多晶硅的制造方法

专利名称：多晶硅的制造方法
技术领域：
本发明涉及适用于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED) 等中所使用的薄膜晶体管(TFT)中的多晶硅薄膜的制造，更详细地 说是涉及在通过金属诱导结晶化方式形成多晶硅的薄膜时可以防止 金属污染并提高TFT的特性的多晶硅薄膜的制造方法。
背景技术：
TFT大致分为非晶质硅TFT和多晶硅TFT。 TFT的特性通过电 子迁移率的值来评价。非晶质硅TFT的电子迁移率大约为lcm2/Vs、 多晶硅TFT的电子迁移率大约为100cm"Vs左右，因此优选在高性 能的LCD中采用多晶硅TFT。多晶硅TFT按照如下的步骤来制造 在玻璃或石英等透明基板上蒸镀非晶质硅并使其多结晶化后，形成 栅极氧化膜和栅极，然后在源极和漏极中注入掺杂剂后形成绝缘 层，从而制造多晶硅TFT。在制造多晶硅TFT时，主要的工艺为使非晶质硅的薄膜多结晶 化的工序。特别优选降低结晶化温度。结晶化温度非常高时，则制 造TFT时存在不能使用熔点低的玻璃基板，TFT的制造成本大大增 加的问题。考虑到使用这种玻璃基板的可能性，最近提出了可以在 低温下短时间内形成多晶硅的薄膜的以下各种工序。准分子激光结晶化方法作为利用瞬间激光照射将非晶质硅熔融 而使其重结晶的方法，具有以下优点可以防止急速加热所导致的 玻璃基板的损伤，且多晶硅的结晶性优异。但是，具有重现性降低、 装备结构复杂的缺点。急速热处理法为利用IR灯将非晶质硅进行急速热处理的方法， 具有生产速度快、生产成本低的优点，但具有急速加热所导致的热
冲击和玻璃基板发生变形等缺点。金属诱导结晶化(MIC)法为在非晶质硅上涂布Ni、 Cu、 Al等 金属催化剂、并在低温下诱导结晶化的方法，具有可以在较低温度 下结晶化的优点，但具有由于活化区域所含的相当量的金属而导致 泄漏电流大大增加的缺点。金属诱导侧面结晶化(MILC)法是为了防止MIC方法中所发 生的金属污染而开发的方法，该方法是在源极/漏极区域上蒸镀金 属催化剂，从而优先地诱导MIC，然后将其作为晶种而使多晶硅在 栅极下部的活化区域的侧面上生长。MILC法与MIC法相比，具有 生长在侧面的结晶化区域上金属污染少的优点，但仍然残留泄漏电 流的问题。泄漏电流的发生会引起使充电于显示器(LCD等)各像 素的数据电压发生改变的问题等，从而全面地降低显示器的特性。这样，TFT制造时的金属导入具有降低非晶质硅的结晶化温度、 从而可以使用玻璃基板的优点，但相反地，由于还具有由于金属污 染而降低TFT的特性的缺点，因此将金属催化剂导入到非晶质硅的 薄膜中时，导入量的调节非常重要。即，当为了降低结晶化温度而 非常多地导入金属催化剂时，会发生金属污染等严重的问题。当为 了防止这种金属污染的问题而非常少地导入金属催化剂时，则不能 实现导入金属催化剂的原本目的即降低结晶化温度。结果，最优选 在尽量少地导入金属催化剂的量的同时降低结晶化温度。通常，作为在制造TFT时在非晶质硅的薄膜上导入金属催化剂的 方法，使用溅射法或旋涂法等，特别是由于金属涂布过程的容易性等 理由，主要使用溅射法。但是，在以往的溅射法中，无法尽量小地调 节导入在非晶质硅薄膜上的金属催化剂的量。例如，利用溅射法涂布 金属催化剂时，当想要尽量减小其涂布量时，必须尽量小地维持涂布 速度和涂布时间等。但是，具有在涂布速度和涂布时间非常小的区域 中非常难以恒定地维持涂布条件的问题
发明内容
