CN1708832A - 使用覆盖层的无定形材料相变方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供无定形材料的相变方法，包括以下步骤：在电介质衬底上沉积无定形材料；在无定形材料上形成覆盖层；在覆盖层上沉积金属；使无定形材料结晶。根据本发明，无定形材料的表面被覆盖层所保护，从而获得洁净表面并且在热处理和样品处理期间显著降低表面粗糙度。而且，将覆盖层置于无定形材料和金属之间来扩散金属，从而显著减少由于在传统方法中金属和无定形材料直接接触所导致的金属污染。

Description

使用覆盖层的无定形材料相变方法
技术领域
本发明涉及无定形材料的相变方法，更具体涉及能够不使金属和无定形材料接触而实现均匀薄膜的无定形材料相变方法。
背景技术
薄膜晶体管(TFT)是将多晶硅薄膜用作激活层的开关器件。一般来说，薄膜晶体管被用作主动矩阵液晶显示设备的激活器件、电致发光显示设备的开关器件及其周边器件。
通常通过使用直接沉积工艺、高温工艺或激光热处理工艺来制造薄膜晶体管。通过使用激光热处理工艺，甚至在400℃或更低的较低温度下可以获得结晶(相变)，并且可以实现高的场效应迁移率。因此，激光热处理工艺比直接沉积工艺和高温工艺更加通用。然而，激光热处理工艺存在的问题在于相变不均匀且需要高价的关联设备。而且，由于激光热处理工艺的生产率低，其不适合在大面积衬底上制造多晶硅。
无定形材料，尤其是无定形硅的另一结晶方法为固相结晶法，其能够通过使用低价关联设备得到均匀相变。然而，该方法依然存在结晶时间过长和生产率过低的问题。而且，由于结晶温度高，不能使用玻璃衬底。
另一方面，通过使用金属实现无定形材料相变的方法具有优势，其在于相比于固相结晶法可以在低温下和短时间内获得相变。因此，对该方法进行了大量研究。该方法包括金属诱导结晶法。
在金属诱导结晶法中，将特定类型的金属与无定形材料薄膜上的至少一部分直接接触。然后，从接触部分进行横向相变。否则，将金属掺杂到无定形材料的薄膜中以实现无定形材料的相变。实例示于图1a-1c。
现在详细说明传统的金属诱导结晶法。首先，在电介质衬底10上形成缓冲层20.然后，通过化学气相沉积(CVD)法将无定形材料30沉积在缓冲层20上。接着，形成氧化物膜作为覆盖层40(见图1a)。
覆盖层40形成之后，通过使用光刻法来对覆盖层40进行压花，以使金属能够与至少一部分无定形材料30相接触。将金属50沉积在被压花的覆盖层40和通过压花过程暴露的无定形材料30上。接着，对无定形材料中的部分生长的晶粒32和34进行热处理，从而可以得到相变的薄膜32和34(见图1b)。
然而，在对无定形材料进行相变的传统方法中，由于在无定形材料30与金属50直接接触的区域上的金属污染，导致相应器件的性能劣化。因此，必须有去除该区域的额外工艺，因而器件的生产率可能会大大下降。
另外，当对晶体管中的源极和漏极区域进行压花以形成薄膜时或者是当对晶体管中的源极和漏极区域之一进行压花以形成薄膜时，存在的问题是无定形材料不能完全相变且无定形材料区域37保留(见图1c)。
亦即，虽然传统金属诱导无定形材料结晶法具有降低结晶温度的优点，但是存在的问题是由于渗入相变薄膜中的金属导致的污染使薄膜的内在性能劣化。
结果，为了采用无定形材料的金属诱导结晶法，就必须将薄膜的污染减到最小。为了将薄膜的污染减到最小，最重要的是减少其中所使用的金属量。所公开的解决这些问题的途径包括一种通过使用离子注入设备沉积具有1012-1014cm-2浓度的金属离子，然后进行高温工艺、快速热处理工艺或激光照射工艺的方法。而且，所述途径还包括另一种方法，其中在传统金属诱导结晶法中混合粘性有机薄膜和液相金属，以转涂法进行沉积工艺，进行热处理工艺，而后使无定形材料发生相变。
然而，所公开的方法不能有效地防止结晶期间薄膜表面的污染。而且，该方法依然存在关于增大晶粒尺寸和改善其均匀性的问题。
发明内容
本发明设法解决前述问题，并且本发明的一个目的在于提供一种相变方法，通过该方法可以在金属和无定形材料无任何直接接触下获得无定形材料的相变，以及可以减少由于热处理工艺所导致的薄膜金属污染和其它污染。
本发明的另一目的在于提供一种相变方法，通过该方法可以通过使用甚至极少量的金属来实现具有均匀尺寸晶粒的薄膜，由此不需要任何金属蚀刻工艺并且因而可以提高生产率。
