專利名稱：硅薄膜晶體管及其制造方法以及顯示屏的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅薄膜晶體管及其制造方法以及包括它的顯示屏。
背景技術(shù)：
硅薄膜晶體管可用在許多領(lǐng)域中，包括平板顯示屏(如有源矩陣液晶顯示屏和具有有機(jī)發(fā)光層的有源矩陣顯示屏)的領(lǐng)域。在這些屏中，每個像素或光點(diǎn)由硅薄膜晶體管控制，因此用術(shù)語“有源矩陣”表示。目前，平板有源矩陣液晶顯示屏中的絕大部分是使用氫化無定形硅制造的，用于激活和鈍化像素的裝置中，也寫成α-Si:H。但是，氫化無定形硅顯示出有限的載流子遷移率(carrier mobility)，因此，不可能以可靠的方式用來制造屏幕的激活、鈍化和尋址電路。
因此，該領(lǐng)域的技術(shù)人員建議使用基于多晶硅的薄膜晶體管，其載流子遷移率超過基于無定形硅的薄膜晶體管有源裝置的載流子遷移率的兩個數(shù)量級。因此，基于多晶硅的薄膜晶體管不僅能集成外圍控制電路和屏幕，也能得到更好的分辨率。
目前，基于多晶硅的薄膜晶體管通過在基材上沉積一層無定形硅制造，然后通過用準(zhǔn)分子激光器輻照它來結(jié)晶組成所述薄膜的硅。但是，所述方法有一些缺陷。首先，所述激光能量的數(shù)量有限，且非常昂貴。例如，目前，工業(yè)激光器的能量限制是小于1焦耳，頻率為300Hz。這種缺陷對于大面積基材特別明顯。為了保持相同的激光通量(即每單位面積的激光能量)，以結(jié)晶大的表面積，所述激光必需能傳遞更大數(shù)量的能量。第二，所述硅粒的尺寸需要提高，以得到更好的集成。不幸的是，為了提高硅粒的尺寸，所述硅凝固的速率必需下降，這樣做后，必須防止熱量從熔融硅薄膜流入所述冷卻的基材。
為了解決上述問題，已經(jīng)提出了一些方法，但是，不幸的是，并不能讓人滿意。一種建議是加熱所述基材，但是這由基材通常由玻璃制成這個事實限制，這種加熱最高限制到約400℃。而且，也有些人提供使用激光器來傳遞雙脈沖和雙光束，所述基材的兩面都有來自準(zhǔn)分子激光器的光束輻照。其他方法是使用結(jié)晶二氧化硅的阻隔層，所述二氧化硅的密度接近于其理論密度，所述阻隔層插在所述基材和硅薄膜之間。所述致密結(jié)晶層的熱阻隔作用并不是很充分。因此，對此并不滿意，從而完成了本發(fā)明。
發(fā)明概述為了克服上述缺陷，本發(fā)明提供了多晶硅薄膜晶體管，它包括基材；直接沉積在所述基材上的多孔二氧化硅阻隔層；已經(jīng)形成為多晶的硅薄膜，它直接沉積在所述阻隔層上。所述硅薄膜晶體管具有尺寸提高且均勻的細(xì)粒，從而使熱量不從組成所述薄膜的熔融硅流入所述硅薄膜晶體管的基材。因此，本發(fā)明描述了以下方法將阻隔層放在所述基材和所述硅薄膜之間，所述阻隔層由多孔材料制成，且導(dǎo)熱性低于所述基材的導(dǎo)熱性。所述硅薄膜的厚度范圍為約50-80納米。所述薄膜的多晶硅細(xì)粒的尺寸為約1微米(μm)，所述基材由玻璃制成。所述阻隔層的厚度范圍為約150-1000納米(nm)，優(yōu)選為約400-600納米。所述阻隔層的孔隙率范圍為20-90％，優(yōu)選為約30-60％。
本發(fā)明也提供了制造上述硅薄膜晶體管的方法。所述方法包括下述步驟a)直接將多孔二氧化硅阻隔層沉積在基材上；b)將多孔硅薄膜直接沉積在所述阻隔層上；c)使用激光器輻照所述硅薄膜，得到多晶硅薄膜。
任選地，在步驟b)和步驟c)之間，所述方法還包括使無定形硅的薄膜硅脫氫。
優(yōu)選地，使用溶膠-凝膠方法沉積所述無定形硅阻隔層，使用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積來沉積步驟b)中的無定形硅薄膜。所述硅薄膜的厚度范圍為約20-80納米。
本發(fā)明也提供了一種顯示屏，它包括至少一種本發(fā)明的硅薄膜晶體管，或者由本發(fā)明方法制成的硅薄膜晶體管。本發(fā)明也提供了一種制造顯示屏的方法，它包括制造本發(fā)明的硅薄膜晶體管的方法。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)可參見下述詳細(xì)描述。前述概述和下述詳細(xì)說明和實施例僅僅是本發(fā)明的示例性描述，只是提供了理解本發(fā)明的一般看法。
