使用自組裝單層的硅結晶法的制作方法

專利名稱：使用自組裝單層的硅結晶法的制作方法
相關申請本申請要求2003年7月18日提交的美國專利申請No.10/622,606的優先權。
背景技術：
通常在顯示器件中，將電子部件(component)結合到用于顯示器件的玻璃襯底上很有用。在平面顯示(FPD)器件例如液晶顯示器(LCD)中尤其如此。在LCD器件中，用電壓調制(modulate)一層液晶材料，所述電壓用電子部件(包括晶體管陣列)來控制。通常，所述陣列的晶體管是薄膜晶體管(TFT)，且是金屬氧化物半導體(MOS)器件。
所述LCD顯示器通常包括玻璃襯底、設置(dispose)在玻璃襯底上的晶體管和下面的一層液晶(LC)材料。所述晶體管以圖案陣列(patterned array)排布，并由外圍電路(peripheral circuitry)驅動以提供所需的轉換電壓(switching voltage)使LC材料分子以所希望的方式取向(orient)。此外，所述陣列的晶體管通常由半導體材料在玻璃襯底上或上方直接形成。
因為與無定形材料相比，半導體載流子在晶體和多晶材料中的遷移率(mobility)通常更大，所以在LCD顯示器的玻璃襯底上面或上方生長晶體結構并從那里構建晶體管是很有利的。然而，由于均勻性和光潔度(smoothness)，半導體薄膜通常以無定形態沉積，然后轉化為多晶結構。通常，這些晶體結構是多晶結構。
已知的半導體晶體生長方法通常需要無定形半導體材料層在相對高的溫度下或較長時間的退火。由于晶體生長的退火溫度對于半導體晶體形成在其上的襯底太高，或為了加快制造時間，已經探索其它的技術來滿足這一需求。這些技術包括激光退火。
盡管已試圖用各種技術來在玻璃襯底上形成多晶硅，但是在得到的材料性質和經濟可行性方面都存在缺陷。因此，需要一種至少克服已知技術的缺陷，在襯底上制造半導體材料的方法及由此形成的結構。

發明內容
按照示范性的實施方式，顯示器件包括具有單晶或多晶材料設置于其上的襯底，其中所述襯底具有低于所述單晶或多晶材料形成溫度的應變點(strainpoint)。
按照另一個示范性的實施方式，在襯底上構建單晶或多晶材料的方法包括在襯底上提供自組裝單層(SAM)，在SAM上沉積層并基本使所述層結晶。


結合附圖，從下面的詳細描述中可以很好地理解本發明。要強調的是，各種特征不一定是按比例的。實際上，為了清楚地討論，各種特征的尺寸可任意地增加或減小。
圖1是根據本發明示范性實施方式的LCD顯示器的剖面圖。
圖2a-2e是根據本發明示范性實施方式的在玻璃襯底上形成晶體結構的圖示過程的剖面圖。
圖3是根據本發明示范性實施方式的在玻璃襯底上形成晶體結構的圖示過程的流程圖。
詳細描述以下的詳細描述是為了闡明而非限制的目的，闡明揭示具體細節的示范性實施方式，以為示范性實施方式提供充分的理解。然而，對于本領域的技術人員來說，很明顯本發明可以以其它不偏離這些具體細節的實施方式來實施。在其它情況下，省略了對已熟知的器件和方法的詳細描述，以突出對本發明的描述。
圖1示出了根據本發明示范性實施方式的LCD顯示器100的剖面圖。顯示器100可以是平面顯示器、平視顯示器或類似的器件。要注意的是，所描述的實施方式可在沒有具體提到的應用中實施。也就是說，具體揭示的實施方式是為了說明而非限制這些實施方式的應用。
顯示器100包括襯底101，所述襯底101可以是適合用于視頻顯示器件的玻璃材料。示例性的材料包括但不限于康寧股份有限公司(Corning Incorporated)的Code1737和Eagle2000TM玻璃，還有其它的硅酸硼和硅酸鋁玻璃。在襯底101上形成單晶或多晶(poly)材料的層102。在一個示例性實施方式中，層102是單晶或多晶半導體，例如硅。任選的阻擋層(未示出)可以在襯底101和層102之間形成。由該層102來構建電子器件(未示出)。按照示范性實施方式，所述電子器件是用于選擇性開或關電壓源的MOS晶體管。
