CN1719583A - 半导体膜的结晶方法和显示设备的制造方法 - Google Patents

半导体膜的结晶方法和显示设备的制造方法 Download PDF

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Abstract

通过用脉冲激光扫描结晶化半导体膜的常规方法具有以下问题，其中晶粒的颗粒直径或形状导致薄膜晶体管的特性变化，其降低了液晶显示器的显示质量。鉴于此，在根据本发明的半导体膜的结晶方法中，在用第一脉冲激光进行扫描的步骤之后，在与第一脉冲激光扫描的移动方向基本正交的方向上用第二脉冲激光进行扫描，第二脉冲激光具有比第一脉冲激光更高的能量密度。利用这种方法，可以使半导体膜均匀地结晶。

Description

半导体膜的结晶方法和显示设备的制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于薄膜晶体管的硅膜的结晶方法和制造使用上述方法的显示设备如液晶显示器或有机EL显示器的方法，尤其是涉及一种均匀多晶硅膜的结晶方法，用于获得在基板表面中具有均匀特性的薄膜晶体管。
背景技术
作为使薄膜晶体管的硅膜结晶的常规方法，公知的方法是，在约600℃的高温下、通过退火几小时对形成于玻璃基板上的非晶硅膜进行脱氢处理，然后在一个方向上用直线束状的脉冲激光对得到的非晶硅膜进行(照射)扫描以使其结晶。例如，在非专利文献，TechnicalReport of Japan Steel Works，Ltd.No.54(1998.8)，标题为“Crystallization of Amorphous Silicon with Excimer LaserAnnealing Method”中公开了上述方法。而且，在JP 2002-64060A(专利文献1)中提议了使用通过脉冲激光照射的脱氢处理来取代具有载荷施加于此的高温脱氢处理的方式。可选地，提议了一种均匀的非晶硅膜的结晶方法，其中在相互正交的方向上用线束状的脉冲激光对非晶硅膜进行扫描两次。即，在JP 10-199808A(专利文献2)中，提议了一种获得均匀的多晶硅膜的方法，其中通过一次脉冲激光扫描来结晶化受到了脱氢处理的非晶硅薄膜，然后在与一次脉冲激光扫描的方向正交的方向上通过二次脉冲激光扫描使得到的膜再熔融并使其再结晶。
为了减少液晶显示器的成本，通常在玻璃基板上提供像素区和外围电路区，并在这些区域中平行地形成了像素和外围电路。此时，存在如下问题，即多晶硅膜的颗粒直径或晶粒形状导致像素和外围电路所使用的薄膜晶体管的特性变化，其因此降低了液晶显示器的显示质量。即，在该方法中，与在现有技术中的非专利文献中一样，在一个方向上通过用线束状的脉冲激光(照射)扫描使非晶硅膜结晶以获得多晶硅膜。由于脉冲激光的能量密度、步骤和馈送上的变化，所以扫描方向上的滞后影响了多晶硅晶体的晶粒或形状。即，在与直线束的扫描方向正交的方向上产生了条形晶粒的规则性。由于上述的规则性，所以存在薄膜晶体管的特性依赖于沟道形成方向的缺陷。而且，为了获得满意的多晶硅膜，需要用约280mj/cm2或更大的相对高的能量密度的脉冲激光进行照射。由于被高能量密度的脉冲激光照射引起的氢撞击使得多晶硅膜的表面变粗糙，所以在照射之前需要减小非晶硅膜中包含的氢。为了获得上述结果，需要将膜留在约600℃的高温气氛下几小时，以减小其氢的含量。因为膜被留在高温的气氛下，所以脱氢处理需要温度上升(几小时)-保持(几小时)-温度下降(几小时)。从而，由于节拍时间的增加，就工艺来说存在负载。至于工艺方面减小载荷的方法，还提议了通过脉冲激光照射的脱氢处理，然而，利用该方法没有改善薄膜晶体管特性的上述变化。