CN100365778C - 制造多晶硅薄膜的方法和使用该多晶硅的薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
一种制造多晶硅薄膜的方法，其制造用于制成薄膜晶体管的多晶硅薄膜。该方法包括在基材上沉积包含非晶硅的硅薄膜，并且在预定温度下和H2O气氛中对硅薄膜进行热处理。因此，当通过固相结晶法结晶非晶硅时，降低了结晶温度和热处理时间，并且由于在高温下热处理较长时间，这可以防止基材弯曲。作为本发明的结果，可以获得具有优越结晶特性的多晶硅薄膜。在薄膜晶体管中使用多晶硅薄膜导致薄膜电阻器中缺陷的减少。
Description
要求优先权
本申请引用、纳入和要求在35 U.S.C.§119下产生的一份专利申请的所有益处，该申请于2004年2月19日向韩国知识产权局递交的、发明名称为“一种多晶硅薄膜的制造方法和使用通过该方法制造的多晶硅薄膜的薄膜晶体管(METHOD OF FABRICA TING A POL YSILICON THIN FILM ANDTHIN FILM TRANSISTOR USING THE POL YSILICON THIN FILMFABRICA TED BY THE SAME METHOD)”的申请，以及及时分配的系列号为No.2004-11146。
技术领域
本发明涉及一种多晶硅薄膜的制造方法和使用通过该方法制造的多晶硅的薄膜晶体管，以及更具体地，涉及一种多晶硅薄膜的制造方法和使用通过该方法制造的多晶硅的薄膜晶体管，从而降低热处理温度和减少热处理时间来防止基材(substrate)弯曲，并使基材具有更少的缺陷。
背景技术
一种有机电致发光有源显示装置(active organic electroluminescentdisplay device)，包含薄膜晶体管(TFT)，薄膜晶体管用来将电流施加给像素区域(pixel region)和周边驱动电路区域(pheripheral driving circuit region)。薄膜晶体管一般使用多晶硅。通常，多晶硅是通过结晶非晶硅形成的。
基于它们的结晶温度，即基于高于或低于500℃的温度，典型的结晶方法主要分为低温结晶法和高温结晶法。
使用受激准分子激光器的受激准分子激光器退火法(excimer laserannealing，ELA)通常用作低温结晶法，其可以使用玻璃基材，这是因为该方法在约450℃的结晶温度下进行的。但是，该方法会导致制造成本增加，并使得基材的最佳尺寸受到限制，这会导致制造显示装置的总成本增加。
高温结晶法包括固相结晶法、快速热退火法(rapid thermal annealing，RTA)等，该方法由于是低成本的结晶法而被广泛地使用。
但是，固相结晶法需要在至少600℃的温度下结晶20小时或更长时间，这会导致结晶缺陷产生在结晶的多晶硅中，以致于不能获得充分的淌度(mobility)，yinci在热处理过程中基材容易变形。此外，由于高温结晶不能使用玻璃基材。当降低结晶温度时，产率降低。
同时，RTA方法允许在相对短的时间内实施该方法。但是，迄今为止开发的RTA方法具有如下缺点：由于严重的热冲击(thermal shock)，基材容易变形，并且结晶的多晶硅的电性能不好。
因此，为了降低有源装置的制造成本，必须使用的方法是在进行结晶时具有低成本的高温热处理方法。但是，也需要发展具有优越结晶特性的高温热处理方法，该方法使用低成本的玻璃基材，并且不会引起诸如基材弯曲的问题。
发明内容
本发明提供一种制造多晶硅薄膜的方法，以及一种使用通过该方法制造的多晶硅制造薄膜晶体管的方法，从而解决上述问题。该方法结晶了具有优越结晶特性的多晶硅，并且防止基材由于高温结晶产生的弯曲。
在本发明的一个示例性实施方案中，制造多晶硅薄膜的方法包括：在基材上沉积包含非晶硅的硅薄膜；以及在H2O气氛中和预定温度下对硅薄膜进行热处理。
本发明的另一个示例性实施方案中，薄膜晶体管使用通过上述方法制造的多晶硅薄膜。
附图说明
当结合附图考虑并参考以下的详细说明时，更容易理解本发明，所以更完全的理解本发明及其许多伴随的优点将容易显而易见，附图中相同的附图标记表示相同或相似的组分，其中：
