硅結晶化方法

專利名稱：硅結晶化方法
技術領域：
本發明涉及用于制造多晶(polycrystalline)硅薄膜的硅結晶化方法。 更詳細地說，本發明涉及用于制造可適用于液晶顯示器(LCD)、有機發光 顯示器(OLED)等中使用的薄膜晶體管(TFT)的膜質優異的多晶硅薄膜 的硅結晶化方法。
背景技術：
通常，TFT分為非晶硅TFT和多晶硅TFT。 TFT的特性用電子遷移率 的值來評價，由于非晶硅TFT的電子遷移率約為lcm2/Vs、多晶硅TFT的 電子遷移率約為100cm"Vs左右，因此高性能的LCD優選采用多晶硅TFT。
多晶硅TFT如下制作在玻璃或石英等透明基板上蒸鍍非晶硅而使其 多晶化后，形成柵氧化膜和柵極，然后向源極和漏極注入摻雜劑后，形成 絕緣層，從而制作多晶硅TFT。
制造多晶硅TFT時的主要工序為使非晶硅薄膜進行結晶化的工序。最 廣泛已知的硅結晶化方法是固相結晶化(Solid Phase Crystallization)法， 其是通過在600°C以上的高溫下熱處理數十小時而使非晶硅結晶化的方法。
但是，固相結晶化法出于基本上熱處理溫度較高的理由，在制造TFT 時不能使用熔融點低的玻璃基板，因此具有TFT的制造成本非常高的問題。 因此，最近在低溫下短時間內使硅結晶化的方法備受關注，提出了以下多 種工序。
準分子激光結晶化(ELC)法是利用瞬間的激光照射而將非晶硅熔融 以使其再結晶化的方法，具有可以防止急速加熱所導致的玻璃基板的損傷、 多晶硅的結晶性優異的優點，但具有重現性降低、裝備的構成復雜的缺點。
急速的熱處理法為利用IR燈對非晶硅進行急速的熱處理的方法，具有 生產速度快、生產成本低的優點，但具有急速加熱所導致的熱沖擊和玻璃 基板變形等的缺點。
金屬誘導結晶化(MIC)法是向非晶硅導入Ni、 Cu、 Al等金屬催化劑來誘導結晶化的方法，具有可在低溫下結晶化的優點，但當將金屬誘導結
晶化法適用于TFT制造過程時，金屬催化劑作為污染物質發揮作用，具有 使半導體或顯示器的特性降低的缺點。
另一方面，如果考慮到多晶硅TFT的各特性，則形成膜質優異、即硅 晶粒的特性優異的多晶硅薄膜也是非常重要的。這里，硅晶粒的特性是指 硅晶粒的結晶度、晶粒大小和缺陷濃度等。 一般來說，硅晶粒的平均結晶 度和平均尺寸越增加、且硅晶粒的缺陷濃度越低，則多晶硅的膜質越優異。 特別是，為了減少硅晶粒的缺陷濃度，基本上熱處理溫度必須很高。
但是，上述硅結晶化法雖然具有可在玻璃基板上制造的程度的低溫下 進行結晶化的優點，但由于基本上熱處理溫度較低，因此具有所制造的多 晶硅薄膜的膜質降低的問題。

發明內容
本發明為了解決上述現有技術的問題而完成，其目的在于提供制造用 于提高TFT特性的結晶特性優異的多晶硅薄膜的硅結晶化方法。
為了達成這種目的，本發明的硅結晶化方法的特征在于，其包括(a) 在非晶硅上配置金屬催化劑的步驟、(b)在第1熱處理溫度下進行熱處理 的步驟、以及(c)在第2熱處理溫度下進行熱處理的步驟，其中，所述第 1熱處理溫度低于所述第2熱處理溫度。
這里，上述第1熱處理溫度優選是通過金屬誘導結晶化方式使硅發生 結晶化的溫度，且小于通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度。
另外，上述第1熱處理溫度優選為450~600°C。
另外，上述第2熱處理溫度優選為通過固相結晶化方式使硅發生結晶 化的溫度以上。
進而，上述第2熱處理溫度優選為650~750°C 。
另一方面，為了達成上述目的，本發明的另一方式的硅結晶化方法的 特征在于，其包括(a)在非晶硅上配置金屬催化劑的步驟、(b)在已到達 規定升溫速度的第1熱處理溫度下進行熱處理的步驟、以及(c)在第2熱 處理溫度下進行熱處理的步驟，其中，上述第1熱處理溫度低于上述第2 熱處理溫度。這里，上述升溫速度優選根據配置于上述非晶硅上的金屬催化劑的濃 度來進行控制。
