CN104253246B - 低温多晶硅薄膜的制作方法、低温多晶硅薄膜及相关器件 - Google Patents

低温多晶硅薄膜的制作方法、低温多晶硅薄膜及相关器件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低温多晶硅薄膜的制作方法、低温多晶硅薄膜及相关器件，属于显示面板制造领域。其中，低温多晶硅薄膜的制作方法，包括：在基板上形成非晶硅层；在所述非晶硅层上形成碱金属离子吸附层；对形成有所述碱金属离子吸附层的基板进行准分子激光退火，使所述非晶硅层转化成多晶硅层；去除碱金属离子吸附层，在所述基板上形成多晶硅薄膜。本发明的技术方案能够减少低温多晶硅薄膜中的碱金属离子，从而有效防止低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压漂移。

Description

低温多晶硅薄膜的制作方法、低温多晶硅薄膜及相关器件
技术领域
本发明涉及显示面板制造领域，特别是指一种低温多晶硅薄膜及其制作方法、低温多晶硅薄膜晶体管、阵列基板及显示装置。
背景技术
有机发光显示器(OLED)由于具有自主发光、快速响应、轻薄、低功耗并可实现柔性显示等诸多优点而备受关注，被认为是下一代的平板显示技术。目前，OLED技术已逐步应用于各种电子产品中，其中有源矩阵有机发光显示屏(AMOLED)凭借高画质、移动图像响应时间短、低功耗、宽视角及超轻超薄等优点而成为OLED发展的主要趋势。
目前AMOLED背板技术中多采用多晶硅薄膜晶体管，多晶硅薄膜晶体管具有消耗功率小且电子迁移率大等优点。早期的多晶硅薄膜晶体管的制程温度高达摄氏1000℃，因此基板材质的选择受到大幅的限制，近来由于激光的发展，制程温度可降至摄氏600℃以下，利用此种制程方式所得的多晶硅薄膜晶体管又被称为低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)。
LTPS TFT制备的关键技术是将非晶硅转变为多晶硅的结晶化方法。这些方法可以分成非激光结晶和激光退火两类。在非激光结晶中，最简单的方法是固相结晶(SPC)，但SPC需在600℃退火10hr，不适用于大面积玻璃基板。激光方法中，应用最广泛的是准分子激光退火(ELA)，因为它结晶度极高、结晶速度快且迁移率高。另外，ELA已经应用于大规模生产。
在现有低温多晶硅薄膜晶体管的制程中，其中一个步骤是在基板上形成一层多晶硅薄膜，后续制程会基于该多晶硅薄膜形成薄膜晶体管的源极/漏极区与沟道区。低温多晶硅薄膜晶体管的电学性能包括有迁移率大小，迁移率及阈值电压(Threshold voltage)的稳定性等，通常将薄膜晶体管传输特性曲线中输出电压随输入电压改变而急剧变化转折区的中点对应的输入电压称为阈值电压。薄膜晶体管的阈值电压和很多因素有关，包括基底层晶硅层的掺杂，电介质的厚度，栅极材质和电介质或电介质与半导体的界面处的电荷状况等等，其中，可动碱金属离子(Na+等)，是薄膜晶体管阈值电压漂移的主要原因之一，现有技术制备的多晶硅薄膜中往往含有较多的可动碱金属离子，使得采用该多晶硅薄膜制成的薄膜晶体管的阈值电压漂移，进而影响了薄膜晶体管的性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种低温多晶硅薄膜及其制作方法、低温多晶硅薄膜晶体管、阵列基板及显示装置，能够减少低温多晶硅薄膜中的碱金属离子，从而有效防止低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压漂移。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：
一方面，提供一种低温多晶硅薄膜的制作方法，包括：
在基板上形成非晶硅层；
在所述非晶硅层上形成碱金属离子吸附层；
对形成有所述碱金属离子吸附层的基板进行准分子激光退火，使所述非晶硅层转化成多晶硅层；
去除碱金属离子吸附层，在所述基板上形成多晶硅薄膜。
进一步地，所述碱金属离子吸附层的材料为磷酸玻璃。
进一步地，所述在所述非晶硅层上形成碱金属离子吸附层包括：
在所述非晶硅层上沉积一层SiO2薄膜；
通过离子注入的方式将P掺入所述SiO2薄膜中，形成磷硅玻璃层。
进一步地，所述SiO2薄膜的厚度为80-150nm。
进一步地，利用磷烷气体进行离子注入将P掺入所述SiO2薄膜中，离子注入时的注入能量为15-25keV，注入浓度为0.8-1.2E15/cm2。
进一步地，所述对形成有所述碱金属离子吸附层的基板进行准分子激光退火包括：
对形成有所述磷硅玻璃层的基板进行激光退火，其中激光脉冲频率为500Hz，激光能量密度为350-450mJ/cm2。
进一步地，所述去除碱金属离子吸附层包括：
利用浓度为1-5wt％的氢氟酸溶液对经过准分子激光退火后的基板进行处理，去除基板上的磷硅玻璃层。
进一步地，所述在基板上形成非晶硅层之前还包括：
在基板上形成缓冲层；
所述在基板上形成非晶硅层具体为：