使用自組裝單層(SAM)來構建層102，選擇自組裝單層來引入能降低結晶溫度和加快晶種的成核速度的晶種效應(seeding effect)。該技術能在比已知的晶體生長技術更低的溫度和更短的時間內形成相對大的顆粒尺寸，和/或更高的薄膜均勻性。該技術在構建單晶或多晶材料(例如硅)的應用中特別有優勢，但是對于構建過程仍然有溫度限制。例如，在玻璃襯底不能經受用已知的熱生長技術生長硅晶體所需溫度的情況下。構建層102的具體細節及其優點會結合本文說明性的實施方式來描述。
液晶(LC)材料層103設置于層102上方，并在其中具有透明的導電材料(未示出)，例如ITO。所述導電層使電壓能夠選擇性地應用到所述LC材料103，由此光入射在其上由LC材料103調節。最后在液晶材料層103上設置另一玻璃層104來完成顯示器100的結構。要注意的是，既沒有示出也沒有描述LCD器件的整體功能所需的其它元件(element)，因為這些元件對于這些說明性的實施方式的理解不是至關重要的。然而，這些元件是本領域技術人員已知的。
接下來的描述主要是在LCD器件100的玻璃襯底上構建多晶或單晶硅層(例如層102)的示范性的實施方式。然而，隨著這些描述的繼續，會變的很清楚，所述示范性的方法通常可用于在襯底上構建其它的晶體(單晶或多晶)材料層，或在其它的應用中在襯底上構建單晶或多晶硅，或兩者都有。
例如，所述襯底可以是鍺的氧化物，所述晶體層可以是鍺。或者，所述玻璃襯底可以是硅或鍺的氧化物，在其上形成SiGe晶體結構。另外，所述襯底可以是晶體硅，在其上形成晶體氧化物(crystalline oxide)結構。此外，所述層可以用在除LCD顯示器以外的其它應用中，例如有機發光二極管(OLED)顯示器和絕緣體上外延硅(silicon-on-insulator)(SOI)電子應用中。
特征性地，示范性實施方式的方法產生單晶薄膜或多晶薄膜。有利地，所述晶體顆粒具有優選的取向。說明性地，所述取向是平行于襯底的六角形面(例如，Si<111>)。最后，因為顆粒的較高的有序度，所述晶體材料的載流子整體上比已知方法構建的薄膜具有更均一的遷移率。
圖2a-2e是按照示范性的實施方式在玻璃襯底上構建單晶或多晶硅層的過程200的剖面圖。
最初，如圖2a所示，在玻璃襯底201上形成保護層202。說明性地，玻璃襯底是例如圖1LCD顯示器件的襯底。說明性地，保護層102是氮化硅、二氧化硅或二者的組合。所述層202通常通過化學氣相沉積(CVD)來沉積到厚度為100-500納米。
接下來，如圖2b所示，在保護層202上設置SAM層203。說明性地，SAM層203是結合到玻璃襯底201的有機分子材料，并通過例如浸涂來沉積。選擇SAM層203的有機材料結構是由于其類似于晶體(例如Si)的晶體間距(crystallinespacing)，所述SAM層203的有機材料結構有利地形成在玻璃襯底201上。為了這一目的，所述SAM層203由密集的、高度有序排列的長鏈烴分子構成，所述長鏈烴分子形成六角形結構。
所述SAM有序結構有用地含有Si原子204，該Si原子204結合到玻璃襯底201或保護層202的表面的未結合的氧軌道。SAM的烴鏈205如圖所示。依靠SAM層203的分子結構，在玻璃襯底的表面上以基本與結晶硅一樣的周期性排列形成暴露的官能團206的晶種層。換句話說，硅原子204是SAM層203的SAM分子的一部分。SAM分子的次序造成了基本與硅晶體平面相同的暴露的官能團206的次序。這樣，暴露的官能團形成周期性潛力(potential)(晶種層)，用于通過后續的沉積的無定形Si來結晶。要注意的是，SAM的分子間距決定晶種效應。晶種效應對烴鏈205之間的間距最敏感，對連接硅原子204之間的間距不太敏感。
按照示范性的實施方式，用于構建晶體材料的SAM材料所需的性質是烴鏈205的分子次序和間距，尤其是SAM末端的暴露的官能團206的次序和間距(下面充分討論)。選擇SAM分子的次序和間距來基本與硅晶格的次序和間距匹配，這樣可以接著構建硅晶體結構。本領域一般技術人員容易理解，根據本文所述的示范性實施方式的構建原則，通過選擇具有適當間距的SAM材料，可以實現在襯底上構建其它的晶體結構(例如多晶或單晶Ge或SiGe)，所述襯底在已知技術中不可用于構建這些晶體材料。