附圖簡述參照下述附圖，可更好地理解本發(fā)明，其他目的和優(yōu)勢可通過以下描述更清晰的顯現(xiàn)。


圖1描述了硅薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)，它可進(jìn)行輻照。
圖2描述了輻照后得到的多晶硅薄膜晶體管。
本發(fā)明的詳細(xì)說明在制造本發(fā)明的硅薄膜晶體管過程中，所述方法的第一步包括如圖所示，在基材(1)上沉積多孔材料的阻隔層(2)，所述阻隔層(2)的導(dǎo)熱性低于所述基材(1)的導(dǎo)熱性。優(yōu)選地，所述基材是玻璃基材，更優(yōu)選基材由鋁硅酸鹽、硼硅酸鹽、或鋁-硼硅酸鹽(如Corning 1737玻璃)制成的基材。
特別適用于形成阻隔層2的材料是孔隙率為約20-90％的二氧化硅(SiO2)。如果所述孔隙率小于20％，那么所述層2的熱阻隔效率就會變差，所述層2需要增厚。如果所述孔隙率大于90％，那么所述層2就會變脆，且很難加工，盡管對于大于90％的孔隙率來說，所述熱阻隔效率是優(yōu)秀的。所述阻隔層2的孔隙率優(yōu)選為約30-60％。在該范圍內(nèi)，阻隔層2在所述熱阻隔效率、脆性和厚度之間具有最好的平衡。
所述阻隔層2的孔隙率使用下式計算 其中n是所述多孔材料的折射率，nd是所述致密材料的折射率。所述材料的折射率由分子探針橢圓偏光儀測得，所述分子探針橢圓偏光儀可參見F.Horowitz撰寫的文章，題目“Towards better control of sol-gel film processing foroptical device applications”(出版在Journal of Non-linear Optical Physicsand Material，1997年第6卷，第1期)的第7-13頁所述。
多孔二氧化硅的阻隔層2優(yōu)選根據(jù)溶膠-凝膠方法沉積，且優(yōu)選由無定形二氧化硅組成。優(yōu)選地，所述阻隔層2的厚度范圍為約400-600納米。當(dāng)所述阻隔層2的厚度為約150-1000納米時，我們吃驚地發(fā)現(xiàn)所述阻隔層甚至可用作緩沖層來抵抗熱傳遞。所述阻隔層的作用是特別有利的，特別是在制造平板顯示屏?xí)r。
一樣吃驚的是，雖然其是多孔的，但是所述阻隔層2不僅能用作熱屏障，也能用作化學(xué)屏障。在電場效應(yīng)或熱效應(yīng)下，所述阻隔層2可防止組成所述基材或位于所述阻隔層之上或之下的任何其它層的元素遷移到其它層中。
在本發(fā)明薄膜晶體管的制造方法的第二步驟中，包括將一層無定形硅(圖1中的附圖標(biāo)記4)直接沉積到所述阻隔層2上。優(yōu)選地，無定形硅4的薄膜的厚度范圍為約20-80納米。優(yōu)選地，其厚度為50-80納米。
本發(fā)明制造多晶硅薄膜晶體管的方法的任選第三步驟包括使得到的層疊結(jié)構(gòu)脫氫，具體是使所述無定形硅脫氫。優(yōu)選地，該步驟是如下進(jìn)行的，即在氮?dú)鈿夥罩?，?小時內(nèi)將所述結(jié)構(gòu)加熱到450℃。
本發(fā)明制造多晶硅薄膜晶體管的方法的第四步驟如圖1所示，它使用了激光(圖1中的附圖標(biāo)記5)輻照無定形硅的薄膜(圖1中的附圖標(biāo)記4)，以結(jié)晶所述硅。
盡管本發(fā)明的晶體管由包括基材1、沉積在所述基材上的阻隔層2和直接沉積在所述阻隔層2上的多晶硅薄膜3的疊層組成，但是所述多晶硅層3并沒有以一層已經(jīng)是多晶體的硅的形式直接沉積在所述阻隔層2上，而是以一層無定形硅(它隨后變成多晶體)的形式沉積。
所述結(jié)晶優(yōu)選使用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行，所述準(zhǔn)分子激光器具有能使所述無定形硅層只在所述表面上熔化的優(yōu)點(diǎn)，從而可降低所述阻隔層2的厚度。
目前有幾種不同類型的準(zhǔn)分子激光器，它們以五種不同的波長工作，這取決于所用的氣體F2(157納米)；ArF(193納米)；KrF(248納米)；XeCl(308納米)；和XeF(351納米)。所述KrF波長(248納米)和XeCl波長(308納米)優(yōu)選用在本發(fā)明中，因為這些波長最接近硅的吸收系數(shù)。
