专利名称：原位多晶薄膜生长的方法
技术领域：
本发明涉及一种原位多晶薄膜生长的方法。更具体地讲，原位多晶薄膜生长方法利用了使多晶硅(p-Si)薄膜生长的催化剂增强化学气相沉积(CECVD)装置。薄膜生长后的单独的退火和脱氢工艺不是必要的。
背景技术：
为了提高薄膜的电性能，在硅(Si)薄膜中使用多晶薄膜。通常，当在玻璃基底上沉积硅时，可形成多晶硅(p-Si)薄膜或者非晶硅(α-Si)薄膜。
图1A描述了多晶硅的面内结构，图1B描述了非晶硅的面内结构。在温度高于大约600℃的情况下，硅是多晶的，而在温度低于大约600℃的情况下，硅是非晶的。
图2中示出了多晶硅薄膜的一个例子，该图是主动矩阵型有机发光二极管(OLED)的薄膜晶体管(TFT)的结构的示图。TFT分为p沟道金属氧化物半导体(PMOS)TFT和n沟道金属氧化物半导体(NMOS)TFT。图2中的主动矩阵型OLED由利用在硅中形成沟道的PMOS TFT和NMOS TFT的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件来驱动。随着硅的结晶度的增大，电子/空穴的迁移率也增大。因此，结晶的硅被期望用于高集成的CMOS器件。具体地讲，期望使用高品质的结晶硅来制备更大的OLED。
为了制备用于OLED的高品质薄膜，如图2中所示，期望是具有良好电性能的多晶硅而不是非晶硅来生产具有良好电子迁移率的TFT。
图4示出了一种用于制备硅薄膜的方法，该方法包括通过等离子体增强化学气相沉积在玻璃基底上沉积多晶薄膜。首先，在步骤S2，在真空室中设置玻璃基底。然后在步骤S4，在该玻璃基底上沉积SiN/SiO2缓冲层。随后在步骤S6，在所述缓冲层上沉积非晶Si。随后在步骤S8，将非晶Si结晶为多晶Si。
图3示出了将硅晶化为多晶硅薄膜的多种工艺。这种结晶工艺等同于图4中的步骤S8。这些结晶工艺分为高温多晶硅(HTPS)工艺和低温多晶硅(LTPS)工艺。
在HTPS工艺中，使用石英基底，在高于600℃的温度下通过炉内退火使Si结晶。然而，石英基底价格昂贵，使得产品的产业化困难。另外，也难于制造较大尺寸的石英基底，这使得HTPS工艺对于较大的发光器件来说有些不切实际。
在LTPS工艺中，使用各种能源来进行退火。例如，在固相晶化(SPC)中，与HTPS工艺非常相同，通过炉内退火或快速热退火(RTA)使非晶Si结晶。然而，这些工艺导致基底变形并且非常浪费时间。另外，在金属诱导晶化(MIC)或金属诱导侧向晶化(MILC)中，在非晶Si上形成金属图案，然后通过RTA或炉内退火来使其结晶。然而，这些工艺由于硅化物的形成和Si与硅化物的反应而导致TFT中的电流泄漏。
在超晶Si(SGS)工艺中，在非晶Si上生长SiN缓冲层。然后金属晶种在该缓冲层上生长并退火。结晶后，用湿蚀刻来去除SiN缓冲层。因为晶粒尺寸可调整或变粗化，所以SGS工艺是有优势的。然而，该工艺很复杂，而且湿蚀刻会影响Si的性能。
同样，准分子激光退火(ELA)工艺和连续侧向结晶(SLS)工艺非常浪费时间并且激光的使用限制了大发光器件的制造。具体地讲，在大量生产的ELA中用于结晶的激光设备不仅价格昂贵而且具有难以形成大激光束的固有性质。另外，在ELA工艺中，不能控制晶粒尺寸，从而限制了ELA工艺的应用。
发明内容
在本发明的一个实施例中，用于原位多晶薄膜生长的方法包括使用用于使多晶硅(p-Si)薄膜生长的催化剂增强化学气相沉积(CECVD)装置。这种方法省去了CECVD后的单独的退火和脱氢工艺。与这种方法相关的工艺时间和制造成本显著降低，并且由于省去了笨重的退火设备，该方法能够制造更大的器件。
用于原位多晶薄膜生长的方法包括首先通过排尽室内气体来形成真空室。然后净化真空室并将催化剂引入到真空室中。随后，基底被插入到净化过的室中，并将反应气体注射到该室中。然后，反应气体与催化剂在该室中反应以在基底上生长多晶薄膜。
根据本发明的一个实施例，在基底上沉积的多晶薄膜包括多晶Si薄膜。
根据本发明的另一实施例，首先通过将净化气体引入到真空室然后加热包含催化剂和净化气体的该室来净化该真空室。适合的净化气体的非限制性例子包括H2、Ar、N2和He。
