用於連續橫向固化的非晶矽澱積的製作方法

2023-12-04 15:11:51 1

專利名稱：用於連續橫向固化的非晶矽澱積的製作方法
技術領域：
本發明涉及非晶矽澱積，具體涉及用於連續橫向固化(sequential lateralsolidification)(SLS)的非晶矽澱積方法。
背景技術：
對厚度薄，重量輕，並且功耗低的平板顯示器設備有很大需求。平板顯示器設備可以分為兩種基本類型。一種類型是通過發射光來顯示圖像的光發射顯示設備，另一種類型是使用外部光源來顯示圖像的光接收顯示設備。等離子體顯示板(PDP)，場致發射顯示(FED)設備，和電致發光顯示設備是光發射顯示器的例子。液晶顯示器是光接收顯示器的例子。液晶顯示器廣泛用於膝上型計算機和臺式監視器，因為其具有優良的解析度、顏色範圍和圖像質量。
液晶顯示器(LCD)設備使用液晶分子的光學各向異性和極化性質來產生圖像。液晶分子由於其長、薄的形狀而具有確定的定向對準(orientationalalignment)。定向對準可以由一個施加的電場來控制。換句話說，當一個施加的電場變化時，液晶分子的對準也變化。由於光學各向異性，入射光的折射取決於液晶分子的定向對準。因此，通過適當地控制所施加的電場，可以產生希望的光圖像。
雖然已知有多種類型的液晶顯示設備，其中具有以陣列布置的薄膜電晶體(TFT)和像素電極的有源矩陣液晶顯示器(AM-LCD)可能是最通用的。這是因為有源矩陣LCD可以以合理的成本產生高質量的圖像。
LCD的TFT一般包括多晶矽(p-Si)或非晶矽(a-Si)作為有源層。由於可以在一個較低溫度澱積非晶矽(a-Si)以在一個玻璃襯底上形成一個薄膜，因此其更廣泛地用於液晶顯示器(LCD)設備中的開關元件。但是，非晶矽(a-Si)在用於大面積LCD設備時有問題，因為非晶矽的電學特性存在問題。與非晶矽相比，多晶矽在用於TFT開關元件時提供更快的顯示器響應時間。因此，多晶矽(p-Si)更適於大面積LCD設備(例如大型膝上型計算機和電視機)，它們需要更大的場效應遷移率。
在LCD應用的多晶矽形成期間，經常使用雷射處理技術。這種多晶矽也可以用於TFT開關設備的驅動電路。
圖1是表示一個有源矩陣液晶顯示器的主要部件的示意圖。在圖1中，LCD設備包括一個襯底2上的驅動電路3和有源矩陣4。有源矩陣4位於襯底2的中心部分，選通驅動電路3a和數據驅動電路3b分別位於襯底2的左部和上部。在有源矩陣4中，把多個選通線6設置在橫向上，把多個數據線8設置在縱向(與選通線6垂直)上。各對選通線6和數據線8定義了多個像素區域。選通驅動電路3a把地址信號傳送到選通線6，數據驅動電路3b與地址信號同步地把顯示信號傳送到數據線。多個電氣隔離的像素電極10被設置在像素區域中。各選通線6和數據線8的交叉處是多個作為開關元件的薄膜電晶體(TFT)「T」。TFT形成一個矩陣格式，其中每個TFT「T」對應於一個特定像素電極10。
選通驅動電路3a和數據驅動電路3b電氣連接到一個控制信號輸入埠12，控制信號輸入埠12連接到一個控制器(未示出)，該控制器控制選通驅動電路3a和數據驅動電路3b。選通驅動電路3a和數據驅動電路3b包括CMOS(互補金屬氧化物半導體)電晶體，該電晶體作為倒相器把信號傳送到像素電極10。即，選通驅動電路3a和數據驅動電路3b是具有移位寄存器的矽薄膜互補金屬氧化物半導體(CMOS)結構。該移位寄存器可以是互補(P型和N型)或單導通(monoconductive)TFT的一個靜態或動態電路。
非常重要的是，與圖1類似的有源矩陣液晶顯示器(AM-LCD)設備包括具有低OFF狀態洩漏電流的有源矩陣4和驅動電路3。此外，重要的是，CMOS電晶體具有高場效應遷移率。但是，TFT開關和CMOS電晶體中使用的多晶矽具有很多晶粒，並因此具有晶界。這些晶粒和晶界中斷了載流子的移動，並且造成有源矩陣元件的退化。如果晶粒更大並且晶界更規則地分布在多晶矽內，那麼場效應遷移率增大。因此，能產生大晶粒的矽晶化方法是一個重要方向。
