專利名稱：激光掩模以及利用其結晶的方法
技術領域：
本發明涉及一種激光掩模以及利用其結晶的方法，尤其涉及一種能夠產生結晶特性均勻的多晶硅薄膜的激光掩模以及利用其結晶的方法。
背景技術：
近來，由于對信息顯示、尤其是便攜式信息顯示的需要，人們對薄膜型平板顯示(FPD)器進行了積極研究，并將其商業化，以此來代替陰極射線管(CRT)。在這些平板顯示器中，液晶顯示(LCD)器件由于其優良的分辨率、顯色能力和圖像質量而被廣泛地用于筆記本電腦和臺式監視器。
有源矩陣(AM)驅動法，種用于LCD器件的典型驅動法，采用非晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)作為開關元件以驅動LCD器件的各像素。a-Si TFT技術由英國人Le Comber等人在1979年發布，并在1986年被商業化為三英寸的液晶便攜式電視機。近來，人們開發了顯示面積超過50英寸的TFT-LCD器件。但是，a-Si TFT的場效應遷移率約為1cm2/Vsec，而為像素提供信號的外圍電路一般在超過1MHz的條件下工作，因此這妨礙了其在外圍電路中的應用。于是，人們正積極從事以下研究利用場效應遷移率超過上述a-TFT的多晶硅(多晶-Si)TFT在玻璃基板上同時形成像素區域中的開關晶體管和驅動電路區域中的外圍電路。
自1982年開發出LCD彩色電視機以來，多晶-Si TFT已用于小型平板顯示器件，如可攜式攝像機的目鏡上。該TFT具有較低的光敏性和較高的場效應遷移率，其可直接設置在基板上形成驅動電路。遷移率的增大提高了驅動電路的工作頻率。而驅動電路的頻率性能決定了維持足夠顯示能力時被驅動的像素數目。更具體地說，頻的率增大降低了提供給像素的信號的充入時間，從而使信號失真減少，圖像質量提高。
多晶-Si TFT可通過以下方式制造在基板上直接淀積多晶硅薄膜，或者淀積非晶硅薄膜、然后通過熱處理使其結晶。為了采用價廉的玻璃作為基板，需要低溫處理過程，為了將多晶-Si TFT用于驅動電路，需要提高場效應遷移率的方法。一般說來，用于非晶硅薄膜結晶的熱處理方法是固相結晶(SPC)法和受激準分子激光退火(ELA)法。
SPC法在大約600℃的低溫下形成多晶硅薄膜。在該方法中，多晶硅薄膜可通過以下方法形成將非晶硅薄膜淀積到低熔點玻璃基板上，然后大約在600℃的條件下實施緩慢加熱工藝達數十小時。通過SPC法形成的多晶硅薄膜具有尺寸比較大的晶粒，約幾個μm(微米)。但是，這些晶粒中有許多缺陷。盡管不像多晶-Si TFT中的晶界那么差，但這些缺陷也負面影響著多晶-Si TFT的性能。
受激準分子激光退火法是在低溫下制造多晶-Si TFT的典型方法。受激準分子激光器通過向非晶硅薄膜上照射10納秒的高能激光束而使非晶硅薄膜結晶。在該方法中，非晶硅在非常短的時間內熔融和結晶，所以玻璃基板不會受損。與通過普通熱處理法制造的多晶-Si薄膜相比，通過受激準分子激光法制造的多晶硅薄膜還具有良好的電學特性。例如，通過準分子激光法制造的多晶-Si TFT的場效應遷移率超過100cm2/Vsec，而a-Si TFT的場效應遷移率是0.1～0.2cm2/Vsec，通過普通熱處理法制造的多晶-Si TFT的場效應遷移率為10～20cm2/Vsec(IEEE Trans.Electron Devices，1989年第36卷第12期，第2868頁)。
下面詳細描述采用激光的結晶方法。圖1是表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸與用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之間的關系曲線圖。
如圖1所示，按照IEEE Electron Device Letters，DEL-7,276,1986中所討論的，在第一和第二區I和II中，隨著能量密度增加，多晶硅薄膜的晶粒尺寸也增加。但是，在第三區III中，當能量密度高于特定能量密度Ec時，結晶后的多晶硅薄膜的晶粒尺寸急劇下降。即，按照圖1所示曲線，在能量密度高于特定能量密度Ec時，硅薄膜的結晶機理發生變化。
圖2A到2C、3A到3C和4A到4C是表示根據圖1的激光能量密度的硅結晶機理的截面圖。即，它們表示根據各激光能量密度的連續結晶過程。利用激光退火處理的非晶硅結晶機理受許多因素影響，例如包括能量密度、輻照壓力、基板溫度在內的激光照射條件和包括吸收系數、導熱性、質量、雜質含量和非晶硅層厚在內的物理/幾何特性。
首先，如圖2A到2C所示，圖1的第一區(I)是局部熔融區，非晶硅薄膜12僅結晶到虛線位置，此時形成的晶粒G1的尺寸約為幾百埃。當激光束照射到已形成了緩沖層11的基板10上的非晶硅薄膜12上時，非晶硅薄膜12熔融。這時，由于強激光能量直接照射到非晶硅薄膜12的表面上，弱激光能量照射到非晶硅薄膜12的下部，所以非晶硅薄膜12僅熔融低至某一部分，由此獲得了局部結晶。
一般來說，在激光結晶方法中，晶體通過初次熔融(非晶硅薄膜的表面層因激光照射而熔融)和二次熔融(下部非晶硅薄膜因為熔融硅固化過程中產生的潛熱而熔融，然后下層固化)過程生長。這些晶體生長過程將在下面詳細描述。
