专利名称：硅薄膜晶体管及其制造方法以及显示屏的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅薄膜晶体管及其制造方法以及包括它的显示屏。
背景技术：
硅薄膜晶体管可用在许多领域中，包括平板显示屏(如有源矩阵液晶显示屏和具有有机发光层的有源矩阵显示屏)的领域。在这些屏中，每个像素或光点由硅薄膜晶体管控制，因此用术语“有源矩阵”表示。目前，平板有源矩阵液晶显示屏中的绝大部分是使用氢化无定形硅制造的，用于激活和钝化像素的装置中，也写成α-Si:H。但是，氢化无定形硅显示出有限的载流子迁移率(carrier mobility)，因此，不可能以可靠的方式用来制造屏幕的激活、钝化和寻址电路。
因此，该领域的技术人员建议使用基于多晶硅的薄膜晶体管，其载流子迁移率超过基于无定形硅的薄膜晶体管有源装置的载流子迁移率的两个数量级。因此，基于多晶硅的薄膜晶体管不仅能集成外围控制电路和屏幕，也能得到更好的分辨率。
目前，基于多晶硅的薄膜晶体管通过在基材上沉积一层无定形硅制造，然后通过用准分子激光器辐照它来结晶组成所述薄膜的硅。但是，所述方法有一些缺陷。首先，所述激光能量的数量有限，且非常昂贵。例如，目前，工业激光器的能量限制是小于1焦耳，频率为300Hz。这种缺陷对于大面积基材特别明显。为了保持相同的激光通量(即每单位面积的激光能量)，以结晶大的表面积，所述激光必需能传递更大数量的能量。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，为了提高硅粒的尺寸，所述硅凝固的速率必需下降，这样做后，必须防止热量从熔融硅薄膜流入所述冷却的基材。
为了解决上述问题，已经提出了一些方法，但是，不幸的是，并不能让人满意。一种建议是加热所述基材，但是这由基材通常由玻璃制成这个事实限制，这种加热最高限制到约400℃。而且，也有些人提供使用激光器来传递双脉冲和双光束，所述基材的两面都有来自准分子激光器的光束辐照。其他方法是使用结晶二氧化硅的阻隔层，所述二氧化硅的密度接近于其理论密度，所述阻隔层插在所述基材和硅薄膜之间。所述致密结晶层的热阻隔作用并不是很充分。因此，对此并不满意，从而完成了本发明。
发明概述为了克服上述缺陷，本发明提供了多晶硅薄膜晶体管，它包括基材；直接沉积在所述基材上的多孔二氧化硅阻隔层；已经形成为多晶的硅薄膜，它直接沉积在所述阻隔层上。所述硅薄膜晶体管具有尺寸提高且均匀的细粒，从而使热量不从组成所述薄膜的熔融硅流入所述硅薄膜晶体管的基材。因此，本发明描述了以下方法将阻隔层放在所述基材和所述硅薄膜之间，所述阻隔层由多孔材料制成，且导热性低于所述基材的导热性。所述硅薄膜的厚度范围为约50-80纳米。所述薄膜的多晶硅细粒的尺寸为约1微米(μm)，所述基材由玻璃制成。所述阻隔层的厚度范围为约150-1000纳米(nm)，优选为约400-600纳米。所述阻隔层的孔隙率范围为20-90％，优选为约30-60％。
本发明也提供了制造上述硅薄膜晶体管的方法。所述方法包括下述步骤a)直接将多孔二氧化硅阻隔层沉积在基材上；b)将多孔硅薄膜直接沉积在所述阻隔层上；c)使用激光器辐照所述硅薄膜，得到多晶硅薄膜。
任选地，在步骤b)和步骤c)之间，所述方法还包括使无定形硅的薄膜硅脱氢。
优选地，使用溶胶-凝胶方法沉积所述无定形硅阻隔层，使用等离子体辅助化学气相沉积来沉积步骤b)中的无定形硅薄膜。所述硅薄膜的厚度范围为约20-80纳米。
本发明也提供了一种显示屏，它包括至少一种本发明的硅薄膜晶体管，或者由本发明方法制成的硅薄膜晶体管。本发明也提供了一种制造显示屏的方法，它包括制造本发明的硅薄膜晶体管的方法。
本发明的其他特征和优点可参见下述详细描述。前述概述和下述详细说明和实施例仅仅是本发明的示例性描述，只是提供了理解本发明的一般看法。
附图简述参照下述附图，可更好地理解本发明，其他目的和优势可通过以下描述更清晰的显现。
图1描述了硅薄膜晶体管的结构，它可进行辐照。
图2描述了辐照后得到的多晶硅薄膜晶体管。
本发明的详细说明在制造本发明的硅薄膜晶体管过程中，所述方法的第一步包括如图所示，在基材(1)上沉积多孔材料的阻隔层(2)，所述阻隔层(2)的导热性低于所述基材(1)的导热性。优选地，所述基材是玻璃基材，更优选基材由铝硅酸盐、硼硅酸盐、或铝-硼硅酸盐(如Corning 1737玻璃)制成的基材。