目前有兩種用308納米激光使硅結(jié)晶的方法單發(fā)方法和掃描表面的方法，也稱為多發(fā)方法。
所述單發(fā)方法可能通過使用非常高能量的激光器完成，所述高能量能在一次發(fā)射中處理5平方厘米(5厘米×5厘米)。這種激光器是市售的，具體是CompanySOPRA。作為一般規(guī)律，這種激光器的脈沖持續(xù)時間是200納秒(ns)。對于這種類型的激光器，結(jié)晶所述硅的所需的通量就非常高。
所述多發(fā)或表面掃描方法可使用XeCl激光器，其脈沖持續(xù)時間為約20-30納秒。這種激光器比SOPRA賣的激光器功率要小。使用特殊光學(xué)單元進(jìn)行表面掃描，所述特殊光學(xué)單元能使長30-40厘米、寬小于1毫米(mm)的光帶掃描要加工的板。
因此，在本發(fā)明中，優(yōu)選使用在248納米或308納米下工作的準(zhǔn)分子激光器，以結(jié)晶無定形硅的薄膜。然而，更優(yōu)選使用在308納米下工作的準(zhǔn)分子激光器。
優(yōu)選使用多發(fā)輻照方法。
由于存在所述阻隔層2，就有可能進(jìn)行這種多發(fā)輻照。另外，所述阻隔層2能使所有無定形硅層4中的熱量保存起來，從而降低需要由所述激光器提供的通量(必需的每單位面積光能量)，因此能降低制造這種多晶硅薄膜晶體管的成本。
然而，在可見光下工作的激光器也可用來輻照所述硅薄膜，盡管在這些條件下必須提高所述阻隔層2的厚度。
準(zhǔn)分子激光器具有許多毛病，如高維持成本、光束穩(wěn)定性的問題、光學(xué)系統(tǒng)的壽命。
也可使用在可見光區(qū)域(主要在綠光區(qū)域)操作的激光器(如Nd:YAG激光)。但是，在這些條件下，在綠光區(qū)域中的硅吸收通常優(yōu)選使用更厚的硅薄膜，例如厚度為250納米的薄膜，然后對于在248納米或308納米工作的準(zhǔn)分子激光器，所述硅薄膜的厚度通常為20-80納米。
無定形硅薄膜4可通過任何方法沉積，但優(yōu)選用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積方法來沉積。
輻照后，得到了圖2所示的結(jié)構(gòu)，即圖2中附圖標(biāo)記1表示的結(jié)構(gòu)，優(yōu)選由Corning 1737玻璃制成，它具有直接沉積在其上面的附圖標(biāo)記2表示的阻隔層，優(yōu)選由無定形和多孔二氧化硅制成，所述載體層2本身用多晶硅薄膜(附圖2中的附圖標(biāo)記3表示)直接涂覆。
所述層3中的硅細(xì)粒的尺寸大于或等于1微米，在本發(fā)明中，令人吃驚地發(fā)現(xiàn)，通過使用比在現(xiàn)有技術(shù)方法(其中使用由非多孔性二氧化硅制成的阻隔層)中得到相同尺寸硅細(xì)粒所需的通量少至少30％來得到。
本發(fā)明制造方法的以下步驟是以制造多晶硅薄膜晶體管中的常規(guī)方法進(jìn)行的，由以下步驟組成沉積必需的層，以得到所需的晶體管。
為了更好地理解本發(fā)明，以下是純粹用來說明和非限制性的實施例實施例1如圖1所示，所述基材1是Corning 1737玻璃基材。它厚1毫米。使用溶膠-凝膠方法，將孔隙率為50％的無定形硅的阻隔層2沉積在所述基材1上。所述阻隔層2的厚度為150納米。得到層2全部適合處理，它僅使用150納米的厚度就能得到優(yōu)良的熱和化學(xué)阻隔。此后，使用等離子體輔助化學(xué)氣相沉積在所述阻隔層2的自由表面上沉積一層無定形硅4。無定形硅層4厚55納米。
此后，無定形硅層4在氮?dú)鈿夥罩小?50℃下脫氫1小時。
然后，使用在248納米下工作的、具有持續(xù)時間為20納秒的脈沖的KrF準(zhǔn)分子激光器(layer)在所述無定形硅層4上進(jìn)行多發(fā)輻照，從而結(jié)晶所述硅層4。需要由每單位面積激光提供的光能量(即通量)是160毫焦/平方厘米(mJ/cm2)。
這導(dǎo)致多晶硅薄膜3的細(xì)粒大小為1微米。所述細(xì)粒尺寸均勻。之后，沉積隨后的層。
