专利名称：硅薄膜结晶方法、用该方法的薄膜晶体管及其平板显示器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种非晶硅薄膜的结晶方法，更具体地说，涉及一种使用该结晶方法形成薄膜晶体管(TFT)的方法，该薄膜晶体管应用于如液晶显示器(LCD)、发光显示器(LED)和三维超大规模集成(VLSI)半导体器件等的平板显示器中，一种使用该方法制造的TFT，和一种包括该TFT的平板显示器。
2.背景技术通常，在如液晶显示器(LCD)、有机或无机发光显示器(OLED或LED)等平板显示器中使用的非晶硅薄膜晶体管(a-Si TFT)将非晶硅用于包括一源极、一漏极和一沟道的半导体有源层，并提供1cm2/Vs或更小的低电子迁移率。因此，这样的a-Si TFT最近已被多晶硅TFT(poly-Si TFT)代替。多晶硅TFT提供的电子迁移率比a-Si TFT要大，可对光辐射稳定。因此，多晶硅TFT能够用作有源矩阵LCD或有源矩阵有机LED的驱动和/或开关晶体管。
典型的是，通过直接沉积多晶硅或通过在非晶硅沉积后对其进行结晶来制造多晶硅TFT。
直接沉积多晶硅的方法的实例包括化学气相沉积(CVD)、光CVD、氢根(HR)CVD、电子回旋共振(ECR)CVD、等离子增强型(PE)CVD和低压(LP)CVD。
在沉积后对非晶硅进行结晶的方法的实例包括一固相结晶(SPC)、一准分子激光器结晶(ELC)、一连续横向固化(SLS)、一金属诱导结晶(MIC)和一金属诱导横向结晶(MILC)。
但是，使用SPC是不切实际的，因为它需要一个较长的在600℃或更高的高温过程的持续时间。虽然ELC具有低温结晶的优点，但是通过光学系统发散的用于结晶的激光束的强度均匀性是较差的。另一方面，SLS涉及通过一人字图案掩模将一激光束照射到一非晶硅层上以形成一结晶的多晶硅的局部区域并需要对激光照射进行精确的控制。而且，使用SLS再现具有均匀特性的这种多晶硅薄膜是比较困难的。MIC具有低温结晶的优点，因为用作结晶催化剂的金属薄膜在非晶硅层结晶之前先沉积在非晶硅层的表面上。但是，由MIC形成的多晶硅层包含较小无序的晶体，残留在多晶硅层中的金属降低了由其制成的薄膜晶体管的性能。
最近，MILC已被建议用作一种解决由上述常用非晶硅结晶方法引起的问题的方案。MILC通过用金属与硅起反应以形成硅化物来诱导横向的连续结晶。在MILC中，用于非晶硅层结晶的金属几乎不会残留在半导体有源层中，形成的晶体具有晶粒小和高度有序的特点。因此，不会产生由于残留金属组分而形成的电流泄漏和其它电性能的降低。而且，通过MILC的结晶可在相对较低的温度300-500℃进行诱导。
图1A至1D表示一种使用这种常用的MILC方法形成多晶硅层的方法。
参考图1A，在一透明衬底1上使用SiOx形成一缓冲层2，将一非晶硅层3沉积在缓冲层2上。将一绝缘层4沉积在非晶硅层3上，并形成如具有一预定图案的光致抗蚀剂层的一感光层5。然后，如图1B所示，通过使用感光层5将非晶硅层3上的绝缘层4蚀刻成一预定图案，一镍(Ni)薄膜6沉积在其上面作为结晶的催化剂。此后，进行热处理。其结果，如图1C所示，作为金属诱导结晶的结果，在从中去除了绝缘层4的非晶硅层3的区域A中形成一MIC区7，作为MIC区7横向结晶的结果，在区域B中形成一MILC层8，在区域B中绝缘层4未进行蚀刻。下面，如图1D所示，绝缘层4从MILC区8中去除以提供一多晶硅薄膜。
在一非晶硅薄膜上形成一栅极介电层和一栅电极后，在使用这样的MILC形成一TFT之处，在其上形成一Ni薄膜，并对其进行热处理以便结晶。另一种可选择的方案是，在形成一栅极介电层和一栅电极后，涂敷一光致抗蚀剂覆盖栅极介电层、栅电极，并部分覆盖一源极区和一漏极区，并将一Ni薄膜形成在其上面。然后，为了通过热处理结晶去除光致抗蚀剂。在上述情况下，所产生的具有不同结晶结构的MIC和MILC区域的边界与源极/沟道边界和漏极/沟道边界不对准。因此，就会降低沟道区域的特性。
而且，如上所述，常用的MILC需要冗长的操作过程，该操作过程包括用于较大MILC区域的光致抗蚀剂层形成和一结晶催化剂沉积，因此制造TFT就比较复杂。
发明内容
因此，本发明的一个方面是提供一种通过使用黑色基质(black matrix)的非晶硅薄膜的结晶方法，与常用的结晶方法相比，该方法简单。
本发明的另一个方面是提供一种具有改善性能的薄膜晶体管(TFT)，其中形成的一金属诱导的结晶(MIC)区域和一金属诱导横向结晶(MILC)区域是连续的而没有明确限定的边界。
本发明的又一个方面是提供一种非晶硅薄层的结晶方法，该方法通过使用一同时发生的黑色基质层形成和结晶，与常用的结晶方法相比，它包括较少的处理操作。
