CN101834211A - 一种基于金属诱导的多晶硅薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多晶硅薄膜，包括：玻璃衬底、阻挡层和具有连续晶畴的多晶硅层；其中，所述多晶硅层的厚度为10-500纳米，所述多晶硅层中的晶粒均匀分布；其中，所述多晶硅层是通过在非晶硅薄膜上的覆盖层光刻诱导口、在所述诱导口使金属诱导薄膜和所述非晶硅薄膜接触并经过两次退火晶化形成的多晶硅层。
Description
技术领域
本发明涉及多晶硅薄膜制备技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于金属诱导的多晶硅薄膜。
背景技术
非晶硅薄膜晶体管(TFT)的制备工艺成熟并相对简单，成品率高，成本低，现有的有源矩阵显示器多采用非晶硅薄膜晶体管。但是非晶硅薄膜晶体管的场效应迁移率低，器件的稳定性较差，难以满足快速开关的彩色时序液晶显示、电流驱动的有机发光二极管显示以及集成型显示的要求。玻璃衬底上制备的、通过退火炉或者激光加热得到的低温多晶硅薄膜晶体管，具有较高的迁移率和较好的器件稳定性，适合于快速开关、电流驱动和集成基板的显示应用的制备。
使用传统低压化学气相沉积(CVD)获取多晶硅的工艺需要很高的温度(通常620-650℃)来实现，而通过更高温(1000℃以上)退火形成的多晶硅只适合用于贵重的石英衬底，而不适用于通常的玻璃衬底。
目前，非晶硅的晶化方法主要包括激光照射加热非晶硅的晶化方法和金属诱导非晶硅的晶化方法。通常在金属诱导晶化方法中，为了有效控制诱导金属在多晶硅薄膜中的残余量，提高在大面积衬底上批量制备多晶硅的均匀一致性，采用了金属诱导横向晶化的技术，但是在该金属诱导横向晶化过程中的氧化过程会产生多晶硅的损耗。
图1示出现有技术的金属诱导横向晶化过程后吸除金属残作物而形成的多晶硅薄膜。如图1所示，衬底101上覆盖阻挡层102，并沉积非晶硅薄膜103，在非晶硅薄膜103上添加金属诱导层201，退火使其结晶，然后在其上形成一层金属吸收层301，把多余的诱导金属吸收出来。但该制造过程中工艺处理的时间较长，而且在结晶的时候由于包含了过多的镍，使得晶核的密度过大，这不利于大晶粒多晶硅的生成。
现有技术还存在吸除过程和金属诱导横向晶化同时进行的一种技术(美国专利US 2002192884)，在该技术方案中，在形成先驱物非晶硅之前预沉积一层吸除层。但是吸除过程过早发生，把结晶核处高浓度的镍吸收的同时也把结晶核周围用于形成晶粒的镍吸收，影响了多晶硅的结晶质量和结晶速度；而且，吸除金属过于接近多晶硅器件有源层，吸除层的存在会影响TFT的最终特性。
发明内容
为克服现有多晶硅薄膜制备工艺复杂、残余物多、性能差的缺陷，本发明提出一种基于金属诱导的多晶硅薄膜。
根据本发明的一个方面，提出了一种多晶硅薄膜，包括：玻璃衬底、阻挡层和具有连续晶畴的多晶硅层；其中，所述多晶硅层的厚度为10-500纳米，所述多晶硅层中的晶粒均匀分布；其中，所述多晶硅层是通过在非晶硅薄膜上的覆盖层光刻诱导口、在所述诱导口使金属诱导薄膜和所述非晶硅薄膜接触并经过两次退火晶化形成的多晶硅层。
其中，所述玻璃衬底为诸如康宁1737F、鹰2000的用于制备非晶硅薄膜晶体管的常用玻璃，其厚度为0.3-1.5毫米。
其中，所述阻挡层为采用诸如低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)生长的氧化硅层或者氮化硅层，厚度为30-900纳米。
其中，所述阻挡层为200纳米厚的氮化硅或者100纳米厚的低温氧化硅(LTO)。
其中，所述非晶硅薄层采用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)或者溅射方法沉积在所述阻挡层上，其中所述非晶硅薄层厚度为10-500纳米。
其中，所述在非晶硅薄膜上的覆盖层光刻诱导口是指在所述非晶硅薄膜层上沉积覆盖层，然后采用光刻过程在所述覆盖层内形成晶核生长定位的诱导口。