上面要照射激光束的非晶硅薄膜的熔融溫度超過1000℃，它主要熔融為液態。由于在表面熔融層與下部的硅和基板之間存在較大溫差，因此表面熔融層迅速冷卻，直到固相成核和固化。表面層保持熔融態，直到固相成核和固化完成。當激光能量密度高或外部散熱差時，熔融態會持續很長時間。由于表面層在低溫下、例如在1000℃下熔融，而不是在晶體硅的熔融溫度1400℃下熔融，因此表面層冷卻，并維持溫度低于相轉變溫度的過冷態。
過冷態越強，即薄膜的熔融溫度越低或者冷卻速度越快，固化時的成核率就越大，于是固化過程中生長為良好的晶體。當固化隨著熔融層冷卻而開始時，晶體從晶核開始沿向上方向生長。此時，在熔融表面層由液態轉變為固態的相轉變過程中產生潛熱，于是第二熔融開始，下部非晶硅薄膜熔融。然后，下部的非晶硅薄膜發生固化。此時，因為下部的非晶硅薄膜比第一熔融層更加過冷，下部第二熔融層的成核發生率增大。于是，由第二熔融層產生的晶體尺寸較小。因此，必需降低固化過程的冷卻速率，以改善結晶特性。冷卻速度可通過抑制所吸收的激光能量發射到外部來降低。抑制方法的例子可以是加熱基板、雙激光束照射、或者在基板和非晶硅層之間插入緩沖絕緣層。
圖3A到3C是表示圖1第二區(II)的硅結晶機理的截面圖，其中第二區(II)代表近乎完全結晶區。
參照圖3A到3C，多晶硅表面的晶粒30A到30C相對較大，約為3000到4000埃，它們形成到下部緩沖層11的邊界。當將近乎完全熔融的能量、而非完全熔融能量照射到非晶硅薄膜12上時，幾乎所有靠近緩沖層11的非晶硅薄膜12熔融。此時，在熔融硅薄膜12’和緩沖層11之間的邊界處還未熔融的固體籽晶35用作引發橫向生長的結晶晶核，于是就形成了較大晶粒30A到30C(J.Appl.Phys.82，4086)。但是，因為該結晶僅發生在激光能量能使與緩沖層11的界面上存留固體籽晶35時，所以該工藝裕度非常有限。另外，因為固體籽晶35產生不均勻，所以多晶硅薄膜的結晶晶粒30A到30C的結晶方向不同，由此導致了結晶特性不均勻。
圖4A到4C是表示對應于完全結晶區的圖1第三區(III)的硅結晶機理的截面圖。
參照圖4A到4C，在對應于第三區(III)的能量密度作用下，不規則地形成了非常小的晶粒30。當激光能量密度高于特定能量密度Ec時，施加足以讓非晶硅薄膜12完全熔融的足夠能量，不留下可以長出晶粒的固體籽晶。然后，因接收高能激光束而熔融的硅薄膜12’經歷迅速冷卻過程，這就產生了多個均勻的晶核35，進而形成細小晶粒30。
其間，采用脈沖型激光的準分子激光退火法用于激光結晶，而且近來人們廣泛建議并研究了連續橫向固化(SLS)法，其通過在水平方向上生長晶粒從而表現出對結晶特性的大幅改善。
連續橫向固化(SLS)法利用以下事實晶粒從液相硅和固相硅之間的分界處橫向生長(Robert S.Sposilli，M.A.Crowder，和James S.Im，Mat.Res.Soc.Symp.Proc.Vol.452，956 to 957，1997)。在該方法中，通過控制激光能量密度和激光束的照射范圍，使晶粒橫向生長預定長度，由此增大了硅晶粒的尺寸。
該SLS是橫向固化(LS)的一個例子，下面參照附圖描述LS的結晶機理。圖5A到5C是順序表示按照相關技術的通用橫向結晶法的結晶工藝的截面圖。
參照圖5A，當向一部分非晶硅薄膜112照射能量密度在圖1第三區(III)中的激光(該能量密度能使非晶硅薄膜112完全熔融)時，該部分非晶硅薄膜完全熔融。然后采用構圖的掩模形成激光照射區和激光未照射區。此時，如圖5B和5C所示，因為激光具有充足的能量，在該激光照射下的非晶硅薄膜112完全熔融。但是，該激光束以特定間隔照射到非晶硅薄膜112上，晶體由激光未照射區的硅薄膜112(固相)和熔融硅薄膜112’(液相)之間的分界處開始生長。
于是，邊界提供了該結晶過程的晶核。換言之，緊接在照射了激光束之后，熔融的硅薄膜112’從激光未照射區邊界的左/右表面開始冷卻。這是因為固相非晶硅薄膜112的導熱性比位于硅薄膜112和112’下方的緩沖層111和玻璃基板110導熱性高。于是，位于水平固相和液相之間分界處而非中央部分的熔融硅薄膜112’首先達到晶核形成溫度，由此在相應部分上形成晶核。在形成晶核以后，晶粒130A和130B由低溫側向高溫側水平生長，即，由分界處向中央部分生長。由于橫向結晶過程，能形成大尺寸的晶粒130A和130B，并且由于該過程利用第三區的能量密度實施，因此與其它范圍相比，不會限制工藝裕度。
但是，SLS具有以下問題。即，為了增大晶粒尺寸，要通過無限次并且重復地移動掩模或工作臺來實施結晶過程。結果，延長了大尺寸非晶硅薄膜結晶的工序時間，該工序產量也降低。
發明內容
因此，本發明涉及一種激光掩模和利用其結晶的方法，能夠基本上避免由于現有技術的限制和缺點產生的一個或多個問題。
本發明的優點是提供一種激光掩模和利用其結晶的方法，能夠制造出結晶特性均勻的多晶硅薄膜。
在以下描述中將闡明本發明的其它特征和優點，通過這些描述將使它們在某種程度上變得明顯，或者通過對本發明的實踐可以學到它們。本發明的目的和優點將通過說明書及其權利要求以及附圖中具體指出的結構實現和得到。
為了實現這些和其它優點，并按照本發明的目的，如具體和概括描述的，具有第一區段和第二區段的激光掩模包括第一區段中的參考圖案；以及第二區段中的所述參考圖案的相反圖案。