本发明的其它目的和/或优点将在下面的描述部分中被提及，从该描述中，部分目的和/或优点将会显而易见，或者可从本发明的实践中获知。
为了实现本发明的上述和/或其它目的，提供一种非晶硅薄膜的结晶方法，该方法包括在衬底上形成一黑色基质层以吸收外部光，该黑色基质层的上部区域具有用于结晶的催化剂，构图该黑色基质层，在衬底和该黑色基质层上形成非晶硅薄膜，对非晶硅薄膜进行热处理用于结晶。
黑色基质层的形成可包括形成一功能薄膜，该薄膜具有在其面对衬底的下部区域中的透明第一组分和在其上部区域中的金属第二组分。该功能薄膜的形成可包括形成随着到绝缘衬底距离的增加浓度逐渐下降的透明第一组分和浓度逐渐提高的金属第二组分。
透明第一组分可包括从下面的组中选择的至少一个，由SiOx，这里x≥1、SiNx，这里x≥1、MgF2、CaF2、Al2O3和SnO2组成的组，这些是透明绝缘材料，由ITO、IZO、ZnO和In2O3组成的组，这些是透明导电材料。金属第二组分可包括从下面的组中选择的至少一种金属，该组包括Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W、Ta、Cu、和Pt。
黑色基质的形成可包括在衬底上形成具有第一CrOx薄膜的功能薄膜，这里x≥1；和在第一薄膜上形成一由Cr制成的第二薄膜。
黑色基质层可包括一CrOx薄膜，这里x≥1，或一Cr薄膜。
黑色基质层可用于一平板显示器，黑色基质层的构图可包括与一能暴露平板显示器的像素区的构图操作同时实现的构图黑色基质层。
硅结晶的催化剂可包括从下面的组中选择的至少一种，该组包括Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt。
为了实现本发明的上述和/或其它目的，提供非晶硅薄膜的另一种结晶方法，该方法包括在衬底上形成一黑色基质层以吸收外部光；在该黑色基质层上形成具有用于结晶的催化剂的结晶薄膜；构图该黑色基质层和结晶薄膜；在绝缘衬底和构图过的结晶薄膜上形成非晶硅薄膜；对非晶硅薄膜进行热处理以用于结晶。
黑色基质层的形成可包括形成一功能薄膜，该功能薄膜具有在其面对衬底的下部区域中的透明第一组分和在其上部区域中的金属第二组分。该功能薄膜的形成可包括形成随着到衬底距离的增加浓度逐渐下降的透明第一组分和浓度逐渐提高的金属第二组分。
透明第一组分可包括从下面的组中选择的至少一个，由SiOx，这里x≥1、SiNx，这里x≥1、MgF2、CaF2、Al2O3和SnO2组成的组，这些是透明绝缘材料，由ITO、IZO、ZnO和In2O3组成的组，这些都是透明导电材料。金属第二组分可包括从下面的组中选择的至少一种金属，该组包括Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W、Ta、Cu、和Pt。
黑色基质层可包括一CrOx薄膜，这里x≥1，或一Cr薄膜。
黑色基质层可为一功能薄膜，它具有在绝缘衬底上由CrOx形成的第一薄膜，这里x≥1；和在第一薄膜上一由Cr形成的第二薄膜。
黑色基质层可用于一平板显示器，黑色基质层的构图可包括与一暴露平板显示器的像素区的构图操作同时实现的构图黑色基质层。
硅结晶的催化剂可包括从下面的组中选择的至少一种，该组包括Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt。
为了实现本发明的上述和/或其它目的，提供一种薄膜晶体管，它包括一衬底和一在衬底上形成的具有沟道区、源极区和漏极区的半导体有源层，其中源极区和漏极区在沟道区的相应侧形成，至少是沟道区形成为一金属诱导横向结晶(MILC)区。该薄膜晶体管还包括一置于衬底和至少半导体有源层的源极区和漏极区之间的黑色基质层，其中该黑色基质层的上部区域包括一结晶用的催化剂，一在沟道区上形成的栅极介电层和一在栅极介电层上形成的栅电极。
通过使用高浓度的杂质离子的掺杂方法可形成源极区和漏极区。
该黑色基质层可从源极区和漏极区往下向沟道区倾斜。
源极区和漏极区中的每个可包括一面对沟道区的结合区和一金属诱导结晶(MIC)区，该结合区可包括一部分MILC区和一部分MIC区。
该薄膜晶体管还包括一硅结晶催化剂薄膜，该薄膜包括从下面的组中选择的至少一种金属，该组包括Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt，该薄膜设置在黑色基质层和源极区和漏极区之间。