另外，上述升溫速度優選為100~300°C/min。
另外，上述第1熱處理溫度優選是通過金屬誘導結晶化方式使硅發生 結晶化的溫度，且小于通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度。 另外，上述第1熱處理溫度優選為600 650。C。
另外，上述第2熱處理溫度優選為通過固相結晶化方式使硅發生結晶 化的溫度以上。
進而，上述第2熱處理溫度優選為700~750°C。
另外，為了達成上述目的，本發明的又一方式的硅結晶化方法的特征 在于，其包括(a)在非晶硅上配置金屬催化劑的步驟及(b)在已到達規 定升溫速度的熱處理溫度下進行熱處理的步驟，其中，所述升溫速度根據 配置于上述非晶硅上的金屬催化劑的濃度來進行控制。
這里，上述升溫速度優選為5~10°C/min。
另外，上述熱處理溫度優選為通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的 溫度以上。
進而，上述熱處理溫度優選為650 75(TC。
根據本發明的硅結晶化方法，有所制造的多晶硅薄膜的膜質提高的效果。
另外，當將本發明的硅結晶化方法適用于TFT制造過程時，有半導體 或顯示器的各特性提高的效果。


圖1A為拍攝通過本發明的第1實施方式的硅結晶化方法制造的多晶硅 層的微細組織而得到的照片。
圖1B為拍攝通過本發明的第1實施方式的比較例的硅結晶化方法制造 的多晶硅層的微細組織而得到的照片。
具體實施例方式
本發明的發明人在認識到利用上述以往的低溫結晶化法的硅結晶化方說明書第4/8頁
法中的問題后，為了解決該問題進行了努力研究，結果著眼于對于下述方 面有利的點，即通過利用金屬誘導結晶化方式在第1熱處理溫度下生成硅 晶粒的核(成核)，使其成長而完成結晶化后，在高于第1熱處理溫度的溫
度(第2熱處理溫度)下進一步進行熱處理，從而制造在除去存在于成長 后的硅晶粒內的缺陷的方面優異的膜質的多晶硅，由此完成了本發明。因 此，本發明在構成上的特征在于，在非晶硅上導入金屬催化劑后，通過2 步驟的熱處理工序使硅發生結晶化。
以下詳細地說明本發明的第1實施方式的硅結晶化方法和使用該方法 的構成。
首先，準備形成有非晶硅層的玻璃基板，在金屬催化劑的導入過程所 進行的腔室內配置基板。這里，玻璃基板相當于例如LCD等情況下形成 TFT的TFT基板。
導入至非晶硅層上的金屬催化劑可以含有Ni、 Al、 Ti、 Ag、 Au、 Co、 Sb、 Pd、 Cu中的任一個或2個以上的組合。金屬催化劑的導入方法可以包 舌熱蒸豐度、法(thermal evaporation)、電子束蒸牽度法(E-beam evaporation)禾口 濺射法(Sputtering)等物理氣相沉積法(PVD)、或者低壓化學氣相沉積法 (LPCVD)、等離子體化學氣相沉積法(PECVD)和原子單位層沉積法 (Atomic Layer Deposition; ALD)等化學氣相沉積法(CVD)等。
另一方面，當將經結晶化的硅適用于TFT等時，為了防止金屬污染所 導致的半導體或顯示器的特性降低，有必要控制所導入的金屬催化劑的濃 度。控制金屬催化劑的濃度的方法的例子可以舉出控制蒸鍍于非晶硅上的 金屬催化劑層的厚度的方法，但并非局限于此。
為了降低所導入的金屬催化劑的濃度，有必要按照金屬催化劑以單原 子層蒸鍍的方式來控制厚度。這里，單原子層是指用金屬催化劑的單原子 層完全覆蓋非晶硅層的整個面積的情況(覆蓋率=1)。
進而，為了進一步降低所導入的金屬催化劑的濃度，有必要按照金屬 催化劑以小于單原子層蒸鍍的方式來控制厚度。這里，小于單原子層是指 未用金屬催化劑的單原子層完全地覆蓋非晶硅層的整個面積的情況、即是 指不在非晶硅層上連續地形成金屬催化劑層而是分散地形成的情況(覆蓋 率<1)。換而言之，金屬催化劑層以小于1的覆蓋率蒸鍍的情況是指可以
