CN106847675A - 低温多晶硅薄膜及其制备方法、薄膜晶体管和显示面板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温多晶硅薄膜及其制备方法、薄膜晶体管和显示面板，其中，所述低温多晶硅薄膜的制备方法，包括：沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层；其中，所述膜质参数包括折射率参数和/或导热系数参数；对所述多层具有不同膜质参数的非晶硅层进行脱氢处理；以及对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理，形成低温多晶硅薄膜。本发明实施例通过沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层，不同膜质参数的非晶硅折射率、导热系数不同，有利于在晶化过程中形成大尺寸晶粒，使得有源层低温多晶硅的晶界较少，可减小薄膜晶体管导通时的漏电流，提高薄膜晶体管的电性能。
Description
技术领域
本申请涉及但不限于显示技术领域，尤指一种低温多晶硅薄膜及其制备方法、薄膜晶体管和显示面板。
背景技术
液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)是一种采用了液晶控制透光度技术来实现色彩的显示器。目前的液晶显示器主要是以薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)液晶显示器为主。
有机发光显示器(OLED)是主动发光器件，有机发光显示器由于具有自主发光、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。有机发光显示技术中，需要薄膜晶体管驱动有机发光显示器发光。
低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS-TFT)相较于非晶硅(a-Si)薄膜晶体管具有更加优异的物理电学性能。LTPS-TFT的TFT组件较a-Si更小，因而可使光的穿透率提高，进而可减小背光负荷，延长液晶显示面板的寿命。此外，由于低温多晶硅薄膜(LTPS)能够直接在基板上制成高速CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)驱动电路系统，这样外部的印制电路板接脚亦较少，接线的连接点较少，使显示面板产生缺陷的几率减小，增加了耐用度。
制作低温多晶硅薄膜的方法包括固相结晶(Solid PhaseCrystallization，SPC)、金属诱导结晶(Metal Induced Crystallization，MIC)和准分子激光退火(Excimer LaserAnnealer，ELA)等。其中，准分子激光退火是目前使用最广泛的方法。准分子激光退火是采用准分子激光束对基板上的非晶硅薄膜进行短时间的照射，非晶硅薄膜受到高温熔化，重结晶，从而形成多晶硅薄膜。
目前采用的准分子激光退火方法中，非晶硅受到激光照射时，其内部各个区域受照射产生的温度是相同的，晶化后的多晶硅晶粒生长区域是随机的，这就使得多晶硅薄膜中的晶粒尺寸较小。由于低温多晶硅的晶粒尺寸较小，使得有源层低温多晶硅的晶界较多，增大了薄膜晶体管导通时的漏电流，进而导致薄膜晶体管的阈值电压不稳定，降低了薄膜晶体管的电性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种低温多晶硅薄膜及其制备方法、薄膜晶体管和显示面板，以增大晶粒，减少晶界，提高薄膜晶体管质量。
本发明实施例提供了一种低温多晶硅薄膜的制备方法，包括：
沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层；其中，所述膜质参数包括折射率参数和/或导热系数参数；
对所述多层具有不同膜质参数的非晶硅层进行脱氢处理；以及
对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理，形成低温多晶硅薄膜。
可选地，所述沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层包括：
在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层。
可选地，所述在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层的步骤中，通过控制等离子增强化学气相沉积PECVD工艺中的温度和/或气体流量比例，在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层。
可选地，所述通过控制PECVD工艺中的温度和/或气体流量比例，在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层包括：