为了实现本发明的上述和/或其它目的，提供一种平板显示器，它包括一绝缘衬底；一像素区，该像素区包括在绝缘衬底上排列成一矩阵的像素；和至少一个靠近像素区的薄膜晶体管。该至少一个薄膜晶体管包括一在绝缘衬底上形成的具有沟道区、源极区和漏极区的半导体有源层，源极区和漏极区在沟道区的相应侧形成，其中至少是沟道区形成为一金属诱导横向结晶(MILC)区；形成在沟道区上的一栅极介电层，形成在栅极介电层上的一栅电极，和置于绝缘衬底和栅极介电层之间的一黑色基质层，黑色基质层具有一至少暴露半导体有源层的源极区和漏极区之间沟道区的开口和一暴露像素区的开口。
该薄膜晶体管还包括一在栅电极和栅极介电层上形成的层间绝缘层；在层间绝缘层上形成并分别与半导体有源层的源极区和漏极区电连接的源电极和漏电极；和一在层间绝缘层、源电极和漏电极上形成能将像素区的像素电极与漏电极相连接的钝化层。
通过使用高浓度的杂质离子的掺杂方法可形成源极区和漏极区。
该黑色基质层从源极区和漏极区往下向沟道区倾斜。
源极区和漏极区中的每个可包括一面对沟道区的结合区和一金属诱导结晶(MIC)区，该结合区可包括一部分MILC区和一部分MIC区。
面对半导体有源层的黑色基质层的上部区域包括从下面的组中选择的至少一种金属，该组包括Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt。
平板显示器还可包括一硅结晶催化剂薄膜，它包括从下面的组中选择的至少一种，该组包括Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt，该薄膜设置在黑色基质层和半导体有源层的源极区和漏极区之间。
本发明的这些和/或其它目的和效果从下面结合附图的优选实施例的描述中将会变得比较明显和更易于理解。
图1A至1D是表示通过使用一种常用金属诱导横向结晶方法形成一多晶硅层的方法的视图；图2至4是表示根据本发明一个实施例的非晶硅薄膜的结晶方法的剖视图；图5是图3的区域III的放大剖视图；图6是图4的区域IV的放大剖视图；图7是图2的功能薄膜的浓度梯度曲线图；图8是图2的功能薄膜的放大剖视图；图9是根据本发明一个实施例的有机发光显示器的剖视图，其中一薄膜晶体管是通过使用本发明的一种结晶方法形成的；和图10至12是表示根据本发明的另一个实施例的非晶硅薄膜的一种结晶方法的剖视图。
具体实施例方式
现在将参考本发明的优选实施例详细地描述附图中显示的实例，其中所有相同的参考标号表示相同的部件。为了解释本发明下面通过参考附图描述实施例。
图2至4是表示根据本发明一个实施例的非晶硅薄膜的结晶方法。
参考图2，在一绝缘衬底10上形成一黑色基质层。该黑色基质层可以是在其上部区域具有一硅结晶催化剂的功能薄膜20。该功能薄膜20包括在靠近衬底10的下部区域中的一透明第一组分和在其上部区域中的一金属第二组分，在其厚度方向具有一浓度梯度曲线。因此，该功能薄膜20吸收照射在绝缘衬底10底端上的外部光。因此，该功能薄膜20能够在一显示器中用作一外部光吸收黑色基质。
特别是，该功能薄膜20具有一浓度梯度曲线，如图7所示，其中随着到绝缘衬底10的距离增加，沿厚度方向透明第一组分I的浓度降低和金属第二组分II的浓度增加。该功能薄膜20的透明第一组分可包括从下面的组中选择的至少一个，由SiOx(x≥1)；SiNx(x≥1)；MgF2；CaF2；Al2O3和SnO2组成的组，这些是透明绝缘材料，由In2O3；ITO(铟锡氧化物)；IZO(铟锌氧化物)和ZnO组成的组，这些是透明导电材料。功能薄膜20的金属第二组分可包括从下面的一组中选择的至少一种金属，该包括Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W、Ta、Cu、和Pt。
具有在厚度方向随着到绝缘衬底10的距离增加而浓度降低的透明第一组分和浓度增加的金属第二组分的功能薄膜20的浓度梯度曲线能够提高功能薄膜20吸收外部光的能力，因此能够例如减少功能薄膜20上的光反射。
在减少薄膜处光反射中衬底10和薄膜20之间折射率的较小差值是非常有益的。在衬底10和薄膜20具有相同折射率的薄膜20上不会产生反射。
因此，对于靠近衬底10的区域来说，在本发明中使用的薄膜20的第一组分可以是对衬底10具有相似折射率的透明绝缘材料。根据该原则，对于功能薄膜20来说，许多薄膜可以按照它们的折射率顺序相互叠加，如图8所示，以便能够具有一个在其厚度方向增加地变化的功能薄膜20的光吸收系数。结果是，光传输逐渐降低，最后在一预设厚度处被阻挡。因此，该功能薄膜20可用作一显示器设备的黑色基质。