催化剂可为钨催化剂。在一个实施例中，钨催化剂被加热到不低于大约2000℃的净化温度，在另一实施例中，钨催化剂被加热到2300℃。
注射到真空室中的气体可包括含Si的气体，如SiH4。根据本发明的一个实施例，反应气体包括SiH4和H2的混合物，其中，该混合物包括的H2比SiH4多。在另一实施例中，反应气体包括SiH4和H2的混合物，其中，H2/SiH4的比率大于大约5。在又一实施例中，H2/SiH4的比率为大约10。
催化剂可为钨催化剂，并且加热时，钨催化剂离解反应气体。在一个实施例中，钨催化剂被加热到不低于大约1800℃的反应温度。在另一实施例中，钨催化剂被加热到大约1800℃的反应温度。另外，钨催化剂和基底相互隔开大约5cm或更短的距离。
该方法还可以包括通过将热能施加到多晶薄膜来提高沉积的多晶薄膜的结晶度。在将能量施加到多晶薄膜的过程中，加热的催化剂被用作热源并靠近基底放置。在一个实施例中，催化剂被加热到高于大约2000℃的结晶温度。在另一实施例中，催化剂被加热到大于大约2400℃的结晶温度，并且距离基底大约10cm或更短的距离放置。
根据本发明的一个实施例，通过加热支撑基底的基底支撑物将能量施加到多晶薄膜上。
在从由真空气氛、氢气氛和惰性气体气氛组成的组中选择的气氛的条件下，可将能量施加到多晶薄膜。
该方法还可以包括在沉积多晶薄膜前在基底上沉积缓冲层。缓冲层可包括含Si的化合物，例如SiN、SiO2或SiN/SiO2。
通过结合附图对实施例进行下面的描述，本发明以上和/或其他特点和优点将会变得更易于理解，其中图1A是多晶硅面内结构的示意图；图1B是非晶硅面内结构的示意图；图2是具有多晶硅薄膜的薄膜晶体管(TFT)的结构的示意图；图3是示出用于制备多晶Si薄膜的各种现有技术工艺的示意图；图4是示出用于制备多晶Si薄膜的现有技术工艺的示意图；图5是根据本发明一个实施例的催化剂增强化学气相沉积(CECVD)装置的剖面图；图6是示出根据本发明一个实施例的催化反应和薄膜沉积的示意图；图7A是根据本发明一个实施例的相对于多晶Si薄膜的沉积时间的催化温度和沉积厚度的曲线图；图7B是示出图7A中的薄膜沉积工艺的示意图；图8A是根据本发明另一实施例的相对于多晶Si薄膜的沉积时间的催化温度和沉积厚度的曲线图；图8B是示出图8A中的薄膜沉积工艺的示意图；图9是通过图7A和图7B中的方法沉积的多晶Si薄膜的拉曼分析结果的曲线图；图10是通过图7A和图7B中的方法沉积的多晶Si薄膜的二次离子质谱(SIMS)结果的曲线图。
具体实施例方式
现在将参照附图来描述本发明的示例性实施例。然而，这些实施例的描述仅是为了解释的目的，本领域的普通技术人员之一理解可对描述的实施例进行各种修改。
图5是根据本发明一个实施例的催化剂增强化学气相沉积(CECVD)装置的剖面图。如图5所示，根据本发明的一个实施例的CECVD装置包括室30，在该室30中薄膜形成在基底38上。喷头32位于室30中，用于将反应气体注射在基底38上。室30还包括用于均匀分布反应气体的分配器34，该分配器34具有分配孔34a。设置了催化剂热丝单元36以加热通过分配器34注射的反应气体并将该反应气体离解为离子或自由基。基底38安装在卡盘39上。室30包括用于排放反应气体的排放孔31。侧壁42设置在室30中，用于抑制颗粒产生。用于将净化气体提供到室30中的通道44设置在室的内壁30a和侧壁42之间。
侧壁42防止Si薄膜的颗粒沉积在室30的内壁30a上。侧壁42包括高温加热器42a。在描述的实施例中，高温加热器是高温热丝。
催化剂热丝单元36具有气体通路36b，通过气体通路36b引入净化气体。气体通路36b位于催化剂热丝单元36中，以将净化气体提供到催化热丝36a的连接部分A。
适用的净化气体的非限制性例子包括H2、Ar、N2、He等。
根据本发明的一个实施例，CECVD装置用于使多晶薄膜在基底上生长。为了使多晶薄膜在基底上生长，首先通过抽尽室内气体来形成真空室。然后净化真空室，将催化剂引入该室中。随后将反应气体注射到真空室中，基底位于该真空室中。然后反应气体与催化剂在该室中反应。与图3中示出的现有技术工艺不同，在根据该实施例的方法中不需要后续的退火或脱氢工艺。
