CN102646602B - 多晶薄膜制备方法、多晶薄膜及由其制备的薄膜晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种多晶薄膜制备方法、多晶薄膜及由其制备的薄膜晶体管。该多晶薄膜包括衬底，热导体，晶种侧墙和多晶薄膜层。本发明在多晶薄膜的制备过程中采用热导体，能够实现晶种侧墙附近热量的优先散失，保证熔融态的非晶薄膜层在晶种侧墙处起始固化，有利于非晶薄膜层的固化结晶，减少成核的随机性，有效降低传统激光结晶工艺中对临界激光能量密度的敏感性。本发明的多晶薄膜提高了晶粒尺寸和迁移率，实现了晶粒位置的可控。本发明的薄膜晶体管采用具有大晶粒尺寸和高迁移率的多晶薄膜制成，具有高的迁移率，提高了器件性能。
Description
技术领域
本发明属于基本电气元件领域，涉及半导体器件的制备，特别涉及一种多晶薄膜制备方法，由该方法制备形成的多晶薄膜及由该多晶薄膜制备的薄膜晶体管。
背景技术
目前，薄膜晶体管作为液晶显示器的像素开关得到了广泛应用，其中，多晶硅薄膜晶体管由于具有较高的迁移率，更具有成为集成面板周边驱动电路的潜力。作为多晶硅薄膜晶体管的一项关键工艺，多晶硅薄膜的制备工艺至关重要。由于低温工艺要求，多晶硅薄膜的制备过程一般是先淀积一层非晶硅薄膜，再通过一定重结晶方法，将非晶硅转化为多晶硅。其中一种重要的重结晶方法是激光结晶方法，这种激光结晶方法是通过短时间的激光照射，使一定厚度的非晶硅局部瞬间恰好临界完全熔化，然后快速固化，从而实现重结晶的目的。但是，这种方法的主要问题在于，熔融态的硅薄膜固化成核具有随机性，晶粒大小难以控制，而且，临界完全融化的激光能量密度难以精确控制。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种多晶薄膜制备方法、多晶薄膜及由其制备的薄膜晶体管。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种多晶薄膜制备方法，其包括如下步骤：
S1：提供衬底；
S2：在所述衬底上形成热导体；
S3：刻蚀所述热导体直至所述衬底暴露，形成热导体图案结构；
S4：在所述热导体和所述衬底上形成晶种层；
S5：刻蚀所述晶种层，在所述热导体侧壁上形成晶种侧墙；
S6：在所述衬底、热导体和晶种侧墙上形成非晶薄膜层；
S7：刻蚀所述非晶薄膜层；
S8：对所述非晶薄膜层进行重结晶处理并形成多晶薄膜层。
本发明在多晶薄膜的制备过程中采用热导体，能够实现晶种侧墙附近热量的优先散失，从而保证熔融态的非晶薄膜层在晶种侧墙处起始固化；本发明采用晶种侧墙有利于非晶薄膜层的固化结晶，减少成核的随机性，并利用热导体附近热量散失快而形成局部的定向凝固，大幅度提高多晶薄膜的晶粒尺寸，实现晶粒位置的可控，从而提高多晶薄膜晶体管的迁移率，能够制备高性能多晶硅薄膜晶体管。此外，本发明采用的晶种侧墙及热导体结构，能够有效降低传统激光结晶工艺中对临界激光能量密度的敏感性。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种多晶薄膜，其包括：衬底；热导体，所述热导体形成在所述衬底上；晶种侧墙，所述晶种侧墙形成在所述热导体的侧壁上；多晶薄膜层，所述多晶薄膜层形成在未被热导体和晶种侧墙覆盖的衬底上。
本发明的多晶薄膜提高了晶粒尺寸和迁移率，实现了晶粒位置的可控。
为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第三个方面，本发明提供了一种薄膜晶体管，是在本发明形成的多晶薄膜上制备而成，包括：衬底；多晶薄膜层，所述多晶薄膜层形成在所述衬底上；源极和漏极，所述源极和漏极形成于所述多晶薄膜层内；栅介质和栅极，所述栅介质形成于所述多晶薄膜层之上，所述栅极形成于所述栅介质之上；源极金属层和漏极金属层，所述源极金属层形成于所述源极之上，所述漏极金属层形成于漏极之上。