用于功能薄膜20的第一组分的合适透明绝缘材料包括SiOx(x≥1)、SiNx(x≥1)；MgF2；CaF2；Al2O3和SnO2，因为这些材料与玻璃衬底具有相似的特性，例如，具有在折射率方面。用于功能薄膜20的第二组分的合适金属材料包括Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W、Ta、Cu、和Pt、它们也可组合使用，因为这些材料具有较大的光吸收系数。应该明白包括In2O3、ITO；IZO和ZnO的透明导电材料可用于第一组分。而且，在功能薄膜20上部区域中的第二组分还可包括一在后续过程中非晶硅结晶使用的催化剂。选自Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt中的至少一种金属可用作非晶硅结晶使用的催化剂。
功能薄膜20的形成除了能够改变其折射率，还能在其厚度方向改变电导率，以便使其利用效率达到最大化。功能薄膜20中的金属量可随着到衬底10的距离增加而在其厚度方向逐渐提高，以便使该功能薄膜20在远离衬底10时具有增大的电导率和减小的外部光反射。具有高电导率的功能薄膜20的光学结构能够应用于显示器件电磁波屏蔽或外部光吸收层以防止电荷积聚。此外，功能薄膜20的金属第二组分可用作非晶硅结晶使用的催化剂。
可使用公知或将被公知的薄膜形成方法，例如，溅射，真空沉积，物理气相沉积(PVD)，或化学气相沉积(CVD)方法形成功能薄膜20。
根据本发明的一个实施例，例如，通过一射频(RF)磁控管溅射可沉积用于功能薄膜20的第一组分的透明材料，通过一RF或一DC溅射可沉积包括金属的第二组分。一种溅射装置可包括一装备有一泵系统的真空室，置于真空室中的一磁控管阴极和靶(用于第一和第二组分)，和一提供氩气(Ar)到发射磁控管的供气系统。
也就是说，包含一透明绝缘材料的第一靶通过施加RF功率被击中以能将SiO沉积在衬底10上。在施加给第一靶的RF功率降低的同时，施加给包含金属的第二靶的RF或DC功率提高。其结果，在衬底上形成包括具有相反浓度梯度曲线的第一和第二组分的功能薄膜20。
这样的功能薄膜20还可通过一真空热沉积形成。在此情况下，通过提高施加给沉积舟的电压来加热包含第一和第二组分混合物的沉积舟。由于沉积温度随着时间而升高，第一组分开始进行沉积，第一和第二组分二者在更高的温度一起进行沉积直到所有第一组分耗尽，在更高的温度下只有金属第二组分进行沉积。其结果，如图7所示，可形成具有随着远离衬底10的距离的增加而浓度逐渐下降的第一组分I和浓度逐渐提高的第二组分II的功能薄膜。
如图2所示，在功能薄膜20中，大量的第一组分包含在靠近衬底10的区域中，大量的第二组分包含在远离衬底10的上部区域中。由于在功能薄膜20的上部区域中的金属第二组分至少包括硅结晶用的催化剂，使用该催化剂可便于实现随后的非晶硅结晶。根据本发明的一个方面，如图2所示，还提供一由催化剂材料形成的附加结晶薄膜21以便于促进非晶硅结晶。根据本发明的另一方面，在不包含硅结晶催化剂的功能薄膜上可形成结晶薄膜21。
如图3所示，形成功能薄膜20后，对功能薄膜20进行构图。如上所述，在功能薄膜20上还形成结晶薄膜21的情况下，结晶薄膜21和功能薄膜20一起构图成相同的图案。
可使用公知或将被公知的构图方法，例如，光刻方法构图功能薄膜20。由于功能薄膜20在其厚度方向具有浓度梯度曲线，经过构图的功能薄膜20具有一个倾斜区域。这个可认为归因于蚀刻剂中绝缘第一组分和金属第二组分之间的蚀刻率差。倾斜区域的长度大约是功能薄膜20的厚度的四到五倍。例如，在功能薄膜20的厚度为3000的情况下，倾斜区域的长度大约为1-1.5μm。换句话说，如图5所示，功能薄膜20的构图的(C)和未构图(D)的区域之间的图3的边界区域III向下倾斜。
即，作为构图功能薄膜20的结果，在未构图(未蚀刻)区域D和构图(蚀刻)区域C之间形成一中间区域E，其中中间区域E在靠近功能薄膜20的上层的区域进行更多蚀刻。
在功能薄膜20的构图的区域C中，功能薄膜20的上部催化区域被完全蚀刻，产生一仅残留第一组分的第一薄膜22以作为一缓冲层。在中间区域E中，第二组分从未构图区域D朝向构图区域C保留一浓度逐渐减小的浓度曲线。根据本发明的又一个方面，代替使用第一薄膜22作为一缓冲层，它是构图后被保留的仅具有功能薄膜20的第一组分的最底部部分，在功能薄膜20形成之前，在衬底10上还可先形成包括SiOx(x≥1)或SiNx(x≥1)的一缓冲层，以能防止从衬底10扩散的碱金属的污染。
在功能薄膜20上形成结晶薄膜21的情况下，作为构图的结果，仅有一部分结晶薄膜21保留在靠近未构图区域D的中间区域E的区域中。
在构图功能薄膜20后，一非晶硅薄膜30沉积在得到的结构上，并进行用于结晶的热处理。结晶的热处理条件可根据所需薄膜晶体管的沟道尺寸而变化。一种结晶热处理可以每小时3μm的生长速率在500℃进行10个小时，其中Ni用作非晶硅结晶的催化剂。