按照示范性的實施方式，用于形成單晶或多晶硅的SAM層203說明性地包括成分為R-(CH2)N-Si-R’3的材料。這種分子的例子可包括十一碳烯基三氯硅烷(C11H21Cl3Si)或二十二碳烯基三乙氧基硅烷(C28H58O3Si)。要注意的是，在提到的示范性實施方式中，為了形成單晶硅或其它的單晶材料，特定SAM材料的長程(long-range)有序性是有利的。這通過鏈長N＝8-20來實現，最高有序度N＝16左右。
SAM層203與襯底201/保護層202的表面的連接可通過幾種途徑實現。當襯底201是玻璃時，可使用硅烷化學達到這一目的。還需要注意的是，如上所述斷裂(cleave)R’基團以使Si原子204連接到玻璃的氧上。通常使用烷氧基硅烷或三鹵硅烷，硅烷被水解(hydrolize)并縮合形成硅烷聚合物。上述硅烷可含有或被修飾后含有活性官能團，這樣SiH4可以反應以形成用于硅生長的堿性層。合適的連接基團的例子包括三氯硅烷(-SiCl3)、甲氧基硅烷(-Si(OCH3)3)和乙氧基硅烷(-Si(OCH2CH3)3)。
修飾玻璃襯底表面的其它方法將使用帶正電的物質，例如季銨、鏻或锍。選擇帶正電的基團是因為玻璃襯底的表面硅醇是酸性的(pH～3-5)且賦予玻璃很多的負電荷。這些也是高度取向的體系，含有所需的側掛官能團用于以上述的任何機理與SiH4反應。
一般來說，為了按照示范性的實施方式形成單晶或多晶硅，由硅終端(silicon-terminated)的有機分子或官能位(例如對于硅連接優選的烯烴)終端的有機分子構成SAM材料很有用。
按照示范性的實施方式，在CVD沉積硅的過程中，(例如結合下面對圖2c和2d的實施方式的描述)SAM203的側掛(pendent)官能團必須與來自SiH4的等離子體物質(通常用于沉積硅)相互作用和結合。所述的相互作用的本質或具體地說是機理，是基于通常與起始原料有關的反應。
所述SiH4等離子體定義上是由此產生原子團(radical)的高能體系。這些原子團就是設計SAM系統時需要考慮的物質。含有原子團的通常的有機官能團是碳雙鍵或烯烴。因為SiH4同時具有硅和氫，無需第二試劑就可完成對雙鍵的加成。隨著在襯底的表面上形成碳甲硅烷基氫化物，發生正常的硅生長。
另一個說明(address)等離子體的原子團性質的側掛官能團涉及自旋標記物(spin label)或自旋捕獲物(spin trap)的使用。這些是通常用于電子自旋共振(ESR)研究的具有孤對電子的穩定的有機基團(例如N-氧基)。這些分子可與其它原子團相互作用形成完全自旋成對物質。同樣地，所述自旋捕獲物可與SiH4等離子體相互作用形成N-硅氧烷基氫化物基團，然后如上所述，允許正常的硅生長。
SiH4基團的另一個性質是當其暴露于空氣時是高度自燃的。這顯示了結合到硅上的氫的氫化物性質。因為氫是帶一個負電荷的，其它的反應途徑可包括具有路易斯堿的不穩定氫的SAM。即有機基團，例如醇、胺、硫醇等可以與SiH4反應，分別產生硅烷基醚、胺和硫醇。如前所述，硅烷基氫化物結合到表面上，發生正常的硅生長。
在示范性的實施方式中，SAM的R’基團的斷裂(cleavage)是在SAM材料203的沉積過程中進行的，使Si原子204結合到玻璃襯底201的氧上。約為1mM-10mM的SAM材料的稀溶液溶解在有機溶劑(例如己烷、環己烷或甲苯)中。用溶劑清洗過玻璃襯底201、UV曝光和/或氧等離子體后，將玻璃襯底浸在SAM溶液中長達1小時。然后移去所述襯底，清洗并干燥。所述烴鏈205是R-(CH2)N。這些烴鏈和硅原子204一起結合到玻璃襯底上，并提供高度有序的排列，它們是后面一步硅晶體形成的晶種。
SAM層203的分子之間的間距部分地受烴鏈的長度控制。還可通過氟化所有或部分的鏈(即將CH2轉化為CF2)或通過加入側鏈烴鏈(side hydrocarbon chain)來進一步修飾所述分子間距。在一個示范性的實施方式中，所述分子間距基本上等于半導體原子在其六角形平面的平面內間距(in-plane spacing)，或具有整數關系(例如21)。
