[发明专利]利用掩膜使非晶硅结晶的方法

说明书

本申请要求于2001年5月30日在韩国提交的韩国专利申请2001-29913的优先权，在此引入所述申请其全文内容以作为参考。

技术领域

本发明涉及非晶硅的结晶方法。更具体的说，本发明涉及适用于形成具有均匀颗粒的多晶硅的按序横向固化(SLS)结晶方法。

背景技术

随着信息技术的快速发展，显示设备已经演变为能够处理和显示大量信息的设备。尽管阴极射线管(CRT)仍然是主流显示设备，但是为了满足目前的需求，体积小、重量轻并且耗能低的平面显示设备例如液晶显示器(LCD)正在变得越来越重要。

LCD设备通常包括两块基板和夹在基板之间的液晶层。LCD设备通过改变电场所排列的液晶分子的排列，来控制光传输，从而形成影像。

一块LCD基板包括作为开关装置的薄膜晶体管(TFT)。这些TFT通常是采用非晶硅活性层来形成。因为非晶硅可以在大的低成本的基板例如玻璃上形成。

LCD设备也包括控制TFT的驱动集成电路(驱动IC)。但遗憾的是，非晶硅不能形成为用于驱动IC的适当活性层，其中驱动IC通常为需要结晶硅活性层的CMOS(互补金属氧化物半导体)设备。因此驱动IC通常采用TAB(胶带自动粘接)系统连接至TFT基板。这明显增加了LCD设备的成本。

因为非晶硅的限制，因此研制和开发了采用多晶硅TFT活性层的LCD设备。多晶硅是非常适用的，因为它相对于非晶硅来说更适用于驱动IC中。因此多晶硅的优点在于：由于薄膜晶体管和驱动IC可以在同一个基板上制造，因此其制造步骤减少，省略了TAB连接的需要。另外多晶硅的场效应迁移率是比非晶硅的大100-200倍。并且多晶硅也是光稳定和热稳定的。

可以通过在基板上沉积非晶硅，例如通过等离子增强的化学气相沉积(PECVD)或低压化学气相沉积(LPCVD)方法，然后将非晶硅结晶为多晶硅，从而形成多晶硅。将非晶硅结晶成为多晶硅有许多不同的方法，包括固体结晶(SPC)、金属诱发的结晶(MIC)和激光退火等。

在SPC中，在石英基板上形成缓冲层。然后在缓冲层上沉积非晶硅。在超过600度的高温下将非晶硅加热较长的时间。缓冲层能防止杂质扩散进入非晶硅。高温使得非晶硅结晶。但是SPC方法导致了不规则的颗粒生长以及不均匀的颗粒尺寸。因此栅极绝缘器在SPC形成的多晶硅上不规则的生长。这降低了所得到的TFT的击穿电压。另外，因为不规则的颗粒尺寸，TFT的电性能也降低了。而且石英基板价格昂贵。

在MIC中，在非晶硅上沉积的金属在较低的温度下诱发结晶。其优点在于可以使用低成本的玻璃基板。但是保留在硅层中的沉积金属成为有害杂质。

在激光退火中，准分子激光器对基板上的非晶硅层进行几十至几百纳秒的辐射。这样使得非晶硅层熔融。然后熔融的硅固化成为多晶硅。在激光退火方法中，可以在低于400度的温度下进行结晶。遗憾的是，结晶进行得比较不好，特别是在采用单激光发射进行硅层结晶的情况下。实际上，通常通过辐射大约10次激光束而进行重结晶，来提高颗粒尺寸。因此激光退火的生产率低。另外，激光辐射会将硅层加热至约1400度。因为这种温度很容易氧化硅层而产生二氧化硅(SiO₂)，因此通常在10^-7-10^-6托的高真空下进行激光退火。

近年来，一种被称之为按序横向固化(SLS)的新型结晶方法逐渐引起重视。SLS方法利用了硅颗粒从液相硅和固相硅之间的边界处横向生长这一事实。SLS方法可以通过控制激光束的能量强度以及激光束的辐射范围而提高所生长的硅颗粒的尺寸(参见Mat.Res.Soc.Symp.Proc的Vol.452(1997)上956-957页Robert S Sposilli，M.A.Crowder，以及James S.Im所述)。这使得TFT可以具有单晶硅的通道面积(channel area)。

以下参考图1详细描述传统的SLS方法，图1表示传统的SLS装置。在图1中，传统的SLS装置包括光源1、衰减器2、聚焦透镜5、掩膜6、成像透镜7和平移台10，具有非晶硅层的样品9(图2A中的元件20)位于该台上。SLS装置也包括反射镜3、4和8，用于改变光的方向。反射镜3和4设置在衰减器2和聚焦透镜5之间，反射镜8设置在成像透镜7和平移台10之间。