按照本發明的另一方面，一種利用激光掩模結晶的方法，所述激光掩模的具有第一區段中的參考圖案和第二區段中的所述參考圖案的反向圖案，該方法包括提供具有硅薄膜的基板；將激光掩模的第一區段設置在一部分硅薄膜上方，然后通過第一區段照射第一激光束；以及移動激光掩模或者基板，以便將激光掩模的第二區段移到所述部分硅薄膜上方，然后通過第二區段照射第二激光束。
在本發明的另一方面中，用于制造以薄膜晶體管作為開關元件的平板顯示器件的方法包括提供具有硅薄膜的基板；以及利用激光掩模使硅薄膜結晶為多晶硅薄膜，由此形成薄膜晶體管的有源層，所述激光掩模具有位于第一區段中的參考圖案和位于第二區段中的所述參考圖案的相反圖案。
在本發明的又一方面中，以薄膜晶體管作為開關元件的平板顯示器件包括薄膜晶體管的有源層，該薄膜晶體管包括具有多邊形晶界的多晶硅薄膜。
要理解的是，本發明的前述概括描述和以下詳細描述都是示范性和列舉性的，以提供對所要求保護的本發明的進一步解釋。
為了提供對本發明的進一步理解而將附圖包括進來，將其結合構成本說明書的一部分，這些附圖示出了本發明的實施例，其連同說明書一起用于解釋本發明的原理。
附圖中圖1是表示多晶硅薄膜的晶粒尺寸與用于形成多晶硅薄膜的激光能量密度之間的關系曲線圖；圖2A到2C、3A到3C和4A到4C是表示按照圖1的激光能量密度的硅結晶機理的截面圖；圖5A到5C是順序表示按照相關技術的橫向結晶過程的結晶工藝截面圖；圖6A是表示用于連續橫向固化(SLS)過程的激光掩模的示意性平面圖；圖6B是表示通過圖6A的掩模結晶的硅薄膜的平面圖；圖7是圖6B的結晶硅薄膜的部分‘E’的放大平面圖；圖8A到8C是順序表示采用圖6A的掩模的硅薄膜結晶工藝的平面圖；圖9是表示按照本發明第一實施例用于構造具有周期性圖案的激光掩模的方法示意圖；圖10是表示在圖9的透射區域之間的尺寸和距離的示意圖；圖11A和11B是表示通過參照圖9描述的圖案構造方法制造的兩段式激光掩模的各部分示意圖；圖12A和12B是表示采用圖11A和11B所示的激光掩模的硅薄膜結晶工藝的示意圖；圖13是表示按照本發明實施例的激光掩模構造方法的示意圖；圖14是表示通過圖13所述的激光掩模構造法制造的激光掩模的示意圖；圖15是表示按照本發明第二實施例的激光掩模的示意圖；圖16是表示按照本發明第三實施例的激光掩模的示意圖；圖17是表示按照本發明的激光結晶方法的激光結晶能量區的曲線圖；圖18是表示液晶顯示板結構的平面圖，其中驅動電路與液晶顯示板的陣列基板集成在一起；以及圖19表示采用通過按照本發明的結晶方法結晶的硅薄膜制造的CMOS液晶顯示器件的例子。
具體實施例方式
下面參照附圖詳細說明本發明的優選實施例。
圖6A是表示用于連續橫向固化(SLS)過程的激光掩模的示意性平面圖，該掩模設計為比現有技術能夠縮短結晶時間。參照圖6A，激光掩模270包括狹縫型圖案275，該圖案具有預定寬度和長度的長方形透射區域273。激光掩模270包括用于透光的兩塊長方形透射區域273和用于擋光的阻擋區域274。透過狹縫275的透射區域273的激光束使硅薄膜根據透射區域273的形狀(例如長方形)結晶。
但是，參照圖6B，由于激光束的衍射，結晶硅薄膜的邊緣部分(E)具有不同于掩模圖案(狹縫275)的圓形形狀。下面對此作詳細描述。作為參考，圖6B中所示的結晶硅薄膜邊緣部分(E)處的虛線表示用于結晶的掩模270的狹縫275的形狀。
圖7是表示圖6B的結晶硅薄膜的部分‘E’的放大平面圖。如圖7所示，由于照射了能量密度足以使硅膜完全熔融的激光束，邊緣部分(E)中心的區域‘A’具有與狹縫275相類似的結晶圖案。但是，該激光束在狹縫275的邊緣部分(E)拐角處的區域‘B’發生衍射。于是，激光束的能量密度不足以使硅薄膜完全熔融。結果，邊緣部分(E)變為凸起或圓形形狀。換言之，因為結晶硅薄膜具有圓形形狀的邊緣部分(E)中的晶粒從靠近位于熔融非晶硅邊界上的非晶硅薄膜(固相)處形成的晶核開始生長，因此第二晶粒230B沿著不同于第一晶粒230A的方向生長。即，第二晶粒230B的結晶特性與第一晶粒230A不同，結果，在結晶硅薄膜中出現了間斷區域。此時，因為寬度為(W)的間斷區域的存在，結晶硅薄膜的凸起邊緣部分(E)的結晶特性不同，因此縮短間斷區域的寬度(W)、以便將該硅薄膜用于LCD器件上是很重要的。
現在描述利用上述掩模使硅薄膜結晶的結晶工藝。圖8A到圖8C是順序表示采用圖6A的掩模的硅薄膜結晶工藝的平面圖。
首先，如圖8A所示，將圖6A的掩模270定位于基板210上或上方，向其照射激光束以便使基板210上形成的非晶硅薄膜212結晶。此時，要結晶的區域對應于掩模270的透射區域273，當掩模270有兩個透射區域時，被結晶區域有兩個在水平方向上有預定長度的結晶區域。換言之，當利用包括長方形狹縫275的掩模270向基板210的表面照射第一激光束時，通過狹縫275照射了第一激光束的硅薄膜長出第一晶粒230A，所述第一晶粒230A從靠近位于上下邊界表面上的非晶硅薄膜212(固相)處形成的晶核開始橫向(圖8A中為縱向)生長。此時，如上所述，由于激光束衍射，結晶硅薄膜212’的邊緣部分具有不同于掩模圖案的狹縫275的形狀的圓形形狀。在圓形邊緣部分(E)上，第二晶粒230B由靠近位于熔融非晶硅的邊界表面上的非晶硅薄膜212(固相)處形成的晶核開始沿著不同于第一晶粒230A的方向生長。即，第二晶粒230B的結晶特性與第一晶粒230A的不同，于是在結晶硅薄膜中出現間斷區域。