为了解决上述现有技术的问题而完成的本发明的目的在于，提供 在通过金属诱导结晶化方式进行硅的结晶化时，可以在降低结晶化温度的同时使金属污染最小化、从而能够提高TFT的特性的多晶硅的制 造方法。为了达成上述目的，本发明的多晶硅的制造方法的特征在于包含以下步骤(a) 在非晶质硅上供给含有金属的源气体的步骤；(b) 通过调节吸附压力、吸附时间和吸附温度中的至少一个来 使规定量的源气体吸附在上述非晶质硅上的步骤；(c) 将上述(b)中未吸附于上述非晶质硅上的源气体除去的步骤；(d) 在吸附有源气体的上述非晶质硅上供给辅助气体的歩骤；(e) 通过吸附在上述非晶质硅上的源气体与上述辅助气体发生 反应，从而最终在上述非晶质硅上吸附规定量的金属的步骤；以及(f) 对吸附有上述金属的非晶质硅进行热处理的步骤。而且，为了达成上述目的，本发明的多晶硅的制造方法的特征在 于包含以下步骤(a) 在非晶质硅上供给含有金属的源气体的步骤；(b) 通过调节吸附压力、吸附时间和吸附温度中的至少一个来 使规定量的源气体吸附在上述非晶质硅上的步骤；(c) 将上述(b)中未吸附于上述非晶质硅上的源气体除去的 步骤；以及(d) 对吸附有上述源气体的非晶质硅进行热处理的步骤。 上述源气体可以包含Ni、 Al、 Ti、 Ag、 Au、 Co、 Sb、 Pd、 Cu中的任意l个或2个以上。上述源气体可以是Ni(cp)2或Ni(dmamb)2中的任意一个。 上述辅助气体可以包含H2、 NH3等还原性气体、02、 N20、 H20、 臭氧等氧化性气体、Ar、 N2等不活泼性气体。 上述吸附温度可以为常温 250'C的范围。在上述(b)中，可以使源气体以覆盖率小于1的比例吸附于上 述非晶质硅上。在上述(f)中，热处理温度为400~700°C、热处理时间为1~10 小时、热处理气氛为包含Ar、 Ne、 He、 N2气体的不活泼性气体气 氛。上述(d)中，热处理温度为400~700°C、热处理时间为1~10 小时、热处理气氛为选自包含Ar、 Ne、 He、 N2气体的不活泼性气 体气氛，02、 N20、 H20、臭氧等氧化性气体气氛及H2、 NH3等还原 性气体气氛中的至少一个。本发明的发明人认识到上述以往溅射法的问题后，为了解决这种 问题进行了努力研究，结果为了微细地调节导入在非晶质硅上的金属 浓度，着眼于使金属催化剂化学地吸附的方法(化学吸附)是有利的 这一点，从而想到了本发明。因此，本发明的主要特征在于为了将尽 量少的浓度的金属催化剂导入到非晶质硅上，使用化学吸附方法作为 其导入方法。这里，所谓的吸附是指气体、液体的分子、原子、离子 等吸附于固体表面的现象。此时，将固体与气体发生化学结合、从而 发生吸附这 一现象称作化学吸附。本发明的多晶硅的制造方法具有以下效果可以适当地调节吸附 在非晶质硅薄膜上的金属的量，在降低非晶质硅结晶化时的结晶化温 度的同时防止金属所导致的污染，从而提高多晶硅TFT的特性。另外，本发明的多晶硅的制造方法具有可以适用于大面积的基 板、增加LCD等平板显示器的生产率、并降低生产成本的效果。
具体实施方式
以下详细地说明本发明的实施方式。第一，说明在本发明的第1实施方式中将金属吸附在非晶质硅 薄膜上后，对其进行热处理，从而形成多晶硅的薄膜的方法。首先，准备形成有非晶质硅薄膜的玻璃基板，并配置在金属吸附过程所进行的反应室(chamber)内。这里，玻璃基板在例如LCD 等的情况下，相当于形成有TFT的TFT基板。配置玻璃基板后，按 照反应室内的基本压力达到lOOmToir左右的方式利用真空泵使反应室排气。然后，将相当于吸附在非晶质硅薄膜上的金属的原料的源气体 (金属有机化合物)供给至非晶质硅的薄膜上。 一般来说，由于金 属有机化合物在常温下以固体或液体的形态存在，因此金属有机化 合物在加热至高于常温的温度后发生源气体化。此时，金属有机化 合物可以包含Ni、 Al、 Ti、 Ag、 Au、 Co、 Sb、 Pd、 Cu中的任意1 个或2个以上的金属。本发明中使用的金属有机化合物含有镍作为 金属，使用Ni(cp)2[二茂镍(II); Nickelocene]或Ni(dmamb)2[l-二甲胺 基-2-甲基-2-丁醇盐]。在源气体供给步骤中，按照源气体可以顺畅地供给至非晶质硅 薄膜上的方式(即源气体的迁移率提高的方式)，可以一起供给载 气。作为载气，可以使用Ar、 Ne、 He、 N2中的任意1个或2个以 上的不活泼性气体。但是，当源气体的迁移率充分时，也可以不使 用载气。接着，所供给的源气体(金属有机化合物)吸附在非晶质硅的 薄膜上。例如，使用Ni(cp)2或Ni(dmamb)2作为源气体时，这些金属 有机化合物直接吸附在非晶质硅的薄膜上。本发明中，通过将玻璃 基板保持在含有金属有机化合物的气体气氛下的反应室内，金属有 机化合物吸附在形成于玻璃基板上的非晶质硅的薄膜上。该过程为 金属有机化合物的金属(例如镍)化学地吸附于非晶质硅薄膜的硅 上的化学吸附过程。但是，在实际的吸附过程中，也可以有金属物 理地吸附于非晶质硅薄膜上的情况。这种物理吸附的金属也可以发 挥降低硅的结晶化温度的催化剂作用。