通过PECVD工艺在缓冲层上依次沉积第一层非晶硅层至最后一层非晶硅层，其中，在沉积除第一层之外的非晶硅层时：
沉积当前非晶硅层所采用的温度高于沉积前一层所采用的温度；和/或
沉积当前非晶硅层所采用的硅烷相对于氢气的气体流量比例大于沉积前一层所采用硅烷相对于氢气的气体流量比例。
可选地，所述对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理的步骤中，采用准分子激光退火法对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理。
可选地，所述具有不同膜质参数的非晶硅层为4层。
可选地，所述非晶硅层为纳米硅薄膜层。
本发明实施例还提供一种低温多晶硅薄膜，所述低温多晶硅薄膜为通过上述方法制备而成。
本发明实施例还提供一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管包括上述低温多晶硅薄膜。
本发明实施例还提供一种显示面板，所述显示面板包括上述薄膜晶体管。
本发明实施例通过沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层，不同膜质参数的非晶硅折射率、导热系数不同，有利于在晶化过程中形成大尺寸晶粒，使得有源层低温多晶硅的晶界较少，可减小薄膜晶体管导通时的漏电流，提高薄膜晶体管的电性能。进一步地，由于非晶硅层具有膜质参数梯度，晶化后的多晶硅晶粒生长区域按照梯度生长，可以形成大尺寸晶粒。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为本发明实施例一的低温多晶硅薄膜的制备方法流程图；
图2为图1中低温多晶硅薄膜的制备方法示意图；
图3为本发明实施例二的低温多晶硅薄膜的制备方法流程图；
图4为图3中低温多晶硅薄膜的制备方法示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施例一
如图1所示，本发明实施例一的低温多晶硅薄膜的制备方法，包括：
步骤101，沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层；其中，所述膜质参数包括折射率参数和/或导热系数参数；
步骤102，对所述多层具有不同膜质参数的非晶硅层进行脱氢处理；
步骤103，对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理，形成低温多晶硅薄膜。
本发明实施例通过沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层，不同膜质参数的非晶硅折射率、导热系数不同，有利于在晶化过程中形成均一性好的400-500nm大尺寸晶粒，使得有源层低温多晶硅的晶界较少，可增大载流子迁移率，减小薄膜晶体管导通时的漏电流，提高薄膜晶体管的电性能。
其中，参照图2，在步骤101可包括：在缓冲层(即Buffer层)20上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层21。
其中，所述缓冲层20可采用SiNx及SiO2双层缓冲层。
所述非晶硅层21可以为纳米硅薄膜层。
在缓冲层20之上，依次沉积的非晶硅层21大于等于两层，为了在晶化过程中形成较大尺寸晶粒，可采用沉积三层或三层以上非晶硅层21的方式。每层非晶硅层21的厚度可以在10nm～30nm。
在本实施例中，非晶硅层21具有膜质参数梯度是指非晶硅层21的膜质参数逐层递增或递减。其中，膜质参数包括折射率参数和/或导热系数参数，折射率参数的范围可以是4.0～4.8，导热系数参数，即热导率的范围可以是0.1-5.0mW/cm.K(毫瓦/厘米.开)。
本实施例将最靠近缓冲层20一层的非晶硅层21称为第一层非晶硅层，最远离缓冲层20一层的非晶硅层21称为最后一层非晶硅层，膜质参数包括折射率参数时，第一层非晶硅层至最后一层非晶硅层的折射率参数逐层递增，膜质参数包括导热系数参数时，第一层非晶硅层至最后一层非晶硅层的导热系数参数逐层递增。
由于非晶硅层具有膜质梯度，晶化后的多晶硅晶粒生长区域按照梯度生长，可以形成大尺寸晶粒。
在步骤101中，通过控制PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子增强化学气相沉积)工艺中的温度和/或气体流量比例，在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层。
其中，PECVD工艺中的温度中的温度可以是300℃～500℃，气体流量比例可以是硅烷(SiH4)相对于氢气(H2)的气体流量比例，通常为1：10至1：1。
可选地，通过PECVD工艺在缓冲层上依次沉积第一层非晶硅层至最后一层非晶硅层，其中，在沉积除第一层之外的非晶硅层时：
沉积当前非晶硅层所采用的温度高于沉积前一层所采用的温度；和/或
