[发明专利]多晶硅结晶方法、薄膜晶体管及其液晶显示器的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及液晶显示器(LCD)，具体涉及多晶硅结晶方法，使用该结晶方法的薄膜晶体管制造方法，及其液晶显示器制造方法，这些方法能够形成高质量的具有一致取向晶粒的多晶硅层。

背景技术

通常，液晶显示器(此后简称为LCD)是一种具有多种应用的视频装置，使用薄膜晶体管作为开关器件。薄膜晶体管(此后简称为TFT)中的半导体层由非晶硅层形成，其有利于制造小型TFT LCD，但缺点是，由于低的电子迁移率而不适于制造大型TFT LCD。

因此，正在对使用具有优良电子迁移率的多晶硅层作为半导体层的多晶硅TFT进行大量研究。这种多晶硅TFT可以容易地应用于制造大型TFT LCD，并且由于多晶硅TFT可以与一个驱动器IC一起集成到一个TFT阵列衬底上，因此多晶硅TFT在集成化和成本方面非常有竞争力。

多晶硅层可以由多种方法形成，例如多晶硅直接淀积、非晶硅到多晶硅的结晶等等。通常，使用后一种方法，从而通过对一个衬底上形成的非晶硅层进行结晶来将其转换为多晶硅层。

前一种方法包括在低于400℃的淀积温度使用SiF₄/SiH₄/H₂混合气的PECVD(等离子体强化化学气相淀积)等等。但是，PECVD很难控制晶粒生长，因此晶粒生长方向变得不规则，使得多晶硅膜的表面性质变差。

后一种方法包括：在加热炉内加热非晶硅以进行结晶的SPC(固相结晶)；通过瞬间照射高输出脉冲激光器的准分子激光束把热施加到膜上来使膜结晶的ELA(准分子激光退火)；通过使用金属作为籽晶向非晶硅施加电场选择性地在非晶硅上淀积金属，然后在非晶硅上诱发结晶的MIC(金属诱发结晶)；从MIC发展来的FEMIC(FE金属诱发结晶)等等。

在ELA中，短波长(λ＝0.3μm)的强能量以脉冲形式被施加到300～800埃厚的硅层以使其熔化，使得能够实现快速结晶并提供优良的结晶性质以改善电子迁移率。

具体地说，准分子激光器的短波长使用激光束的能量集中，从而能够在短时间内局部地进行精确退火，而不会造成下硅层上的任何热损伤。

同时，可以通过改变非晶硅层的厚度、从激光器产生的UV射线照射密度、和下衬底的温度，可以精确控制由ELA形成的多晶硅层的晶粒尺寸。

下面解释根据现有技术的一种多晶硅结晶方法，一种使用该结晶方法的薄膜晶体管制造方法，及其液晶显示器制造方法。

图1A到1C表示根据现有技术的多晶硅结晶过程的剖视图。

参见图1A，把SiO₂淀积在一个玻璃衬底10上以形成缓冲氧化物层11。通过使用PECVE、LPCVE(低压化学气相淀积)、溅射等中的一种方法在300～400℃淀积非晶硅，在缓冲氧化物层11上形成非晶硅层12。

缓冲氧化物层11防止衬底10中的颗粒扩散到非晶硅层12中，并且在后面的结晶过程中切断进入衬底10的热流。

参见图1B，准分子激光束照射非晶硅层12以把瞬时能量施加到其上，从而熔化非晶硅层12。在此情况下，在非晶硅层12的下部中存在未能熔化的生长籽晶层13。

然后，熔化的非晶硅层被固化以生长晶体，从而变换为多晶硅层。晶体生长集中在生长籽晶层13，并且如图1C所示，生长籽晶层13通过激光束的能量而扩散，从而以一致的方向移动，以进行结晶。

具体地说，晶粒生长的优选取向取决于生长籽晶层的排列(alignment)。通常，晶体生长取向主要在相对于衬底倾斜的<1，1，1>方向，随后的取向顺序是例如<2，2，0>，<3，1，1>等等，从而确定晶粒的生长方向。

相反，在微多晶硅(micro-polysilicon)中，具有垂直于衬底的<2，2，0>取向的晶粒占主要地位，具有<1，1，1>取向的晶粒占大约40％，具有<3，1，1>取向的晶粒占大约10％。

在激光退火后，在多晶硅层中存在各种生长取向的晶粒，由此各个生长晶粒的生长路径被打断。因此，晶粒不能顺利生长。而且，晶界密度提高，使得电子迁移率减小。

根据现有技术的多晶硅TFT如下制造。

首先，在一个衬底上淀积氧化硅和非晶硅以便分别形成缓冲层和非晶硅层。使用准分子激光器在非晶硅层上进行退火以便把非晶硅层结晶为多晶硅层。