比較例1制造現(xiàn)有技術(shù)的薄膜晶體管。為此，孔隙率低于2％的晶體二氧化硅層沉積在1毫米厚的Corning 1737玻璃基材。所述層的厚度為150納米。之后，如實施例1所示，無定形硅層沉積在在所述致密晶體二氧化硅層的自由表面上。所述無定形硅在氮?dú)鈿夥罩小?50℃下脫氫1小時。之后，無定形硅通過使用多發(fā)輻照結(jié)晶，所述多發(fā)輻照使用了在248納米下工作的、具有20納秒持續(xù)時間脈沖的KrF準(zhǔn)分子激光器(layer)。由所述激光器提供的通量(為了得到均勻粒度為1微米的硅細(xì)粒)為220毫焦/厘米2。接著沉積隨后的層。
實施例2所述程序與實施例1相同，但是使用在308納米下工作的XeCl激光器，以結(jié)晶無定形硅層4的硅。如實施例1所示，制得均勻尺寸約1微米的細(xì)粒多晶硅層3。然而，為了得到這種尺寸的細(xì)粒，所用XeCl激光器的通量為210毫焦/厘米2。
比較例2所述程序與實施例2相同，不同的是所述阻隔層2是非多孔二氧化硅層，即具有小于2％的孔隙率，且厚度為150納米。所用XeCl激光器的通量(為了使多晶硅層3的均勻粒徑約為1微米)是300毫焦/厘米2。
從上述實施例和比較例中可看出，通過使用本發(fā)明的阻隔層，得到給定尺寸的多晶硅細(xì)粒所需的激光通量小于使用非多孔硅的阻隔層所需的通量。
通常，在其他使用別的類型的激光器的實施例中，尤其是在準(zhǔn)分子激光器中，本發(fā)明阻隔層的存在使由激光器提供的通量(用來結(jié)晶無定形硅薄層的硅)減少至少30％。
從實施例1和2可以看出，使用KrF激光器對于通量來說更有利。
不管這些，從工業(yè)觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選在本發(fā)明中使用XeCl激光器，因為XeCl激光器是更廣泛使用的，這是因為它們的可靠性和壽命更好。
自然地，本發(fā)明并沒有局限于所述實施方式。除了多孔和無定形硅之外的任何材料都可用來形成所述阻隔層，對該層的限制僅僅是它應(yīng)由與基材材料和組成本發(fā)明薄膜晶體管的硅相容的材料制成，以及所述材料的導(dǎo)熱性應(yīng)小于所述基材的導(dǎo)熱性。
相同地，當(dāng)所述阻隔層由無定形和多孔二氧化硅制成時，除了溶膠-凝膠方法之外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何沉積方法都可使用，沒有超出本發(fā)明的范圍。即，本發(fā)明覆蓋了所述方法的任何技術(shù)等同物以及它們的組合，且它們都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。但是，薄膜晶體管用的基材不一定是玻璃。例如，所述基材可以是塑料或金屬材料，其條件僅是它能經(jīng)受住制造晶體管的過程中所用的溫度。
通過實施例可詳細(xì)和概括地描述本發(fā)明。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，本發(fā)明并不局限于所述具體實施方式
中。在沒有離開由下述權(quán)利要求書和它們的等價物(包括目前已知的或帶開發(fā)的等價組件，它們可用在本發(fā)明的范圍內(nèi))所限定的本發(fā)明的范圍條件下，可作出各種改進(jìn)和變化。因此，除非這些變化離開了本發(fā)明的范圍，否則這些變化都應(yīng)該包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅薄膜晶體管，它包括-基材；-直接沉積在所述基材上的多孔二氧化硅SiO2阻隔層；-已經(jīng)變成多晶體的硅薄膜層，它直接沉積在所述阻隔層上。
2.如權(quán)利要求1所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述阻隔層的孔隙率范圍為20-90％。
3.如權(quán)利要求2所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述阻隔層的厚度范圍為30-60％。
4.如權(quán)利要求1所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述阻隔層的厚度范圍為150-1000納米。