沉积当前非晶硅层所采用的硅烷相对于氢气的气体流量比例大于沉积前一层所采用硅烷相对于氢气的气体流量比例。
也就是说，通过PECVD工艺在缓冲层上依次沉积非晶硅层时：
沉积第一层非晶硅层时，采用的温度最低，沉积最后一层非晶硅层时，采用的温度最高；和/或
沉积第一层非晶硅层时，采用的硅烷相对于氢气的气体流量比例最小，沉积最后一层非晶硅层时，采用的硅烷相对于氢气的气体流量比例最大。
可选地，在步骤102中，对非晶硅层进行脱氢处理时，可采用温度350℃～500℃，处理时间10分钟-120分钟，其中，选择较高温度时，处理时间较短；选择较低温度时，处理时间较长，即可采用高温短时间或低温长时间。
可选地，在步骤103中，采用准分子激光退火法(ELA)对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理，其覆盖度可以是95％～97％。
使用准分子激光退火法进行晶化处理，由于非晶硅层存在膜质梯度，不同膜质的非晶硅折射率、导热系数不同，在晶化过程中会形成温度梯度，有利于形成较大晶粒。
实施例二
如图3和图4所示，本实施例以沉积四层非晶硅层为例，包括如下步骤：
301，沉积第一层非晶硅层
本步骤中，在缓冲层20上沉积第一层非晶硅层211(也称为非晶硅薄膜)，该层非晶硅层沉积温度最低，气体流量比例最小(SiH4/H2)，该条件下，形成的非晶硅层折射率小、导热系数小、膜质较疏松。
302，沉积第二层非晶硅层
本步骤是在步骤301完成后，改变PECVD工艺参数，继续在第一层非晶硅表面沉积第二层非晶硅层212，该层沉积温度提高，气体流量比例增大(SiH4/H2)，该条件下，形成的非晶硅层折射率增大，导热系数增大，膜质硬度增大。
303，沉积第三层非晶硅层
本步骤是在步骤302完成后，改变PECVD工艺参数，继续在第二层非晶硅表面沉积第三层非晶硅层213，该层沉积温度继续提高，气体流量比例继续增大(SiH4/H2)，该条件下，形成的非晶硅层折射率继续增大，导热系数继续增大，膜质硬度继续增大。
304，沉积第四层非晶硅层
本步骤是在步骤303完成后，改变PECVD工艺参数，继续在第三层非晶硅表面沉积第四层非晶硅层214，该膜层沉积温度最高，气体流量比例最大(SiH4/H2)，该条件下，形成的非晶硅层折射率最大，导热系数最大，膜质硬度最大。
305，形成低温多晶硅薄膜
本步骤是在404步骤完成后，经过脱氢处理，然后对非晶硅层进行激光准分子退火处理，由于非晶硅具有膜质梯度，距离激光最近的一层膜质硬，传热快，温度较高，随着向下各层非晶硅的膜质变化，膜质逐渐变疏松，传热相对较慢，温度相对较低；同时因为各层非晶硅膜层折射率不同，也会导致各膜层接收到的激光有所差别，会使下层折射率较小的膜层温度较低。
与现有技术相比，本发明实施例用激光准分子退火法使所述非晶硅层21变为熔融状态，因此，熔融状态的所述非晶硅层21结晶时，以温度较低的第一层非晶硅层211为起点向温度较高的第四层非晶硅层214结晶，从而使得在形成所述低温多晶硅薄膜时能够控制结晶的起点和结晶的方向。从而达到了增大形成的多晶硅薄膜中的晶粒大小，减小晶界的技术效果。再进一步地，由于制备得到的多晶硅薄膜中的晶粒较大，使得有源层低温多晶硅的晶界较少，可减小薄膜晶体管导通时的漏电流，提高薄膜晶体管的电性能。
下面以几个应用示例进行说明。
应用示例一
在玻璃基板上使用PECVD工艺分别沉积50nm及300nm的SiNx和SiO2形成SiNx及SiO2双层缓冲层。使用PECVD工艺在双缓冲层上沉积纳米硅薄膜层，反应气体为硅烷(SiH4)及氢气(H2)的混合气体，其中，第一层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为140sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为120W；工作气压为290Pa；温度370℃；沉积时间为20秒。然后改变PECVD参数，进行第二层非晶硅沉积，第二层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为160sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为120W；工作气压为290Pa，温度390℃，沉积时间为20秒。继续改变PECVD参数，进行第三层非晶硅沉积，第三层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为180sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为120W；工作气压为290Pa，温度410℃，沉积时间为20秒。最后进行第四层非晶硅沉积，第四层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为200sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为120W；工作气压为290Pa，温度430℃，沉积时间为20秒。将上述非晶硅薄膜层经脱氢退火，然后进行准分子激光退火工艺处理得到低温多晶硅薄膜。