而且，通过用硅烷气体作为其主要材料的等离子体CVD淀积专利文献1中描述的非晶硅膜。由此，膜中的氢含量约为10原子％至20原子％。因此，难以设定诸如能量密度、步骤和供给的条件，上述条件是最适合作为通过脉冲激光照射的脱氢工艺的条件。即，存在如下问题，当从用于脱氢的脉冲激光提供给非晶硅膜的能量太大时，出现了撞击，另一方面，当能量太小时，没有充分地减小非晶硅膜中的氢。而且，在专利文献2中描述的方法中，其中通过一次脉冲激光扫描结晶化进行了脱氢处理的非晶硅薄膜，然后在与一次脉冲激光扫描的方向正交的方向上通过二次脉冲激光扫描使得到的膜再熔融并使其再结晶，由此获得了均匀的多晶硅膜，存在以下问题。即，由于多晶硅膜晶粒的尺寸和形状的影响，具有高结晶度的、通过一次脉冲激光扫描结晶了的多晶硅膜比非晶硅膜更难进行均匀的再熔融工艺。结果，在再结晶工艺中难以获得具有均匀晶粒的多晶硅膜。
发明内容
鉴于上述问题制作了本发明，并提供了用于在液晶显示器中所使用的薄膜晶体管的硅膜的结晶方法，且目的在于提供均匀多晶硅膜的结晶方法，用于获得一种在基板表面中具有均匀特性的薄膜晶体管。
根据本发明，提供了一种半导体膜的结晶方法，其中通过用脉冲激光扫描在多晶半导体膜中形成半导体膜，包括步骤：用第一脉冲激光扫描半导体膜；以及在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上用第二脉冲激光扫描半导体膜，其中第一脉冲激光的能量密度低于第二脉冲激光的能量密度。
在此，第一脉冲激光具有不完全熔融半导体膜的能量密度。而且，通过催化的CVD方法形成半导体膜。而且，在用第一脉冲激光扫描半导体膜的步骤中，进行半导体膜的脱氢。在此，半导体膜是主要由硅形成的膜。更具体地，半导体膜由氢含量为7原子％或更小的非晶硅薄膜组成。
而且，第二脉冲激光在与其扫描移动方向垂直的方向上提供了具有长边的线束，重合度为70％或更大，且每次的脉冲能量为从280mj/cm2至380mj/cm2的范围。而且，第一脉冲激光在与其扫描移动方向垂直的方向上提供了具有长边的线束，重合度为70％或更大，且第一脉冲激光和第二脉冲激光之间的能量差为150mj/cm2或更小。
此外，根据本发明的显示设备的制造方法包括步骤：用第一脉冲激光扫描形成于第一基板上的半导体膜；在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上用第二脉冲激光扫描半导体膜；利用由此形成的半导体膜形成薄膜晶体管；以及利用第一基板形成显示元件，其中第一脉冲激光的能量密度低于第二脉冲激光。
附图说明
在附图中：
图1A和1B是用于说明根据本发明的半导体膜的结晶方法的示意图；
图2A和2B是用于说明根据本发明的半导体膜的结晶方法的示意图；
图3是用于说明本发明中使用的半导体膜的淀积方法的示意图；
图4是示出根据本发明的薄膜晶体管的剖面结构的示意图；以及
图5是示出本发明中使用的催化剂的示意图。
具体实施方式
根据本发明，提供了一种结晶方法，其中通过用脉冲激光扫描将半导体膜形成为多晶半导体膜。该方法包括下列步骤：用第一脉冲激光扫描形成于绝缘基板上的半导体膜；在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上用第二脉冲激光扫描半导体膜，且其特征在于第一脉冲激光的能量密度比第二脉冲激光的低。利用这种结晶方法，获得了在基板表面实现了均匀结晶的半导体膜。因而，使用了结晶半导体膜的薄膜晶体管的特性变得均匀。因此，可以稳定地制造薄膜晶体管液晶显示器或有机EL显示器，而没有其显示质量的劣化。