在完成了第一次結晶之后，短距離移動固定基板210用的工作臺(未示出)或者置于基板210上的掩模270，所述距離不大于掩模270的圖案的水平長度(狹縫275的寬度)，然后照射激光束，沿‘X’軸方向實施結晶工藝。例如，在‘X’軸方向上將工作臺移到能與狹縫圖案--結晶的硅薄膜212’的間斷區域280重疊的位置之后，向基板210的表面照射激光束。
然后，如圖8B所示，在‘X’軸方向上形成了與通過第一次結晶過程結晶的硅薄膜212’的圖案相同的第二結晶圖案212”，而且該圖案與第一次結晶硅薄膜212’的間斷區域280重疊。此后，當按照與相對第一激光束描述的方式相同的方式向基板210的表面上照射另一激光束時，形成了與通過第二次結晶過程結晶的硅薄膜212”的圖案相同的第三結晶圖案212，而且該圖案與第二次結晶硅薄膜212”的間斷區域280重疊。此時，間斷區域280越寬，下一次激光束照射的激光束重疊區域就越寬，這增加了總加工時間。結晶硅薄膜212’、212”和212的間斷區域280的結晶特性與結晶硅薄膜212’、212”以及212的不同。在該意義上，由于間斷區域280周圍的硅薄膜212保持非晶態而非經過了結晶，因此需要下一次照射的激光束與這些間斷區域280重疊。
完成了‘X’軸方向上的結晶工藝之后，沿‘Y’軸方向將掩模270或工作臺移動預定距離(在移動工作臺的情況下，沿‘-Y’軸方向移動)。然后，如圖8C所示，在‘X’軸方向上從完成了第一次結晶處理的位置開始再次實施激光照射過程。
在重復實施上述結晶過程時，產生以下問題，即，多晶硅薄膜有多個具有正常晶粒的第一區域P1和多個具有間斷區域的第二區域P2，區域P2的結晶特性與第一區域P1的不同，且它們位于第一區域P1之間。也就是說，當通過結合這些具有間斷區域的硅薄膜制造LCD器件時，LCD器件會因特性不均勻而受損，因此LCD器件的質量也變差。另外，因為間斷區域周圍的硅薄膜保持非晶態而沒有經過結晶，因此需要照射下一次激光束以覆蓋這些間斷區域280。這些間斷區域彼此重疊的重疊區域(即X重疊區域)形成照射標記。當將其用于LCD器件或者有機發光二極管時，照射標記降低了圖像質量，會產生不均勻的器件特性。
同時，盡管在上述結晶過程中未加以說明，但晶粒可沿‘Y’軸方向生長，且掩模可與‘Y’軸方向重疊，由此增大晶粒的尺寸，然后重復進行結晶過程。但是，該情況下，會在‘Y’軸方向上的重疊區域(即Y-重疊區域)中形成照射標記。
上述結晶特性不均勻的問題在單掃描結晶方法中以及上述的過渡(transition)方法中成為重要問題。尤其是，結晶特性的不均勻造成器件特性的不均勻，所述器件特性涉及由結晶硅薄膜制成的薄膜晶體管的溝道取向(即，溝道形成方向)，進而降低了液晶顯示器件的圖像質量。
因此，在本發明中，在激光掩模上將按照把激光掩模分成兩段的方式構造預定形狀的狹縫圖案，然后兩次利用該激光掩模向硅薄膜照射激光束(“兩次照射結晶法”)。通過該結晶方法，可在沒有X-重疊或Y-重疊的情況下使硅薄膜的整個表面結晶。
即，本發明的激光掩模具有兩個區段，各區段都有預定圖案，這些圖案可具有周期性或規則性。第二區段中的圖案是第一區段的相反圖案。按照本發明的原理，通過兩次利用該激光掩模照射激光，使硅薄膜結晶為具有徑向晶粒和均勻結晶特性的多晶硅薄膜。于是，當利用結晶均勻的硅薄膜制造薄膜晶體管之類的器件時，該器件具有均勻特性，基本上不會出現因溝道取向引起的器件不均勻問題。
下面參照附圖描述按照本發明實施例的激光掩模以及利用其結晶的方法。
圖9是表示安徽咱本發明的第一實施例構造具有周期性圖案的激光掩模的方法示意圖。該實施例的激光掩模構造為具有第一和第二區段，第一區段具有周期性圖案，第二區段具有第一區段的相反圖案。
參照圖9，激光掩模主要被分為兩個區段。在第一區段中形成透射區域375A(即圓形掩模圖案)，其位置為“A”，除透射區域375A之外的其余區域都作為第二區段中的透射區域。如上所述，本發明的一個原理是提供具有兩個區段的激光掩模，其中一個區段具有狹縫圖案，另一區段具有所述狹縫圖案的相反圖案。應當理解的是，上述的激光掩模只是一個例子，本發明并不限于此。
如圖9所示，位置“A”的三個相鄰透射區域375A的中心位于正六邊形的三個頂點上。按照第一實施例，位置“A”的透射區域375A之間的尺寸和距離應當滿足一定關系。下面將參照附圖進行說明圖10是表示圖9的透射區域之間的尺寸和距離的示意圖。
如圖所示，如果位置A的透射區域375A的半徑為R，透射區域375A的中心之間的距離為L，那么為了通過兩次照射激光束使整個預定區域結晶(“兩次照射結晶法”)，透射區域375A的半徑R應當滿足等式1。
R＜L/2 等式1即，位置“A”的透射區域375A的半徑R小于L/2，這是位置“A”的相鄰透射區域375A彼此接觸的條件。
在該激光掩模中，將位置“A”的透射區域375A之外的其余區域構造為第二區段中的透射區域。于是，當半徑R小于L/2(這是透射區域375A尺寸的最大值)時，整個預定區域可通過兩次照射結晶。該條件下，位置“A”的相鄰掩模圖案375A彼此接觸。利用該激光掩模兩次照射激光束得到的多晶硅膜具有均勻特性。下面將對此作詳細說明。