本发明的又一目的在于提供一种结晶方法，通过该方法可以通过覆盖层厚度和覆盖层的沉积条件来控制扩散到无定形材料中的金属量。
为了实现上述目的，本发明一方面是无定形材料的相变方法，其包括以下步骤：在电介质衬底上沉积无定形材料；在无定形材料上形成覆盖层；在覆盖层上沉积金属；和对无定形材料进行相变。
在本发明的该方面中，优选该方法还包括在电介质衬底上沉积无定形材料的步骤之前沉积缓冲层的步骤。
另外，在本发明的该方面中，优选该方法还包括在对无定形材料进行相变的步骤之前进行预先热处理的步骤。
另外，在本发明的该方面中，优选该方法还包括在对无定形材料进行相变的步骤之后除去金属和覆盖层的步骤。
本发明的另一方面是一种无定型材料的相变方法，包括以下步骤：在电介质衬底上沉积金属；在金属上形成缓冲层；在缓冲层上沉积无定形材料；和对无定形材料进行相变。
此外，在本发明的该方面中，优选该方法还包括在沉积无定形材料的步骤之后和对无定形材料进行相变的步骤之前进行预先热处理的步骤和对热处理后的膜进行压花的步骤。
此外，在本发明的该方面中，优选该方法还包括在沉积金属的步骤之后和对无定形材料进行相变的步骤之前，在金属上沉积第二覆盖层的步骤和对该堆叠结构进行压花的步骤。
此外，在本发明的该方面中，优选所述电介质材料选自玻璃、石英、覆盖有氧化物膜的单晶片和覆盖有绝缘物的薄金属衬底。
此外，在本发明的该方面中，优选所述无定形材料为无定形硅。
此外，在本发明的该方面中，优选所述覆盖层为包括选自氮化硅膜、氧化硅膜、和有机膜的一种的单膜，或包括氮化硅膜和氧化硅膜的双膜。
此外，在本发明的该方面中，优选所述覆盖层包括互不相同的第一部分和第二部分。
此外，在本发明的该方面中，优选将第一部分形成为单膜和将第二部分形成为双膜。
此外，在本发明的该方面中，优选通过PECVD法沉积覆盖层。
此外，在本发明的该方面中，优选第二覆盖层的厚度为0.1-1000nm。
此外，在本发明的该方面中，优选通过使用离子注入、PECVD、溅射、荫罩或涂覆溶于酸溶液中的液相金属、有机膜和液相金属的混合物或含金属的气体的旋涂来进行金属沉积。
此外，在本发明的该方面中，优选通过使用光刻法、光刻胶和荫罩中的一种来部分地对金属进行压花。
此外，在本发明的该方面中，优选沉积金属以使表面密度范围为1012-1018cm-2。
此外，在本发明的该方面中，优选沉积金属以具有1000nm或更低的厚度。
此外，在本发明的该方面中，优选金属为镍。
此外，在本发明的该方面中，优选缓冲层是选自氮化硅膜和氧化硅膜的层。
此外，在本发明的该方面中，优选预先热处理在200-800℃的温度下进行。
此外，在本发明的该方面中，优选通过至少一种选自热处理法、快速热处理法和激光照射法的方法来进行无定形材料的二次相变。
此外，在本发明的该方面中，优选在400-1300℃的温度下进行热处理。
此外，在本发明的该方面中，优选通过选自卤素灯、紫外灯和烘箱的一种来进行热处理。
附图说明
从以下结合附图的优选实施方案的详细说明可以更清晰地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点。
图1a-1c为说明传统无定形材料的相变方法的截面图；
图2a-2d为说明根据本发明的无定形材料相变方法的一个实施方案的截面图；
图3为说明根据本发明的无定形材料相变方法的另一实施方案的截面图；
图4为说明根据本发明的无定形材料相变方法的又一实施方案的截面图；
图5a-5c为说明根据本发明的无定形材料相变方法的再一实施方案的截面图；
图6a-6d为说明根据本发明的无定形材料相变方法的另一实施方案的截面图；
图7a-7c为说明根据本发明的无定形材料相变方法的又一实施方案的截面图；
图8a-8b为由根据本发明的相变方法结晶的多晶硅的光学显微照片；
图9a-9c为由根据本发明的相变方法结晶的多晶硅的光学显微照片并且说明了对金属量的依赖性；
图10a-10b为分别由本发明和传统技术结晶的多晶硅薄膜的原子力显微镜照片；
图11为说明在硅薄膜表面氧化程度的图；
图12a-12c为说明取决于[NH3]/[SiH4]比例的相变结果的光学显微照片；
图13为用来说明图12的样品的结晶度的薄膜反射率图。
具体实施方式