而且，采用的是第一脉冲激光具有不能完全熔融半导体膜的能量密度。结果，通过第二激光扫描从再熔融到再结晶的工艺变得更均匀。
而且，通过催化的CVD方法形成了主要由低氢含量的硅形成的半导体膜。因而，使得用第一激光扫描对半导体膜进行脱氢处理的激光扫描照射条件的设定宽度得以扩展。因此，能够实现组合了第一激光扫描照射条件和第二激光扫描照射条件的宽频谱。从而，能够设定用于稳定地获得均匀晶体的半导体膜的激光扫描照射条件，该半导体膜主要由硅形成。
而且，本发明的显示设备的制造方法包括下列步骤：用第一脉冲激光扫描形成于第一基板上的半导体膜；在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上，用具有其能量密度高于第一脉冲激光的第二脉冲激光扫描半导体膜；利用由此形成的半导体膜形成薄膜晶体管；以及利用第一基板形成显示元件。
例如，在液晶显示设备作为该制造方法中的显示设备的情况下，该方法包括步骤：用第一脉冲激光扫描形成于第一基板上的半导体膜；在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上，用其能量密度高于第一脉冲激光的第二脉冲激光扫描半导体膜；利用由此形成的半导体膜形成薄膜晶体管；提供与薄膜晶体管的电极相连接的像素电极；在第二基板上形成相对的电极；以及在第一基板和第二基板之间的间隙中提供液晶层。此外，例如，在EL显示设备作为该制造方法中的显示设备的情况下，该方法包括步骤：用第一脉冲激光扫描形成于第一基板上的半导体膜；在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上，用其能量密度高于第一脉冲激光的第二脉冲激光扫描半导体膜；利用由此形成的半导体膜形成薄膜晶体管；提供与薄膜晶体管的电极相连接的像素电极；在具有形成于其上的像素电极的第一基板上提供EL层；以及在EL层上形成第二电极。
以下，将参考附图描述本发明的实施例。
(实施例1)
将参考图1A和1B以及图2A和2B详细地描述本发明的半导体膜的结晶方法的实施例。在此，描述了其中使用370cm×470cm×0.7mmt尺寸的玻璃基板41作为绝缘基板的实例。通过公知的等离子体CVD法、利用SiH4和H2作为原料气体，在玻璃基板上淀积500厚的非晶硅膜作为半导体膜。然后，在氮气气氛下、在600℃对非晶硅膜进行脱氢处理5小时。将对用第一脉冲激光扫描玻璃基板上的半导体膜的第一步骤进行描述。如图1A所示，第一脉冲激光30在与扫描方向正交的方向上具有长边，且由这样的光学系统组成，使得该长边具有不小于玻璃基板41的短边宽度(370cm)的长度。图1B示意性地示出了其中玻璃基板41上的非晶硅膜已被第一脉冲激光30扫描的状态。在此，准分子激光器具有：长400cm×宽180μm的尺寸；能量密度为230mj/cm2；以及使用300Hz的脉冲频率作为第一脉冲激光30，并用激光源以93％的重合度(overlap ratio)扫描玻璃基板41上的非晶硅膜以便被照射。其后，借助原子间力显微镜(以下，称为AFM)和扫描电子显微镜(以下，称为SEM)观察了玻璃基板41上的非晶硅膜。结果，在与第一脉冲激光30的扫描方向正交的方向上，发现了具有恒定间隔的光学照射滞后51。照射滞后51依赖于激光的照射条件。在该实施例的情况下，间隔约为0.2μm。