在沉積SAM層203結束后，在物理沉積無定形硅過程之前，可以進行溶液甲硅烷基化或烯烴終端(alkene termination)作為晶種化過程(seeding process)。例如，在完成圖2b的加工程序后，在催化劑(例如氯鉑酸)的存在下，進行HSi(OR)3(其中R是甲基或乙基)化。該程序形成圖2c所示的結構，Si(OR)3示于207。或者，暴露的官能團206(如圖2b所示，說明性地，是烷基部分207)被SiHx原位還原。
在這兩種情況之一中，Si原子208被設置在SAM層的末端，如圖2d所示，實現了晶種層。為了這一目的，由于SAM層203含有的分子與Si晶體晶格中的分子排列方式基本相同并且間距類似，當沉積硅208時，硅208如所示連接到晶種硅原子上，并形成相當有序的結構。使用熟知的技術，例如等離子增強的化學氣相沉積(PECVD)、催化CVD、濺射涂敷(sputtering)或類似的方法進行硅208的沉積。
硅208的沉積結束之后，所述玻璃襯底可以退火，以使硅208中任何無定形區域更充分地結晶。所述退火步驟是在約400℃到約小于600℃的溫度下在惰性或還原氣氛中進行約2-72小時。所述退火步驟的參數僅僅是說明性的。例如，退火溫度的上限取決于襯底201，并設定溫度來避免損壞襯底201。一般來說，選擇用于SAM的材料取決于將要形成的所需晶體(例如Si、SiGe、Ge)，所述退火步驟使用爐內退火，而非其它更昂貴、不可靠的方法(例如準分子激光退火)進行。
所述的退火步驟還導致烴鏈205的完全熱解。說明性地，所得到的硅晶體結構209是多晶或單晶硅，取決于所用的SAM次序的長度。
說明性地，多晶硅的顆粒尺寸在約1微米-約2微米的級別上，相應的載流子的場效應遷移率在約50平方厘米/伏秒-約50平方厘米/伏秒的級別。此外，因為硅晶體結構209的結晶受SAM層203而非隨機成核的控制，載流子的遷移率具有高度的均一性。載流子遷移率的變化小于約±10％。
較大的顆粒尺寸和較高的載流子遷移率對于提高顯示器的性能是有利的，并使得顯示器襯底上的驅動電路容易集成。此外，如上所述的高遷移率硅的使用還促進了OLED器件在顯示屏(display panel)上的使用，OLED器件比LCD具有更高的遷移率和均一性要求。當然，當硅209是單晶且如上所述長在SAM模板(template)上時，場效應遷移率可以高達600平方厘米/伏秒或更大。
除了上述示范性實施方式的益處外，所述示范性實施方式的方法和得到的結構促進了開關和驅動電路的集成和LCD及OLED應用中顯示器上OLED器件的集成。由于所提供的載流子遷移率，這些器件具有改善的性能，減小的像素尺寸/提高的像素質量。此外，可以減少(如果沒有被該方法消除的話)用于驅動和開關電路的外部芯片固定(mounting)的需求。此外，按照示范性的實施方式所用的有機SAM材料比其它模板工藝(例如金屬硅化物工藝)產生更小的污染硅的風險。示范性實施方式的這些和其它優點還可在根據這些實施方式構建的其它晶體結構中實現。
圖3是按照示范性的實施方式構建顯示器件，例如顯示器100的說明性的工藝程序300的流程圖。要注意的是，所述工藝程序、材料和處理參數，在很多情況下，基本與結合上面的圖2a-2e所描述的示范性實施方式的過程相同。已經到了可以實施圖3的示范性實施方式的工藝的程度，這些將不再重復。
所述玻璃襯底在301中提供，在步驟302中在其上設置阻擋層。所述阻擋層用來阻止污染物從襯底向器件區域內遷移。所述阻擋層通常由氮化硅、二氧化硅或兩者的組合構成，并通常通過化學氣相沉積(CVD)沉積到厚度為100-500納米。沉積阻擋層之后，在步驟303中在襯底上沉積SAM材料。SAM沉積之后，在步驟304中沉積硅層。接著在步驟305中，在相對低溫下熱退火，基本消除了任何的無定形硅，而形成晶體硅，并熱解SAM層。這導致在步驟306中在襯底表面上形成基本為大顆粒的多晶硅或單晶硅。
結合示范性實施方式的討論，已經對本發明進行了詳細的描述。很清楚，對于本領域技術人員來說，具有本發明優點的本發明的改變形式是很明顯的。這樣的修改和變化仍包括在本發明權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種在襯底上構建單晶或多晶材料的方法，包括在所述襯底上沉積自組裝單層(SAM)；在SAM上沉積層；和使所述層基本結晶。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，使所述層基本結晶的步驟還包括使襯底退火。