為了解決上述問題，必須控制晶場分布，或者需要一個單晶器件。在RobertS.Sporilli，M.A.Crowder，和James S.Im，Mat，Res.Soc.Symp.Proc Vol.452，956-957，1997中描述了通過連續橫向固化(SLS)在一個玻璃襯底上形成單晶矽層的技術。該技術利用的事實是，矽晶粒傾向於從液態矽和固態矽之間的介面橫向地生長。如下面例子所示，基於該理論，上述參考文件教導了通過控制一個移動雷射束的雷射能量和輻射範圍使非晶矽層晶化，以產生具有預定長度的矽晶粒。因此，連續橫向固化(SLS)(誘發矽晶粒的橫向生長)可以使用雷射能量形成單晶矽膜。
圖2是表示晶粒尺寸隨雷射能量密度變化的曲線圖，圖3A-3C給出用於解釋由大晶粒組成的p-Si膜的形成機制的橫剖面圖。如圖3A到3C所示，順序地在一個透明襯底1上形成緩衝層12和非晶矽層14。
現在參見圖2和圖3A，第一區域是一個部分熔化區。當使用一個具有第一區域內的能量密度的雷射束照射非晶矽層14時，只有非晶矽層14的表面部分「A」熔化。此後，在一個退火工藝期間，在垂直方向形成多個小的晶粒「G1」。
圖2的第二區域表示一個具有幾乎熔化整個區域的能量密度的雷射束。當使用一個具有第二區域內的能量密度的雷射束照射非晶矽層14時，幾乎所有的非晶矽都熔化，參見圖3B。此外，在非晶矽層14和緩衝層12之間形成多個籽晶(seed)13。由於籽晶13的存在，矽晶粒傾向於水平地生長。但是，由於多個籽晶13隨機地分布在透明襯底1上，即使晶粒「G2」較大也很難獲得多個均勻的晶粒「G2」。
圖2的第三區域表示一個完全熔化區。當使用一個具有第三區域內的能量密度的雷射束照射非晶矽層14時，所有的非晶矽都熔化，參見圖3C。然後，在退火工藝期間進行均勻的核化。因此，在熔化的矽中形成多個晶核15，獲得精細晶粒「G3」。
根據上述矽晶化機制，可以實驗地獲得合適的雷射能量密度，並且該合適的雷射能量密度區域可以稱為一個工藝窗(process window)。
圖4示意性表示連續橫向固化(SLS)。當使用一個具有能完全熔化非晶矽層20的能量密度的第一雷射束時，產生第一完全熔化區域「I」。此外，由於液相-固相接觸，在固相非晶矽和液相非晶矽之間的介面24形成多個籽晶24。在退火期間，多個籽晶24傾向於橫向生長(相對於圖4中的垂直方向)，從而產生多個第一晶粒26。此外，在退火期間，可以在第一熔化區域「I」的中間附近形成多個精細晶粒28，因此第一晶粒26把該區域劃分為兩個部分。
在形成第一晶粒26後，施加一個具有能完全熔化矽層的能量密度的第二雷射束。第二雷射束最好具有與第一雷射束相同的能量密度和束寬。在第二雷射束照射襯底22之前，移動該雷射束使得第一熔化區域「I」的底部區域(部分II)和精細晶粒28被照射。第二雷射第二次照射完全熔化部分「II」，並再次熔化第一晶粒。在退火期間，頂部區域「III」的第一晶粒26傾向於橫向生長，直至形成單晶晶粒30。即，通過重複第一和第二雷射束照射和退火工藝來形成單晶晶粒30。
在上述SLS工藝中，第一和第二雷射束照射之間的距離最好是頂部區域「III」中第一晶粒26的橫向生長的長度。該長度經常稱為平移距離(translationdistance)。為了調整平移距離，必須從第一雷射束寬度「I」的中間除去精細晶粒28。
例如，可以使用束寬為1到3毫米的雷射束，90％的重疊率是合適的。所形成的非晶矽層的厚度通常是500埃。如果非晶矽層的厚度大於500埃，雷射束必須具有更大的雷射能量密度以熔化較厚的非晶矽，這會增加製造成本，並且可能減慢製造過程，而沒有改進所生產的薄膜電晶體的性質。因此，當澱積非晶矽以誘發多晶矽時，非晶矽層應該保持500到600埃範圍的厚度。