特别适用于形成阻隔层2的材料是孔隙率为约20-90％的二氧化硅(SiO2)。如果所述孔隙率小于20％，那么所述层2的热阻隔效率就会变差，所述层2需要增厚。如果所述孔隙率大于90％，那么所述层2就会变脆，且很难加工，尽管对于大于90％的孔隙率来说，所述热阻隔效率是优秀的。所述阻隔层2的孔隙率优选为约30-60％。在该范围内，阻隔层2在所述热阻隔效率、脆性和厚度之间具有最好的平衡。
所述阻隔层2的孔隙率使用下式计算 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针椭圆偏光仪测得，所述分子探针椭圆偏光仪可参见F.Horowitz撰写的文章，题目“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页所述。
多孔二氧化硅的阻隔层2优选根据溶胶-凝胶方法沉积，且优选由无定形二氧化硅组成。优选地，所述阻隔层2的厚度范围为约400-600纳米。当所述阻隔层2的厚度为约150-1000纳米时，我们吃惊地发现所述阻隔层甚至可用作缓冲层来抵抗热传递。所述阻隔层的作用是特别有利的，特别是在制造平板显示屏时。
一样吃惊的是，虽然其是多孔的，但是所述阻隔层2不仅能用作热屏障，也能用作化学屏障。在电场效应或热效应下，所述阻隔层2可防止组成所述基材或位于所述阻隔层之上或之下的任何其它层的元素迁移到其它层中。
在本发明薄膜晶体管的制造方法的第二步骤中，包括将一层无定形硅(图1中的附图标记4)直接沉积到所述阻隔层2上。优选地，无定形硅4的薄膜的厚度范围为约20-80纳米。优选地，其厚度为50-80纳米。
本发明制造多晶硅薄膜晶体管的方法的任选第三步骤包括使得到的层叠结构脱氢，具体是使所述无定形硅脱氢。优选地，该步骤是如下进行的，即在氮气气氛中，在1小时内将所述结构加热到450℃。
本发明制造多晶硅薄膜晶体管的方法的第四步骤如图1所示，它使用了激光(图1中的附图标记5)辐照无定形硅的薄膜(图1中的附图标记4)，以结晶所述硅。
尽管本发明的晶体管由包括基材1、沉积在所述基材上的阻隔层2和直接沉积在所述阻隔层2上的多晶硅薄膜3的叠层组成，但是所述多晶硅层3并没有以一层已经是多晶体的硅的形式直接沉积在所述阻隔层2上，而是以一层无定形硅(它随后变成多晶体)的形式沉积。
所述结晶优选使用准分子激光器进行，所述准分子激光器具有能使所述无定形硅层只在所述表面上熔化的优点，从而可降低所述阻隔层2的厚度。
目前有几种不同类型的准分子激光器，它们以五种不同的波长工作，这取决于所用的气体F2(157纳米)；ArF(193纳米)；KrF(248纳米)；XeCl(308纳米)；和XeF(351纳米)。所述KrF波长(248纳米)和XeCl波长(308纳米)优选用在本发明中，因为这些波长最接近硅的吸收系数。
目前有两种用308纳米激光使硅结晶的方法单发方法和扫描表面的方法，也称为多发方法。
所述单发方法可能通过使用非常高能量的激光器完成，所述高能量能在一次发射中处理5平方厘米(5厘米×5厘米)。这种激光器是市售的，具体是CompanySOPRA。作为一般规律，这种激光器的脉冲持续时间是200纳秒(ns)。对于这种类型的激光器，结晶所述硅的所需的通量就非常高。
所述多发或表面扫描方法可使用XeCl激光器，其脉冲持续时间为约20-30纳秒。这种激光器比SOPRA卖的激光器功率要小。使用特殊光学单元进行表面扫描，所述特殊光学单元能使长30-40厘米、宽小于1毫米(mm)的光带扫描要加工的板。
因此，在本发明中，优选使用在248纳米或308纳米下工作的准分子激光器，以结晶无定形硅的薄膜。然而，更优选使用在308纳米下工作的准分子激光器。
优选使用多发辐照方法。
由于存在所述阻隔层2，就有可能进行这种多发辐照。另外，所述阻隔层2能使所有无定形硅层4中的热量保存起来，从而降低需要由所述激光器提供的通量(必需的每单位面积光能量)，因此能降低制造这种多晶硅薄膜晶体管的成本。
然而，在可见光下工作的激光器也可用来辐照所述硅薄膜，尽管在这些条件下必须提高所述阻隔层2的厚度。
准分子激光器具有许多毛病，如高维持成本、光束稳定性的问题、光学系统的寿命。
也可使用在可见光区域(主要在绿光区域)操作的激光器(如Nd:YAG激光)。但是，在这些条件下，在绿光区域中的硅吸收通常优选使用更厚的硅薄膜，例如厚度为250纳米的薄膜，然后对于在248纳米或308纳米工作的准分子激光器，所述硅薄膜的厚度通常为20-80纳米。
无定形硅薄膜4可通过任何方法沉积，但优选用等离子体辅助化学气相沉积方法来沉积。