接下来，将说明用第二脉冲激光进行扫描的步骤。如图2A所示，第二脉冲激光32在与扫描方向正交的方向上具有长边，且由这样的光学系统组成，使得该长边具有不小于玻璃基板41的长边宽度(470cm)的长度。在此，准分子激光器具有：长500cm×宽180μm的尺寸；能量密度为350mj/cm2；以及使用300Hz的脉冲频率作为第二脉冲激光32，并用激光源以93％的重合度扫描玻璃基板41上的非晶硅膜以使其结晶，由此获得了多晶硅膜。在此，借助AFM和SEM观察了图2B中玻璃基板41上的多晶硅膜。结果，观察到了形成0.2μm平方的基本网格形状的具有恒定间隔的光学照射滞后52。而且，用第一脉冲激光和第二脉冲激光的照射条件作参数进行了确认实验。结果确认的是，照射滞后52依赖于激光照射条件，并通过设定第二脉冲激光的能量密度高于第一脉冲激光的能量密度来形成基本的网格形状。
在此，将参考图4描述利用根据该实施例获得的多晶硅膜构成的薄膜晶体管。首先，对形成于绝缘基板101上的多晶硅薄膜103进行了公知的隔离。然后，在形成了栅绝缘膜107和栅电极106之后，形成了通过形成于层间绝缘膜102中的接触孔105连接到多晶硅薄膜103的层间绝缘膜102和源/漏电极104。从而，完成了薄膜晶体管。注意到，省略了多晶硅薄膜103的杂质扩散步骤，因为该步骤并不直接涉及本发明且需要复杂的描述。
形成了两种类型的具有相同形状的上述薄膜晶体管，其每个在玻璃基板41的长边方向和短边方向上都具有沟道，以便关于阈值电压在其之间进行比较。结果，依赖于现有技术中沟道方向的阈值电压的变化缩小了，并且还显著地改善了在玻璃基板上形成的薄膜晶体管的阈值电压的变化。
而且，在该实施例中，在600℃进行脱氢退火处理5小时。然而，还可以通过适当地设定第一脉冲激光的能量密度来进行非晶硅膜的脱氢。在该实施例中，可以用例如180mj/cm2的能量密度进行脱氢处理。
(实施例2)
与实施例1相似，将通过参考图1A和1B以及图2A和2B描述根据该实施例的半导体膜的结晶方法。注意，将适当地省略实施例1中的重复说明。
如图1A和1B所示，借助第一脉冲激光30，其具有半导体膜未被完全熔融的范围的能量密度，来扫描玻璃基板41，在玻璃基板41上已经淀积了500厚的非晶硅膜作为半导体膜，由此将非晶硅膜形成为不完全结晶态的膜，其中其部分是非晶态。用具有能量密度例如为50mj/cm2至250mj/cm2的脉冲激光进行扫描就足够了。接下来，如图2A和2B所示，在与第一脉冲激光的扫描方向正交的方向上，以能够足以熔融半导体膜的能量密度，用第二脉冲激光32进行扫描。例如，实施例2中使用的是能量密度为330mj/cm2的脉冲激光。而且，利用脉冲光源能够完全地熔融半导体膜，该脉冲光源具有范围约为280mj/cm2至400mj/cm2的能量密度，作为第二脉冲激光。
至于在该实施例中，采用了未完全熔融半导体膜的条件作为采用第一脉冲激光的照射条件，由此用AFM和SEM观察到了在用第一脉冲激光扫描之后，图1B中示出的脉冲激光照射滞后51在半导体膜中变得更清晰。而且，在用第二脉冲激光的照射条件下，最佳能量密度的宽度在300mj/cm2至400mj/cm2的宽范围内，其示于图2A和2B中。因此，该实施例提供了用于减小半导体膜结晶的变化相对于激光的能量密度随着时间变化的有效手段。
当利用上述的结晶半导体膜在玻璃基板上形成了与实施例1中相同的薄膜晶体管时，能够进一步减小基板表面中的阈值电压的变化。
(实施例3)