圖11A和11B是表示通過參照圖9所述的圖案構造方法制造的兩段式激光掩模的各部分示意圖。在該例子中，在第一區段480’中形成位置為“A”的掩模圖案475A(以下稱為參考圖案)，在第二區段480”中形成掩模圖案475B(以下稱為相反圖案)，該掩模圖案是第一段的相反圖案。該實施例中，通過參照圖9所述的構圖方法將第一區段480’中位置為“A”的掩模圖案475A構造為參考圖案。如上所述，本發明并不限于此，掩模圖案的形狀和位置可以變化。
如上所述，第一區段480’包括多個用于透光的圓形第一透射區域473A和用于擋光的第一阻擋區域474A。第二區段480”包括用于透光的第二透射區域473B和多個用于擋光的第二阻擋區域474B，所述第二透射區域對應于第一阻擋區域474A(即相反圖案的形式)，所述第二阻擋區域對應于第一透射區域473A，因此第二透射區域473B和第二阻擋區域474B構造為第一區段480’的相反圖案。盡管第一透射區域473A和第二阻擋區域474B為圓形形狀，但本發明并不限于此，它們可以是正多邊形形狀，例如正三角形、正方形、正六邊形和正八邊形。此外，盡管圖11A和11B中第一透射區域473A和第二阻擋區域474B尺寸相同，但本發明并不限于此，按照本發明，它們可具有各種尺寸，并可隨意構造。
同時，圖12A和12B是表示采用了圖11A和11B中所示的激光掩模的硅薄膜結晶過程示意圖。如圖所示，通過上面所示的兩段式激光掩模兩次照射激光束，使硅薄膜的整個表面結晶。下面進行詳細說明。
首先，如圖12A所示，當通過圖11A的第一區段480’、即通過參考圖案475A(即，掩模圖案475A的第一透射區域473A)向具有硅薄膜412的基板410上照射激光束進行第一次結晶時，晶體以位于圓形邊界上的非晶硅薄膜412(固相)為晶核，朝圓形參考圖案475A的中心生長，由此就形成了多晶硅薄膜412’，其為具有徑向晶粒的第一晶體。通過第一次結晶過程進行結晶的區域對應于掩模的第一透射區域473A。當掩模的透射區域數為7時，結晶區域也有七個圓形多晶硅薄膜412’。
在完成了第一次結晶過程時，將圖11B的第二區段480”施加到形成了第一多晶硅薄膜412’的基板410上，然后照射激光束，以進行第二次結晶過程。此時，第二區段480”具有相反圖案475B。如圖12B所示，作為第二次結晶過程的結果，晶體從通過第一次結晶過程結晶了的硅薄膜412’的周邊開始(即，利用硅薄膜412’的周邊作為晶體生長的籽晶)，沿著圓形結晶硅薄膜的外側方向生長，由此形成了多晶硅薄膜412”，其為第二晶體。在該實施例中，在沒有X-重疊或Y-重疊的情況下，即，在沒有照射標記的情況下，通過激光掩模兩次照射激光束使基板410的整個表面結晶。另外，由于激光掩模的各區段都有周期性圖案，因此在最后得到的多晶硅薄膜中形成并均勻地分布著正六邊形晶界490。由此，最后得到的多晶硅薄膜具有均勻的結晶特性。
下面描述按照第一實施例的激光掩模構造方法。圖13是表示按照本發明第一實施例的激光掩模構造方法的示意圖。
參照圖13，參考圖案575A位于第一區段580’中，參考圖案575A的相反圖案575B位于第二區段580”中。第一和第二區段580’和580”中的掩模圖案575A和575B按照圖9所示的第一實施例的圖案構造方法形成。在第一區段580’中，將多個圓形的第一透射區域573A按正六邊形方式設置，而在第二區段580”中，將多個作為第一透射區域573A的相反圖案的第二阻擋區域574B按照與第一透射區域573A相同的正六邊形方式設置。但是，這只是個例子，按照本發明的激光掩模并不限于該周期性或規則性。例如，相反圖案575B可位于第一段580’中，而參考圖案575A可位于第二段580”中。
同時，區段580’和580”可用作結晶過程中下一次照射的參考。在此，X-步進距離(Dx)代表為了實施X-軸結晶而使掩模或工作臺沿X-軸方向移動的距離，Y-步進距離(Dy)代表在完成了X-軸的結晶之后為了實施Y-軸結晶而使掩模或工作臺在Y-軸方向上移動的距離。此外，為了消除X-重疊或Y-重疊，確定用于進行X-步進的X-步進距離(Dx)和用于進行Y-步進的Y-步進距離(Dy)時要考慮區段580’和580”的周期性圖案。
下面舉例說明具有上述特性的激光掩模。圖14是表示利用圖13中所述的激光掩模構造法制造的激光掩模的示意圖。
如圖所示，激光掩模570具有包括第一透射區域573A和第一阻擋區域574A在內的參考圖案575A和包括第二透射區域573B和第二阻擋區域574B在內的相反圖案575B。除了掩模圖案575A和575B的透射區域573A和573B之外，激光掩模570阻擋激光束照射到阻擋區域574A和574B上。激光掩模570可由在反射激光束方面性能優良的金屬如鋁制成。
同時，激光掩模570的圖案可與上述圖案不同(尤其是在圖13所示區段的邊界區域處)。這是因為激光掩模570是在考慮了第二區段580”中的相反圖案575B的第二透射區域573B的形狀情況下制造的。即，相反圖案575B的第二透射區域573B不能形成掩模中的邊界。于是，如圖14所示，在第二區段580”的邊界區域中形成了預定阻擋區域。
下面將描述采用圖14的激光掩模的硅薄膜結晶工藝。該結晶工藝按照圖12A和12B所示的順序執行，下面將解釋基于上述順序的X-軸和Y-軸結晶。