作为热处理的结果，如图4所示，一金属诱导结晶(MIC)区31通过使用包含在功能薄膜20上部、第二组分区域中的催化剂，或者使用单独在功能薄膜20上形成的结晶薄膜21直接诱导的结晶形成在未构图区域D上。一金属诱导横向结晶(MILC)区域32通过从MIC区域31的横向结晶形成在其中功能薄膜20的顶部、第二组分区域或者结晶薄膜21已被去除的图案区域C上。
如图6中参考标号33所示，在与功能薄膜20的倾斜区域相对应的MIC区域31和MILC区域32之间的边界区域IV中，MIC区域31和MILC区域32同时出现。特别是，在靠近未构图区域D的中间区域E的区域中，由于剩余在功能薄膜20上部区域中的结晶催化剂的存在，非晶硅薄膜30就直接结晶成为MIC区域31。在靠近构图区域C的中间区域E的区域中，MILC32区域通过从MIC区域31的横向结晶而形成。其结果，在中间区域E中形成MIC和MILC结合区域33。此外，由于功能薄膜20包括在其厚度方向具有浓度梯度曲线的第一和第二组分，因此MILC区域32通过从MIC区域31的横向结晶逐渐形成，而在两个区域之间没有一个明确的边界。
在使用上述方法将非晶硅薄膜结晶为一多晶硅薄膜后，就可由该多晶硅薄膜制造一薄膜晶体管(TFT)。
根据本发明一个实施例的TFT包括一半导体有源层、一在半导体有源层上形成的栅极介电层、和一在栅极介电层上形成的栅电极。该半导体有源层包括一沟道区、源极区和漏极区，源极区和漏极区通过掺杂高浓度的杂质离子在沟道区的相应侧形成。
半导体有源层是由本发明的多晶硅薄膜形成。参考图6，在构图区域C中的MILC区域32形成一沟道区，在未构图区域D中的MIC区域31和中间区域E中的MIC和MILC结合区域33的结合在沟道区的两侧形成源极区和漏极区。因此，外部光吸收层，即，由剩余在未构图D和中间区域E中的功能薄膜20形成的黑色基质存在于衬底10和半导体有源层的至少源极区和漏极区之间。功能薄膜20还剩余在衬底10和沟道区之间。但是，剩余在沟道区下面与MILC区域32对应的功能薄膜20仅包含透明第一组分，因此，它不能用作光吸收黑色基质。
在由多晶硅薄膜形成半导体有源层后，就在该半导体有源层上顺序形成一栅极介电层和一栅电极。然后，用高浓度杂质离子掺杂源极区和漏极区。
在形成这样的TFT之后，还可以在栅电极上形成一个层间绝缘层。在源电极和漏电极可通过在层间绝缘层中形成的接触孔而形成的情况下，形成一钝化层以覆盖源电极和漏电极，并形成与漏电极电连接的像素电极。而且，一平整层可形成在所得到的结构上。源电极和漏电极可形成各种形状而不受本实施例的限制。
根据所需显示器件的特征，可使用各种方法形成这样一种由根据本发明的一种方法形成的多晶硅薄膜形成的TFT。
在制造一种用于向后发光型显示器的TFT时，构图黑色基质用于暴露像素的开口能够与构图功能薄膜20同时进行，以形成一个将成为多晶硅MILC区的区域，即，一个半导体有源层的沟道区，由此能够减少工艺操作过程的数量。
如上所述根据本发明制造的TFT能够用于各种平板显示器件，如LCD及有机和无机LED。
图9是表示一种根据本发明一个实施例使用了由上述方法形成的TFT的有源矩阵有机发光显示器(AMOLED)。
参考图9，在透明衬底100上形成一包括透明像素电极的像素区200和一包括TFT及一电容的驱动区300。在衬底100的上表面可直接形成一由SiOx(x≥1)或SiNx(x≥1)制成的附加缓冲层(未图示)。
在驱动区300中，一半导体有源层302是由一作为衬底100的上表面上的预定图案的多晶硅薄膜形成的，形成一栅极介电层303以覆盖半导体有源层302。一栅电极层304形成在半导体有源层302上面的栅极介电层303上，以及形成一覆盖栅电极层304的层间绝缘层305。穿过层间绝缘层305和栅极介电层303形成接触孔306a和307a，在层间绝缘层305上形成的漏电极306和源电极307通过接触孔306a和307a分别与半导体有源层302的漏极区302b和源极区302c相连接。在驱动区300中形成一电容器310，该电容器310包括第一电极311和第二电极312，并具有设置在两电极之间的层间绝缘层305，其中第一电极311与源电极307相连接。
在驱动区300的TFT和电容器310以及像素区200上形成一钝化层308，在其上形成一具有一暴露像素区200的开口的平整层309。与TFT的漏电极306电连接的透明电极202位于平面层309的开口下面。一有机层204沉积在透明电极202上，一阴极层206形成在有机层204和平整层309的整个表面上。
在上述的显示器中，一阻挡外部光反射的黑色基质层110直接形成在衬底100的表面上。如图9所示，该黑色基质层110具有一个在像素区200下面具有开口112和在半导体有源层302的沟道区302a下面具有开口114的预定图案。开口112允许光穿过像素区200，开口114从沟道区302a诱导横向结晶以形成一MILC区域。暴露显示器的像素区200的开口112和暴露TFT的沟道区302a的开口114能够通过一单个构图操作而同时形成，以便简化全部制造的操作过程。
