DE102004028331B4 - Verfahren zum Kristallisieren von Silicium - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Kristallisieren von Silicium, mit folgenden Schritten:
– Herstellen eines Substrats (220) mit einem darauf ausgebildeten Film (222) aus amorphem Silicium;
– Ausrichten einer Maske (270) mit einem ersten Energiebereich (C, D) und einem zweiten Energiebereich (E) über einem ersten Bereich des auf dem Substrat (220) hergestellten Films (222) aus amorphem Silicium;
– Einstrahlen eines Laserstrahls durch den ersten und den zweiten Energiebereich der Maske (270) auf den ersten Bereich des Films (222) aus amorphem Silicium;
– Kristallisieren erster Bereiche (286a, 286b; C1, D1) des Films (222) aus amorphem Silicium durch Einstrahlen des Laserstrahls durch den ersten Energiebereich (C, D) der Maske; und
– Aktivieren des kristallisierten ersten Bereichs (286b, D2) durch Einstrahlen des Laserstrahls durch den zweiten Energiebereich (E), wobei der zweite Energiebereich (E) der Maske den eingestrahlten Laserstrahl beugt, um die Energiedichte des eingestrahlten Laserstrahls zu reduzieren.

Description

    • Priorität: 12. Juni 2003, Rep. Korea, P2003-37738
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kristallisieren von Silicium.
  • Aktuell werden verschiedene Typen von Flachtafeldisplays entwickelt, die besonders flach und leicht sind und geringen Energieverbrauch aufweisen. Unter den verschiedenen Typen von Flachtafeldisplays sind Flüssigkristalldisplays (LCDs) dafür bekannt, dass sie für hervorragende Farbwiedergabe sorgen.
  • Im Allgemeinen verfügen LCDs über zwei einander zugewandte Substrate, die auf den einander zugewandten Flächen Elektroden tragen, und ein Flüssigkristallmaterial, das in den zwischen den zwei Substraten gebildeten Raum eingefüllt ist.
  • Ein LCD erzeugt Bilder durch Manipulieren von Flüssigkristallmolekülen des Flüssigkristallmaterials durch ein elektrisches Feld, das durch an die Elektroden angelegte Spannungen erzeugt wird, um die Lichttransmission durch das Flüssigkristallmaterial zu variieren.
  • Das untere Substrat eines LCD verfügt über Dünnschichttransistoren (TFTs), von denen jeder mit einer aktiven Schicht versehen ist, die im Allgemeinen aus amorphem Silicium (a-Si:H) besteht. Da amorphes Silicium bei relativ niedrigen Temperaturen auf einem Glas mit niedrigem Schmelzpunkt als Dünnfilm abgeschieden werden kann, wird es allgemein zum Herstellen von Schaltbauteilen von LCD-Tafeln verwendet. Jedoch beeinträchtigen Dünnfilme aus amorphem Silicium die elektrischen Eigenschaften und die Zuverlässigkeit der Schaltbauteile von LCD-Tafeln. Demgemäß ist es schwierig, Dünnfilme aus amorphem Silicium bei großen LCD-Schirmen zu verwenden.
  • Für kommerzielle Anwendung von LCDs, wie sie in Laptop-Computern und großen, wandmontierbaren Fernsehgeräten verwendet werden, wird eine Pixelansteuervorrichtung mit verbesserten elektrischen Eigenschaften benötigt, wie hoher Beweglichkeit im elektrischen Feld (30 cm2/Vs), guten Eigenschaften im Hochfrequenzbetrieb sowie niedrigem Leckstrom. Um diese elektrischen Eigenschaften zu verbessern, ist polykristallines Silicium (d. h. Polysilicium) hoher Qualität erforderlich. Die elektrischen Eigenschaften von Polysiliciumdünnfilmen hängen von der Korngröße ab. Zum Beispiel wird durch Erhöhen der Korngröße die Beweglichkeit im elektrischen Feld erhöht.
  • In WO-A-97/45827 und KO-A-2001-0004129 sind verschiedene Verfahren zum Kristallisieren von Silicium zu einkristallinem Silicium offenbart, wobei Techniken mit sequenzieller Lateralerstarrung (SLS = Sequential Lateral Solidification) angegeben sind, gemäß denen massive einkristalline Siliciumstrukturen dadurch erzeugt werden, dass unter Verwendung von Lasern als Energiequellen für ein Lateralwachstum von Siliciumkristallen gesorgt wird. Die SLS-Technik wurde auf Grundlage der Tatsache entwickelt, dass Siliciumkörner entlang einer Richtung normal zu einer Grenzfläche zwischen flüssigem und festem Silicium wachsen. Bei der SLS-Technik wird ein Dünnfilm aus amorphem Silicium dadurch kristallisiert, dass dafür gesorgt wird, dass Siliciumkörner lateral dadurch zu vorbestimmten Längen wachsen, dass Laserstrahlintensitäten und Laserstrahl-Projektionsbereiche geeignet eingestellt werden.
  • Die 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Kristallisieren von Silicium unter Verwendung einer SLS-Technik gemäß der einschlägigen Technik. Gemäß der 1 verfügt eine SLS-Vorrichtung 100 über einen Lasergenerator 111 zum Erzeugen eines Laserstrahls 112, eine Konvergenzlinse 113 zum Konvergieren des vom Lasergenerator 111 abgestrahlten Laserstrahls 112, eine Maske 114 zum Aufteilen des Laserstrahls in mehrere Abschnitte und zum Projizieren der Teilabschnitte auf eine Tafel 116, sowie eine Skalierungslinse 115 zum Verkleinern des die Maske 114 durchlaufenden Laserstrahls 112 gemäß einem vorbestimmten Maßstab.
