CN102732941B - 一种低温多晶硅薄膜制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低温多晶硅薄膜制造方法，在固相晶化环境温度保持550-700摄氏度的基础上增加一个或多个光子能量范围在2.5-5.0eV之间的光源。本发明在相对低的温度下，提高多晶硅薄膜的结晶率，减少缺陷态密度，用以制造低温多晶硅薄膜。本发明的多晶硅薄膜有较高的结晶率，以此生产的薄膜晶体管背板具有足够驱动AMOLED的迁移率和较高的均一性，生产高质量AMOLED面板的半导体薄膜材料得到保证。

Description

一种低温多晶硅薄膜制造方法

技术领域

本发明涉及低温多晶硅薄膜制造方法，尤其涉及一种减少多晶硅薄膜缺陷态密度的固相晶化方法。

背景技术

AMOLED（ActiveMatrixOrganicLightEmittingDiode,主动矩阵式有机发光二极管）是主动发光器件。相比现在的主流平板显示技术TFT-LCD（ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay,薄膜晶体管液晶显示器),OLED(OrganicLightEmittingDiode,有机发光二级管)具有高对比度，广视角，低功耗，体积更薄等优点，有望成为继LCD之后的下一代平板显示技术，是目前平板显示技术中受到关注最多的技术之一。

OLED采用电流驱动，所以每个像素的驱动电路必须保证足够大的输出电流，因此驱动电路中的TFT采用的半导体材料必须使用迁移率较高的材料，目前应用最广泛的是多晶硅。

另一方面基板采用的基板是玻璃材质，耐高温程度大约为摄氏600-700度，在此温度之下，玻璃基板不会变形，因此多晶硅薄膜的制造方法必须在摄氏700度以下完成，又称为LTPS（LowTemperaturePoly-silicon，低温多晶硅）工艺。与此同时整个显示面板上每一个像素的驱动TFT转移特性需要保持很高的均一性，显示的图像才能保证高度一致的均匀性，从而保证显示质量。主流的LTPS技术有准分子激光晶化，固相晶化，金属诱导晶化等。准分子激光退火使用激光瞬间熔化非晶硅薄膜使其由液态转变为多晶态，缺点是薄膜的晶粒大小会随着激光能量的差异而出现较大的波动，制成的OLED显示器有严重的不均匀性；SPC（SolidPhaseCrystallization，固相晶化）是在摄氏550-700度下非晶硅在固态转变为多晶硅，缺点是膜内缺陷态密度很高导致硅迁移率不高；金属诱导晶化采用金属与硅形成合金诱导形成多晶硅，缺点是多晶硅被金属杂质污染导致薄膜晶体管较大的漏电流。

中国专利文献CN101908471A公开了一种制备大面积多晶薄膜的方法，包括如下步骤：（1）在玻璃基板上淀积一层非晶硅薄膜；（2）采用光刻工艺，在非晶硅薄膜上曝光出条状窗口；（3）采用磁控溅射法在窗口内非晶硅薄膜上溅射一层金属；（4）采用激光器对着窗口进行辐照制备多晶薄膜；（5）用酸除去残留的金属镍。上述专利文献是结合常规的金属诱导固相晶化法和激光晶化技术的基础上，所发明出来的一种新的多晶硅薄膜制备方法，其所制备的多晶硅薄膜既有金属诱导固相晶化法的择优取向，又有激光晶化法所制备的高迁移率，缺陷少的效果，但是上述专利文献用激光晶化技术是将非晶硅薄膜加热到熔融，之后由液态结晶，在该技术方案中，能量由激光来提供，而发射激光的激光器本身具有能量的波动，不能保证每次发出的激光的能量都相同，当能量输出到基板上，由于能量的高低不同会导致激光晶化过程的不均匀，从而导致生成的多晶硅薄膜存在不均一性。

目前的固相晶化法包括以下三步：第一步：局部多晶硅在热涨落的作用下形成直径大于临界尺度的晶核；第二步:所述晶核生长形成晶粒；第三步：相邻所述晶粒边界生闭合完成非晶硅向多晶硅转变，所述多晶硅内部缺陷态逐步修复。目前的固相晶化法还没有解决固相晶化的迁移率与均一性之间的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的是现有多晶硅薄膜不均一性的技术问题，提供一种均一性较高的多晶硅薄膜。