7在蒸鍍于非晶硅層上的金屬催化劑之間蒸鍍追加的金屬催化劑的狀態。
接著，進行第1熱處理工序。第1熱處理工序是指在第1熱處理溫度 下進行熱處理的工序，是通過在之前步驟所導入的金屬催化劑而在相對的 低溫下進行硅的結晶化、即硅晶粒的核生成和成長的步驟。第1熱處理工 序利用通常的熱處理爐來進行即可。
本發明中應注意的方面是，必須按照第1熱處理溫度小于非晶硅的固 相結晶化溫度的方式來進行控制。這是由于，通過第1熱處理工序進行的 硅結晶化(硅晶粒的核生成和成長)必須通過金屬誘導結晶化方式來生成。 換而言之，當第1熱處理溫度的控制有誤時，例如將第1熱處理溫度設定 為高于一般的金屬誘導結晶化溫度時，在非晶硅上混存有通過金屬誘導結 晶化方式生成的硅晶粒的核和通過固相結晶化方式生成的硅晶粒的核，這 成為使多晶硅的膜質降低的原因。因此，第1熱處理溫度優選控制為通過 金屬誘導結晶化方式使硅發生結晶化的溫度、且小于通過固相結晶化方式
使硅發生結晶化的溫度，更優選控制為60(TC以下的范圍。
第1熱處理時間可以根據所導入的金屬催化劑的濃度來進行控制。例 如，所導入的金屬催化劑的濃度低時，第1熱處理時間增加；所導入的金 屬催化劑的濃度高時，第l熱處理時間相對地減少。另外，考慮到TFT生 產率等時，第1熱處理時間優選設定為l-10小時的范圍內。
接著，進行第2熱處理工序。這里，第2熱處理工序是在第2熱處理 溫度下進行熱處理的工序，是除去存在于第1熱處理工序中通過金屬誘導 結晶化方式生成的硅晶粒內的缺陷的步驟。第2熱處理工序也仍然是利用 通常的熱處理爐來進行即可。
本發明中應該注意的方面是，必須將第2熱處理溫度控制為高于第1 熱處理溫度。其原因在于，熱處理溫度變得越高，則越可有效地除去存在 于通過第1熱處理工序生成的硅晶粒內的缺陷。因此，第2熱處理溫度優 選控制為通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度以上，更優選控制為 65(TC以上的范圍。
第2熱處理時間考慮到TFT生產率等，與第l熱處理時間同樣，優選 設定為1 10小時的范圍內。
圖1A為拍攝本發明的第1實施方式的硅結晶化方法制造的多晶硅層的微細組織而得到的照片。
具有圖1A的微細組織的多晶硅層經過以下過程來制造。首先，在玻璃
基板上形成非晶硅層。非晶硅層利用通常的PECVD法來形成。此時，蒸 鍍氣體使用SiH4/H2氣體、蒸鍍溫度為40(TC。接著，在非晶硅層上利用金 屬催化劑層形成鎳層。鎳層使用通常的ALD法。此時，蒸鍍氣體使用Ni (CP) 2氣體、蒸鍍溫度為130°C。接著，進行2步驟的結晶化熱處理。結 晶化熱處理使用通常的熱處理爐來進行。最初的熱處理條件在600。C下維持 2小時，第2個熱處理在65(TC下維持1小時，熱處理全部在氮氣氣氛下進 行。之后，為了觀察多晶硅層的微細組織，進行多晶硅的晶粒系(晶界； grain boundary)蝕刻。晶粒系蝕刻使用通常的SECCO蝕亥U法。此時，蝕 刻液為&203 (6,8g) /丁酸(:/少酸)(10ml) /去離子水(200ml)，蝕刻時 間為30秒鐘。最后，用光學顯微鏡拍攝經SECCO蝕刻的多晶硅層的表面。 如圖1A所示，確認本發明的第1實施方式中制造的多晶硅層在整個面 積上由通過金屬誘導結晶化方式均勻地結晶化而得到的晶粒(參照圖1A的 "A"部分)構成。
圖1B為拍攝利用本發明的第1實施方式的比較例的硅結晶化方法制造 的多晶硅層的微細組織而得到的照片。具有圖1B的微細組織的多晶硅層的 制造過程與圖1A的情況相比，除了結晶化熱處理過程以外，全部相同。艮口， 圖1B中，未進行與圖1A同樣的2步驟的結晶化熱處理，而是在650°C、 1 小時的條件下進行1步驟的結晶化熱處理。
如圖1B所示，確認本發明的第1實施方式的比較例中制造的多晶硅層 混存有通過金屬誘導結晶化方式而結晶化的晶粒(參照圖IB的"A"部分) 和通過固相結晶化方式而結晶化的晶粒(參照圖IB的"B")而構成。