  • Der Lasergenerator 111 strahlt einen Rohlaserstrahl 112 ab, der in seiner Intensität eingestellt wird, während er einen Abschwächer (nicht dargestellt) durchläuft, und der dann durch die Konvergenzlinse 113 auf die Maske 114 gestrahlt wird. Die Tafel 116 ist mit amorphem Silicium beschichtet, und sie ist entsprechend der Maske 114 auf einem XY-Tisch 117 angeordnet. Dabei wird zum Kristallisieren der gesamten Fläche des Substrats 116 ein Verfahren verwendet, gemäß dem das kristallisierte Gebiet dadurch allmählich vergrößert wird, dass der XY-Tisch 117 minimal verstellt wird. Demgemäß wird die Maske 114 in Laserstrahl-Transmissionsbereiche 114a, die Transmission des Laserstrahls 112 durchlassen, und Laserstrahl-Ausblendbereiche 114b, die den Laserstrahl 112 absorbieren, unterteilt. Der Abstand zwischen den Transmissionsbereichen 114a (d. h. die Weite jedes Ausblendbereichs 114) bestimmt die Lateralwachstumslänge der Körner.
  • Zu einem Verfahren zum Kristallisieren von Silicium unter Verwendung dieser SLS-Vorrichtung gehört das Herstellen von kristallinem Silicium unter Verwendung von amorphem Silicium, das auf einer Puffer/Isolier-Schicht (nicht dargestellt) abgeschieden wurde, wobei die Pufferschicht auf dem Substrat 116 ausgebildet ist. Die Schicht aus amorphem Silicium wird z. B. durch chemische Dampfabscheidung (CVD) auf dem Substrat 116 abgeschieden, wodurch eine große Menge an Wasserstoff in ihr enthalten sein kann. Da der in ihr enthaltene Wasserstoff durch Wärme im Allgemeinen aus dem Dünnfilm ausdiffundiert, sollte die Schicht aus amorphem Silicium einen Wasserstoffentfernungsprozess durch Wärmebehandlung erfahren. D. h., dass dann, wenn Wasserstoff nicht vorab aus der Schicht aus amorphem Silicium entfernt wird, sich die kristallisierte Schicht durch eine schnelle Volumenvergrößerung des Wasserstoffgases in ihr während des Kristallisationsprozesses ablösen kann.
  • Außerdem kann ein Kristallisationsprozess unter Verwendung eines Lasers nicht die ganze Siliciumfläche auf einmal kristallisieren. Da z. B. die Breite des Laserstrahls 112 und die Größe der Maske 114 eingeschränkt sind, muss die Maske 114 häufig neu ausgerichtet werden, und der Kristallisationsprozess muss jedesmal wiederholt werden, wenn die Maske 114 neu ausgerichtet wurde, um eine große Schirmtafel zu kristallisieren. Demgemäß wird eine Fläche, die unter Verwendung der Fläche der Maske 114 kristallisiert wird, als Blockeinheit bezeichnet, wobei die Kristallisation von Einheitsblöcken durch wiederholtes Aufstrahlen des Laserstrahls realisiert wird.
  • Die 2 zeigt ein Diagramm zur Kristallisation von Silicium gemäß der einschlägigen Technik. In der 2 repräsentiert ein erster Bereich im Diagramm einen Teilschmelzbereich, in dem nur ein Oberflächenanteil des Siliciums schmilzt, wobei kleine Körner gebildet werden. Ein zweiter Bereich repräsentiert einen Bereich mit nahezu vollständigem Schmelzen, in dem größere Körner als im ersten Bereich erzeugt werden können. Jedoch ist es schwierig, Körner gleichmäßiger Abmessungen zu erzielen. Ein dritter Bereich repräsentiert einen Bereich mit vollständigem Schmelzen, bei dem das amorphe Silicium vollständig geschmolzen wird und durch homogene Keimbildung feine Körner erzeugt werden.
  • Gemäß der einschlägigen Technik wird das Kristallisieren von Silicium unter Verwendung der SLS-Technik innerhalb des Bereichs mit vollständigem Schmelzen (d. h. im dritten Bereich) ausgeführt, in dem amorphes Silicium durch Laserkristallisation vollständig geschmolzen wird.
  • Die 3 ist eine schematische Draufsicht einer Maske zum Kristallisieren von Silicium unter Verwendung der bekannten SLS-Technik. Gemäß der 3 verfügt die Maske 114 über strukturierte Transmissions- und Ausblendbereiche 114a und 114b, wobei jeder der Transmissionsbereiche 114a durch einen Längsschlitz gebildet ist, der sich entlang einer ersten Richtung erstreckt. Die Breite d des Transmissionsbereichs 114a ist so konzipiert, dass sie weniger als das Doppelte der Maximallänge von Körnern ist, wie sie bei einem ersten Prozess mit Einstrahlung eines Laserstrahls wachsen. Wenn der erste Laserstrahl durch die Maske 114 gestrahlt wird, wachsen Körner lateral ausgehend von beiden Grenzen des geschmolzenen amorphen Siliciums innerhalb der Schmelzbereiche der Schicht aus amorphem Silicium, entsprechend den Transmissionsbereichen 114a der Maske 114, bis Grenzen der lateral gewachsenen Körner in der Mittellinie einer Flüssigphase aufeinander treffen.