为解决上述技术问题，本发明提供一种低温多晶硅薄膜制造方法，其固相晶化的过程如下：

第一步：局部多晶硅在热涨落的作用下形成直径大于临界尺度的晶核；

第二步:所述晶核生长形成晶粒；

第三步：相邻所述晶粒边界生闭合完成非晶硅向多晶硅转变，所述多晶硅内部缺陷态逐步修复，形成多晶硅薄膜；

在上述一个或多个步骤中，在固相晶化环境温度保持550-700摄氏度时，增加一个或多个光子能量在2.5-5.0eV之间的光源。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，还包括退火的步骤。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，通入N2，O2，H2O气体辅助退火。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，在第一步局部多晶硅在热涨落的作用下形成直径大于临界尺度的晶核过程中增加一个光子能量范围在2.0-4.0eV的光源，照射持续时间约为5-15分钟。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，在第二步所述晶核生长形成晶粒过程中增加两个光源，光子能量范围在4.0-4.5eV，照射时间约为20-120分钟，依环境温度而改变。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，在第三步相邻所述晶粒边界生闭合完成非晶硅向多晶硅转变过程中增加三个光子能量范围在2.0-4.5eV之间的光源，一般照射时间设定为60分钟以上。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，所述光源为紫外光或可见光波段的光源。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，所述可见光波段的光源来自氘灯或溴钨灯。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，所述紫外光的全部照射时间为150分钟。

本发明所述的低温多晶硅薄膜制造方法，光源的数量根据设备规模要求的功率和照射面积来设置。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明提供一种均一性较高的多晶硅薄膜，在SPC技术的基础上，增加辅助光场，以期形成迁移率较高的多晶硅薄膜。本发明在相对低的温度下，提高多晶硅薄膜的结晶率，减少缺陷态密度，用以制造低温多晶硅薄膜。本发明的多晶硅薄膜有较高的结晶率，以此生产的薄膜晶体管背板具有足够驱动AMOLED的迁移率和较高的均一性，生产高质量AMOLED面板的半导体薄膜材料得到保证。本发明中固相晶化所需的能量主要由环境温度即500-700摄氏度来提供，而光源起到辅助的作用，在500-700摄氏度的基础环境温度下，在微观世界中，通过辅助光源来激发产品的原子，原子通过吸收光子的能量，产生动能，从而将不再正常位置的原子，激发到正常的位置上。从而提高多晶硅薄膜的结晶率，减少缺陷态密度，提高了制造出的低温多晶硅薄膜的品质。

（2）由于SPC技术是基于非晶硅的自由能大于晶态硅的自由能，因此硅由非晶态向多晶态转变是热稳定性增加的过程，在高温（500摄氏度以上）下是个自发的过程，本发明在局部多晶硅在热涨落的作用下形成直径大于临界尺度的晶核、晶核生长形成晶粒和相邻所述晶粒边界生闭合完成非晶硅向多晶硅转变中分别加入辅助光场，加快硅由非晶态向多晶态转变的速度。

（3）晶粒生长过程中，晶粒边缘的非晶态原子在热涨落的驱动下有概率越过晶格势垒落到能量更低的晶态，从而完成结晶过程。这个过程随着温度的升高而加速，但是整个过程中硅都处于固态，因而原子的动能和运动距离都有限，不可能完全形成规则的晶格排列，形成的多晶硅缺陷态密度非常高，必须使晶格原子得到更高的动能使其有足够的弛豫时间运动到理想晶格的位置。本发明在多晶硅内部缺陷态逐步修复中加入辅助光场，使晶粒在生长过程中，局部的原子外层电子受到光子激发，获得很高的动能，这部分能量转移给晶格原子，使其动能增加，间接实现了使晶粒缺陷态得到修复。

（4）本发明采用晶态硅吸收率较强的紫外波段光场照射，从而提高局部温度，晶粒生长速率也加快，而与此同时非晶硅没有得到加热，因而非晶硅的成核率较低，综合的结果将使晶粒尺寸比较传统SPC工艺制成的大，晶粒内缺陷密度也降低。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明一个实施例的一种低温多晶硅薄膜制造方法结构示意图；