由於SLS晶化使用具有足以完全熔化矽層的能量密度的雷射束，非晶矽層的厚度是一個重要問題。如果非晶矽層的厚度是大約500埃，在SLS晶化期間會發生缺陷。當平移距離較短時，會發生諸如堆疊(pilling)現象和聚集(agglomeration)現象之類的缺陷，並且工藝窗的範圍減小。
圖5表示當非晶矽層的厚度是500埃時，在SLS晶化期間的雷射能量密度。在SLS晶化中，當用於形成單晶矽的雷射能量密度是大約410mJ/cm2時，平移距離可以在0.05到0.9微米範圍內以構成工藝窗。此外，當雷射能量密度是大約450mJ/cm2時，平移距離的範圍是0.6到1.0微米。
如果在雷射能量密度是425mJ/cm2時的平移距離大於0.95微米，如圖5所示，所得的矽變成多晶矽而不是單晶矽。另一方面，如果在雷射能量密度是425mJ/cm2時的平移距離小於0.3微米，所得的矽變成具有拱起缺陷(例如堆疊和聚集)的晶體矽。因此，500埃厚度的非晶矽具有窄的工藝窗，容易發生缺陷。

發明內容
因此，本發明致力於一種用於連續橫向固化(SLS)的非晶矽澱積方法，其實質上消除了由於現有技術的局限和缺點導致的一個或多個問題。
本發明的優點是提供了一種用於連續橫向固化(SLS)的非晶矽澱積方法，其增大了工藝窗。
本發明的另一個優點是提供了一種用於連續橫向固化(SLS)的非晶矽澱積方法，其增加了製造產量和產品穩定性。
在後面的說明書中將給出本發明的其他特徵和優點，它們可以部分地從說明書中了解，或者可以通過本發明的實踐獲得。本發明的目的和其他優點可以通過說明書、權利要求以及附圖中特別指出的結構來實現和獲得。
為了實現這些和其他優點，並根據本發明的目的，正如所實施和廣義描述的，一種用於連續橫向固化(SLS)的非晶矽澱積方法包括以下步驟在一個透明襯底上形成一緩衝層；在緩衝層上澱積厚度範圍為600到2000埃(最好是600到900埃)的非晶矽；使用一個具有完全熔化能量密度的雷射束重複地照射非晶矽層以便完全熔化該層；把雷射束移動一個平移距離以進行下一個雷射束照射。
上述方法進一步包括在每次雷射束照射後把熔化的矽層退火以形成一單晶矽層。310到515mJ/cm2範圍的雷射能量密度是合適的。當雷射束的能量密度範圍是310到313mJ/cm2時，最大平移距離的範圍是0.2到1.0微米，最小平移距離的範圍是0.04到0.1微米。優選地，在緩衝層上澱積的非晶矽層的厚度是1000埃。
應該理解，上述一般性說明和以下的詳細說明都是示例性和解釋性的，是為了提供對本發明權利要求的進一步解釋。


所包括的用於提供本發明進一步理解並構成說明書一部分的附圖示出了本發明的實施例，並與說明書一起用於解釋本發明的原理。
在附圖中圖1是表示一個有源矩陣液晶顯示器的主要部件的示意性框圖；圖2是表示晶粒尺寸隨雷射能量密度變化的曲線圖；圖3A-3C是表示使用SLS的a-Si膜晶化的橫剖面圖；圖4是表示連續橫向固化(SLS)的工藝圖；圖5是表示當非晶矽層的厚度是500埃時在SLS晶化期間可以構成一個工藝窗的雷射能量密度的曲線圖；圖6是表示當非晶矽層的厚度是1000埃時在SLS晶化期間可以構成一個工藝窗的雷射能量密度的曲線圖；和圖7是表示在現有技術和本發明之間的轉移特性比較的曲線圖。
具體實施例方式
下面參考附圖中的例子對本發明的實施例進行詳細說明。在可能時，所有附圖中使用相似的標號表示相同或相似的部分。
圖6是表示根據本發明當非晶矽層的厚度是1000埃時在SLS晶化期間可以構成一個工藝窗的雷射能量密度的曲線圖。當雷射能量密度是310mJ/cm2時，最大平移距離是0.2微米，最小平移距離是0.05微米。415mJ/cm2的雷射能量密度對應於0.6微米的最大平移距離和0.04微米的最小平移距離，450mJ/cm2的雷射能量密度對應於0.8微米的最大平移距離和0.04微米的最小平移距離，515mJ/cm2的雷射能量密度對應於1.0微米的最大平移距離和0.1微米的最小平移距離。