  • Während des Kristallisationsprozesses durchläuft das Strahlmuster die Maske 114, und es wird durch eine Skalierungslinse 115 (in der 1) verkleinert, die entlang einer X-Richtung verstellt wird. Demgemäß läuft der Kristallisationsprozess ab, während sich das Lasermuster mit der Einheit einiger 100 μm (d. h. mit der Länge eines durch die Skalierungslinse 115 verkleinerten Musters) bewegt.
  • Die 4A bis 4D sind Schnittansichten zum Veranschaulichen der bekannten SLS-Technik. Unter Bezugnahme auf diese Figuren wird ein SLS-Polysilicium-Kristallisationsverfahren mit zwei Schüssen beschrieben, bei dem auf der Maske drei Transmissionsmuster(-bereiche) definiert sind. Bei diesem Verfahren werden Bereiche der Schicht aus amorphem Silicium, die den Transmissionsbereichen entsprechen, durch doppeltes Einstrahlen des Laserstrahls kristallisiert. Außerdem wird der Kristallisationsprozess fortschreitend entlang der Längsrichtung eines Substrats ausgeführt. Wenn die Kristallisation entlang der Längsrichtung des Substrats abgeschlossen ist, wird das Lasermuster minimal entlang der Breitenrichtung verstellt, und dann wird es erneut entlang der Längsrichtung verstellt, um dadurch den Kristallisationsprozess für den gewünschten Bereich abzuschließen.
  • Gemäß der 4A wird die Maske 114 (in der 3) als Erstes entsprechend dem Substrat positioniert, und der erste Laserstrahl wird eingestrahlt, um den Kristallisationsprozess für die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht aus amorphem Silicium ablaufen zu lassen. Der eingestrahlte Laserstrahl wird in mehrere Abschnitte aufgeteilt, während er die mehreren in der Maske 114 ausgebildeten Schlitze 114a (in der 3) durchläuft. Demgemäß werden Bereiche der Schicht aus amorphem Silicium, die den Schlitzen 114a entsprechen, durch die Teilabschnitte des ersten Laserstrahls verflüssigt. In diesem Fall wird die Laserintensität so eingestellt, dass sie dem Bereich des vollständigen Schmelzens entspricht, in dem die Schicht aus amorphem Silicium vollständig aufgeschmolzen werden kann.
  • Wenn die Einstrahlung des Laserstrahls abgeschlossen ist, sind Siliciumkörner lateral an der Grenze zwischen dem Bereich aus festem amorphem Silicium und demjenigen mit verflüssigtem Silicium gewachsen. Die Breite des die Maske durchdringenden Lasermusters wird so eingestellt, dass sie kleiner als das Doppelte der Länge der gewachsenen Körner ist, und die kristallisierten Bereiche entsprechen den Transmissionsbereichen 114a (in der 2) der Maske. Demgemäß verfügt jeder der kristallisierten Bereiche A1, A2 und A3 über eine Länge, die mit derjenigen übereinstimmt, die die Transmissionsbereiche 114a aufweisen. Außerdem verbleiben Bereiche der Schicht aus amorphem Silicium, die den Ausblendbereichen 114b (in der 2) der Maske entsprechen, als Bereiche 167 aus amorphem Silicium.
  • Demgemäß wachsen Körner 166a und 166b quer ausgehend von den Grenzen zwischen dem verflüssigten Silicium und dem festen Silicium innerhalb der kristallisierten Bereiche A1, A2 und A3, wodurch eine Korngrenze gebildet ist, wie es in den 4A bis 4D dargestellt ist.
  • Als Nächstes wird der Kristallisationsprozess kontinuierlich entlang der X-Richtung ausgeführt, während der Tisch, auf dem das Substrat befestigt ist, um Einheiten einiger 100 μm, die so lang wie die Länge des Maskenmusters (Strahlmusters) sind, verstellt wird. Gemäß der 4B wird, wenn die erste Kristallisation entlang der X-Richtung (d. h. der horizontalen Richtung) abgeschlossen ist, die Maske 114 auf dem XY-Tisch 117 (in der 1) minimal entlang einer Y-Richtung (d. h. der vertikalen Richtung) verstellt. Als Nächstes wird eine zweite Lasereinstrahlung ausgehend vom Punkt gestartet, an dem die erste Kristallisation entlang der X-Richtung beendet wurde. Demgemäß wachsen die Körner des kristallisierten Siliciums, die durch die erste Lasereinstrahlung erzeugt wurden, durch die zweite Lasereinstrahlung weiter. Zum Beispiel wachsen die Körner so weiter, dass sie eine Länge aufweisen, die halb so groß wie der Abstand k von der Korngrenze 166c des kristallisierten Bereichs A1 bis zur Korngrenze des benachbarten kristallisierten Bereichs A2 ist.
  • Gemäß der 4C kann ein Polysilicium-Dünnfilm aus den Körnern 168a und 168b vorbestimmter Länge erzeugt werden. Demgemäß wachsen, innerhalb neuer kristallisierter Bereiche B1 und B2, Körner 168a und 168b vertikal ausgehend von den Grenzen zwischen dem verflüssigten und dem festen Silicium. Die Körner 168a und 168b wachsen weiter, bis sie einander berühren, wodurch eine neue Korngrenze 168c gebildet wird, wie es in der 4D dargestellt ist.