首先，通過圖13或圖14所示的上述激光掩模向淀積了非晶硅的基板照射激光束，以此進行第一次結晶過程。激光束的能量密度是前面部分所述的完全熔融區的能量密度。照射以后，晶體從位于周圍邊界處的非晶硅薄膜(固相)開始生長。結果，就形成了多晶硅薄膜，其為具有徑向晶粒的第一晶體。
當完成了第一次結晶過程時，在X-軸方向上將掩模或放置基板的工作臺移動X-步進距離(Dx)。然后照射激光束，利用通過第一次結晶過程結晶了的硅薄膜作為晶體生長的籽晶進行第二次結晶。此時，如上所述，在第一次結晶的硅薄膜周圍形成了具有正六邊形晶界的均勻多晶硅薄膜。
一旦通過在X-軸方向上重復移動掩模或基板、然后通過掩模照射激光束完成了X-軸的結晶過程，就開始Y-軸結晶。在Y-軸結晶過程中，沿Y-軸方向將掩模或工作臺移到預定距離(在移動工作臺的情況下，是沿負Y-軸方向移動)，然后在負X-軸的方向上從完成了X-軸結晶的部分開始再次實施X-軸結晶過程。通過重復進行X-軸和Y-軸結晶，就能得到具有均勻結晶特性的理想尺寸的多晶硅薄膜。
在該實施例中，參考圖案的形狀是圖9或13所示的正六邊形。但是，本發明并不限于此，按照本發明的激光掩模的參考圖案可以構造為圖15所示的正方形。圖15是表示按照本發明第二實施例的激光掩模的示意圖。
如圖所示，激光掩模670包括第一區段680’中的正方形形狀的參考圖案675A和第二區段680”中的相反圖案675B。參考圖案675A具有多個透射區域673A和第一阻擋區域674A。參考圖案為正方形形狀，其中四個相鄰透射區域的中心構成正方形。相反圖案675B是該參考圖案675A的相反形狀，即具有圓形的第二阻擋區域674B和第二透射區域673B，區域674B是第一透射區域673A的相反形狀，區域673B是第一阻擋區域674B的相反形狀。盡管第一透射區域673A和第二阻擋區域674B是圓形圖案，但本發明并不限于此，它們可以構造為正多邊形形狀，例如正三角形、正方形、正六邊形和正八邊形。此外，圓形形狀的第一透射區域673A和第二阻擋區域674B的尺寸不要求相同。
上述實施例中的激光掩模包括周期性或規則性圖案。但是，本發明并不限于此，并且適用于具有不規則或隨機圖案的兩段式激光掩模。圖16是表示按照本發明第三實施例的具有不規則或隨機圖案的激光掩模的示意圖。
如圖所示，激光掩模770包括位于第一區段780’中的參考圖案775A和位于第二區段780”中的相反圖案775B，所述參考圖案775A具有多個圓形的第一透射區域773A和第一阻擋區域774A，所述相反圖案775B具有多個與第一透射區域773A圖案相反的第二阻擋區域774B和與第一阻擋區域774A圖案相反的第二透射區域773B。如圖16所示，第一透射區域773A和第二阻擋區域774B的尺寸不同，它們隨機布置，沒有任何規則性，這與第二實施例不同。與第一和第二實施例一樣，通過具有不規則或隨機圖案的激光掩模兩次照射激光束，可以獲得均勻的多晶硅薄膜。
即，無論兩段式激光掩模上構造的圖案的形狀和位置如何，只要第二區段與第一區段的圖案相反，本發明的兩次照射結晶法就適用。因此，硅薄膜的整個表面可通過兩次照射結晶。
同時，圖17是表示按照本發明的激光結晶法的激光結晶能量區的曲線圖。例如，用于激光掩模的激光結晶能量區具有點狀圖案，其中各點狀圖案的直徑為5μm。利用具有正六邊形圖案的第一實施例的激光掩模獲得圖17的曲線圖。還可利用第二或第三實施例的激光掩模獲得基本相同的結果。
如圖所示，當激光掩模中的點狀圖案的直徑為5μm時，如果所用激光的能量密度超過1100mJ/cm2，薄膜中結晶圖案的尺寸可大于5μm。此外，該曲線顯示，如果激光的能量密度約為1300mJ/cm2，結晶圖案的尺寸就會增大到5.4μm。即，即便有0.8μm(是0.4μm的兩倍)或少些的對準誤差，基板上硅薄膜的整個表面也可以通過本發明的兩次照射結晶過程結晶。該對準誤差是發生在為了結晶而移動整個掩模或者基板時。
例如，當將能量密度約為1300mJ/cm2的激光用于兩次照射結晶法時，因為結晶圖案的尺寸比激光掩模中的參考圖案大0.4μm，因此即便對準誤差為0.8μm或稍嫌，整個薄膜還可以結晶。
現在描述采用按照本發明具有改善的結晶特性的硅薄膜制造液晶顯示器件的方法。圖18是表示液晶顯示器件的結構平面圖，其中驅動電路與LCD面板的陣列基板集成在一起。
如圖所示，集成了驅動電路的LCD面板包括陣列基板820、濾色片基板830以及在陣列基板820與濾色片基板830之間設置的液晶層(未示出)。陣列基板820包括像素單元825、其內按矩陣結構排列著單元像素的圖像顯示區域以及位于像素單元825的外邊緣上的柵驅動電路單元824和數據驅動電路單元823。盡管未示出，陣列基板820的像素單元825包括多條垂直和水平設置的柵線和數據線，從而在基板820上限定出多個像素區域。像素單元還包括設置在柵線與數據線交叉點附近作為開關元件的薄膜晶體管和設置在像素區域上的像素電極。作為向像素電極施加信號電壓的開關元件，薄膜晶體管(TFT)是通過電場來控制電流流動的場效應晶體管(FET)。