本发明的薄膜晶体管采用具有大晶粒尺寸和高迁移率的多晶薄膜制成，具有高的迁移率，提高了器件性能。
在本发明的优选实施例中，热导体图案为不连续的带状，在激光照射过程中，激光窗口的长度小于热导体的长度。
本发明在激光照射结晶工艺中激光的窗口小于带状热导体的长度，有利于热导体实现散热效果。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1-图7是本发明多晶薄膜制备方法的一种优选实施方式的工艺步骤示意图；
图8是图7所示多晶薄膜的俯视图；
图9是本发明薄膜晶体管刻蚀出有源区的结构示意图；
图10是本发明薄膜晶体管的一种优选实施方式的结构示意图。
附图标记：
1衬底；2钝化层；3热导体；41晶种层；4晶种侧墙；
51非晶薄膜层；5多晶薄膜层；6源极；7漏极；8栅介质；9栅极；
10源极金属层；11漏极金属层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提出了一种多晶薄膜制备方法，其包括如下步骤：
S1：提供衬底1；
S2：在衬底1上形成热导体3；
S3：刻蚀热导体3直至衬底1暴露，形成热导体图案结构；
S4：在热导体3和衬底1上形成晶种层41；
S5：刻蚀5晶种层41，在热导体侧壁上形成5晶种侧墙4；
S6：在衬底1、热导体3和6晶种侧墙4上形成非晶薄膜层51；
S7：刻蚀非晶薄膜层51；
S8：对非晶薄膜层进行重结晶处理并形成多晶薄膜层5。
根据本发明的多晶薄膜制备方法制备的多晶薄膜包括衬底1；热导体3，该热导体3形成在衬底1上；晶种侧墙4，该晶种侧墙4形成在热导体3的侧壁上；多晶薄膜层5，该多晶薄膜层4形成在未被热导体3和晶种侧墙4覆盖的衬底1上。
利用本发明形成的多晶薄膜可以制备薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括：衬底1；多晶薄膜层5，该多晶薄膜层5形成在衬底1上；源极6和漏极7，该源极6和漏极7形成于多晶薄膜层5内；栅介质8和栅极9，该栅介质8形成于多晶薄膜层5之上，栅极9形成于栅介质8之上；源极金属层10和漏极金属层11，该源极金属层10形成于源极6之上，漏极金属层11形成于漏极7之上。
图1-图7是本发明多晶薄膜制备方法的一种优选实施方式的工艺步骤示意图，图中仅仅是示意的给出了各区域的尺寸，具体的尺寸可以根据器件参数的要求进行设计。从图中可见，制备本发明的多晶薄膜需要以下步骤：
第一步：提供衬底1，该衬底1可以是制备薄膜晶体管的任何衬底材料，具体可以是但不限于玻璃、塑料、硅；
第二步：在本实施方式中，如图1所示，在衬底1上形成钝化层2，该多晶薄膜的其他结构均在钝化层2上制备形成。在本发明的另外的优选实施方式中，直接在衬底1上制备形成多晶薄膜。在本实施方式中，该钝化层2的材料可以是但不限于硅的氧化物、硅的氮化物、碳化硅之一或其组合，该钝化层的厚度为10nm-50μm；
第三步：如图2所示，在钝化层2上形成热导体3，形成热导体3的方法具体可以是但不限于物理气相淀积、化学气相淀积，该热导体的熔点高于激光照射过程中热导体的最高温度，不会在激光结晶工艺中熔化，该热导体的热导率高于多晶薄膜的热导率，该热导体可以是金属或者是其他耐高温的热的良导体，具体可以是但不限于铝、钨、银、铜等金属及耐高温的非金属，该热导体厚度不小于期望生长的多晶薄膜层的厚度；
第四步：如图3所示，刻蚀热导体3直至钝化层2暴露，形成热导体图案结构，刻蚀热导体3的方法具体可以是但不限于光刻技术，该热导体图案可以是任何连续或者不连续的由多边形、圆形、线形和弧形组成的图形、或者不规则弧线组成的图形，在本实施方式中，优选采用带状；