图6示出了在根据本发明的一个实施例的CECVD装置中发生的催化反应和薄膜沉积。如所示的，SiH4反应气体通过分配器34的分配孔34a被注射到室30中。然后，SiH4通过在催化剂热丝单元36上发生的催化反应被离解成Si和4H。离解出的Si聚集在玻璃基底38上，从而在该基底上生长出薄膜。此时，在沉积的Si薄膜的表面上，离解出的H重新化合成H2。H的重新化合是放热反应，该放热反应产生的热能用于使Si结晶。
在Si薄膜被沉积在玻璃基底38上之前净化室30。通过将净化气体注射到真空室并在含有净化气体的室中加热催化剂来净化室30。在一个实施例中，净化气体是H2。其他适合的净化气体包括Ar、N2、He等。
在一个实施例中，催化剂包括钨(W)。将钨催化剂加热到净化温度，该净化温度低于催化剂的熔点且不低于大约2000℃。或者，将催化剂加热到大约2300℃的净化温度。当净化室30时，氢通过蚀刻来清洁催化剂和真空室的内部。
为了沉积多晶Si薄膜，反应气体被注射到真空室中。在一个实施例中，反应气体是含Si的气体，如SiH4。
根据另一实施例，使用气体的混合物作为反应气体。例如，可使用SiH4和H2的混合物。在这个实施例中，在由氢原子化合形成的氢分子的产生过程中，产生热。该热能使Si薄膜生长。另外，当在具有过量氢原子的氢气氛的情况下，Si原子聚集在基底的表面上时，Si原子的表面迁移率增大。这种增大的Si原子表面迁移率在多晶硅薄膜生长中是所期望的。因此，反应气体包括的H2比包括的SiH4多，与过量的H2相比，将要沉积的Si的量少。因此，为了提高产量，H2/SiH4的比率是大约5。在另一个实施例中，H2/SiH4的比率是大约10。然而，根据需要，H2/SiH4的比率可为10或更大。
如上所述，当利用SiH4作为反应气体在基底上沉积Si时，可使用钨催化剂。或者，只要各种其他催化剂可以离解出反应气体，均可以被使用。
当使用钨催化剂时，催化裂化反应使SiH4离解成Si和4H。通过加热钨催化剂来促进催化裂化反应。在一个实施例中，钨催化剂被加热到反应温度，该反应温度低于催化剂的熔点且不低于大约1800℃。在另一个实施例中，催化剂被加热到大约1800℃的反应温度。钨催化剂和基底相互隔开小于大约5cm的距离。
在通过SiH4与钨催化剂的反应来沉积Si薄膜后，通过将热能施加于沉积的多晶薄膜来提高沉积的多晶薄膜的结晶度。根据本发明的一个实施例，加热的催化剂用作热源并靠近基底放置。催化剂被加热到结晶温度，该结晶温度低于催化剂的熔点且不低于大约2000℃。在另一个实施例中，催化剂被加热到大约2400℃的结晶温度。加热的催化剂和基底隔开大约10cm或更小的距离。此外，根据薄膜的物理性能和结晶工艺的特点，这种结晶工艺可以在真空气氛、氢气氛、惰性气氛等任一气氛下进行。
在可选择的实施例中，通过加热支撑基底的基底支撑物，可将热能施加给多晶薄膜。
在本发明的另一个实施例中，缓冲层可沉积在基底上。缓冲层可包括含Si的材料，例如SiN、SiO2或SiN/SiO2。
现在将参照附图来描述根据本发明一个实施例的用于原位多晶薄膜生长的方法。
图7A是根据本发明一个实施例的相对于多晶Si薄膜的沉积时间的催化温度和沉积厚度的曲线图。图7B示出了图7A中的薄膜沉积工艺。如图7A所示，在步骤S10，首先通过抽尽室内气体形成真空室，然后将氢气引入该室内并将钨催化剂加热到大约2300℃的净化温度来净化室。在步骤S20，将玻璃基底放置在室中，在步骤S40，缓冲层SiN/SiO2沉积在玻璃基底上。如果期望，可去除缓冲层沉积的步骤。然后在步骤S80将包括SiH4和H2的反应气体引入室中，并沉积Si薄膜。在Si薄膜的沉积过程中，催化剂保持在大约1800℃的反应温度。反应气体中H2/SiH4的比率大于10，催化剂和基底之间的距离小于大约5cm。这些工艺步骤中的每一步和用于多晶Si薄膜生长的装置与如上所述的工艺步骤和装置相同。
现在将参照附图来描述根据本发明另一实施例的原位多晶薄膜生长方法。