如此，本發明的第l實施方式中，通過在非晶硅上導入金屬催化劑后， 進行2步驟的結晶化熱處理，可以獲得由通過金屬誘導結晶化方式而結晶 化的硅晶粒構成的多晶硅。結果，由于在多晶硅內未混存有通過固相結晶 化方式而結晶化的硅晶粒，因此具有能夠制造膜質優異的多晶硅層的優點。
另一方面，在本發明的第2實施方式中，第1熱處理溫度可以根據到 達第1熱處理溫度所需要的時間、即根據升溫速度而進行變更。例如，當 升溫速度達到100°C/min以上時，可以將第1熱處理溫度從上述的60(TC以下的范圍控制為70(TC以下的范圍。這是由于，當增加升溫速度時，即便第 1熱處理溫度稍微增高，也可有效地抑制利用固相結晶化方式進行的硅晶粒 的核生成。此時，升溫速度可以根據所導入的金屬催化劑的濃度來進行控 制。例如，當所導入的金屬催化劑的濃度低時，可以增加升溫速度；當所 導入的金屬催化劑的濃度高時，可以相對地降低升溫速度。
第2熱處理溫度優選控制為通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的溫 度以上，更優選控制為70(TC以上的范圍。第1和第2熱處理時間優選控制 為與上述第1實施方式的情況相同的范圍內。
這樣，本發明的硅結晶化方法通過采用在利用金屬誘導結晶化方式在 第1熱處理溫度下完成硅的結晶化后，在高于第1熱處理溫度的溫度(第2 熱處理溫度)下進一步進行熱處理以除去存在于所生成的硅晶粒內的缺陷 的2步驟的熱處理工序，對于制造優異膜質的多晶硅是有利的。結果，當 將本發明的方法適用于TFT制造過程時，具有半導體或顯示器的各特性提 高的優點。
另一方面，本發明的第3實施方式中，可以在低于上述本發明的第2 實施方式的升溫速度下利用簡便的方式使硅發生結晶化。換而言之，如果 降低升溫速度，則由于在升溫過程中利用金屬誘導結晶化方式進行的硅的 結晶化結束，因此如果升溫過程結束，則在所到達的溫度下立即進行除去 存在于硅晶粒內的缺陷的熱處理步驟。這樣，通過控制升溫速度，即便是 僅通過1步驟的熱處理工序，也可獲得與經過上述2步驟的熱處理工序的 情況相同的效果。
此時，升溫速度可以根據導入至非晶硅上的金屬催化劑的濃度來進行 控制，優選控制為1(TC/min以下的范圍。熱處理溫度優選控制為通過固相 結晶化方式使硅發生結晶化的溫度以上、更優選控制為650。C以上的范圍。 熱處理時間優選在與上述第1和第2實施方式相同的范圍內進行控制。
如上所述，根據本發明，所制造的多晶硅薄膜的膜質提高。另外，當 將本發明的硅結晶化方法適用于TFT制造過程時，有半導體或顯示器的各 特性提高的效果。因此，本發明的產業利用性極高。
如上所述，本發明中通過具體的構成要素等特定事項和所限定的實施 方式及附圖進行了說明，但這是為了幫助更為全面地理解本發明而提供的說明，本發明并非局限于上述實施方式，只要是具有本發明所屬領域中公 知的知識的人，即可由上述記載進行多種修正和變形。
因此，本發明的思想并非限定于這里說明的實施方式，而且并非僅限 于后述的權利要求書的范圍，與該權利要求書的范圍均等或等價變形的全 部范圍均屬于本發明的思想和范疇。
權利要求
1. 一種硅結晶化方法，其特征在于，其包含(a)在非晶硅上配置金屬催化劑的步驟；(b)在第1熱處理溫度下進行熱處理的步驟；以及，(c)在第2熱處理溫度下進行熱處理的步驟，其中，所述第1熱處理溫度低于所述第2熱處理溫度。
2. 根據權利要求1所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第1熱處 理溫度為通過金屬誘導結晶化方式使硅發生結晶化的溫度，且小于通過固 相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度。