第五步：如图4所示，在热导体3和钝化层2上形成晶种层41，形成晶种层41的方法具体可以是但不限于化学气相淀积、物理气相淀积、原子层淀积。晶种层可以是与多晶薄膜材料异质或同质的晶种层。在本实施方式中，该晶种层41为异质晶种层，该异质晶种层的晶格常数与多晶薄膜材料的晶格较为匹配，在本发明的一种优选实施方式中，该异质晶种层的晶格常数与多晶薄膜材料的晶格常数的N倍的偏差不超过30％，在本发明另外的一种优选实施方式中，该异质晶种层的晶格常数与多晶薄膜材料的晶格常数的1/N倍的偏差不超过30％，其中，N为正整数，该异质晶种层的材料具体可以为但不限于NiSi2等金属硅化物、金属锗化物、氟化钙、氧化铈、氧化锆，该异质晶种层的厚度为1nm-1μm；
第六步：如图5所示，刻蚀晶种层41，在热导体3的侧壁上形成晶种侧墙4，刻蚀晶种层41的方法可以为但不限于光刻技术；
第七步：如图6所示，在钝化层2、热导体3和晶种侧墙4上形成非晶薄膜层51，形成该非晶薄膜层51的方法可以为但不限于化学气相淀积；
第八步：如图7所示，刻蚀非晶薄膜层51，使最终剩余的非晶薄膜层的厚度为10nm-1000nm。刻蚀该非晶薄膜层51的方法可以为但不限于化学机械剖光、湿法腐蚀、干法刻蚀，在本实施实施方式中，刻蚀后非晶薄膜层的厚度小于热导体的厚度，在本发明另外的优选实施方式中，刻蚀后非晶薄膜层的厚度等于热导体的厚度；
第九步：对非晶薄膜层51进行重结晶处理并形成多晶薄膜层5，本发明形成的多晶薄膜层5的厚度为10nm-1000nm。重结晶处理可以是激光照射法或快速热处理方法使非晶薄膜层51熔化，然后再冷却凝固为多晶薄膜层5。在本实施方式中，采用激光照射法使非晶薄膜层51重结晶形成多晶薄膜层5，采用的激光照射重结晶的方法包括但不限于非晶薄膜层51的熔融并固化重结晶过程，在本实施方式中，激光照射重结晶工艺中激光的窗口小于热导体的长度，以有利于热导体实现散热效果。根据以上方法形成的多晶薄膜的俯视图如图8所示，本发明采用热导体3和晶种侧墙4将多晶薄膜分割，能够实现晶种侧墙附近热量的优先散失，从而保证熔融态的非晶薄膜层在晶种侧墙处起始固化，有利于非晶薄膜层的固化结晶，减少成核的随机性，同时，由于热导体处的热量散失快，非晶薄膜层熔融后的凝固过程为局部定向凝固，能够提高多晶薄膜的晶粒尺寸，实现晶粒位置的可控，尤其是垂直于热导体的方向上可以实现很大的晶粒尺寸，利用该方向为晶体管的沟道方向，可以大幅度提高多晶薄膜晶体管的迁移率，能够制备高性能多晶硅薄膜晶体管。此外，本发明采用的晶种侧墙及热导体结构，能够有效降低传统激光结晶工艺中对临界激光能量密度的敏感性。
在本发明另外的优选实施方式中，在第九步之前，即对非晶薄膜层51进行激光照射之前，先在非晶薄膜层51上形成一层对激光透明的介质层，该介质层可以为但不限于SiO2，具体形成方法可以为但不限于化学气相淀积，在激光照射非晶薄膜层时该介质层能够增加非晶薄膜层的熔融持续时间，在非晶薄膜层重结晶形成多晶薄膜层之后，刻蚀去掉这层介质层，采用的刻蚀方法可以为但不限于湿法腐蚀方法。
根据本发明多晶薄膜的制备方法可以但不限于制备多晶硅薄膜，多晶锗薄膜，在本发明的一种优选实施方式中，多晶硅薄膜的制备方法为：首先，在单晶硅衬底1上通过化学气相淀积法淀积一层500nm厚的氮化硅钝化层2；然后，在氮化硅钝化层2上溅射一层100nm厚的钨薄膜作为热导体3；再后，将钨薄膜刻蚀成条状结构，条宽1μm，条间距10μm，条长根据衬底尺寸设定大于激光光束长度的2倍以上；然后，淀积一层5nm厚的NiSi2，用作异质晶种层，通过刻蚀工艺，得到5nm厚的异质晶种侧墙；通过等离子体增强化学气相淀积法淀积一层100nm厚的非晶硅薄膜层，然后，刻蚀去掉热导体3和异质晶种侧墙上方的非晶硅薄膜，保留条状热导体3之间的非晶硅薄膜；最后，采用准分子激光器照射非晶硅薄膜，实现非晶硅薄膜的重结晶，得到多晶硅薄膜。在本实施方式中，由于热导体钨的熔点很高，因此激光照射范围可以覆盖非晶硅薄膜和金属钨区域。
在本发明的另外的一种优选实施方式中，热导体采用金属铝，由于铝的熔点较低，因此，为了防止激光照射过程中铝发生熔化，需要对激光的照射范围加以处理，此时可以采用与非晶硅薄膜同种材料的同质晶种层，即多晶硅晶种层形成的多晶硅晶种侧墙。具体地，使激光照射在带状热导体之间的非晶硅层上，而不照射到热导体铝和多晶硅晶种侧墙的表面。