其中，所述诱导口连续布置、均匀分布，每个诱导口是几何尺寸相同的方形、圆形或者长条形孔口。
所述诱导口的宽度或半径为2微米至20微米，孔间的间隔距离相同，为30微米至300微米；或者，所述诱导口宽度为2微米，间隔距离30微米。
其中，在所述诱导口使金属诱导薄膜和所述非晶硅薄膜接触是指采用溅射、蒸发、离子注入、溶液浸泡或旋涂等方法形成的低镍含量的所述金属诱导薄膜在所述诱导口处和所述非晶硅薄膜反应，得到离散的诱导晶核，并生长成尺度为10-20微米、圆形晶畴的低密度多晶硅“岛”。
其中，所述经过两次退火晶化包括第一次退火过程和第二次退火过程，所述第一次退火在氮气气氛下进行，退火温度550-590℃，时间1-2小时，所述第二步退火过程在氮气气氛下完成，退火温度550-590℃，时间2-3小时。
其中，所述诱导金属被金属吸收层逐渐吸除并且金属诱导多晶硅前沿推进，随着晶化过程的推进，诱导口的金属镍被吸除到吸收层中，诱导峰对撞形成晶界。
本发明的多晶硅薄膜的制备中包括晶化与有针对性的吸除过程，其中：(1)在非晶硅表面形成微量镍源，使用诱导口预先控制成核点的位置；(2)经第一步退火，在诱导口处形成多晶硅斑；(3)在上述薄膜表面，沉积磷硅玻璃(PSG)薄膜，并进行第二次退火，完成整个多晶硅薄膜的晶化过程。PSG薄膜边吸收诱导口处的镍晶体边生长，在诱导口周围晶化过程中需要消耗镍的地方能很好地保护起来而不被PSG吸收。因此，这样的晶化过程，不存在如传统MILC中的诱导口的明显高镍含量的区间，整个多晶硅薄膜的任何区域都可以作为TFT的有源层。
本发明包括晶化与有针对性的吸除过程，在缩短工艺时间的同时，可获得具有连续晶畴的多晶硅薄膜。从而进一步使得整个多晶硅薄膜的任何区域都可以作为高质量TFT的有源层，消除了晶化过程玻璃衬底收缩造成的对位板错位问题。
本发明还对晶核定位的诱导口进行优化设计，形成诸如正六角形的蜂巢晶体薄膜。由于诱导口的分布为规则重复分布，形成的晶畴形状与尺寸相同，可准确控制晶化过程，具有晶化时间的高可控性和工艺过程的高稳定性，适合于工业化生产要求。
附图说明
图1是现有技术的金属诱导多晶硅薄膜的示意图；
图2是根据本发明的实施例的多晶硅薄膜的结构示意图；
图3是根据本发明的实施例的多晶硅薄膜制备方法的流程图；
图4(a)是根据本发明的实施例的多晶硅薄膜在第一次退火过程中诱导口处形成多晶硅“岛”的截面示意图；
图4(b)是根据本发明的实施例的多晶硅薄膜在第一次退火过程后的晶体薄膜表面沉积金属吸收层后的截面图；
图5是诱导口按等边三角形分布的多晶硅岛分布示意图；
图6为根据本发明制备的多晶硅薄膜的晶体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种用多晶硅薄膜进行详细描述。
图2示出根据本发明的一个实施例的多晶硅薄膜的结构。如图2所示，该多晶硅薄膜包括玻璃衬底101、阻挡层102和具有连续晶畴的多晶硅层103。其中，玻璃衬底101为康宁1737F、鹰2000等用于制备TFT的常用玻璃，厚度为0.3-1.5毫米。阻挡层102为采用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)生长的氧化硅层或者氮化硅层，厚度为30-900纳米；优选地，诸如200纳米厚的氮化硅或者100纳米厚的低温氧化硅(LTO)。多晶硅层103的厚度通常为10-500纳米，其是正六角形的蜂巢晶体薄膜。该多晶硅层103中晶粒均匀分布。该多晶硅层103是通过在非晶硅薄膜上的覆盖层光刻诱导口、在诱导口使金属诱导薄膜和非晶硅薄膜接触并经过两次退火晶化形成的均匀多晶硅层，该最初非晶硅薄层采用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)和溅射方法沉积在阻挡层上，非晶硅薄层厚度为10-500纳米。