3. 根據權利要求2所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第l熱處 理溫度為450~600°C。
4. 根據權利要求1所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第2熱處 理溫度為通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度以上。
5. 根據權利要求4所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第2熱處 理溫度為650~750°C。
6. —種硅結晶化方法，其特征在于，其包括(a) 在非晶硅上配置金屬催化劑的步驟；(b) 在已到達規定的升溫速度的第1熱處理溫度下進行熱處理的步驟; 以及，(c) 在第2熱處理溫度下進行熱處理的步驟，其中，所述第1熱處理溫度低于所述第2熱處理溫度。
7. 根據權利要求6所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述升溫速度 根據配置于所述非晶硅上的金屬催化劑的濃度來進行控制。
8. 根據權利要求7所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述升溫速度 為100 300°C/min。
9. 根據權利要求6所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第l熱處 理溫度為通過金屬誘導結晶化方式使硅發生結晶化的溫度，且小于通過固 相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度。
10. 根據權利要求9所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第1熱處 理溫度為600~650°C。
11. 根據權利要求6所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第2熱處 理溫度為通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度以上。
12. 根據權利要求11所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述第2熱 處理溫度為70(K75(TC。
13. —種硅結晶化方法，其特征在于，其包括(a) 在非晶硅上配置金屬催化劑的步驟；以及，(b) 在已到達規定的升溫速度的熱處理溫度下進行熱處理的步驟， 其中，所述升溫速度根據配置于所述非晶硅上的金屬催化劑的濃度來進行控制。
14. 根據權利要求13所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述升溫速 度為5 10tV分鐘。
15. 根據權利要求13所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述熱處理 溫度為通過固相結晶化方式使硅發生結晶化的溫度以上。
16. 根據權利要求15所述的硅結晶化方法，其特征在于，所述熱處理 溫度為650~750°C。
全文摘要
本發明提供用于制造結晶特性優異的多晶硅的硅結晶化方法。本發明的硅結晶化方法的特征在于，其包含(a)在非晶硅上配置金屬催化劑的步驟、(b)在第1熱處理溫度下進行熱處理的步驟、和(c)在第2熱處理溫度下進行熱處理的步驟，其中，所述第1熱處理溫度低于所述第2熱處理溫度。
文檔編號C30B29/06GK101445958SQ20081017833
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月28日 優先權日2007年11月30日
發明者張澤龍, 張錫弼, 李炳一 申請人:泰拉半導體株式會社