边缘开始连续地生长。例如，通过激光束的第一照射形成的新结晶区的晶粒可以再次生长成具有一定长度的晶粒，所述的长度与晶粒彼此碰撞的相邻晶粒边缘之间距离的一半相对应。此外，与包括矩形狭缝275的掩模270(图5中)激活区E相对应的第二结晶区286b可以被具有低能带的激光束再结晶(或激活)，从而修复缺陷285(图6A)。
在图6C中，由激光束的第一照射形成的第一结晶区域组C1可以形成具有高质量晶粒的结晶区域组C2，同时可以形成包括第四结晶区域286d的第四结晶区域组F1。因此，在结晶区C2内形成的晶粒287a和287b可以再生长一定长度，该长度是由激光束的第一照射形成的晶粒边缘284a和相邻晶粒边缘284b之间的距离(l)的一半，从而在中部形成一个新的结晶边缘287c。此外，如图6C的第二放大图所示，当相对于与掩模270(图5中)激活区E对应的第二结晶区域组D2执行照射第二激光束的ELA工艺时，晶粒中内部的那些晶粒可以被激活并且再结晶，从而修复了缺陷285，如图6C的第一放大图所示。
在图6D中，当工作台沿着长度方向移动掩模270(图5中)透射图案272a和272b的W/3的长度时，掩模270(图5中)第一区块C的透射图案272a可以位于非晶硅薄膜的一个新部分的上方，而第二区块D的透射图案272b可以位于由激光束的两次照射而结晶的第四结晶区域组F1的上方。此外，具有多个小狭缝275的激活区E(图5中)可以位于完全结晶区C2的上方。因此，当穿过掩模270照射第三激光束时，可以使与掩模270第一区块C的透射图案272a相对应的新的非晶硅结晶，从而形成第五结晶区域组G1。
在图6D中，可以使与掩模270第二区块D相对应的第四结晶区域组F1结晶，从而使第四结晶区域组F1中形成的晶粒可以从相邻的边缘连续地生长，以便形成使非晶硅完全结晶的完全结晶区F2。在图6E中，例如第四结晶区域组F1的晶粒可以再生长成为具有一长度的晶粒，该长度与从晶粒碰撞的部分到相邻晶粒边缘部分的长度的一半相对应。因此，与包括多个矩形狭缝的掩模270(图5中)激活区E相对应的第一结晶区C2可以被结晶(或激活)，以便修复大尺寸晶粒的缺陷285(图6C)，从而形成具有高质量晶粒的完全结晶区C3，如图6E所示。
通过重复图6A-6E的过程，便可以得到具有完全结晶区的多晶硅薄膜。通过移动工作台执行用于形成多晶硅薄膜的结晶过程的同时，还可以通过移动掩模或同时移动掩模和工作台来执行结晶过程。
图7是按照现有技术另一示例性掩模的示意性平面图。在图7中，利用SLS工艺的激光掩模370，激光束的区域可分为第一区块、第二区块和第三区块三个区域。例如，掩模370可以包括具有多个彼此沿垂直方向分开预定间隔的透射图案372a的第一区块C，和具有多个类似于第一区块C的透射图案372a的透射图案372b的第二区块D。第二区块D的透射图案372b可以设置在与位于第一区块C的透射图案372a之间的间隔相对应的第二区块掩模内。此外，掩模370可以包括具有多个沿长度方向形成的小狭缝的激活区E’，其中每个狭缝具有W/3的长度。激活区E’可以部分透射激光束，从而使激光束照射到具有低能级的非晶硅薄膜上。
按照本发明，SLS结晶方法可以采用N个掩模区块。例如，当采用N个掩模区块时，激光束的区域可分为(N+1)个掩模区块，其中第N个掩模区块可以对应于具有高能量密度的SLS结晶区域，第(N+1)个掩模区块可以成为具有低能量密度的激活区。因此，在利用按照本发明SLS技术的结晶硅的过程中，激光掩模可以分为(N+1)个掩模区块，其中第(N+1)个掩模区块可以部分透射激光束，且包括多个窄的狭缝，从而减小穿过其中的激光束的能量密度。这样，在单个激光退火工艺中，便可同时获得具有高能级的激光束和具有低能级的激光束。此外，由高能量激光束产生的结晶薄膜的缺陷可以被低能量的激光束激活并修复，从而形成高质量的多晶硅薄膜且不降低产率。
本领域的技术人员能够看出，无需脱离本发明的原理或范围还能对本发明的硅的结晶方法进行各种各样的修改和变更。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更。

Claims (11)

1.一种硅的结晶方法，包括：
制备一其上形成有非晶硅薄膜的基板；
在形成于基板上的非晶硅薄膜的第一区域上方对准具有第一能量区域和第二能量区域的掩模；
将激光束穿过掩模的第一和第二能量区域照射到非晶硅薄膜的第一区域上；
穿过掩模的第一能量区域照射激光束，使非晶硅薄膜的第一区域结晶；以及
穿过第二能量区域照射激光束来激活结晶的第一区域。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，第一能量区域包括第一能量区域图案，而第二能量区域包括比第一能量区域图案小的第二能量区域图案。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，穿过第一能量区域被照射的激光束具有第一能量，而穿过第二能量区照射的激光束具有比第一能量低的第二能量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，穿过第一和第二能量区域照射的激光束具有相同的能级。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，掩模的第二能量区域衍射照射的激光束。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括移动掩模和基板其中之一，以在非晶硅薄膜的第二区域的上方对准具有第一能量区域和第二能量区域的掩模。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，掩模的第一能量区域包括多个交叉的条纹图案。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，掩模的第一能量区域具有一高度，该高度小于或等于激光束照射过程中最大晶粒生长的长度。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，掩模的第二能量区域是设置在相对于掩模前进方向的掩模的端部区域处。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，第二能量区域图案包括选自由多个矩形、圆形、三角形和条纹状的狭缝构成的组中的至少一个几何图形。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，第二能量区域图案包括多个彼此分隔开的至少一个几何图案。
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