  • Obwohl das bekannte Verfahren zum Kristallisieren von amorphem Silicium unter Verwendung der SLS-Technik innerhalb des Bereichs mit vollständigem Schmelzen, wo also das amorphe Silicium vollständig aufgeschmolzen wird, ausgeführt wird, sind in großen Körnern viele Defekte 169 (in der 4D) enthalten. Diese Defekte 169 (in der 4D) werden durch einen zweiten Temperprozess mit einem Excimerlaser (ELA = Excimer Laser Annealing) innerhalb des Bereichs mit nahezu vollständigem Schmelzen mit niedrigerer Energie als im Bereich mit vollständigem Schmelzen ausgeheilt. Jedoch erhöht das Verfahren unter Verwendung eines ersten Lasers mit hoher Energie und dann eines Lasers mit niedriger Energie als zusätzlichem Prozess die Gesamtverarbeitungszeit, und die Herstellausbeute nimmt ab.
  • Aus der WO 03/043093 A1 ist ein derartiges Verfahren zum kristallisieren von Silicium bekannt, das eine Maske benutzt, die in einem ersten Bereich Schlitze mit einer Breite d aufweist, durch die hindurch Laserlicht auf einen amorphen Siliciumfilm eingestrahlt werden kann. In einem zweiten Bereich sind Schlitze mit einer Breite ausgebildet, die in Längsrichtung gesehen symmetrisch zu den Schlitzen angeordnet sind. In dritten und vierten Bereichen sind weitere Schlitze ausgebildet, wobei die Breite der Schlitze jeweils um d zunimmt, so dass die dritten Schlitze eine Breite von 3d und die vierten Schlitze eine Breite von 4d aufweisen.
  • Ein sequentieller Lateralerstarrungsprozess wird mit dieser bekannten Maske so ausgeführt, dass zunächst ein Bereich des zu kristallisierenden amorphen Siliciumfilms durch die breiten Schlitze des vierten Bereichs der Maske hindurch mit Laserlicht beaufschlagt wird, um Bereiche mit einer Breite von 4d aufzuschmelzen, so dass beim Erstarren des geschmolzenen Siliciums vom Rand her Kristalle wachsen. Anschließend wird der zentrale Bereich erneut aufgeschmolzen, indem dieser 3d breite Bereich durch die Schlitze im dritten Bereich der Maske hindurch belichtet wird. Dies wird schrittweise wiederholt, bis nach der letzten Belichtung durch die schmalen Schlitze der abschließenden Erstarrung das amorphe Silicium in polykristallines Silicium mit Kornlängen von 2d umgewandelt ist.
  • Die sukzessive Belichtung des Siliciumfilms erfolgt dabei immer mit der gleichen Energiedichte, um jeweils in den gewünschten, immer schmäler werdenden Bereichen ein vollständiges Aufschmelzen des Siliciums zu erreichen, so dass ein kontrolliertes, langsames Wachsen der Kristallkörner erzielt werden kann.
  • Die US 2003/0088848 A1 zeigt eine Maske für einen sequentiellen Lateralerstarrungsprozess mit einer Vielzahl von Transmissionsschlitzen, durch die hindurch Laserlicht auf einen Siliciumfilm eingestrahlt werden kann. Die Schlitze der Maske sind dabei zum einen parallel zur Verschieberichtung der Maske und zum anderen senkrecht dazu ausgebildet. Bei dem SLS-Prozess wird zunächst ein gleichmäßig abgeschiedenes amorphes Material, vorzugsweise Silicium, durch die Schlitze eines ersten Bereichs der Maske hindurch belichtet, so dass die durch die Schlitze bestrahlten Bereiche durch Laserlicht geschmolzen werden, um beim anschließenden Erstarren zu kristallisieren. Es bilden sich somit polykristalline Streifen, die durch im Wesentlichen in ihrem ursprünglichen Zustand verbliebene Bereiche getrennt sind. Anschließend werden die amorphen Streifen durch die Schlitze eines zweiten Bereichs der Maske hindurch bestrahlt, um auch zwischen den kristallisierten Streifen polykristallines Material zu bilden. Anschließend wird der polykristalline Siliciumfilm durch die zur Verschiebrichtung senkrechten Schlitze der dritten und vierten Bereiche der Maske hindurch beleuchtet, um wiederum ein vollständiges Aufschmelzen und Kristallisieren vorzunehmen. Hierdurch sollen Richtungseffekte in dem kristallisierten Material reduziert werden.
  • Die US 2002/0179001 A1 , zeigt eine Maske, bei der die verschiedenen Schlitze, durch die hindurch amorphes Material mit Laserlicht bestrahlt wird, senkrecht zueinander ausgebildet sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Kristallisieren von Silicium unter Verwendung eines SLS-Verfahrens zu schaffen, mit dem Körner guter Qualität, d. h. mit weniger internen Korndefekten, erzeugt werden können.
  • Diese Aufgabe ist durch das Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst, gemäß dem gleichzeitig zwei verschiedene Laserstrahlenergieschichten verwendet werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von durch Figuren veranschaulichten Ausführungsformen näher erläutert.