将参考图3根据该实施例描述半导体膜的淀积方法。图3示意性地示出了通过催化的CVD方法淀积半导体膜的情况。通过排气口15用真空泵在真空室16中保持高真空。而且，将原料气体10从喷淋头11提供到真空室16中，原料气体10的流速通过质量流量控制器精确地控制。而且，在喷淋头11的喷射部分提供了用于热分解原料气体10的催化主体12，并从电源部分17提供电力用于加热催化主体12。在该实施例中，用作催化主体12的是通过将0.5mm厚的高纯度钨导线加工成所希望的形状获得的。用于支撑基板13的基板支架14提供有能够任意控制温度不超过600℃的机制。图5是在该实施例中使用的催化主体12的形状的示意图。用作催化主体12的是通过相对于基板的表面平行且均匀地加工0.5mm直径的高纯度钨(例如，纯度为99.999％)所获得的钨导线21。注意，省略了用于保持钨导线21形状的拉伸机构的描述。在此，将钨导线21加工成所希望的形状，以具有每单位面积(1cm2)0.09cm2的表面面积(以下，描述为0.09cm2/cm2)(参考图5)。在此，钨导线的形状并不局限于包括一连串凹陷形状，其示于图5中，并且也不需冲程成型(strokeshaped)。即，加工钨导线使得淀积在基板上的膜具有接近均匀的厚度就足够了。
利用SiH4和H2作为原料气体、通过上述的催化CVD方法淀积了具有500厚的非晶硅膜。在该实施例中的淀积条件如下：真空室16的最终压强＜1.0×10-6乇；催化主体12每单位面积的表面积约为0.12cm2/cm2；催化主体12的表面温度约为180℃；基板支架14的温度约为500℃；SiH4的原料气体10的流速为50sccm且H2的流速为10sccm；以及催化主体12和基板支架14之间的距离为40mm。在上述条件下，在约35/sec的淀积速度下获得了500厚的非晶硅膜。而且，在上述的条件下获得的非晶硅膜的氢含量为2.5原子％。给出以上的膜形成条件作为实例。在催化主体12每单位面积的表面积约为0.12cm2/cm2至0.20cm2/cm2；催化主体的温度为1600℃至2100℃；基板支架14的温度为200℃至600℃；催化主体12和基板支架14之间的距离为30mm至200mm；以及SiH4的流速为10sccm至100sccm且H2的流速为10sccm至100sccm的条件下，非晶硅膜形成有7.0％原子％或更少的氢含量。而且，通过改变条件的组合，能够形成具有氢含量从0.3原子％至7.0原子％范围内的非晶硅膜。
如上所述，利用催化的CVD方法形成了具有7.0原子％或更小的低氢含量的非晶硅膜作为半导体膜。随后，如同在实施例1和实施例2中举例说明的方法中，利用第一脉冲激光扫描和第二脉冲激光扫描使非晶硅膜结晶化，由此获得了多晶硅膜。使用低氢含量的非晶硅作为半导体膜。由此，第一脉冲激光扫描条件具有较宽的最佳条件范围，通过第二脉冲激光扫描能够进行更稳定地且更均匀的半导体膜的结晶化。因此，进一步减小了基板表面中的、以及利用结晶的半导体膜(多晶硅膜)形成的薄膜晶体管中的基板之间的阈值电压特性的变化。
(实施例4)
而且，在上述的实施例1至3中，第二脉冲激光具有在与扫描的行进方向正交的方向上具有长边的线束，并采用了70％或更大的重合度和280mj/cm2至380mj/cm2的能量密度，由此能够进行满意的半导体膜的结晶。而且，第一脉冲激光具有在与扫描的行进方向正交的方向上具有长边的线束，并采用了70％或更大的重合度、以及第一脉冲激光与第二脉冲激光之间的能量密度差为150mj/cm2或更小，由此能够如同实施例1来结晶化均匀半导体膜。
(实施例5)
利用如上形成的半导体膜形成了薄膜晶体管，如图4所示。而且，利用其上形成了薄膜晶体管的基板制造了液晶显示设备。提供了由ITO制成的透明像素电极作为薄膜晶体管的漏电极，然后在其上形成了导向膜，并对导向膜进行了导向处理。结果，形成了阵列基板。接下来，在玻璃基板上提供了滤色器，在其上形成了由ITO制成的共用电极，并且同样在其上形成了导向膜以对其进行导向处理。结果，形成了相对的基板。阵列基板和相对的基板彼此相对，液晶加在其之间的间隙中，并通过施加到其周边上的密封剂来支撑该生成物。从而，制造了液晶显示设备。