在所述缓冲层上形成所述非晶硅层。
进一步地，所述非晶硅层的厚度为40-80nm。
本发明实施例还提供了一种低温多晶硅薄膜，为采用上述的方法制作。
本发明实施例还提供了一种低温多晶硅薄膜晶体管，为采用上述的低温多晶硅薄膜制得。
本发明实施例还提供了一种阵列基板，包括形成在衬底基板上的上述的低温多晶硅薄膜晶体管。
本发明实施例还提供了一种显示装置，包括上述的阵列基板。
本发明的实施例具有以下有益效果：
上述方案中，形成非晶硅层之后，在非晶硅层上形成碱金属离子吸附层，在进行准分子激光退火时，碱金属离子吸附层能够吸附形成的多晶硅层中的碱金属离子，从而减少低温多晶硅薄膜中的碱金属离子，进而有效防止低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压漂移；另外，碱金属离子吸附层还可以起到保温层的作用，使晶化过程中硅层的温度均匀一致，有利于形成晶粒尺寸大小一致的多晶硅层。
附图说明
图1为本发明实施例低温多晶硅薄膜的制作方法的流程示意图；
图2为本发明具体实施例低温多晶硅薄膜的制作方法的流程示意图；
图3为本发明具体实施例对SiO2层进行离子注入的示意图；
图4为本发明具体实施例对形成有磷酸玻璃层的基板进行准分子激光退火的示意图。
具体实施方式
为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明的实施例提供一种低温多晶硅薄膜及其制作方法、低温多晶硅薄膜晶体管、阵列基板及显示装置，能够减少低温多晶硅薄膜中的碱金属离子，从而有效防止低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压漂移。
本发明实施例提供了一种低温多晶硅薄膜的制作方法，如图1所示，本实施例包括：
步骤a：在基板上形成非晶硅层；
步骤b：在所述非晶硅层上形成碱金属离子吸附层；
步骤c：对形成有所述碱金属离子吸附层的基板进行准分子激光退火，使所述非晶硅层转化成多晶硅层；
步骤d：去除碱金属离子吸附层，在所述基板上形成多晶硅薄膜。
本发明的制作方法，形成非晶硅层之后，在非晶硅层上形成碱金属离子吸附层，在进行准分子激光退火时，碱金属离子吸附层能够吸附形成的多晶硅层中的碱金属离子，从而减少低温多晶硅薄膜中的碱金属离子，进而有效防止低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压漂移；另外，碱金属离子吸附层还可以起到保温层的作用，使晶化过程中硅层的温度均匀一致，有利于形成晶粒尺寸大小一致的多晶硅层。
具体地，所述碱金属离子吸附层的材料为磷酸玻璃。磷硅玻璃(PSG)是一种含有P元素的SiO2,可以起到对抗碱金属离子的作用，PSG中用五价磷原子替代了SiO2中的部分硅，形成负电中心，能够俘获Na+等碱金属离子。
进一步地，所述步骤b包括：
在所述非晶硅层上沉积一层SiO2薄膜；
通过离子注入的方式将P掺入所述SiO2薄膜中，形成磷硅玻璃层。
具体地，所述SiO2薄膜的厚度可以为80-150nm。
具体地，利用磷烷气体进行离子注入将P掺入所述SiO2薄膜中，离子注入时的注入能量为15-25keV，注入浓度为0.8-1.2E15/cm2。
进一步地，所述步骤c包括：
对形成有所述磷硅玻璃层的基板进行激光退火，其中激光脉冲频率为500Hz，激光能量密度为350-450mJ/cm2。在进行准分子激光退火时，碱金属离子吸附层能够吸附形成的多晶硅层中的碱金属离子，从而减少低温多晶硅薄膜中的碱金属离子，进而有效防止低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压漂移。
进一步地，所述步骤d包括：
利用浓度为1-5wt％的氢氟酸溶液对经过步骤c的基板进行处理，去除基板上的磷硅玻璃层。
进一步地，所述步骤a之前还包括：
在基板上形成缓冲层；
所述步骤a具体为：
在所述缓冲层上形成所述非晶硅层。
具体地，所述非晶硅层的厚度可以为40-80nm。
本发明实施例还提供了一种低温多晶硅薄膜，为采用上述的方法制作。
本发明实施例还提供了一种低温多晶硅薄膜晶体管，为采用上述的低温多晶硅薄膜制得。
本发明实施例还提供了一种阵列基板，包括形成在衬底基板上的如上所述的低温多晶硅薄膜晶体管。
本发明实施例还提供了一种显示装置，包括如上所述的阵列基板。所述显示装置可以为：液晶面板、液晶电视、液晶显示器、OLED显示面板、OLED显示器、数码相框、手机、平板电脑等任何具有显示功能的产品或部件。
下面结合附图以及具体的实施例对本发明的低温多晶硅薄膜的制作方法进行详细介绍：
如图2所示，本实施例的低温多晶硅薄膜的制作方法包括以下步骤：
步骤21：在衬底基板1上沉积缓冲层2；
其中，衬底基板可以为玻璃基板或石英基板；缓冲层可以为单层结构或者双层结构，在缓冲层为双层结构时，缓冲层的上层为SiO2薄膜，缓冲层的下层为SiNx薄膜，其中SiNx薄膜的厚度可以为50-150nm，SiO2薄膜的厚度可以为200-400nm；在缓冲层为单层结构时，缓冲层为SiNx薄膜或SiO2薄膜，其中SiNx薄膜的厚度可以为50-150nm，SiO2薄膜的厚度可以为200-400nm。