图3示出根据本发明的实施例的多晶硅薄膜的制备方法的流程图。总的来说，如图3所示，该方法包括：在玻璃衬底上沉积氧化硅或氮化硅阻挡层，并沉积非晶硅薄膜(步骤301)；在非晶硅薄膜上形成一层氧化硅或氮化硅覆盖层，并在覆盖层上刻蚀诱导口(步骤302)；在覆盖层上形成一层金属诱导薄膜，使该金属诱导薄膜在诱导口处与非晶硅薄膜接触(步骤303)；进行第一步退火过程，在诱导口下方的非晶硅薄膜中得到多晶硅岛(步骤304)；在金属诱导薄膜上沉积金属吸收层，然后进行第二次退火过程，形成晶粒均匀分布的晶化的非晶硅薄膜(步骤305)；去除金属吸收层和覆盖层(步骤306)。
继续参考图3，并且进一步参考图4(a)和4(b)，详细说明图3中所述方法的流程，其中，图4(a)示出根据本发明的实施例的多晶硅薄膜在第一次退火过程中诱导口处形成的多晶硅“岛”，图4(b)示出根据本发明的实施例的多晶硅薄膜在第一次退火过程后晶体薄膜表面沉积金属吸收层的结构。
在步骤301中，在玻璃衬底101上沉积厚度为20-900纳米的低温氮化硅、低温氧化硅或氮氧化硅层作为阻挡层102，沉积10-500纳米厚的非晶硅薄膜层103。其中，沉积方法采用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)和溅射方法。非晶硅薄膜层厚度通常为10-500纳米，优选50-200纳米。玻璃衬底101为康宁1737F、鹰2000等常用于制备TFT的常用玻璃，厚度为0.3-1.5毫米。阻挡层102也可以采用200纳米厚的氮化硅或者100纳米的低温氧化硅(LTO)。
在步骤302中，在非晶硅薄膜层103上沉积覆盖层104，然后采用一个光刻过程在覆盖层104内形成晶核生长定位的诱导口。在一个实施例中，诱导口连续布置、均匀分布，每个诱导口的几何尺寸相同，是采用光刻方法形成的方形、圆形或者长条形孔口。其中，诱导口的宽度或半径为2微米至20微米，孔间的间隔距离相同，为30微米至300微米。优选地，诱导口宽度为2微米，间隔距离30微米。覆盖层为PEVCD、LPCVD、或溅射沉积的低温氧化硅或氮化硅或二者的混合薄膜，厚度为50纳米至500纳米，厚度优选100纳米。
在步骤303中，在覆盖层上形成一层金属诱导薄膜，使该金属诱导薄膜在诱导口处与非晶硅接触。在一个实施例中，采用镍硅混合靶，氩氧气溅射形成金属诱导薄膜105，在诱导口与其下面的非晶硅层接触。在另一个实施例中，金属诱导薄膜为低镍含量的氧化镍硅薄膜。在又一个实施例中，采用溅射、蒸发、离子注入、溶液浸泡或旋涂等方法形成金属诱导薄膜105。
在步骤304中，进行第一步退火过程，在诱导口处得到多晶硅岛。在一个实施例中，金属诱导薄膜中的镍源和与其交界的非晶硅薄膜反应，硅被氧化而释放出镍，镍很快扩散到其周边邻近的非晶硅中，形成镍的聚集，得到离散的诱导晶核，并生长成尺度为10-20微米、圆形晶畴的低密度多晶硅“岛”201。该退火在氮气气氛下进行，退火温度550-590℃，时间1-2小时。优选，退火温度为590度，时间1小时。
在步骤305中，在金属诱导薄膜上沉积金属吸收层106。在一个实施例中，在金属诱导薄膜上PECVD、LPCVD沉积厚度为100-900纳米的磷硅玻璃(PSG)106，优选厚度为700纳米。图4(b)示出了经过第一步退火后沉积金属吸收层106的多晶硅薄膜。
在步骤306中，进行第二次退火过程，然后去除金属吸收层和覆盖层。在一个实施例中，第二步退火过程在氮气气氛下完成，退火温度550-590℃，时间2-3小时，其中优选地，温度为590度，时间为2小时。诱导金属被金属吸收层逐渐吸除并且金属诱导多晶硅前沿推进，随着晶化过程的推进，诱导口的金属镍被吸除到吸收层中，诱导峰对撞形成晶界。图5示出诱导口按等边三角形分布的多晶硅岛的分布。其中，三角形401为多晶硅岛，圆形的402为诱导口，经过第二次退火后多晶硅岛长大、晶畴成辐射状外延形成对撞晶界501。在另一个实施例中，金属吸收层106和覆盖层104使用氢氟酸或BOE等去除，得到完全晶化的多晶硅薄膜。
图6为根据本发明制备的多晶硅薄膜的晶体结构，其为在TMAH溶液中20度的环境下，腐蚀3分钟的显微图片。