5.如權(quán)利要求4所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述阻隔層的厚度范圍為400-600納米。
6.如權(quán)利要求1所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述薄膜的厚度范圍為20-80納米。
7.如權(quán)利要求6所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述薄膜厚度范圍為50-80納米。
8.如權(quán)利要求1所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述薄膜中的所述多晶硅細(xì)粒的尺寸大于或等于1微米。
9.如權(quán)利要求1所述的硅薄膜層晶體管，其特征在于所述基材由玻璃制成。
10.一種制造硅薄膜晶體管的方法，所述方法包括以下步驟a)在基材上直接沉積多孔二氧化硅阻隔層；b)在所述阻隔層上直接沉積無定形硅薄膜；c)使用激光器輻照所述無定形硅薄膜，得到多晶硅薄膜。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟b)和步驟c)之間，所述方法還包括使所述無定形硅薄膜脫氫的步驟。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟a)中，所述多孔硅阻隔層通過溶膠—凝膠方法沉積。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟b)中，所述無定形硅薄膜通過等離子體輔助化學(xué)氣相沉積方法沉積。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，在步驟c)中，輻照是用準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行的。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在步驟c)中，輻照是在248納米或308納米條件下操作的。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，步驟c)是用在308納米下工作的準(zhǔn)分子激光器進(jìn)行的。
17.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述阻隔層的厚度范圍為約150-1000納米。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于所述阻隔層的厚度范圍為約400-600納米。
19.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述阻隔層的孔隙率范圍為約20-90％。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于所述阻隔層的孔隙率范圍為約30-60％。
21.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述無定形和多晶硅薄膜的厚度范圍都為約20-80納米。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于所述無定形和多晶硅薄膜的厚度范圍都為50-80納米。
23.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于所述基材由玻璃制成。
24.一種顯示屏，其特征在于它包括如權(quán)利要求1或10所述的至少一個多晶硅薄膜晶體管。
25.一種制造顯示屏的方法，其特征在于它包括如權(quán)利要求10所述制造多晶硅薄膜晶體管的方法。
全文摘要
第一方面，本發(fā)明提供了一種硅薄膜晶體管，它包括基材；直接沉積在所述基材上的多孔二氧化硅SiO
文檔編號H01L29/66GK1685521SQ03822521
公開日2005年10月19日 申請日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月24日
發(fā)明者B·達(dá)馬尼, G·古斯曼, S·麥克肯 申請人:康寧股份有限公司