步骤22：在缓冲层2上沉积非晶硅层3；
在缓冲层2上沉积一层a-Si，具体地，非晶硅层3的厚度可以为40-80nm。
步骤23：在非晶硅层3上沉积一层SiO2薄膜4；
具体地，SiO2薄膜4的厚度可以为80-150nm。
步骤24：使用磷烷气体通过离子注入的方式将P掺入SiO2薄膜4中；
如图3所示，使用浓度为10％的磷烷气体PH3，在15-25keV的注入能量下，以0.8-1.2E15/cm2的注入浓度将P掺入SiO2薄膜4中，形成PSG层，优选地，离子注入时的注入能量为20keV，注入浓度为1E15/cm2。
步骤25：如图4所示，对经过上述步骤的衬底基板进行准分子激光退火；
其中，激光脉冲频率可以为500Hz，激光能量密度可以为350-450mJ/cm2。在激光退火之后，非晶硅至多晶硅的晶化过程完成，同时PSG层吸收了晶硅层中的碱金属离子，从而减少制成的低温多晶硅薄膜中的碱金属离子，进而有效防止利用该低温多晶硅薄膜制成的低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压漂移；另外PSG层还可以起到保温层的作用，使晶化过程中硅层的温度均匀一致，有利于形成晶粒尺寸大小一致的多晶硅层。
步骤26：在HF溶液中去除PSG层。
氢氟酸(HF)能够溶解二氧化硅，生成气态的四氟化硅，但不与硅直接反应。因此本实施例利用浓度为1-5wt％的氢氟酸溶液对经过步骤c的基板进行处理，具体地，将该基板上形成的PSG层朝下放置于酸洗设备中，使用辊轮带氢氟酸溶液的方式，去除该PSG层。为了防止氢氟酸溶液对基板的侵蚀，可在玻璃基板表面覆盖保护膜，具体的处理时间可以为10-60s，即可去除多晶硅层上的PSG层，得到多晶硅薄膜。
本实施例的技术方案使PSG吸附碱金属离子的过程与准分子激光退火过程同时实现，工艺简单，易操作。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，包括：
在基板上形成非晶硅层；
在所述非晶硅层上形成碱金属离子吸附层；
对形成有所述碱金属离子吸附层的基板进行准分子激光退火，使所述非晶硅层转化成多晶硅层；
去除碱金属离子吸附层，在所述基板上形成多晶硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，所述碱金属离子吸附层的材料为磷酸玻璃。
3.根据权利要求2所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，所述在所述非晶硅层上形成碱金属离子吸附层包括：
在所述非晶硅层上沉积一层SiO2薄膜；
通过离子注入的方式将P掺入所述SiO2薄膜中，形成磷硅玻璃层。
4.根据权利要求3所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，所述SiO2薄膜的厚度为80-150nm。
5.根据权利要求3所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，利用磷烷气体进行离子注入将P掺入所述SiO2薄膜中，离子注入时的注入能量为15-25keV，注入浓度为0.8-1.2E15/cm2。
6.根据权利要求3所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，所述对形成有所述碱金属离子吸附层的基板进行准分子激光退火包括：
对形成有所述磷硅玻璃层的基板进行激光退火，其中激光脉冲频率为500Hz，激光能量密度为350-450mJ/cm2。
7.根据权利要求3所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，所述去除碱金属离子吸附层包括：
利用浓度为1-5wt％的氢氟酸溶液对经过准分子激光退火后的基板进行处理，去除基板上的磷硅玻璃层。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，所述在基板上形成非晶硅层之前还包括：
在基板上形成缓冲层；
所述在基板上形成非晶硅层具体为：
在所述缓冲层上形成所述非晶硅层。
9.根据权利要求1-7中任一项所述的低温多晶硅薄膜的制作方法，其特征在于，所述非晶硅层的厚度为40-80nm。
10.一种低温多晶硅薄膜，其特征在于，为采用如权利要求1-9中任一项所述的方法制作。
11.一种低温多晶硅薄膜晶体管，其特征在于，为采用如权利要求10所述的低温多晶硅薄膜制得。
12.一种阵列基板，其特征在于，包括形成在衬底基板上的如权利要求11所述的低温多晶硅薄膜晶体管。
13.一种显示装置，其特征在于，包括如权利要求12所述的阵列基板。
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