在本应用示例中，通过改变PECVD工艺中温度和硅烷相对于氢气的气体流量比例，沉积四层具有膜质参数梯度的非晶硅层，其中，氢气的气体流量不变，改变硅烷的气体流量，从而改变硅烷相对于氢气的气体流量比例。
应用示例二
在玻璃基板上使用PECVD工艺分别沉积50nm及300nm的SiNx和SiO2形成SiNx及SiO2双层缓冲层。使用PECVD工艺在双缓冲层上沉积纳米硅薄膜层，其中，第一层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为160sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为120W；工作气压为290Pa；温度370℃；沉积时间为20秒。然后改变PECVD参数，进行第二层非晶硅沉积，第二层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为160sccm，氢气的气体流量1100sccm，射频功率为120W；工作气压为290Pa，温度390℃，沉积时间为20秒。继续改变PECVD参数，进行第三层非晶硅沉积，第三层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为160sccm，氢气的气体流量1000sccm，射频功率为120W，工作气压为290Pa，温度410℃，沉积时间为20秒。最后进行第四层非晶硅沉积，第四层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为160sccm，氢气的气体流量900sccm，射频功率为120W；工作气压为290Pa，温度430℃，沉积时间为20秒。将上述非晶硅薄膜层经脱氢退火，然后进行准分子激光退火工艺进行处理得到低温多晶硅薄膜。
在本应用示例中，通过改变PECVD工艺中温度和硅烷相对于氢气的气体流量比例，沉积四层具有膜质参数梯度的非晶硅层，其中，硅烷的气体流量不变，改变氢气的气体流量，从而改变硅烷相对于氢气的气体流量比例。
应用示例三
在玻璃基板上使用PECVD工艺分别沉积80nm及200nm的SiNx和SiO2形成SiNx及SiO2双层缓冲层。使用PECVD工艺在双缓冲层上沉积纳米硅薄膜层，其中，第一层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为180sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为100W；工作气压为200Pa；温度300℃；沉积时间为25秒。然后改变PECVD参数，进行第二层非晶硅沉积，第二层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为180sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为100W；工作气压为200Pa，温度400℃，沉积时间为25秒。继续改变PECVD参数，进行第三层非晶硅沉积，第三层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为180sccm，氢气的气体流量1200sccm，射频功率为100W；工作气压为200Pa，温度500℃，沉积时间为25秒。将上述非晶硅薄膜层经脱氢退火，然后进行准分子激光退火工艺进行处理得到低温多晶硅薄膜。
在本应用示例中，通过改变PECVD工艺中温度，沉积三层具有膜质参数梯度的非晶硅层。
应用示例四
在玻璃基板上使用PECVD工艺分别沉积80nm及200nm的SiNx和SiO2形成SiNx及SiO2双层缓冲层。使用PECVD工艺在双缓冲层上沉积纳米硅薄膜层，其中，第一层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为100sccm，氢气的气体流量1000sccm，射频功率为120W；工作气压为350Pa；温度400℃；沉积时间为20秒。然后改变PECVD参数，进行第二层非晶硅沉积，第二层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为200sccm，氢气的气体流量900sccm，射频功率为120W；工作气压为350Pa，温度400℃，沉积时间为20秒。继续改变PECVD参数，进行第三层非晶硅沉积，第三层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为300sccm，氢气的气体流量800sccm，射频功率为120W，工作气压为350Pa，温度400℃，沉积时间为20秒。进行第四层非晶硅沉积，第四层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为400sccm，氢气的气体流量650sccm，射频功率为120W；工作气压为350Pa，温度400℃，沉积时间为20秒。最后进行第五层非晶硅沉积，第五层非晶硅沉积参数，硅烷的气体流量为500sccm，氢气的气体流量500sccm，射频功率为120W；工作气压为350Pa，温度400℃，沉积时间为20秒。将上述非晶硅薄膜层经脱氢退火，然后进行准分子激光退火工艺进行处理得到低温多晶硅薄膜。