根据上述本发明的非晶硅的结晶方法还能与Cr/CrOx薄膜兼容，这种Cr/CrOx薄膜通常用于形成显示器的黑色基质。
图10至12表示根据本发明的另一个实施例的非晶硅的一种结晶方法。
参考图10，一例如由CrOx(x≥1)制成的第一薄膜40a和一例如由Cr制成的第二薄膜40b形成在绝缘衬底10上作为一功能薄膜40。功能薄膜40可用作一黑色基质。由于第二薄膜40b是由Cr形成，因此就无需在功能薄膜40上形成一附加结晶薄膜。但是，对硅结晶更有效的一种催化剂，如Ni或Pb可结合在第二薄膜40b的上部区域中。而且，具有这样的一种硅结晶催化剂的结晶薄膜41可另外形成在第二薄膜40b的表面上。此外，一由例如SiOx(x≥1)或SiNx(x≥1)制成的附加缓冲层可在衬底10和第一薄膜40a之间形成。
如图11所示，功能薄膜40在构图后形成。在功能薄膜40用作显示器的外部光吸收层的情况下，该构图工艺可与一暴露显示器像素区的构图同时进行。其结果，如上所述，该显示器能用较少的制造操作过程完成。
作为构图的结果，功能薄膜40具有一构图区C和一未构图区D。由于功能薄膜40在其厚度方向不具有浓度梯度曲线，与前面的实施例不同，在构图区C和未构图区D之间的边界外不形成一倾斜区域。相反，由于第一薄膜40a的CrOx(x≥1)和第二薄膜40b的Cr之间的蚀刻速率差，在构图区C和未构图区D之间存在一个陡台阶。构图区C和未构图区D之间的这种台阶可被有意诱导。
然后，在功能薄膜40的构图区C和未构图区D上形成一非晶硅薄膜50，如图12所示，该非晶硅薄膜50进行结晶热处理。结果是，由于通过Cr或第一薄膜40b中的硅结晶催化剂，或者通过结晶薄膜41诱导的非晶硅薄膜50的结晶，在未构图区D中形成一MIC区域51。此外，由于从MIC区域51的横向结晶在构图区D中形成一MILC区域52。在本实施例中，与前面实施例不同，没有形成MIC和MILC的结合区。但是，在非晶硅薄膜50沉积后，根据在构图区C和未构图区D之间的边界产生的台阶可存在一MIC和MILC结合区的较小延伸段。
在形成多晶硅薄膜后，虽然未图示，但是一沟道区可在MILC区域52的中心区限定，一源极区和一漏极区可在MILC区域52和MIC区域51的外围区域限定，其中，沟道区、源极区和漏极区形成一半导体有源层。为了提供一完整的TFT，虽然未图示，但是一栅极介电层和一栅电极可在半导体有源层上形成，之后将高浓度杂质离子注入源极区和漏极区，正如上面参考图9所述。
虽然附图中未显示，但是除了如上所述的Cr和CrOx层结合外，单个Cr或CrOx层，或者一通常的石墨黑色基质能够用作黑色基质。在使用通常的石墨黑色基质的情况下，一硅结晶催化剂可加入该石墨黑色基质的上部区域中，或者在该石墨黑色基质上形成一附加结晶薄膜。此外，用于黑色基质的石墨物质需要在结晶温度的热耐久性。
根据本发明，如上所述，使用一黑色基质层以比较简单的方式能够使非晶硅薄膜进行结晶，以此消除了复杂的操作而在MILC区域中限定一沟道区。此外，一限定TFT的MILC区的区域和一暴露显示器像素的区域通过一单个构图操作而能在该黑色基质中限定，因此减少了所需制造操作过程的数量。
虽然上面已经显示和描述了本发明的一些实施例，但是本领域的技术人员应该明白，在不脱离本发明的原则和精神及权利要求限定的保护范围和其等效范围的前提下可对实施例作出修改。
权利要求
1.一种非晶硅薄膜的结晶方法，该方法包括在衬底上形成一黑色基质层以吸收外部光，该黑色基质层的上部区域具有用于结晶的催化剂；构图该黑色基质层；在衬底和黑色基质层上形成非晶硅薄膜；和为结晶对非晶硅薄膜进行热处理。
2.如权利要求1所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层的形成包括形成一功能薄膜，该功能薄膜具有在其面对衬底的下部区域中的透明第一组分和在其上部区域中的金属第二组分，和该功能薄膜的形成包括形成具有随着距衬底的距离增加而浓度逐渐下降的透明第一组分和浓度逐渐提高的金属第二组分。
3.如权利要求2所述的结晶方法，其特征在于透明第一组分包括选自由SiOx，这里x≥1、SiNx，这里x≥1、MgF2、CaF2、Al2O3和SnO2组成的组，和由ITO、IZO、ZnO和In2O3组成的组中的至少一种。
4.如权利要求2所述的结晶方法，其特征在于金属第二组分包括选自由Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W、Ta、Cu和Pt组成的组中的至少一种金属。