图8A是根据本发明一个实施例的相对于多晶Si薄膜的沉积时间的催化温度和沉积厚度的曲线图。图8B示出了图8A中的薄膜沉积工艺。如图8A所示，在步骤S110，首先通过抽尽室内气体形成真空室，然后将氢气引入室内并将钨催化剂加热到大约2300℃的净化温度来净化室。在步骤S120，将玻璃基底放置在室中，在步骤S140，缓冲层SiN/SiO2沉积在玻璃基底上。如果期望可去除缓冲层沉积的步骤。然后在步骤S180将包括SiH4和H2的反应气体引入室中，并沉积Si薄膜。在Si薄膜的沉积过程中，催化剂保持在大约1800℃的反应温度。反应气体中H2/SiH4的比率大于10，催化剂和基底之间的距离小于大约5cm。这些工艺步骤中的每一步和用于多晶Si薄膜生长的装置与如上所述的工艺步骤和装置相同。
其后，在步骤S190，催化剂被加热到大约2400℃的结晶温度，并靠近基底放置。这个步骤在真空气氛下进行。通过这种方法，使晶粒在步骤S180的Si薄膜沉积后进一步被粗化。
分析通过图7A和图7B中的方法沉积的多晶Si薄膜，该分析的结果记录在图9和图10中。图9是通过图7A和图7B中示出的方法沉积的多晶Si薄膜的拉曼分析结果的曲线图，图10是通过图7A和图7B中示出的方法沉积的多晶Si薄膜的二次离子质谱(SIMS)的曲线图。
如图9所示，在沉积在Si晶片上的SiO2层上生长的多晶Si薄膜在520cm-1处出现了一个峰。相反，Si晶片在4.4cm-1处出现了一个峰。这种结果表明通过CECVD生长的Si薄膜被晶化，而不需要随后的退火。
通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长的Si薄膜的拉曼峰通常更宽，因为通过PECVD生长的Si薄膜大部分是非晶态的。相反，由于通过催化剂造成的反应气体的完全离解和由氢气氛而发生的化学退火，导致根据本发明的通过CECVD生长的Si薄膜是多晶的。当Si薄膜通过本发明的CECVD方法生长时，不需要后续的退火工艺。
如图10所示，通过CECVD生长的多晶Si薄膜的H、C、O和N的含量低。具体地讲，通过CECVD生长的多晶Si薄膜的H含量远小于通过PECVD生长的Si薄膜的H含量。
尽管本发明是相对于Si薄膜进行的描述，但是可以理解本发明的方法可用于形成其他薄膜。另外，可以理解本发明并不限于钨(W)催化剂。而是可以使用任何适合的催化剂。
尽管已经结合特定的示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离如权利要求所述的本发明的精神和范围的情况下，可以对描述的实施例进行各种修改和替换。
权利要求
1.一种用于原位多晶薄膜生长的方法，包括的步骤有排尽室内气体以形成真空室；净化所述真空室；在所述真空室内设置催化剂；在所述真空室内设置基底；将反应气体注射到所述真空室内；在所述真空室内所述反应气体与所述催化剂反应，以在所述基底上生长多晶薄膜。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积在所述基底上的所述多晶薄膜包括多晶Si薄膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述净化工艺包括将净化气体引入到所述真空室中；加热所述催化剂。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述净化气体是从由H2、Ar、N2和He组成的组中选择的。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述催化剂包括钨。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述钨催化剂被加热到不低于大约2000℃的温度。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述钨催化剂被加热到大约2300℃。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述反应气体包括含有Si的气体。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述反应气体包括SiH4。