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Kristallisieren von Silicium unter Verwendung einer SLS-Technik gemäß der einschlägigen Technik;
  • 2 ist ein Diagramm zur Kristallisation von Silicium gemäß der einschlägigen Technik;
  • 3 ist eine schematische Draufsicht einer Maske zum Kristallisieren von Silicium unter Verwendung der bekannten SLS-Technik;
  • 4A bis 4D sind Schnittansichten zum Veranschaulichen der bekannten SLS-Technik;
  • 5 ist eine schematische Draufsicht einer beispielhaften Maske gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 6A bis 6E sind Schnittansichten zum Veranschaulichen eines beispielhaften Verfahrens zum Kristallisieren von Silicium gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
  • 7 ist eine schematische Draufsicht einer anderen beispielhaften Maske gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Einzelscantechnik dazu verwendet, einen gewünschten Bereich einer Schicht aus amorphem Silicium mittels eines Laserstrahlscans entlang einer ersten Richtung dadurch zu kristallieren, dass eine Lasermaske in N + 1 Blöcke unterteilt wird, die um ein vorbestimmtes Intervall voneinander beabstandet sind, und Muster eines Transmissionsbereichs und eines Ausblendbereichs jedes der N + 1 Teilblöcke verformt werden.
  • Die in der 5 schematisch dargestellte Maske 270 verfügt über einen ersten Block C mit mehreren Transmissionsmustern 272a, die um ein vorbestimmtes Intervall voneinander getrennt sind, und einen zweiten Block D mit mehreren Transmissionsmustern 272b, die den Transmissionsmustern 272a des ersten Blocks C ähnlich sind. Die Transmissionsmuster 272b des zweiten Blocks D können so konfiguriert sein, dass sie Ausblendbereichen 273a entsprechen, die zwischen den Transmissionsmustern 272a des ersten Blocks C angeordnet sind Demgemäß kann unter Verwendung der Maske 270 ein gewünschter Bereich einer Schicht aus amorphem Silicium mittels der Transmissionsmuster 272a und 272b des ersten und des zweiten Blocks C und D während der Einstrahlung eines Laserstrahls mit hoher Energie vollständig geschmolzen werden. Demgemäß können Bereiche der Schicht aus amorphem Silicium lateral kristallisiert werden, während aufgeschmolzene Bereiche derselben erstarren können.
  • Gemäß der 5 kann, wenn ein Tisch entlang einer Längsrichtung verstellt wird, ein Aktivierungsbereich E auf einem kristallisierten Bereich positioniert werden, der durch den ersten Block C und den zweiten Block D der Maske 270 erzeugt wurde. Wenn dann ein Laserstrahl mit hoher Energie durch die Maske 270 gestrahlt wird, kann er gebeugt werden, während er die kleinen Rechteckschlitze 275 des Aktivierungsbereichs E durchläuft, und er kann in einen Laserstrahl mit niedriger Energie gewandelt werden. Demgemäß können, wenn die Maske 270 mit den Transmissionsmustern 272a und 272b über ein Stück W/3 entlang der Längsrichtung verstellt wird, die Transmissionsmuster 272b des zweiten Blocks D über dem amorphen Silicium positioniert werden, das dem Ausblendbereich 273a entspricht, der zwischen den Transmissionsmustern 272a des ersten Blocks C angeordnet ist. Wenn dann der Tisch erneut entlang der Längsrichtung um die Länge W/3 verstellt wird, kann der Aktivierungsbereich in der Maske 270 über dem Kristallisationsbereich lokalisiert werden, wo der erste und der zweite Block C und D positioniert waren. So kann durch Verstellen des Tischs entlang der Längsrichtung und durch Ausführen der Kristallisation entlang der Längsrichtung unter Verwendung der Maske 270 die Kristallisation und die Umkristallisation eines gewünschten Bereichs durch einen einzelnen Verarbeitungsscan abgeschlossen werden.
  • Gemäß der 5 sind die Breiten der Transmissionsmuster 272a und 272b so konzipiert, dass sie höchstens dem Doppelten der Maximallänge von Körnern entsprechen, wie sie beim Einstrahlen eines einzelnen Laserstrahls wachsen. Die mehreren im Aktivierungsbereich E ausgebildeten kleinen Rechteckschlitze 275 können den Energiepegel des Laserstrahls von hoher Energie auf niedrige Energie ändern, so dass ein Laserstrahl mit niedriger Energiedichte auf das amorphe Silicium gestrahlt werden kann. So kann es der Aktivierungsbereich E ermöglichen, dass das durch die Maske mit zwei Blöcken kristallisierte Polysilicium umkristallisiert und aktiviert wird, um dadurch Defekte innerhalb der Körner auszuheilen.