5.如权利要求1所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层包括一CrOx薄膜，这里x≥1，或一Cr薄膜。
6.如权利要求1所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层的形成包括在衬底上形成具有由CrOx形成的第一薄膜的功能薄膜，这里x≥1；和在第一薄膜上形成一由Cr制成的第二薄膜。
7.如权利要求1所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层用于平板显示器，和黑色基质层的构图包括与暴露平板显示器的像素区的构图操作同时进行的黑色基质层的构图。
8.如权利要求1所述的结晶方法，其特征在于催化剂是用于硅结晶的催化剂，包括选自由Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt组成的组中至少一种。
9.一种非晶硅薄膜的结晶方法，该方法包括在衬底上形成一黑色基质层以吸收外部光；在该黑色基质层上形成具有用于结晶的催化剂的结晶薄膜；构图该黑色基质层和结晶薄膜；在衬底和构图过的结晶薄膜上形成非晶硅薄膜；和对非晶硅薄膜进行热处理以用于结晶。
10.如权利要求9所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层的形成可包括形成一功能薄膜，该功能薄膜具有在其面对衬底的下部区域中的透明第一组分和在其上部区域中的金属第二组分，和该功能薄膜的形成包括形成具有随着距绝缘衬底的距离增加而浓度逐渐下降的透明第一组分和浓度逐渐提高的金属第二组分。
11.如权利要求10所述的结晶方法，其特征在于透明第一组分包括选自由SiOx，这里x≥1、SiNx，这里x≥1；MgF2、CaF2、Al2O3和SnO2组成的组，和由ITO、IZO、ZnO和In2O3组成的组中的至少一种。
12.如权利要求10所述的结晶方法，其特征在于金属第二组分包括选自由Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W、Ta、Cu、和Pt中的至少一种金属。
13.如权利要求9所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层包括一CrOx薄膜，这里x≥1，或一Cr薄膜。
14.如权利要求9所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层的形成包括在衬底上形成具有由CrOx形成的第一薄膜的功能薄膜，这里x≥1；和在第一薄膜上形成一由Cr形成的第二薄膜。
15.如权利要求9所述的结晶方法，其特征在于黑色基质层用于一平板显示器，和黑色基质层的构图包括与暴露平板显示器的像素区的构图操作同时进行的黑色基质层的构图。
16.如权利要求9所述的结晶方法，其特征在于该催化剂是用于硅结晶的催化剂，它包括选自由Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt组成的组中的至少一种。
17.一种薄膜晶体管，它包括一衬底；一在衬底上形成的具有沟道区、源极区和漏极区的半导体有源层，其中源极区和漏极区在沟道区的相应侧形成，和至少沟道区形成为一金属诱导横向结晶(MILC)区；一置于衬底和半导体有源层的至少源极区和漏极区之间的黑色基质层，其中该黑色基质层的上部区域包括用于结晶的催化剂；一在沟道区上形成的栅极介电层；和一在栅极介电层上形成的栅电极。
18.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其特征在于黑色基质层是一种具有在其面对衬底的下部区域中的透明第一组分和在其上部区域中的金属第二组分的功能薄膜，和随着距衬底距离的增加，透明第一组分具有逐渐下降的浓度而金属第二组分具有逐渐提高的浓度。
19.如权利要求18所述的薄膜晶体管，其特征在于透明第一组分包括选自由SiOx，这里x≥1、SiNx，这里x≥1、MgF2、CaF2、Al2O3和SnO2组成的组，它们是透明绝缘材料；以及由ITO、IZO、ZnO和In2O3组成的组，它们是透明导电材料，中的至少一种。
20.如权利要求18所述的薄膜晶体管，其特征在于金属第二组分包括选自由Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Si、Ge、Y、Zn、Zr、W、Ta、Cu、和Pt中的至少一种金属。