所吸附的金属有机化合物的量(吸附浓度)受到吸附所进行的 反应室内的气体压力(吸附压力)、压力所维持的时间(吸附时间) 和非晶质硅薄膜的温度(吸附温度)等的直接影响。因此，当适当 地控制吸附压力、吸附时间和吸附温度时，可以微细地调节吸附浓 度。首先，可以控制吸附压力来调节金属有机化合物的吸附浓度。 由于吸附压力与供给至非晶质硅薄膜上的源气体的流量直接相关， 因此当减少源气体的供给流量时，吸附压力减少，由此吸附浓度可 以减少。与此相对，当增加源气体的供给流量时，吸附浓度可以增 加。另外，吸附压力可以通过调节流入到吸附所进行的反应室内的 气体的总流量和从反应室内排出的气体的总流量来进行控制。例 如，通过调节流入到反应室内的气体总流量与从反应室内排出的气 体总流量之差来控制吸附压力，由此可以控制吸附浓度。当然，上 述方法还包括在反应室的内部到达规定的吸附压力时，关闭反应室 以控制吸附压力的方式。通过控制吸附时间，也可以调节金属有机化合物的吸附浓度。 例如越縮短维持吸附压力的吸附时间，越可以减少金属有机化合物 的吸附浓度。另外，当控制吸附温度时，可以调节吸附浓度。 一般来说，吸 附过程中需要规定的热能，因此当降低吸附温度时，金属有机化合 物的吸附浓度可以减少。但是，当吸附温度非常低时，有可能从开 始就不会产生吸附现象本身，当吸附浓度非常高时，则也有所吸附 的金属有机化合物从非晶质硅的薄膜分离的可能性。最好在吸附步骤开始前，将非晶质硅薄膜的温度维持在规定的吸附温度。吸附温度优选维持在100 250'C的范围内。根据源气体的种类，在吸附时完全不需要热能时(例如可以常温吸附时)，将吸附 温度控制为常温即可。
另一方面，当将结晶化了的硅适用于TFT等时，为了防止金属 污染所导致的半导体或显示器的特性降低，也有必须将吸附浓度最 小化的情况。因此，有必要按照金属以小于1个原子层的比例吸附 在非晶质硅薄膜上的方式进行调节。这里，所谓的小于1个原子层是指利用金属催化剂的1个原子层无法完全覆盖非晶质硅薄膜的整 个面积的情况，即金属并非连续地吸附在整个非晶质硅的薄膜上、 而是随处不均匀地吸附的情况(覆盖率<1)。此时，本发明的金属吸 附装置IO通过控制吸附压力、吸附时间和吸附温度中的至少一个而 可以微细地调节吸附浓度，因此具有可以按照上述覆盖率小于1的 方式来调节吸附浓度的优点。接着，使吸附步骤中未吸附于非晶质硅薄膜上的源气体(金属 有机化合物)从反应室中排出(清除，日文原文为"77-—")而 除去。在该过程中排出的源气体中可以含有最初已吸附在非晶质硅 薄膜上、但其吸附程度弱(例如物理吸附于非晶质硅薄膜上的源气 体)、从非晶质硅薄膜分离而除去的源气体。当该步骤结束时，使源气体(金属化合物)吸附在非晶质硅薄膜上的过程结束。此时，可 以使用于源气体的顺畅移动的载气流入以用于源气体的排出。然后，使金属吸附在非晶质硅薄膜上的过程为使吸附在非晶质 硅薄膜上的金属有机化合物与辅助气体发生反应而除去金属有机化 合物中的有机化合物的过程。因此，将辅助气体供给至吸附有金属 有机化合物的非晶质硅薄膜上。如此供给的辅助气体与吸附在非晶 质硅薄膜上的金属有机化合物发生反应，最终使金属吸附在非晶质 硅薄膜上。例如，使作为源气体的Ni(cp)2与辅助气体发生反应而除 去cp成分，从而Ni吸附在非晶质硅薄膜上[即，Ni(cp)2+H2—Ni十 mCnH2n+2]。本发明中，作为辅助气体，可以使用H2、 NH3等还原性 气体，02、 N20、 H20、臭氧等氧化性气体，Ar、 N2等不活泼性气 体。