對于陣列基板820的驅動電路部分823和824，數據驅動電路單元823位于陣列基板820長邊上，陣列基板820與濾色片基板830相比具有伸出來的部分，而柵驅動電路單元824位于陣列基板820的短邊。為了適當地將輸入信號輸出，柵驅動電路單元824和數據驅動電路單元823采用具有CMOS(互補金屬氧化半導體)結構的薄膜晶體管和變換器。作為參考，CMOS是用于高速信號處理的具有MOS結構的集成電路，它需要P溝道和N溝道晶體管。其速度和密度特性介于NMOS和PMOS之間。作為通過柵線和數據線向像素電極提供掃描信號和數據信號的器件的柵驅動電路單元824和數據驅動電路單元823與外部信號輸入端子(未示出)相連，從而可以控制通過外部信號輸入端子傳送的外部信號，并將其輸出到像素電極上。
盡管未示出，但用于實現顏色的濾色片和共用電極(陣列基板820上設置的像素電極的反電極)設置在圖像顯示區域825上。陣列基板和濾色片基板之間設有襯墊料，用以提供均勻的盒間隙。陣列基板和濾色片基板通過設置在圖像顯示區域的外緣上的密封圖案粘接到一起，由此構成了單元液晶顯示面板。這兩塊基板通過陣列基板或濾色片基板上設置的粘接鍵相互粘接。集成了采用多晶硅薄膜的驅動電路的LCD板具有許多優點具有優良的器件特性、優良的圖像質量、充分的顯示能量和較低的功耗。
下面詳細描述采用了按照本發明制造的結晶硅薄膜的CMOS液晶顯示器件。圖19表示采用了按照本發明的結晶方法結晶的硅薄膜制造的CMOS液晶顯示器的例子。對于像素單元上設置的薄膜晶體管(TFT)來說，N-型和P-型TFT都適用。對于驅動電路單元，N-型TFT或P-型TFT都可用于像素單元中，或者也可以采用既有N-型TFT又有P-型TFT的CMOS結構。
下面描述用于制造CMOS液晶顯示器講的方法。首先，在由絕緣材料如玻璃制成的基板820上設置由二氧化硅薄膜SiO2制成的緩沖層821。接著，在緩沖層821上形成由多晶硅制成的有源層824N和824P。有源層824N和824P由具有均勻結晶特性的多晶硅薄膜構成，該多晶硅薄膜沒有照射標記，通過將非晶硅薄膜淀積到基板820上、然后利用本發明的兩段式激光掩模通過兩次照射使非晶硅薄膜橫向結晶形成。此后，通過光刻工藝對結晶后的多晶硅薄膜構圖，由此在NMOS和PMOS區域上形成有源層圖案824N和824P。
之后，在形成了有源層824N和824P的基板820上淀積柵絕緣膜825A。
接著，在上面淀積了柵絕緣膜825A的基板820的預定區域(即，有源層824N和824P的溝道區域)上形成由鉬(Mo)、鋁(Al)或鋁合金制成的柵極850N和850P。柵極850N和850P可通過以下方式形成將柵金屬淀積到上面已設置了柵絕緣膜825A的基板820的整個表面上，然后利用光刻工藝對柵金屬構圖，由此形成柵極850N和850P。
然后，通過實施N-摻雜工藝和P-摻雜工藝形成N-型薄膜晶體管(即，源極/漏極區域摻雜了N+離子的薄膜晶體管)和P-型薄膜晶體管。此時，N-型薄膜晶體管的源極和漏極區域822N和823N可通過植入能夠提供電子的第五族元素如磷(P)等形成。另外，P-型薄膜晶體管的源極區域和漏極區域822P和823P可通過植入能夠提供空穴的第三族元素如硼(B)等形成。
之后，在基板820的整個表面上淀積層間絕緣膜825B，然后利用光刻工藝形成能暴露部分源極/漏極區域822N、822P、823N和823P的接觸孔。
最后，形成源極和漏極851N、851P、852N和852P，它們通過已形成的接觸孔與源極區域和漏極區域822N、822P、823N和823P電連接，由此就完成了圖19所示的CMOS液晶顯示器件的制造。
同時，盡管本實施例描述了采用按照本發明結晶的硅薄膜制造液晶顯示器件的方法，但本發明并不限于此，而是可將其用于有機EL之類的其它器件。
如上所述，本發明提供了一種兩段式激光掩模，其第一區段具有預定圖案，第二區段具有與第一區段的圖案相反的圖案。然后，通過兩段式激光薄膜兩次照射激光束，使硅薄膜結晶成結晶特性均勻的多晶硅薄膜。最后所得的多晶硅薄膜基本上沒有照射標記，即沒有X-重疊或Y-重疊。另外，當采用該多晶硅薄膜制造平板顯示器件時，能夠獲得均勻的器件特性，由此也提高了平板顯示器件的質量。而且，由于兩次照射結晶方法的使用，本發明還能提高產量，降低制造成本。
對于本領域普通技術人員應當理解的是，可在不脫離本發明的精神或范圍的情況下對上面討論的顯示器件及其驅動方法做出各種變化或改進。因此，試圖認為只要本發明的變化和改進落在所附權利要求及其等效范圍之內，本發明就涵蓋了這些改進和變化。
權利要求
1.一種具有第一區段和第二區段的激光掩模，包括在第一區段中的參考圖案；以及在第二區段中的所述參考圖案的相反圖案。
2.根據權利要求1所述的激光掩模，其特征在于，所述參考圖案包括多個第一透射區域和一個第一阻擋區域，所述相反圖案包括多個第二阻擋區域和一個第二透射區域。
3.根據權利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射區域和第二阻擋區域的形狀相同，所述第一阻擋區域和第二透射區域的形狀相同。
4.根據權利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射區域和第二阻擋區域都設置為圓形形狀。
5.根據權利要求4所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射區域的半徑等于或小于兩相鄰第一透射區域的中心之間距離的一半。