图1表示通过本发明实施方案制造的多晶硅的拉曼光谱(Ramanspectrum)；和
图2表示通过其它方法制造的多晶硅的拉曼光谱。
具体实施方式
以下参考显示了本发明优选实施方案的附图更充分地描述本发明的示例性实施方案。但是，本发明可以体现为不同的形式，不应该解释为限制于这里提出的实施方案。更确切的，提供这些示例性实施方案以使本公开详尽和完全，并且对本领域的普通技术人员充分地转达本发明的范围。
根据本发明，将非晶硅或包含大量非晶硅的硅薄膜沉积到基材上。在这种情况下，一般使用透明的和绝缘的玻璃基材作为基材。
沉积硅薄膜的方法一般包括等离子增强化学气相沉积法(PECVD)，低压化学气相沉积法(LPCVD)等。
然后对非晶硅或包含大量非晶硅的硅薄膜进行热处理。在这种情况下，使非晶硅固相结晶，以便在加热硅薄膜时使其成为多晶硅。
快速热退火法(RTA)是典型的高温热处理方法，其用作本发明方法的热处理方法，并且在H2O气氛中进行热处理，而不是在N2、O2、惰性气体如Ar或其混合气体的常规气氛中进行。
当热处理在H2O气氛中进行时，与在N2、O2、惰性气体如Ar或其混合气体的常规气氛中相比，相同的温度下热处理时间减少，同时热处理温度也降低。
尤其是当透明的绝缘基材如玻璃用作基材时，基材在高温下弯曲。但是，根据本发明，当热处理温度降低时可以防止基材弯曲。
根据本发明，热处理温度优选在550℃-750℃范围内，更优选600℃-710℃。当温度低于550℃时，结晶需要很长的时间，当温度超过750℃时，基材会弯曲，因而不优选。因此，优越的多晶硅优选在600℃-700℃的温度范围内热处理适当的时间来获得。
H2O的压力与结晶速度成比例，因此压力增大，结晶速度增加。当压力太低时，结晶速度变低从而导致热处理时间延长，这会对基材有不利影响，因而是不优选的。因此，优选将H2O的压力设定得尽可能高。但是，压力不应当太高，因为会导致爆炸。由此，压力优选在10,000Pa-2MPa范围内。
同时，硅薄膜沉积为2,000埃或更小的厚度，并且当厚度变小时结晶会变得容易。但是，当太薄的多晶硅用于薄膜晶体管时，可能会对薄膜晶体管的性质产生不利影响。因此，硅薄膜优选沉积达到约100-1,000埃的厚度。
多晶硅可以通过进行上述方法来形成。但是，为了减少根据本发明形成的多晶硅的缺陷，可以再一次进行热处理方法。
热处理方法可以通过受激准分子激光器退火法或通过在炉中加热来进行。
当在上述H2O中结晶非晶硅时，多晶硅薄膜的半峰全宽(full width athalf maximum，FWHM)在约6.5cm-1至约7.5cm-1的范围内，获得多晶硅，其中多晶硅薄膜的FWHM在约6.5cm-1至约7.5cm-1的范围内。在惰性气体中用热处理方法制造的多晶硅的FWHM一般为7.5cm-1或以上。
以下，更充分地描述本发明，并示出本发明的优选方案。但是，本发明可以有不同的形式，不应解释为本发明限制于这里提出的方案。
实施例1-3
在基材上沉积500埃厚的非晶硅薄膜。将低压化学气相沉积法(LPCVD)用于实施例1，使用2％或以下氢的等离子增强化学气相沉积法(PECVD)用于实施例2，使用10％或以上氢的PECVD用于实施例3。然后热处理非晶硅薄膜，从而通过RTA在约700℃的温度下结晶10分钟或以下。将载气如O2或N2和H2O用于热处理。形成的多晶硅的拉曼光谱示于图1。
比较例1
使用和实施例1-3相同的方法进行比较例1，不同之处在于将N2气氛用于热处理。即热处理温度是700℃，结果示于图2。
在这种情况下，为了完全结晶非晶硅，热处理温度为750℃，且与实施例1-3中热处理时间相同。
参考图1，可以看出多晶硅的拉曼光谱中接近520cm-1的峰值，表示存在通过在700℃下和H2O中对非晶硅进行热处理获得的晶体硅。但是，当不使用H2O进行结晶时，如图2所示，可以看出接近520cm-1的峰不存在，而在480cm-1周围存在一个宽峰。480cm-1处的宽峰表示存在非晶硅，即，能够看出结晶只是部分地进行。
因此，显然热处理中使用H2O气氛有助于非晶硅的结晶。此外，从图1可以看出，通过实施例1-3结晶的多晶硅的拉曼峰的半峰全宽为6.8cm-1，这意味着该多晶硅具有优越的结晶特性。在惰性气氛中用热处理方法制造的多晶硅的半峰全宽一般为7.5cm-1或以上。