接着，将通过源气体和辅助气体的反应结果而产生的副产物气 体从反应室中排出(清除)而除去。当该步骤结束时，使金属吸附 在非晶质硅薄膜上的过程结束。此时，可以使用于源气体的顺畅移 动的载气流入以用于副产物气体的排出。以下说明对吸附有金属的非晶质硅薄膜实施热处理、从而制造 多晶硅薄膜的过程。该过程为通过上述金属诱导结晶化方式使硅结 晶化的过程，还有通过吸附于非晶质硅薄膜上的金属催化剂而将硅 的结晶化温度降低至玻璃基板可以使用的程度的情况。首先，本发明的热处理通过使吸附有金属的非晶质硅薄膜保持 在维持于规定热处理温度的反应室内而进行。这里，反应室有时是 与金属有机化合物的吸附步骤中所使用的反应室相同的反应室，有 时是另外的其它反应室。即，有在一个反应室内进行吸附和热处理 过程全部的情况，也有分别在不同反应室内进行吸附和热处理过程 的情况。热处理温度优选为400 70(TC的范围。热处理温度非常低时，则 结晶化所需要的时间变长，因此必须考虑与生产率(处理量)相关 的问题，当热处理温度非常高时，则必须考虑与玻璃基板变形相关 的问题。热处理时间优选为1 10小时的范围。当热处理时间非常短 时，则必须考虑非晶质硅的结晶化变差的问题，当热处理时间非常 长时，则必须考虑生产率问题。热处理时的气氛优选为不活泼性气 体气氛。此处，作为使用的不活泼性气体，包含Ar、 Ne、 He、 N2 气体。由此，通过第1实施方式形成TFT用多晶硅薄膜的过程完成。 本发明中，通过尽量地减少用于降低结晶化温度而导入的金属浓 度，具有以下优点可以显著地减少TFT的金属污染，可以提高TFT 的性能和采用其的半导体或显示器的各种特性。第二，说明在本发明的第2实施方式中将金属有机化合物吸附 在非晶质硅薄膜上后对其进行热处理、从而形成多晶硅薄膜的方 法。本发明的第2实施方式中，直至将金属有机化合物吸附在非晶 质硅薄膜上的步骤之前，与第1实施方式是相同的。即，本发明的
第2实施方式为通过与第1实施方式相同的方法使金属有机化合物 吸附在非晶质硅薄膜上后，立即进行热处理、从而形成多晶硅薄膜的方法。本发明的第2实施方式中，省略了对与第1实施方式相同的过程的详细说明，这里仅对热处理步骤中的不同点进行说明。第2实施方式的热处理步骤的基本概念和热处理条件与第1实 施方式大致相同。但是，第2实施方式的热处理步骤中，除去吸附 于非晶质硅薄膜上的金属有机化合物中的有机化合物的过程和非晶 质硅发生结晶化的过程是整个进行的。与此相关，第2实施方式与 第1实施方式相比，热处理时的气体气氛可以具有差别。即，第2 实施方式中，在热处理步骤使用在第1实施方式中使用的辅助气体， 可以促进从金属有机化合物中除去有机化合物的反应。因此，本发 明的第2实施方式中，在热处理步骤中可以使用02、 N20、 H20、 臭氧等氧化性气体气氛和H2、 NH3等还原性气体气氛中的一个。当 然，第2实施方式中也可以如第1实施方式那样，在热处理步骤中 使用包含Ar、 Ne、 He、 &气体的不活泼性气体气氛。另外，第2实施方式中，在热处理步骤中可以使用氧化性气体和 不活泼性气体的混合气体气氛、以及还原性气体与不活泼性气体的混 合气体气氛中的任意一种。在第2实施方式的热处理步骤中使用混合 气体时，混合气体的比例优选不活泼性气体为50~99%的范围。第2 实施方式的热处理步骤中的气体气氛以外的热处理温度或热处理时 间优选与第1实施方式的条件范围相同。由此，通过第2实施方式形 成TFT用多晶硅薄膜的过程完成。另外，与第l实施方式相同，通过 尽量地降低用于降低结晶化温度而导入的金属浓度，具有以下优点-可以显著地减少TFT的金属污染、能够提高TFT的性能和采用其的 半导体或显示器的各种特性。根据本发明，由于可以适用于大面积的基板，因此可以增加LCD 等平板显示器的生产率，降低生产成本。因而，本发明的产业利用性 极高。 另一方面，本说明书中通过几个优选的实施方式叙述了本发明， 但本领域技术人员可以在不脱离权利要求书所公开的本发明范畴和 思想的情况下进行多种变形和修正。