在本发明的另一个实施例中，描述一种使用上述晶化薄膜的晶体管器件及其制备方法。其中，得到前述方法实现的多晶硅薄膜之后，用其加工TFT有源岛图案，沉积20-200纳米厚的低温氧化硅的栅氧化层，形成栅电极。其中，栅氧化层包括氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。之后，N、P型掺杂源被离子注入到有源层中，并形成重掺杂的源漏区间。然后用激光、闪灯等快速退火方式活化掺杂层。沉积绝缘层，开栅、源、漏电极的接触孔，溅射金属电极，沉积金属互连层并光刻相关电极图形。
其中，对于N型TFT，采用磷源，能量为130KeV，浓度为4×1015平方厘米；对于P型TFT，采用硼源，能量为40KeV，浓度为4×1015平方厘米，之后500-600℃退火1-2小时。
最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。
Claims (11)
1.一种多晶硅薄膜，包括：玻璃衬底、阻挡层和具有连续晶畴的多晶硅层；其中，所述多晶硅层的厚度为10-500纳米，所述多晶硅层中的晶粒均匀分布；其中，所述多晶硅层是通过在非晶硅薄膜上的覆盖层光刻诱导口、在所述诱导口使金属诱导薄膜和所述非晶硅薄膜接触并经过两次退火晶化形成的多晶硅层。
2.权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中，所述玻璃衬底为诸如康宁1737F、鹰2000的用于制备非晶硅薄膜晶体管的常用玻璃，其厚度为0.3-1.5毫米。
3.权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中，所述阻挡层为采用诸如低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)生长的氧化硅层或者氮化硅层，厚度为30-900纳米。
4.权利要求3所述的多晶硅薄膜，其中，所述阻挡层为200纳米厚的氮化硅或者100纳米厚的低温氧化硅(LTO)。
5.权利要求3所述的多晶硅薄膜，其中，所述非晶硅薄层采用低压化学气相沉积(LPCVD)、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)或者溅射方法沉积在所述阻挡层上，其中所述非晶硅薄层厚度为10-500纳米。
6.权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中，所述在非晶硅薄膜上的覆盖层光刻诱导口是指在所述非晶硅薄膜层上沉积覆盖层，然后采用光刻过程在所述覆盖层内形成晶核生长定位的诱导口。
7.权利要求6所述的多晶硅薄膜，其中，所述诱导口连续布置、均匀分布，每个诱导口是几何尺寸相同的方形、圆形或者长条形孔口。
8.权利要求7所述的多晶硅薄膜，其中，所述诱导口的宽度或半径为2微米至20微米，孔间的间隔距离相同，为30微米至300微米；或者，所述诱导口宽度为2微米，间隔距离30微米。
9.权利要求6所述的多晶硅薄膜，其中，在所述诱导口使金属诱导薄膜和所述非晶硅薄膜接触是指采用溅射、蒸发、离子注入、溶液浸泡或旋涂等方法形成的低镍含量的所述金属诱导薄膜在所述诱导口处和所述非晶硅薄膜反应，得到离散的诱导晶核，并生长成尺度为10-20微米、圆形晶畴的低密度多晶硅“岛”。
10.权利要求1所述的多晶硅薄膜，其中，所述经过两次退火晶化包括第一次退火过程和第二次退火过程，所述第一次退火在氮气气氛下进行，退火温度550-590℃，时间1-2小时，所述第二步退火过程在氮气气氛下完成，退火温度550-590℃，时间2-3小时。
11.权利要求10所述的多晶硅薄膜，其中，所述诱导金属被金属吸收层逐渐吸除并且金属诱导多晶硅前沿推进，随着晶化过程的推进，诱导口的金属镍被吸除到吸收层中，诱导峰对撞形成晶界。
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