图2为硅介电常数虚部。

图中附图标记为：11-紫外光源；12-预加热腔室；13-主加热腔室；14-冷却腔室；1为单晶硅吸收谱；2、3、4、5、6、7、8为结晶率依次下降的多晶硅吸收谱；9为非晶硅吸收谱。

具体实施方式

实施例1：

下面给出本发明所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法的一个具体的实施方式，一种低温多晶硅薄膜制造方法，在固相晶化环境温度保持550-700摄氏度的基础上增加一个或多个光子能量范围在2.5-5.0eV之间的光源。所述低温多晶硅薄膜制造方法包括以下三步：

第一步，局部多晶硅在热涨落的作用下形成直径大于临界尺度的晶核；

第二步，所述晶核生长形成晶粒；

第三步，相邻所述晶粒边界生闭合完成非晶硅向多晶硅转变所述多晶硅内部缺陷态逐步修复，形成多晶硅薄膜。

本实施例中，为了实现使晶粒缺陷态得到修复，在第一步所述多晶硅内部缺陷态逐步修复中增加一个紫外光源，对所述多晶硅进行照射，照射时间为10分钟。

作为本实施例的其他变形，可以在第一步、第二步、第三步中的一个或多个步骤中增加一个或多个光子能量范围在2.5-5.0eV之间的光源，同样能实现本发明的目的，仍属于本发明的保护范围。

实施例2：

仅在第一步中加入光源，光子能量选择2.0eV，照射时间8分钟，光源的个数为两个紫外光源。作为其他可以变换的实施方式，第一步中加入的光子的能量还可以选择3.0eV，加热时间10分钟，光源的个数为三个；或者加入4.0eV的光源，加热时间15分钟，光源的个数为1个。在第一步中加入光源的作用是辅助晶核形成，提高非晶硅薄膜的温度。光子能量选择2.0-4.0eV，在此波段非晶硅都有良好的吸收。加热时间约为5-15分钟。

实施例3:

仅在第二步中加入光源，光子能量选择4.0eV，照射时间120分钟，光源的个数为三个紫外光源。作为其他可以变换的实施方式，第二步中加入的光子的能量还可以选择4.5eV，加热时间20分钟，光源的个数为二个；或者加入4.2eV的光源，加热时间60分钟，光源的个数为一个。在第二步中加入光源的作用是提高晶粒生长速度，并抑制非晶硅区域形成新的晶核，光子能量范围选择4.0-4.5eV，在此波段仅有晶粒内会有强烈的吸收，非晶硅的吸收并不强烈。故而生长中的晶粒会受到加热，提高其生长速率；另一方面非晶硅不会受到加热，从而不会形成过多的晶核，不会导致最终的多晶硅晶粒数量过多，也避免了晶粒尺寸太小。加热时间约为20-120分钟，依环境温度而改变。

实施例4：

仅在第三步中加入光源，光子能量选择2.0eV，照射时间150分钟，光源的个数为三个紫外光源。作为其他可以变换的实施方式，第二步中加入的光子的能量还可以选择4.5eV，加热时间90分钟，光源的个数为二个；或者加入4.0eV的光源，加热时间100分钟，光源的个数为一个。在第三步中加入光源的作用是在初步形成的多晶硅基础上进一步修复缺陷。采用的光子能量为2.0-4.5eV，缺陷局部的原子外层电子受到光子激发，获得很高的动能，这部分能量转移给晶格原子，使其动能增加，促使晶粒缺陷态得到修复。照射时间越长，修复效果越好，一般时间设定为60分钟以上。