辐照后，得到了图2所示的结构，即图2中附图标记1表示的结构，优选由Corning 1737玻璃制成，它具有直接沉积在其上面的附图标记2表示的阻隔层，优选由无定形和多孔二氧化硅制成，所述载体层2本身用多晶硅薄膜(附图2中的附图标记3表示)直接涂覆。
所述层3中的硅细粒的尺寸大于或等于1微米，在本发明中，令人吃惊地发现，通过使用比在现有技术方法(其中使用由非多孔性二氧化硅制成的阻隔层)中得到相同尺寸硅细粒所需的通量少至少30％来得到。
本发明制造方法的以下步骤是以制造多晶硅薄膜晶体管中的常规方法进行的，由以下步骤组成沉积必需的层，以得到所需的晶体管。
为了更好地理解本发明，以下是纯粹用来说明和非限制性的实施例实施例1如图1所示，所述基材1是Corning 1737玻璃基材。它厚1毫米。使用溶胶-凝胶方法，将孔隙率为50％的无定形硅的阻隔层2沉积在所述基材1上。所述阻隔层2的厚度为150纳米。得到层2全部适合处理，它仅使用150纳米的厚度就能得到优良的热和化学阻隔。此后，使用等离子体辅助化学气相沉积在所述阻隔层2的自由表面上沉积一层无定形硅4。无定形硅层4厚55纳米。
此后，无定形硅层4在氮气气氛中、450℃下脱氢1小时。
然后，使用在248纳米下工作的、具有持续时间为20纳秒的脉冲的KrF准分子激光器(layer)在所述无定形硅层4上进行多发辐照，从而结晶所述硅层4。需要由每单位面积激光提供的光能量(即通量)是160毫焦/平方厘米(mJ/cm2)。
这导致多晶硅薄膜3的细粒大小为1微米。所述细粒尺寸均匀。之后，沉积随后的层。
比较例1制造现有技术的薄膜晶体管。为此，孔隙率低于2％的晶体二氧化硅层沉积在1毫米厚的Corning 1737玻璃基材。所述层的厚度为150纳米。之后，如实施例1所示，无定形硅层沉积在在所述致密晶体二氧化硅层的自由表面上。所述无定形硅在氮气气氛中、450℃下脱氢1小时。之后，无定形硅通过使用多发辐照结晶，所述多发辐照使用了在248纳米下工作的、具有20纳秒持续时间脉冲的KrF准分子激光器(layer)。由所述激光器提供的通量(为了得到均匀粒度为1微米的硅细粒)为220毫焦/厘米2。接着沉积随后的层。
实施例2所述程序与实施例1相同，但是使用在308纳米下工作的XeCl激光器，以结晶无定形硅层4的硅。如实施例1所示，制得均匀尺寸约1微米的细粒多晶硅层3。然而，为了得到这种尺寸的细粒，所用XeCl激光器的通量为210毫焦/厘米2。
比较例2所述程序与实施例2相同，不同的是所述阻隔层2是非多孔二氧化硅层，即具有小于2％的孔隙率，且厚度为150纳米。所用XeCl激光器的通量(为了使多晶硅层3的均匀粒径约为1微米)是300毫焦/厘米2。
从上述实施例和比较例中可看出，通过使用本发明的阻隔层，得到给定尺寸的多晶硅细粒所需的激光通量小于使用非多孔硅的阻隔层所需的通量。
通常，在其他使用别的类型的激光器的实施例中，尤其是在准分子激光器中，本发明阻隔层的存在使由激光器提供的通量(用来结晶无定形硅薄层的硅)减少至少30％。
从实施例1和2可以看出，使用KrF激光器对于通量来说更有利。
不管这些，从工业观点出发，优选在本发明中使用XeCl激光器，因为XeCl激光器是更广泛使用的，这是因为它们的可靠性和寿命更好。
自然地，本发明并没有局限于所述实施方式。除了多孔和无定形硅之外的任何材料都可用来形成所述阻隔层，对该层的限制仅仅是它应由与基材材料和组成本发明薄膜晶体管的硅相容的材料制成，以及所述材料的导热性应小于所述基材的导热性。
相同地，当所述阻隔层由无定形和多孔二氧化硅制成时，除了溶胶-凝胶方法之外，本领域普通技术人员已知的任何沉积方法都可使用，没有超出本发明的范围。即，本发明覆盖了所述方法的任何技术等同物以及它们的组合，且它们都包含在本发明的范围内。但是，薄膜晶体管用的基材不一定是玻璃。例如，所述基材可以是塑料或金属材料，其条件仅是它能经受住制造晶体管的过程中所用的温度。
通过实施例可详细和概括地描述本发明。本领域的普通技术人员可以理解，本发明并不局限于所述具体实施方式
中。在没有离开由下述权利要求书和它们的等价物(包括目前已知的或带开发的等价组件，它们可用在本发明的范围内)所限定的本发明的范围条件下，可作出各种改进和变化。因此，除非这些变化离开了本发明的范围，否则这些变化都应该包括在本发明的范围内。
权利要求
1.一种硅薄膜晶体管，它包括-基材；-直接沉积在所述基材上的多孔二氧化硅SiO2阻隔层；-已经变成多晶体的硅薄膜层，它直接沉积在所述阻隔层上。