  • Anhand der Schnittansichten der 6A bis 6E wird nun ein beispielhaftes Verfahren zum Kristallisieren von Silicium gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Auf einem Substrat 220 wird eine Pufferschicht (nicht dargestellt) hergestellt, auf der dann gemäß der 6A ein Film 222 aus amorphem Silicium abgeschieden wird, die daraufhin einer ersten Wärmebehandlung unterzogen wird, um Wasserstoff zu entfernen. Als Nächstes wird eine Maske 270 (gemäß der 5) über dem Substrat 220 positioniert und mit der Schicht 222 aus amorphem Silicium ausgerichtet. Anschließend wird ein erster Laserstrahl auf das Substrat 220 gestrahlt, damit den Transmissionsmustern 272a und 272b (gemäß der 5) entsprechende Strahlmuster auf den Film 222 aus amorphem Silicium gestrahlt werden. Demgemäß können erste Bereiche 286a und 286b, die mit dem ersten Laserstrahl bestrahlt werden, vollständig aufgeschmolzen werden. Wenn dann die Temperatur des Films 222 aus amorphem Silicium fällt, wachsen Körner ausgehend von den beiden Grenzen der geschmolzenen Bereiche der Schicht aus amorphem Silicium, wodurch ein erster Kornbereich 282a, ein zweiter Kornbereich 282b und eine Korngrenze 284, an der diese beiden aufeinander treffen, gebildet werden.
  • Wie es in der 6A dargestellt ist, beginnen während der Kristallisation des amorphen Siliciums innerhalb der Kornbereiche 282a und 282b Bereiche des amorphen Siliciums, die vollständig aufgeschmolzen sind, zu kristallisieren, wobei gelöste Anteile des amorphen Siliciums beider Bereiche als Keime wirken. Zum Beispiel können die Körner 282a und 282b ausgehend von der Ober- und der Unterseite, wie es aus der ersten vergrößerten Ansicht der 6A erkennbar ist, wachsen, und die Grenzen 284 zwischen ihnen können in den mittleren Abschnitten eines Bereichs gebildet werden.
  • Als Ergebnis der ersten Einstrahlung des Laserstrahls werden eine erste Kristallisationsbereichsgruppe C1 mit mehreren kristallisierten Bereichen 286a, entsprechend den Transmissionsmustern 272a des ersten Blocks C der Maske 270 (in der 5), sowie eine zweite Kristallisationsbereichsgruppe D1 mit mehreren kristallisierten Bereichen 286b entsprechend den Transmissionsmustern 272b des zweiten Blocks D der Maske 270 gebildet. Demgemäß verfügen die ersten und die zweiten kristallisierten Bereiche 286a und 286b über ähnliche Flächen und Formen. Dabei können, wie es in der ersten vergrößerten Ansicht der 6A dargestellt ist, die großen Körner 282a und 282b, die lateral innerhalb des vollständig aufgeschmolzenen Bereichs gewachsen sind, viele interne Defekte 285 zeigen.
  • Wie es in der 5 dargestellt ist, können die im Aktivierungsbereich E ausgebildeten kleinen Rechteckschlitze 275 den sie durchlaufenden Laserstrahl beugen, so dass er geringe Energie hat. Demgemäß wird, wenn der Laserstrahl mit hoher Energie durch die Maske 270 gestrahlt wird, der Film 222 aus amorphem Silicium (in der 6A), der dem Aktivierungsbereich E der Maske 270 entspricht, innerhalb des nahezu aufgeschmolzenen Bereichs kristallisiert. Im Ergebnis wird, hinsichtlich des ersten Blocks C (in der 5), die erste Kristallisationsbereichsgruppe C1 mit den mehreren kristallisierten Bereichen 286a, entsprechend den Transmissionsmustern 272a des ersten Blocks C der Maske 270 (in der 5), die zweite Kristallisationsbereichsgruppe D1 mit den mehreren kristallisierten Bereichen 286b, entsprechend den Transmissionsmustern 272b des zweiten Blocks D der Maske 270, und eine dritte Kristallisationsbereichsgruppe E1 mit mehreren dritten kristallisierten Bereichen 286c gebildet.
  • Außerdem können die ersten und die zweiten kristallisierten Bereiche 286a und 286b ähnliche Formen zeigen, und der Laserstrahl mit gleichmäßig hoher Energie kann auf identische Flächen im ersten und im zweiten kristallisierten Bereich 286a und 286b gestrahlt werden. Darüber hinaus kann der dritte kristallisierte Bereich 286c unter Verwendung eines Temperprozesses mit einem Excimerlaser (ELA), der einen vergleichsweise niedrigen Energiepegel aufweist, kristallisiert werden.
  • Wie es in der ersten vergrößerten Ansicht der 6A dargestellt ist, verfügen der erste und der zweite kristallisierte Bereich 286a und 286b innerhalb des Bereichs, der vollständig aufgeschmolzen war, über lateral gewachsene Körner großer Abmessung. Jedoch kann eine Anzahl von Defekten 285 elektrische Eigenschaften beeinträchtigen.
  • Gemäß der 6B verbleibt die Maske 270 (in der 5) fixiert, und der Tisch unter dem Substrat 220 wird um die Länge W/3 des ersten kristallisierten Bereichs 286a in der Längsrichtung verstellt. Demgemäß werden die mehreren Transmissionsmuster 272b des zweiten Blocks D über der ersten Kristallisationsbereichsgruppe C1 positioniert, die durch die erste Einstrahlung des Laserstrahls kristallisiert wurde. Außerdem werden die Rechteckschlitze 275 des Aktivierungsbereichs E der Maske 270 über der zweiten Kristallisationsbereichsgruppe D1 positioniert, die durch die erste Einstrahlung des Laserstrahls teilweise kristallisierte. Dann wird ein zweiter Laserstrahl durch die Maske 270 gestrahlt, damit das amorphe Silicium, das den Transmissionsmustern 272a des ersten Blocks C der Maske entspricht, vollständig aufgeschmolzen wird und dann kristallisiert. Die Körner des amorphen Siliciums, die durch die erste Einstrahlung des Laserstrahls, entsprechend den Transmissionsmustern 272b des zweiten Blocks D der Maske 270; die über der ersten Kristallisationsbereichsgruppe C1 positioniert wurde, teilweise kristallisierten, können ausgehend von den Grenzen weiter wachsen. Zum Beispiel können die Körner des neu kristallisierten Bereichs, der durch die erste Einstrahlung des Laserstrahls erzeugt wird, erneut als Körner mit einer Länge wachsen, die der Hälfte des Abstands zwischen benachbarten Korngrenzen entspricht, an denen die Körner einander berühren. Außerdem kann der zweite kristallisierte Bereich 286b, der dem Aktivierungsbereich E der Maske 270 (in der 5) mit den Rechteckschlitzen 275 entspricht, durch einen Laserstrahl mit niedriger Energie umkristallisiert oder aktiviert werden, wodurch die Defekte 285 (in der 6A) ausgeheilt werden.