21.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其特征在于黑色基质层包括一CrOx薄膜，这里x≥1，或一Cr薄膜。
22.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其特征在于黑色基质层是一功能薄膜，它包括在衬底上由CrOx形成的第一薄膜，这里x≥1，和在第一薄膜上一由Cr形成的第二薄膜。
23.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其特征在于该催化剂是用于硅结晶的催化剂，它包括选自由Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt组成的组中的至少一种。
24.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其特征在于该黑色基质层从源极区和漏极区往下向沟道区倾斜。
25.如权利要求24所述的薄膜晶体管，其特征在于源极区和漏极区中的每个包括一面对沟道区的结合区和一金属诱导结晶(MIC)区，和该结合区可包括一部分MILC区和一部分MIC区。
26.如权利要求17所述的薄膜晶体管，它还包括一硅结晶催化剂薄膜，该薄膜包括选自由Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt组成的组中至少一种金属，该薄膜设置在黑色基质层与源极区和漏极区之间。
27.一种平板显示器，它包括一绝缘衬底；一像素区，该像素区包括在绝缘衬底上排列成一矩阵的像素；和至少一个靠近像素区的薄膜晶体管，其中该至少一个薄膜晶体管包括一在绝缘衬底上形成的具有沟道区、源极区和漏极区的半导体有源层，源极区和漏极区在沟道区相应侧形成，其中至少沟道区形成为一金属诱导横向结晶(MILC)区，一形成在沟道区上的栅极介电层，一形成在栅极介电层上的栅电极，和一置于绝缘衬底和栅极介电层之间的黑色基质层，黑色基质层具有一至少暴露半导体有源层的源极区和漏极区之间沟道区的开口和一暴露像素区的开口。
28.如权利要求27所述的平板显示器，其特征在于该黑色基质层从源极区和漏极区往下向沟道区倾斜。
29.如权利要求28所述的平板显示器，其特征在于源极区和漏极区中的每个包括一面对沟道区的结合区和一金属诱导结晶(MIC)区，和该结合区包括一部分MILC区和一部分MIC区。
30.如权利要求27所述的平板显示器，其特征在于面对半导体有源层的黑色基质层的上部区域包括选自由Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt组成的组中至少一种金属。
31.如权利要求27所述的平板显示器，还包括一硅结晶催化剂薄膜，它包括选自由Ni、Pd、Au、Sn、Sb、Cr、Mo、Tr、Ru、Rh、Fe、Co、V、Ti、Al、Ag、Cu和Pt组成的组中至少一种金属，该薄膜设置在黑色基质层和半导体有源层的源极区和漏极区之间。
32.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其特征在于除了在沟道区下面的功能薄膜的一区域不包括金属第二组分外，黑色基质层是一种在面对衬底的下部区域中具有透明第一组分和在其上部区域中具有金属第二组分的功能薄膜。
33.如权利要求17所述的薄膜晶体管，其特征在于黑色基质层包括多个按照它们的折射率次序顺序叠加的薄膜，以便沿着其厚度增加地改变黑色基质的光吸收系数。
34.如权利要求25所述的薄膜晶体管，其特征在于，将MIC区域和MILC区域形成为连续部分在二者之间没有一个明确的边界。
35.如权利要求27所述的平板显示器，其特征在于，该平板显示器还包括一在栅电极和栅极介电层上形成的层间绝缘层；在层间绝缘层上形成并分别与半导体有源层的源极区和漏极区电连接的源电极和漏电极；和一在层间绝缘层、源电极和漏电极上形成的钝化层，以用来将像素区的像素电极与漏电极相连接。
36.如权利要求27所述的平板显示器，其特征在于暴露至少沟道区的开口和暴露像素区的开口通过单一构图操作而同时形成。
全文摘要
一种结晶方法，包括在一绝缘衬底上形成吸收外部光的黑色基质层，其中该黑色基质层的上部区域包括用于硅结晶的催化剂，构图该黑色基质层，在绝缘衬底和黑色基质层上形成一非晶硅薄膜，对非晶硅薄膜进行热处理以用于结晶。由于形成一连续的金属诱导结晶区域和一金属诱导横向结晶区域而其中没有一明确的界限，因此，使用该结晶方法形成的薄膜晶体管的特性得到改进。
文档编号H01L21/77GK1494107SQ0315809
公开日2004年5月5日 申请日期2003年8月1日 优先权日2002年8月3日
发明者具在本, 朴志容, 朴商一 申请人:三星Sdi株式会社