2.如权利要求1所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述阻隔层的孔隙率范围为20-90％。
3.如权利要求2所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述阻隔层的厚度范围为30-60％。
4.如权利要求1所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述阻隔层的厚度范围为150-1000纳米。
5.如权利要求4所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述阻隔层的厚度范围为400-600纳米。
6.如权利要求1所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述薄膜的厚度范围为20-80纳米。
7.如权利要求6所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述薄膜厚度范围为50-80纳米。
8.如权利要求1所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述薄膜中的所述多晶硅细粒的尺寸大于或等于1微米。
9.如权利要求1所述的硅薄膜层晶体管，其特征在于所述基材由玻璃制成。
10.一种制造硅薄膜晶体管的方法，所述方法包括以下步骤a)在基材上直接沉积多孔二氧化硅阻隔层；b)在所述阻隔层上直接沉积无定形硅薄膜；c)使用激光器辐照所述无定形硅薄膜，得到多晶硅薄膜。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤b)和步骤c)之间，所述方法还包括使所述无定形硅薄膜脱氢的步骤。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述多孔硅阻隔层通过溶胶—凝胶方法沉积。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤b)中，所述无定形硅薄膜通过等离子体辅助化学气相沉积方法沉积。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，辐照是用准分子激光器进行的。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，在步骤c)中，辐照是在248纳米或308纳米条件下操作的。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤c)是用在308纳米下工作的准分子激光器进行的。
17.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述阻隔层的厚度范围为约150-1000纳米。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于所述阻隔层的厚度范围为约400-600纳米。
19.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述阻隔层的孔隙率范围为约20-90％。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于所述阻隔层的孔隙率范围为约30-60％。
21.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述无定形和多晶硅薄膜的厚度范围都为约20-80纳米。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于所述无定形和多晶硅薄膜的厚度范围都为50-80纳米。
23.如权利要求10所述的方法，其特征在于所述基材由玻璃制成。
24.一种显示屏，其特征在于它包括如权利要求1或10所述的至少一个多晶硅薄膜晶体管。
25.一种制造显示屏的方法，其特征在于它包括如权利要求10所述制造多晶硅薄膜晶体管的方法。
全文摘要
第一方面，本发明提供了一种硅薄膜晶体管，它包括基材；直接沉积在所述基材上的多孔二氧化硅SiO
文档编号H01L29/66GK1685521SQ03822521
公开日2005年10月19日 申请日期2003年9月24日 优先权日2002年9月24日
发明者B·达马尼, G·古斯曼, S·麦克肯 申请人:康宁股份有限公司