现在，参照附图详细说明根据本发明的优选实施方案。以相同的名称指称相同部分，虽然其以不同的附图标记所指示。
图2a-2d为说明本发明一个优选实施方案的示意图。本发明中热处理的材料包括电介质衬底100、沉积在电介质衬底100上的缓冲层200、沉积在缓冲层200上的无定形材料300、形成在无定形材料300上的覆盖层400和沉积在覆盖层400上的金属500(见图2a)。
电介质衬底100不限于特定材料。然而，优选将选自玻璃、石英、覆盖氧化物膜的单晶片的电介质材料用作电介质材料，从而保证无定形材料相变期间温度的均一性和薄膜的均一性。
在本工艺中缓冲层200不是基本组分。然而，如果沉积缓冲层，则缓冲层优选为选自氮化硅膜和氧化硅膜的层。
无定形材料300不限于特定材料，但其可以包括无定形硅。
覆盖层400具有将金属均匀扩散至无定形材料层中和保护薄膜不受非必要的金属污染的功能。覆盖层400优选由氮化硅膜、氧化硅膜、有机膜之一制成，并且其也由包括氮化硅膜和氧化硅膜的双重膜形成。
覆盖层400的沉积优选在650℃或更低温度下进行。沉积方法不限于特定方法，但优选PECVD(等离子体增强化学气相沉积)法。
此外，覆盖层优选形成为具有0.1-1000nm的厚度。
通过使用离子注入法、PECVD法、溅射法和荫罩法中的一种方法来进行金属500的沉积。否则，通过使用涂覆溶于酸溶液中的液相金属、旋涂有机膜和液相金属的混合物、或含金属的气体来进行沉积。因此，沉积方法不限于特定方法。
此外，优选沉积金属500以使其表面密度为1012-1018cm-2和厚度为1000nm或更低。此处所用金属不限于特定金属，但优选镍。
通过热处理法和使用激光的方法之一来进行无定形材料300的相变方法。热处理可通过使用卤素灯、紫外灯、烘箱等来进行，但不限于它们。
此外，通过使用电场或磁场之一的方法来进行无定形材料300的相变。
此外，优选热处理在400-1300℃的温度下进行。该热处理通过选自在前述温度范围的快速热处理方法和长时间热处理方法的一种来进行。而且，该两种方法均可用于热处理。
快速热处理方法是在500-900℃的温度下持续几十秒钟反复多次热处理的方法。长时间热处理方法是在400-500℃温度下持续进行热处理超过1小时的方法。
如果完成了无定形材料300的相变，则金属500扩散到覆盖层400中。因此，在无定形材料300中，形成横向生长的金属二硅化物(MSi2，沉淀物)。结果，晶粒边界340形成在晶粒320之间(见图2c)。
另一方面，晶粒320继续横向生长，从而边界340逐渐变窄。结果，无定形材料完全相变成为多晶材料(见图2c)。
无定形材料完全相变之后，通过蚀刻工艺除去金属500和覆盖层400。最终，根据本发明可以得到多晶膜。
另一方面，为了更完全地结晶无定形材料，可以在无定形材料相变步骤之前在200-800℃的温度下进行预先热处理，或对无定形材料进行与该相变相同的二次相变。
预先热处理通过前述热处理方法之一进行。
图3为说明覆盖层400由两部分形成和随后进行无定形材料相变的相变方法的本发明另一实施方案。在该实施方案中，包括具有不同厚度的第一和第二部分对于覆盖层400是足够的。该覆盖层不限于具有单层膜的第一部分和具有双膜的第二部分的结构。
在本实施方案中，尤其优选第二部分的下部由与第一部分相同的材料制成。而且，第二部分的上部和下部可由不同材料制成。
图4为说明覆盖层400上的金属500部分压花并随后进行无定形材料的相变的相变方法的本发明又一实施方案。在该实施方案中，通过使用光刻法、光敏剂和荫罩之一来进行金属500的部分压花。
图5a-5c为本发明又一实施方案，其说明将金属500、缓冲层200和无定形材料300顺序沉积在电介质衬底100上的无定形材料300的相变方法中的步骤。在不同于其它实施方案的本实施方案中，金属500通过缓冲层200向上扩散，因而，沉积在缓冲层200上的无定形材料300中的各晶粒320向晶粒边界340生长，使得无定形材料逐渐变成多晶材料(见图5a-5c)。
图6a-6d为本发明的再一实施方案。在本实施方案中，缓冲层200、无定形材料300、覆盖层400和金属500顺序沉积在电介质衬底100上(见图6a)。接着，对无定形材料300进行预先热处理(见图6b)。然后，对热处理后的金属500、覆盖层400和无定形300进行压花(见图6c)。接着，对无定形材料300进行相变，随后除去金属500和覆盖层400(见图6d)。通过这些步骤，无定形材料发生相变。