虽然是通过简单且容易的方法进行制造，但由此制造的液晶显示设备抑制了晶体管特性的变化。因此，该器件显示出了良好的显示均匀性。液晶显示设备的显示方法的实例包括TN模式、IPS模式、VA模式和ECB模式，取决于液晶的初始导向态。在本发明中，不考虑液晶显示方法也可以获得相同的效果。
(实施例6)
利用如上形成的半导体膜形成了薄膜晶体管，如图4所示。而且，利用其上形成了薄膜晶体管的基板制造了EL显示设备。提供了由ITO制成的透明像素电极作为薄膜晶体管的漏电极，然后通过蒸发在其上形成了由铜酞菁等制成的空穴注入层。同样，通过蒸发在其上层叠了由α-NPD制成的空穴传输层和由Alq制成的光发射层。接下来，还通过蒸发在其上形成了由LiF和Al制成的阴极，并利用密封剂在其上接合了用于保护元件的密封基板。结果，制造了有机EL显示设备。
虽然是通过简单且容易的方法进行制造，但由此制造的有机EL显示设备抑制了晶体管特性的变化。因此，该器件显示出了良好的显示均匀性。
而且，在该实施例中示出了用一个薄膜晶体管驱动的实例。然而，存在在电流驱动中使用有机EL显示设备的情况，且在该情况下，恒流电路可由多个晶体管组成以形成显示设备。在该情况下，理所当然需要构成该电路的多个晶体管的均匀性，且本发明中所示的晶体管的高均匀性带来了很高的效果。
如上所述，根据半导体膜结晶化的方法，可以使半导体膜均匀地结晶化。因此，存在如下效果，即在不使显示质量劣化的情况下，可以利用均匀结晶化半导体膜以高产率制造薄膜晶体管液晶显示器或有机EL显示器。
结果，能够均匀地结晶化用于液晶显示器、有机EL显示器等所使用的薄膜晶体管的硅膜，其能够减小基板表面中薄膜晶体管的特性的变化。从而，在不使显示质量劣化的条件下，可以实现显示器的稳定制造。

Claims (8)

1.一种半导体膜的结晶方法，其中通过用脉冲激光扫描将半导体膜形成为多晶半导体膜，包括如下步骤：
用第一脉冲激光扫描半导体膜；以及
在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上，用第二脉冲激光扫描半导体膜，其中第一脉冲激光的能量密度低于第二脉冲激光的能量密度。
2.根据权利要求1的半导体膜的结晶方法，其中第一脉冲激光具有不完全熔融半导体膜的能量密度。
3.根据权利要求1的半导体膜的结晶方法，其中通过催化的CVD方法形成半导体膜。
4.根据权利要求1的半导体膜的结晶方法，其中，在第一步骤中，通过用第一脉冲激光扫描进行半导体膜的脱氢。
5.根据权利要求1的半导体膜的结晶方法，其中半导体膜由氢含量为7原子％或更小的非晶硅薄膜构成。
6.根据权利要求1的半导体膜的结晶方法，其中：
第二脉冲激光在与第二脉冲激光的扫描行进方向垂直的方向上提供了具有长边的线束；以及
用70％或更大的重合度以及范围为从280mj/cm2至380mj/cm2的每次的脉冲能量进行照射。
7.根据权利要求6的半导体膜的结晶方法，其中：
第一脉冲激光在与第一脉冲激光的扫描行进方向垂直的方向上提供了具有长边的线束；以及
用70％或更大的重合度进行照射，且第一脉冲激光和第二脉冲激光之间的能量差为150mj/cm2或更小。
8.一种显示设备的制造方法，包括如下步骤：
用第一脉冲激光扫描形成于第一基板上的半导体膜；
在与第一脉冲激光的扫描方向基本正交的方向上，用第二脉冲激光扫描半导体膜；
利用半导体膜形成薄膜晶体管；以及
利用第一基板形成显示元件，其中第一脉冲激光的能量密度低于第二脉冲激光的能量密度。
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