实施例4
通过PECVD法在基材上沉淀非晶硅约1,000埃厚。在600℃和2MPa的H2O压力下加热非晶硅。在600℃下硅的结晶速度低。但是，因为结晶速度与压力成比例，通过增加压力，可调节氧化速度。即增加压力可以降低结晶温度和时间。此刻测量结晶时间为2小时或更短。
比较例2
使用和实施例4相同的方法进行比较例2，不同之处在于将1MPa的N2气氛用于结晶非晶硅。在这种情况下，测量结晶时间为约5小时，这是由非晶硅通过预先热处理已经包含成核位置这一事实引起的。另一方面，没有进行任何热处理的非晶硅需要20小时或更多的时间来结晶。
将实施例4和比较例2进行比较，可以发现实施例4在H2O气氛中的热处理时间比在N2气氛中的降低几乎2.5倍。此外，增加H2O压力可以降低热处理温度及其需要的处理时间。因为降低了热处理温度和处理时间，有可能减少制造成本，并且可防止由于对基材加热，基材弯曲。
非晶硅和水在热处理过程中反应，以使硅氧化，从而在硅的表面上形成薄的二氧化硅层。残留硅(即没有与水起反应的硅)存在于由氧化作用形成的二氧化硅层之内，变成间隙硅(interstitial Si)。间隙硅的浓度影响硅的扩散因子，这反过来会影响结晶过程。可以遵循类似的步骤，甚至当在O2气氛中进行热处理时。但是，在H2O气氛中的结晶速度比在O2气氛中的快，以致降低了温度和时间。
结果，当间隙硅的浓度增加时，非晶硅的结晶速度也增加，以致相比于仅仅使用N2或O2气体的常规热处理气氛，可以降低或缩短需要的结晶温度或需要的结晶时间。
通过上述方法制造的多晶硅薄膜可以用于薄膜晶体管，该薄膜晶体管可以用于平板显示装置(falt panel display device)，如有机电致发光显示装置或液晶显示装置。
如上所述，当通过本发明的固相结晶法结晶非晶硅时使用水汽作为热处理气氛，因而可以降低热处理时间和温度，由此防止在制备过程中的缺陷如基材的弯曲的出现。
尽管已经参考一些示例性的实施方案描述了本发明，本领域普通技术人员可以理解根据本发明可以作出各种改进和变化，而不偏离所附的权利要求及相应材料所限定的本发明的精神或范围。
Claims (12)
1.一种制造多晶硅薄膜的方法，其包括下列步骤：
在基材上沉积包含非晶硅的硅薄膜；以及
通过在H2O气氛中和预定温度下对硅薄膜进行热处理而使硅薄膜结晶，其中所述预定温度在550℃-750℃范围内，并且其中所述H2O压力至少为10,000Pa。
2.如权利要求1所述的方法，其中预定温度在600℃-700℃范围内。
3.如权利要求1所述的方法，其中H2O压力在10,000Pa-2MPa范围内。
4.如权利要求1所述的方法，其中硅薄膜厚度不超过2000埃。
5.如权利要求4所述的方法，其中硅薄膜的厚度在100埃-1,000埃范围内。
6.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在H2O气氛中和预定温度下对硅薄膜进行热处理后，再次在炉中通过加热对硅薄膜进行热处理的步骤。
7.如权利要求1所述的方法，进一步包括：在H2O气氛中和预定温度下对硅薄膜进行热处理后，再次通过受激准分子激光器退火法(ELA)对硅薄膜进行热处理的步骤。
8.如权利要求1所述的方法，其中硅薄膜是通过低压化学气相沉积法(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积法(PECVD)中的任何一种方法沉积的。
9.一种薄膜晶体管，其使用通过如权利要求1所述的方法制造的多晶硅薄膜。
10.如权利要求9所述的薄膜晶体管，其中多晶硅薄膜的半峰全宽(FWHM)在6.0cm-1至7.5cm-1范围内。
11.如权利要求10所述的薄膜晶体管，其中多晶硅薄膜的半峰全宽在6.5cm-1至7.0cm-1范围内。
12.如权利要求9所述的薄膜晶体管，其中薄膜晶体管用于有机电致发光显示装置和液晶显示装置中的一种。
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