  • Gemäß der 6C bildet die durch die erste Einstrahlung des Laserstrahls erzeugte erste Kristallisationsbereichsgruppe C1 eine Kristallisationsbereichsgruppe C2 mit Körnern guter Qualität sowie gleichzeitig eine vierte Kristallisationsbereichsgruppe F1 mit einem vierten kristallisierten Bereich 286d. Demgemäß erfahren die in der Kristallisationsbereichsgruppe C2 erzeugten Körner 287a und 287b ein Umkristallisieren um die Hälfte des Abstands (l) zwischen der durch die erste Einstrahlung des Laserstrahls erzeugten Korngrenze 284a und einer benachbarten Korngrenze 284b, wodurch im mittleren Teil eine neue Korngrenze 287c erzeugt wird. Außerdem werden, wie es in einer zweiten vergrößerten Ansicht der 6C dargestellt ist, wenn der ELA-Prozess des Einstrahlens eines zweiten Laserstrahls hinsichtlich der zweiten Kristallisationsbereichsgruppe D2 ausgeführt wird, die dem Aktivierungsbereich E der Maske 270 entspricht, interne Körner aktiviert und umkristallisiert, wodurch die Defekte 285 ausgeheilt werden, wie es in einer ersten vergrößerten Ansicht der 6C dargestellt ist.
  • Gemäß der 6D werden, wenn der Tisch um die Länge W/3 der Transmissionsmuster 272a und 272b der Maske 270 in der Längsrichtung verstellt wird, die Transmissionsmuster 272a des ersten Blocks C der Maske 270 über einem neuen Bereich des Films aus amorphem Silicium positioniert, und die Transmissionsmuster 272b des zweiten Blocks D werden über der vierten Kristallisationsbereichsgruppe F1 positioniert, die durch die zwei Einstrahlungen von Laserstrahlen kristallisiert wurde. Außerdem wird der Aktivierungsbereich E mit den mehreren kleinen Schlitzen 275 über der Kristallisationsbereichsgruppe C2 positioniert, die vollständig kristallisiert ist. Demgemäß wird, wenn ein dritter Laserstrahl durch die Maske 270 gestrahlt wird, das neue amorphe Silicium, das den Transmissionsmustern 272a des ersten Blocks C der Maske 270 entspricht, kristallisiert, wodurch eine fünfte Kristallisationsbereichsgruppe G1 erzeugt wird.
  • Gemäß der 6D wird die vierte Kristallisationsbereichsgruppe F1, die dem zweiten Block D der Maske 270 entspricht, kristallisiert, so dass in ihr erzeugte Körner ausgehend von benachbarten Grenzen kontinuierlich wachsen, wodurch eine Kristallisationsbereichsgruppe F2 mit vollständiger Kristallisation gebildet wird, in der das amorphe Silicium vollständig kristallisiert ist.
  • Gemäß der 6E erfahren z. B. die Körner der vierten Kristallisationsbereichsgruppe F1 eine Umkristallisation in Körner mit einer Länge, die der Hälfte der Länge ausgehend von einem Bereich entspricht, in dem die Körner einen Bereich benachbarter Grenzen berühren. So wird die erste Kristallisationsbereichsgruppe C1, die dem Aktivierungsbereich E der Maske 270 mit den mehreren Rechteckschlitzen entspricht, kristallisiert (oder aktiviert), wodurch Defekte 285 (in der 6C) großer Körner ausgeheilt werden, so dass eine Kristallisationsbereichsgruppe C3 mit vollständiger Kristallisation mit Körnern guter Qualität erzeugt wird, wie es in der 6E dargestellt ist.
  • Durch Wiederholen der durch die 6A bis 6E veranschaulichten Prozesse wird ein Polysilicium-Dünnfilm mit Bereichen vollständiger Kristallisation erhalten. Während die Kristallisation zum Erzeugen des Polysilicium-Dünnfilms durch Verstellen des Tischs ausgeführt werden kann, ist es auch möglich, dies durch Verstellen der Maske oder durch gleichzeitiges Verstellen der Maske und des Tischs auszuführen.