权利要求
1.多晶硅的制造方法，其特征在于，包含以下步骤(a)在非晶质硅上供给含有金属的源气体的步骤；(b)通过调节吸附压力、吸附时间和吸附温度中的至少一个来使规定量的源气体吸附在所述非晶质硅上的步骤；(c)将所述(b)中未吸附于所述非晶质硅上的源气体除去的步骤；(d)在吸附有源气体的所述非晶质硅上供给辅助气体的步骤；(e)通过吸附在所述非晶质硅上的源气体与所述辅助气体发生反应，从而最终在所述非晶质硅上吸附规定量的金属的步骤；以及(f)对吸附有所述金属的非晶质硅进行热处理的步骤。
2. 多晶硅的制造方法，其特征在于，包含以下步骤(a) 在非晶质硅上供给含有金属的源气体的步骤；(b) 通过调节吸附压力、吸附时间和吸附温度中的至少一个来 使规定量的源气体吸附在所述非晶质硅上的步骤；(c) 将所述(b)中未吸附于所述非晶质硅上的源气体除去的 步骤；以及(d) 对吸附有所述源气体的非晶质硅进行热处理的步骤。
3. 权利要求1或2所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所 述源气体含有Ni、 Al、 Ti、 Ag、 Au、 Co、 Sb、 Pd、 Cu中的任意1 个或2个以上。
4. 权利要求3所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述源 气体为Ni(cp)2或Ni(dmamb)2中的任意一个。
5. 权利要求1所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所述辅 助气体包含H2、 NH3等还原性气体，02、 N20、 H20、臭氧等氧化性 气体，Ar、 N2等不活泼性气体。
6. 权利要求1或2所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，所 述吸附温度为常温 25(TC的范围。
7. 权利要求1或2所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，在 所述(b)中，源气体以覆盖率小于1的比例吸附在所述非晶质硅上。
8. 权利要求1所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，在所述 (f)中，热处理温度为400 700°C，热处理时间为1~10小时，热处理气氛为含有Ar、 Ne、 He、 N2气体的不活泼性气体气氛。
9. 权利要求2所述的多晶硅的制造方法，其特征在于，在所述 (d)中，热处理温度为400~700°C，热处理时间为1~10小时，热处理气氛为选自含有Ar、 Ne、 He、 N2气体的不活泼性气体气氛，02、 N20、 H20、臭氧等氧化性气体气氛和H2、 NH3等还原性气体气氛中 的至少一个。
全文摘要
本发明提供可以适用于LCD等平板显示器的TFT用多晶硅的制造方法。本发明的多晶硅的制造方法包括以下步骤(a)在非晶质硅上供给含有金属的源气体的步骤；(b)通过调节吸附压力、吸附时间和吸附温度中的至少一个来使规定量的源气体吸附在上述非晶质硅上的步骤；(c)将上述(b)中未吸附于上述非晶质硅上的源气体除去的步骤；(d)在吸附有源气体的上述非晶质硅上供给辅助气体的步骤；(e)通过吸附在上述非晶质硅上的源气体与上述辅助气体发生反应，从而最终在上述非晶质硅上吸附规定量的金属的步骤；(f)对吸附有上述金属的非晶质硅进行热处理的步骤。根据本发明，具有以下效果可以适当且微细地调节吸附于非晶质硅薄膜上的金属的量，可以在利用金属诱导结晶化方式进行硅的结晶化时，在降低结晶化温度的同时防止金属所导致的污染。
文档编号C01B33/00GK101209841SQ20071030593
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者张泽龙, 张锡弼, 李永浩, 李炳一 申请人:泰拉半导体株式会社