在本应用示例中，通过改变PECVD工艺中硅烷相对于氢气的气体流量比例，沉积五层具有膜质参数梯度的非晶硅层，其中，改变硅烷和氢气的气体流量，从而改变硅烷相对于氢气的气体流量比例。
需要说明的是，上述实施例中，射频功率和工作气压与制备工艺中设备参数有关，可以根据实际情况进行设置。沉积时间与非晶硅层厚度有关，越厚沉积时间越长。
与上述低温多晶硅薄膜制备方法相对应的，本发明实施例还提供了一种低温多晶硅薄膜，该低温多晶硅薄膜由本发明实施例提供的上述各低温多晶硅薄膜制备方法制备而成。
本发明实施例的低温多晶硅薄膜由多层具有不同膜质参数的非晶硅层晶化制成，由于不同膜质参数的非晶硅折射率、导热系数不同，有利于在晶化过程中形成大尺寸晶粒，使得有源层低温多晶硅的晶界较少，可减小薄膜晶体管导通时的漏电流，提高薄膜晶体管的电性能。
与上述低温多晶硅薄膜相对应的，本发明实施例还提供了一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管包括本发明实施例提供的上述低温多晶硅薄膜，该薄膜晶体管将低温多晶硅薄膜作为有源层。
本发明实施例的薄膜晶体管将低温多晶硅薄膜作为有源层，采用的低温多晶硅薄膜由多层具有不同膜质参数的非晶硅层晶化制成，由于不同膜质参数的非晶硅折射率、导热系数不同，有利于在晶化过程中形成大尺寸晶粒，使得有源层低温多晶硅的晶界较少，可减小薄膜晶体管导通时的漏电流，提高薄膜晶体管的电性能。
与上述薄膜晶体管相对应的，本发明实施例还提供了一种显示面板，所述显示面板包括本发明实施例提供的薄膜晶体管。
本发明实施例的显示面板，其薄膜晶体管中的低温多晶硅薄膜由多层具有不同膜质参数的非晶硅层晶化制成，由于不同膜质参数的非晶硅折射率、导热系数不同，有利于在晶化过程中形成大尺寸晶粒，使得有源层低温多晶硅的晶界较少，可减小薄膜晶体管导通时的漏电流，提高薄膜晶体管的电性能。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种低温多晶硅薄膜的制备方法，包括：
沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层；其中，所述膜质参数包括折射率参数和/或导热系数参数；
对所述多层具有不同膜质参数的非晶硅层进行脱氢处理；以及
对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理，形成低温多晶硅薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沉积多层具有不同膜质参数的非晶硅层包括：
在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层的步骤中，通过控制等离子增强化学气相沉积PECVD工艺中的温度和/或气体流量比例，在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述通过控制PECVD工艺中的温度和/或气体流量比例，在缓冲层上依次沉积多层具有膜质参数梯度的非晶硅层包括：
通过PECVD工艺在缓冲层上依次沉积第一层非晶硅层至最后一层非晶硅层，其中，在沉积除第一层之外的非晶硅层时：
沉积当前非晶硅层所采用的温度高于沉积前一层所采用的温度；和/或
沉积当前非晶硅层所采用的硅烷相对于氢气的气体流量比例大于沉积前一层所采用硅烷相对于氢气的气体流量比例。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理的步骤中，采用准分子激光退火法对脱氢处理后的非晶硅层进行晶化处理。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的制备方法，其特征在于，
所述具有不同膜质参数的非晶硅层为4层。
7.根据权利要求1～5中任意一项所述的制备方法，其特征在于，
所述非晶硅层为纳米硅薄膜层。
8.一种低温多晶硅薄膜，其特征在于，所述低温多晶硅薄膜为通过权利要求1-7任意一项所述的方法制备而成。
9.一种薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管包括权利要求8所述的低温多晶硅薄膜。
10.一种显示面板，其特征在于，所述显示面板包括如权利要求9所述的薄膜晶体管。
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