对本发明制备的多晶薄膜进行加工，可以制备出薄膜晶体管。在本发明的一种优选实施方式中，将制备的多晶薄膜的热导体和异质晶种侧墙刻蚀去除，只留下多晶薄膜层作为有源区，以垂直于热导体方向为沟道方向，如图9所示，通过离子注入工艺在多晶薄膜层5内进行掺杂，形成源极6和漏极7，然后在多晶薄膜层5之上淀积栅介质层8，并在栅介质8之上形成栅极9，在源极6之上形成源极金属层10，在漏极7之上形成漏极金属层11，实现薄膜晶体管，如图10所示。在本发明另外的优选实施方式中，不必去除热导体和异质晶种侧墙，而直接在多晶薄膜层5内通过离子注入工艺进行掺杂，形成源极6和漏极7，然后在多晶薄膜层5之上淀积栅介质层8，并在栅介质8之上形成栅极9，在源极6之上形成源极金属层10，在漏极7之上形成漏极金属层11，实现薄膜晶体管。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (11)
1.一种多晶薄膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：提供衬底；
在所述衬底上形成钝化层，
S2：在所述钝化层上形成热导体；
S3：刻蚀所述热导体直至所述钝化层暴露，形成热导体图案结构，其中，所述热导体的熔点高于激光照射过程中热导体的最高温度，所述热导体是金属或者是耐高温的非金属，所述热导体的热导率高于多晶薄膜的热导率；
S4：在所述热导体和所述钝化层上形成晶种层；
S5：刻蚀所述晶种层，在所述热导体侧壁上形成晶种侧墙；
S6：在所述钝化层、热导体和晶种侧墙上形成非晶薄膜层；
S7：刻蚀所述非晶薄膜层；
S8：对所述非晶薄膜层进行重结晶处理并形成多晶薄膜层。
2.如权利要求1所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述衬底的材料是玻璃、塑料、硅之一。
3.如权利要求1所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述钝化层是硅的氧化物、硅的氮化物、碳化硅之一或其组合。
4.如权利要求1或3所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述钝化层的厚度为10nm-50μm。
5.如权利要求1所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述热导体图案为多边形、圆形、线形和弧形组成的图形。
6.如权利要求1所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述晶种层为异质晶种层或同质晶种层。
7.如权利要求1所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述晶种层的晶格常数与所述多晶薄膜材料的晶格常数的N倍或1/N倍的偏差不超过30％，所述N为正整数。
8.如权利要求6所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述异质晶种层的材料为金属硅化物、金属锗化物、氟化钙、氧化铈、氧化锆之一。
9.如权利要求6所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述异质晶种层的厚度为1nm-1μm。
10.如权利要求1所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，在完成步骤S7后，所述非晶薄膜层的厚度为10nm-1000nm。
11.如权利要求1所述的多晶薄膜制备方法，其特征在于，所述重结晶处理为采用激光照射法或快速热处理方法使所述非晶薄膜层重结晶形成多晶薄膜层。
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