6.根據權利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述兩相鄰第一透射區域的中心構成正多邊形形狀，該正多邊形形狀包括正三角形、正方形、正六邊形和正八邊形。
7.根據權利要求1所述的激光掩模，其特征在于，所述參考圖案具有周期性和規則性。
8.根據權利要求2所述的激光掩模，其特征在于，所述第一透射區域在所述第一區段中隨機或不規則分布。
9.一種采用激光掩模結晶的方法，所述激光掩模具有第一區段中的參考圖案和第二區段中的所述參考圖案的相反圖案，該方法包括(a)提供具有硅薄膜的基板；(b)將激光掩模的第一區段設置在一部分硅薄膜上方，然后通過該第一區段照射第一激光束；以及(c)移動所述激光掩模或者基板，以便將所述激光掩模的第二區段設置在所述部分硅薄膜上方，然后通過該第二區段照射第二激光束。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述參考圖案包括多個第一透射區域和一個第一阻擋區域，所述相反圖案包括多個第二阻擋區域和一個第二透射區域。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射區域和第二阻擋區域形狀相同，所述第一阻擋區域和第二透射區域形狀相同。
12.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射區域和第二阻擋區域都設置為圓形。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一透射區域的半徑等于或小于兩相鄰第一透射區域的中心之間距離的一半。
14.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述相鄰第一透射區域的中心構成正多邊形形狀，該正多邊形形狀包括正三角形、正方形、正六邊形和正八邊形。
15.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所有第一透射區域的尺寸相同。
16.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射區域的尺寸不同。
17.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述參考圖案具有周期性或規則性。
18.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射區域在所述第一區段中隨機或不規則分布。
19.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一和第二激光束具有完全熔融區的能量密度。
20.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述結晶是連續橫向結晶。
21.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一透射區域的尺寸要考慮所述第一和第二激光束的能量密度和移動過程中發生的對準誤差來確定。
22.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，還進一步包括沿X-軸方向重復(b)和(c)步驟；沿Y-軸方向移動所述激光掩模或者基板；以及沿負X-軸方向重復(b)和(c)步驟。
23.一種以薄膜晶體管作為開關元件的平板顯示器件的制造方法，包括提供具有硅薄膜的基板；以及利用激光掩模使硅薄膜結晶為多晶硅薄膜，從而形成薄膜晶體管的有源層，所述激光掩模具有第一區段中的參考圖案和第二區段中的所述參考圖案的相反圖案。
24.根據權利要求23所述的方法，其特征在于，使所述硅薄膜結晶為多晶硅薄膜還包括將所述激光掩模的第一區段設置在一部分硅薄膜上方，然后通過該第一區段照射第一激光束；以及移動所述激光掩模或者基板，從而將激光掩模的第二區段設置在所述部分硅薄膜上方，然后通過該第二區段照射第二激光束。
25.根據權利要求23所述的方法，其特征在于，所述平板顯示器件是液晶顯示器件或者電致發光二極管。
26.一種以薄膜晶體管作為開關元件的平板顯示器件，其特征在于，所述薄膜晶體管的有源層包括晶界為多邊形形狀的多晶硅薄膜。
27.根據權利要求26所述的器件，其特征在于，所述多邊形包括正三角形、正方形、正六邊形和正八邊形。
28.根據權利要求26所述的器件，其特征在于，所述平板顯示器件是液晶顯示器件或者電致發光二極管。
全文摘要
本發明公開了一種激光掩模和利用其結晶的方法，能夠產生具有均勻的結晶特性的多晶硅薄膜。按照本發明，一種利用激光掩模結晶的方法，所述激光掩模具有第一區段中的參考圖案和第二區段中的所述參考圖案的相反圖案，該方法包括提供具有硅薄膜的基板；將激光掩模的第一區段設置在一部分硅薄膜上，然后通過該第一區段照射第一激光束；移動激光掩模或者基板，從而將激光掩模的第二區段設置在所述部分硅薄膜上，然后通過第二區段照射第二激光束。
文檔編號G03F9/00GK1637596SQ200410101579
公開日2005年7月13日 申請日期2004年12月23日 優先權日2003年12月29日
發明者俞載成 申請人:Lg.菲利浦Lcd株式會社