  • Anhand der schematischen Draufsicht der 7 wird nun eine andere beispielhafte Maske gemäß einer Ausführungsform erläutert. Mit der dort dargestellten Lasermaske 370 für einen SLS-Prozess wird die Fläche eines Laserstrahls in drei Bereiche eines ersten und eines zweiten Blocks sowie eines Aktivierungsbereichs unterteilt. Zum Beispiel verfügt die Maske 370 über einen ersten Block C mit mehreren Transmissionsmustern 372a, die um ein vorbestimmtes Intervall gegeneinander entlang einer vertikalen Richtung beabstandet sind, und einen zweiten Block D mit mehreren Transmissionsmustern 372b, die den Transmissionsmustern 372a des ersten Blocks C ähnlich sind. Die Transmissionsmuster 372b des zweiten Blocks können innerhalb eines zweiten Maskenblocks vorhanden ein, der Intervallen entspricht, wie sie zwischen den Transmissionsmustern 372a des ersten Blocks C vorhanden sind. Außerdem verfügt die Maske 370 über einen Aktivierungsbereich E' mit mehreren kleinen Schlitzen 385 jeweils der Länge W/3, die entlang der Längsrichtung ausgebildet sind. Der Aktivierungsbereich E' kann einen Laserstrahl teilweise durchlassen, damit dieser mit niedrigem Energiepegel auf einen Film aus amorphem Silicium gestrahlt wird.
  • Gemäß dieser Ausführungsform verwendet das SLS-Kristallisationsverfahren die Anzahl N von Maskenblöcken. Wenn z. B. N Maskenblöcke verwendet werden, wird die Fläche eines Laserstrahls entsprechend N + 1 Maskenblöcken unterteilt, wobei der Maskenblock N einem SLS-Kristallisationsbereich hoher Energiedichte entspricht und der Maskenblock N + 1 einen Aktivierungsbereich mit niedriger Energiedichte bildet. Demgemäß wird zum Kristallisieren von Silicium gemäß einer SLS-Technik entsprechend der vorliegenden Ausführungsform eine Lasermaske in N + 1 Maskenblöcke unterteilt, wobei der Maskenblock N + 1 einen Laserstrahl teilweise durchlässt, wozu er mehrere enge Schlitze aufweist, um dadurch die Energiedichte des durchlaufenden Laserstrahls zu verringern. Demgemäß können ein Laserstrahl mit hohem Energiepegel und ein solcher mit niedrigem Energiepegel gleichzeitig während eines einzelnen Lasertemperprozesses erzielt werden. Darüber hinaus können Defekte in einem kristallisierten Film, die durch den Laserstrahl hoher Energie erzeugt wurden, durch den Laserstrahl niedriger Energie aktiviert und ausgeheilt werden, wodurch ein Polysilicium-Dünnfilm guter Qualität erzeugt wird, ohne dass die Prozessausbeute verringert wäre.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Kristallisieren von Silicium, mit folgenden Schritten: – Herstellen eines Substrats (220) mit einem darauf ausgebildeten Film (222) aus amorphem Silicium; – Ausrichten einer Maske (270) mit einem ersten Energiebereich (C, D) und einem zweiten Energiebereich (E) über einem ersten Bereich des auf dem Substrat (220) hergestellten Films (222) aus amorphem Silicium; – Einstrahlen eines Laserstrahls durch den ersten und den zweiten Energiebereich der Maske (270) auf den ersten Bereich des Films (222) aus amorphem Silicium; – Kristallisieren erster Bereiche (286a, 286b; C1, D1) des Films (222) aus amorphem Silicium durch Einstrahlen des Laserstrahls durch den ersten Energiebereich (C, D) der Maske; und – Aktivieren des kristallisierten ersten Bereichs (286b, D2) durch Einstrahlen des Laserstrahls durch den zweiten Energiebereich (E), wobei der zweite Energiebereich (E) der Maske den eingestrahlten Laserstrahl beugt, um die Energiedichte des eingestrahlten Laserstrahls zu reduzieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiebereich (C, D) über ein erstes Transmissionsmuster (272a, 272b) verfügt und der zweite Energiebereich (E) über ein Aktivierungsmuster (275) verfügt, das kleiner als das Transmissionsmuster ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den ersten Energiebereich (C, D) gestrahlte Laserstrahl eine erste Energiedichte aufweist und der durch den zweiten Energiebereich (E) gestrahlte Laserstrahl eine zweite Energiedichte aufweist, die niedriger als die erste Energiedichte ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den ersten und den zweiten Energiebereich (C, D, E) gestrahlten Laserstrahlen gleiche Energiepegel aufweisen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (270) und/oder das Substrat (220) verstellt wird, um die Maske (270) mit dem ersten Energiebereich (C, D) und dem zweiten Energiebereich (E) über einem zweiten Bereich des Films (222) aus amorphem Silicium zu positionieren.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Energiebereich (C, D) der Maske (270) über mehrere Querstreifenmuster verfügt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Transmissionsmuster (272a, 272b) des ersten Energiebereichs (C, D) eine Breite aufweist, die höchstens der maximalen Kornwachstumslänge während eines Einstrahlens des Laserstrahls entspricht.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Energiebereich (E) der Maske (270) in einem Endbereich derselben in Bezug auf eine Vorschubrichtung derselben vorhanden ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsmuster (275) des zweiten Energiebereichs (E) über mindestens eine Geometrie verfügt, die aus der aus mehreren Rechtecken, Kreisen, Dreiecken und streifenförmigen Schlitzen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktivierungsmuster (275) des zweiten Energiebereichs (E) vom mindestens einen geometrischen Muster mehrere aufweist, die voneinander beabstandet sind.
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