实施例5：

在本实施例中，包含实施例2、实施例3、实施例4中的任意两个实施例，即在任意两个固相晶化的步骤中加入光源。

实施例6：

在本实施例中，在所述固相晶化的三个步骤中都加入光源。下面给出本发明所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法的一个具体的实施方式，参见图1所示，紫外光源11以灯管形式存在，有散射装置使其均匀照射在主加热腔室13之上，所述主加热腔室13的上盖可由石英水晶等耐高温透明材料构成，玻璃基板由预加热腔室12进入，经过所述主加热腔室13，再由冷却腔室14送出，整套装置为流水线方式运行。基板在所述主加热腔室13内停留时间为150分钟，所述主加热腔室13的长度和流水线运行速率决定了主加热时间，光源的分布遵从实例一所述的加热时间。例如可采用如下参数：第一步加热时间10分钟；第二步加热时间40分钟，第三步加热时间100分钟，加热光源数量分布按照1:4:10设置。所述主加热腔室13内可依据需要通入N2，O2，H2O等气体辅助退火。所述预加热腔室12与所述主加热腔室13的连接部分可以用带密封的装卸结构。

图2给出了硅介电常数虚部，其中1为单晶硅吸收谱，2-8为结晶率依次下降的多晶硅吸收谱，9为非晶硅吸收谱，晶态硅非晶硅和玻璃基板对不同波长的光子吸收率有着显著地不同，晶态硅对4.2-4.5eV范围的光子能量吸收较强，非晶硅对3.0eV左右光子吸收较强，而玻璃衬底对全波段吸收都较弱，因此可以用此办法进行选择性局部加热。晶粒生长过程中，局部的原子外层电子受到光子激发，可以获得很高的动能，这部分能量转移给晶格原子，使其动能增加，间接实现了可以使晶粒缺陷态得到修复。另一方面，若采用晶态硅吸收率较强的紫外波段光场照射，从而提高局部温度，晶粒生长速率也加快，而与此同时非晶硅没有得到加热，因而非晶硅的成核率较低，综合的结果将使晶粒尺寸比较传统SPC工艺制成的大，晶粒内缺陷密度也降低。由于玻璃衬底温度较低，因此也减少了玻璃在高温下变形的风险。此种办法在提高结晶率的同时依然保留了SPC晶化均一性高的优点。

作为可以变换的实施方式，光源可以选择可见光波段的光源，通过氘灯或溴钨灯产生。此外，光源的数量根据设备规模要求的功率和照射面积来设置，从而生成所需的多晶硅薄膜。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种低温多晶硅薄膜制造方法，其固相晶化的过程如下：

第一步：局部多晶硅在热涨落的作用下形成直径大于临界尺度的晶核；

第二步:所述晶核生长形成晶粒；

第三步：相邻所述晶粒边界生闭合完成非晶硅向多晶硅转变，所述多晶硅内部缺陷态逐步修复，形成多晶硅薄膜；

其特征在于：在上述三个步骤中，在固相晶化环境温度保持550-700摄氏度时，分别增加一个或多个光源，在所述第一步中选择光子能量为2.0-4.0eV的光源，在所述第二步中选择光子能量为4.0-4.5eV的光源，在所述第三步中选择光子能量为2.0-4.5eV的光源。

2.根据权利要求1中所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：还包括退火的步骤。

3.根据权利要求2中所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：通入N₂，O₂，H₂O气体辅助退火。

4.根据权利要求1中所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：在第一步局部多晶硅在热涨落的作用下形成直径大于临界尺度的晶核过程中增加一个光子能量范围在2-4eV的光源，照射持续时间为5-15分钟。

5.根据权利要求1或2或3或4中任一项所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：在第二步所述晶核生长形成晶粒过程中增加两个光源，光子能量范围在4.0-4.5eV，照射时间为20-120分钟，依环境温度而改变。

6.权利要求5所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：在第三步相邻所述晶粒边界生闭合完成非晶硅向多晶硅转变过程中增加三个光子能量范围在2-4.5eV之间的光源，照射时间设定为60分钟以上。

7.根据权利要求1或2或3或4或6中任一项所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：所述光源为紫外光或可见光波段的光源。

8.根据权利要求7所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：所述可见光波段的光源来自氘灯或溴钨灯。

9.根据权利要求7中所述的一种低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：所述紫外光的全部照射时间为150分钟。

10.根据权利要求1所述的低温多晶硅薄膜制造方法，其特征在于：光源的数量根据设备规模要求的功率和照射面积来设置。