3.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述退火是在小于所述襯底的應變點的溫度下進行的。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述材料是半導體。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述半導體選自基本由硅、鍺和硅-鍺構成的組中。
6.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述襯底是半導體氧化物。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述層是氧化物。
8.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述SAM材料包括分子，所述分子具有基本上與所述材料的晶格的次序和間距相匹配的次序和間距。
9.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述層基本結晶的步驟形成了多晶材料。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述使所述層基本結晶的步驟形成了單晶材料。
11.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述多晶材料是多晶硅。
12.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述單晶材料是單晶硅。
13.如權利要求9所述的方法，其特征在于，所述SAM層是化合物R-(CH2)N-Si-R’3，且R’基團在向襯底上提供SAM層的過程中斷裂。
14.如權利要求10所述的方法，其特征在于，所述SAM層是化合物R-(CH2)N-Si-R’3，且R’基團在向襯底上沉積SAM層的過程中斷裂。
15.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述的襯底退火基本上熱解SAM。
16.一種設備，包括其上設置有單晶或多晶材料的襯底，其中所述襯底的應變點低于所述單晶或多晶材料的形成溫度。
17.如權利要求16所述的設備，其特征在于，所述設備是顯示器件。
18.如權利要求16所述的設備，其特征在于，所述材料是半導體。
19.如權利要求17所述的設備，其特征在于，所述顯示器件選自平板顯示器(FPD)。
20.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述半導體選自基本由硅、鍺和硅-鍺構成的組中。
21.如權利要求18所述的設備，其特征在于，所述半導體材料的載流子的遷移率約為50平方厘米/伏秒-約600平方厘米/伏秒。
22.如權利要求18所述的設備，其特征在于，其中至少一個電子器件是由半導體形成的。
22.如權利要求21所述的設備，其特征在于，所述遷移率的均一性在約±10％的級別。
23.如權利要求16所述的設備，其特征在于，所述材料的顆粒具有優選的取向。
24.如權利要求16所述的設備，其特征在于，所述材料是顆粒尺寸約為1微米到約2微米的多晶硅。
全文摘要
包括襯底的顯示器件，在所述襯底上設置有晶體或多晶半導體材料層，其中所述襯底具有低于所述層的形成溫度的應變點。所述晶體或多晶材料是通過以下方法構建，所述方法包括在襯底上提供自組裝單層(SAM)、在SAM上沉積材料層和使所述層基本結晶。
文檔編號C30B25/18GK1826683SQ200480020712
公開日2006年8月30日 申請日期2004年6月22日 優先權日2003年7月18日
發明者J·G·庫亞德, R·R·小漢考克, M·A·劉易斯 申請人:康寧股份有限公司