與圖5相比，圖6顯示一個大得多的工藝窗。即，由於澱積的非晶矽層的厚度是1000埃(大於現有技術)，因此工藝窗的範圍更寬。此外，與現有技術相比，諸如堆疊和聚集之類的缺陷發生在較短的平移距離。例如，當能量密度是415mJ/cm2的雷射束照射矽層以形成單晶矽時，缺陷在0.04微米的平移距離以下發生。因此，工藝窗的寬度增加。此外，儘管與現有技術相比，非晶矽較大，但是雷射束的能耗不顯著增大。
圖7是表示現有技術和本發明之間的轉移特性比較的曲線圖。當選通電壓Vg以固定速率逐漸從-15V增加到+20V時，測量流過一有源溝道層的漏電流Id的變化。此外，把漏電壓Vd設置為0.1V和10V(Vd＝0.1V，Vd＝10V)，同時測量轉移特性。現有技術的非晶矽層厚度是500埃，本發明的非晶矽層厚度是1000埃。
如圖7所示，當漏電壓Vd是0.1V時，使用500埃厚的現有技術矽層的薄膜電晶體的場效應遷移率是230cm2/V.s。反之，當漏電壓Vd是10V時，使用1000埃厚的本發明矽層的薄膜電晶體的場效應遷移率是390cm2/V.s。而且，當漏電壓Vd是10V時，顯示出具有本發明矽層的薄膜電晶體中的洩漏電流較低。因此，具有由1000埃厚的非晶矽層形成的有源層的薄膜電晶體可以具有改善的電氣特性。根據圖7所示的實驗結果，當非晶矽是利用SLS進行晶化並且用作薄膜電晶體的有源層時，根據本發明，非晶矽層的厚度應該是600到2000埃之間。
如上所述，如果根據本發明的非晶矽澱積形成單晶矽層，薄膜電晶體的場效應遷移率得到改善，因此該薄膜電晶體適合用於具有高解析度的液晶顯示器。即，本發明的矽層可以用作在具有優良圖像質量的液晶顯示器的驅動電路中的CMOS電晶體的元件。
本領域技術人員應該理解，在不偏離本發明的精神或範圍的情況下，可以對本發明的非晶矽晶化方法進行各種修改和變化。因此，本發明應該覆蓋所有落入所附權利要求及其等同物範圍內的修改和變化。
權利要求
1.一種晶化方法，包括以下步驟在一個透明襯底上形成一緩衝層；在緩衝層上澱積厚度為600到900埃的非晶矽層；使用一個能完全熔化非晶矽層的一個區域的雷射束重複地照射非晶矽層；和在兩次照射之間把雷射束移動一個平移距離。
2.根據權利要求1所述的方法，進一步包括在兩次照射之間把矽層退火。
3.根據權利要求1所述的方法，其中雷射束的能量密度在310和515mJ/cm2之間。
4.根據權利要求1所述的方法，其中最大平移距離的範圍是0.2到1.0微米。
5.根據權利要求1所述的方法，其中最小平移距離的範圍是0.04到0.1微米。
6.一種晶化方法，包括以下步驟在一個透明襯底上形成一緩衝層；在緩衝層上澱積厚度為900到2000埃的非晶矽層；使用一個能完全熔化非晶矽層的一個區域的雷射束重複地照射非晶矽層；和在兩次照射之間把雷射束移動一個平移距離。
7.根據權利要求6所述的方法，進一步包括在兩次照射之間把矽層退火。
8.根據權利要求6所述的方法，其中雷射束的能量密度在310和515mJ/cm2之間。
9.根據權利要求6所述的方法，其中最大平移距離的範圍是0.2到1.0微米。
10.根據權利要求6所述的方法，其中最小平移距離的範圍是0.04到0.1微米。
11.根據權利要求6所述的方法，其中緩衝層上澱積的非晶矽層的厚度是1000埃。
全文摘要
一種非晶矽澱積方法,包括以下步驟:在一個透明襯底上形成一緩衝層;在緩衝層上澱積厚度範圍為600到2000埃的非晶矽;使用一個具有完全熔化能量密度的雷射束重複地照射非晶矽層以便完全熔化該層;把雷射束移動一個平移距離以進行下一個雷射束照射。
文檔編號H01L29/786GK1388565SQ02122109
公開日2003年1月1日 申請日期2002年5月30日 優先權日2001年5月30日
發明者鄭允皓 申請人:Lg.飛利浦Lcd有限公司