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述反应气体包括SiH4和H2的混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述反应气体包含的H2比SiH4多。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，H2/SiH4的比率为大约5或更大。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，H2/SiH4的比率为大约10。
14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述催化剂包括钨。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述反应气体与所述催化剂反应步骤包括加热所述催化剂以使所述反应气体离解。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述钨催化剂被加热到不低于大约1800℃的温度。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述钨催化剂被加热到大约1800℃。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述钨催化剂和所述基底相互隔开大约5cm或更小的距离。
19.根据权利要求1所述的方法，还包括提高沉积的多晶薄膜的结晶度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，通过将热能施加到所述多晶薄膜使所述沉积的多晶薄膜的结晶度提高。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过加热所述催化剂和将被加热的催化剂靠近所述基底放置来将所述热能施加到所述多晶薄膜。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述催化剂被加热到高于大约2000℃的温度。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述催化剂被加热到高于大约2400℃的温度。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述催化剂和所述基底相互隔开大约10cm或更小的距离。
25.根据权利要求20所述的方法，其中，通过加热支撑所述基底的基底支撑物来将所述热能施加到所述多晶薄膜上。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，在从由真空气氛、氢气氛和惰性气体气氛组成的组中选择的气氛的条件下将所述热能施加到所述多晶薄膜。
27.根据权利要求1所述的方法，还包括在沉积所述多晶薄膜前在所述基底上沉积缓冲层。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述缓冲层包括含Si的材料。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述缓冲层包括从由SiN、SiO2和SiN/SiO2组成的组中选择的材料。
全文摘要
本发明提供了一种用于原位多晶薄膜生长的方法。催化剂增强化学气相沉积(CECVD)装置被用于使多晶硅薄膜生长。不需要后续的退火或脱氢工艺。该方法包括排尽室内气体以形成真空室，然后净化真空室并引入催化剂。然后在真空室内放置基底，并将反应气体注射到室中。在真空室内反应气体与催化剂反应以在基底上生长多晶薄膜。本发明的方法缩短了工艺时间并降低了生产成本，并且，由于省去了笨重的退火设备，本发明可用于制造更大的器件。
文档编号C23C16/52GK1861841SQ20061008020
公开日2006年11月15日 申请日期2006年5月11日 优先权日2005年5月13日
发明者金汉基, 金明洙, 许明洙, 郑锡宪, 姜熙哲 申请人:三星Sdi株式会社