图7a-7c为本发明的再一实施方案。在不同于示于图6a-6d的实施方案的本实施方案中，还包括在沉积的金属层500上沉积第二覆盖层400’的步骤。结果，金属层500构建成在金属层上下具有双覆盖层。
完成沉积之后，在对无定形材料进行相变之前，通过使用光敏剂的光刻法来对无定形材料300、第一覆盖层400、金属层500和第二覆盖层400’进行压花(见图7b)。接着，结晶无定形材料300，然后，除去第一覆盖层400、金属500和第二覆盖层400’(见图7c)。通过这些步骤，无定形材料发生相变。
实际上，对于图3-7所示的各个实施方案，调整了各组分、各组分的沉积方法和示于图2的无定形材料的相变方法。此外，也调整了无定形材料的二次相变。
图8-10示出通过在根据本发明的优选实施方案中使用硅作为无定形材料所得到的多晶硅的照片。
图8a和8b示出相变的情况。在此，将玻璃用作电介质衬底并且在缓冲层上沉积具有50nm厚度的无定形硅。此外，沉积具有150nm厚度的氮化硅膜作为覆盖层，并且沉积1013cm-2的镍作为金属层。接着，在430℃的温度下进行热处理1小时。然后，在750℃的温度下以20秒的时间间隔进行多次热处理。
图8a示出通过在750℃温度下持续20秒重复5次热处理的相变结果。图8b示出通过在相同条件下重复20次热处理的相变结果。在图中，可见晶粒横向生长。尤其是可见热处理重复次数越多，多晶质量就越好。
图9a-9c示出相变的情况。在此，将玻璃用作电介质衬底，沉积具有100nm厚度的氧化硅膜作为缓冲层，并且沉积具有50nm厚度的无定形硅。此外，沉积具有60nm厚度的氮化硅膜作为覆盖层，并且沉积镍作为金属层。在此，在500℃温度下进行预先热处理5分钟，这是因为金属的量发生了变化。然后，在750℃的温度下时间持续20秒进行20次热处理。
图9a、9b和9c分别对应于镍为5×1012cm-2、8×1012cm-2和1013cm-2的情况。如图所示，可见当金属量增加时，晶粒尺寸变得越来越小。
图10a和10b示出分别由根据传统方法(图10a)和本发明(图10b)诱导的金属导致相变的作为无定形材料的硅薄膜表面。在本发明中，形成具有60nm厚度的覆盖层，然后使无定形材料结晶，使得多晶硅薄膜的RMS粗糙度为0.92nm。另一方面，在传统方法中RMS(均方根)粗糙度为1.33nm。结果，可见本发明的膜比传统方法的膜具有更好的粗糙度。
图11为说明由覆盖层的存在而定的硅薄膜表面氧化程度的图。
一种情况是提供350nm厚度的氮化物膜的覆盖层。另一种情况是不提供覆盖层。如图11所示，可见提供覆盖层情况下的硅薄膜表面比不提供覆盖层情况下的硅薄膜表面具有更少的氧，尽管其它工艺条件均相同。
图12和13为说明取决于用作覆盖层的氮化物膜中的氮浓度的硅薄膜结晶外观图。
在图12中，图12a、12b和12c为说明形成具有50nm的相同厚度和[NH3]/[SiH4]比例分别为35、65和100的覆盖层的相变结果的光学显微照片。其中，在相变中，其它工艺条件均相同。如图12所示，可见在图12b和12c的情况中，得到完全结晶并且晶粒具有圆形或六边形状。另外，可见由相邻晶粒相邻接形成具有六边形状的晶粒。
另一方面，可见在图12a的情况中，未获得完全结晶并且非完全结晶体被分散形成圆形。
其中，图12b和12a的晶粒尺寸分别为14μm和10μm。因此，在[NH3]/[SiH4]比例为100的情况下可以获得最大量的金属，镍。结果，可见当[NH3]/[SiH4]比例越大，则金属的扩散速率上升。
因此，可以理解可以通过[NH3]/[SiH4]比例来控制金属量。
图13为通过使用273nm紫外光线照射来说明图12样品的结晶度的薄膜反射率图。如图13所示，当[NH3]/[SiH4]比例为35时，反射率在紫外区域无峰值，当该比例为65和100时，反射率出现峰值。因此，可以理解为可以依靠氮化物膜的沉积条件来控制金属诱导结晶。
虽然已详细描述了本发明及其优点，但应该理解本发明不仅限于前述实施方案和附图，并且应该理解在不偏离由所附权利要求所限定的本发明的实质和范围的情况下本领域的技术人员在此可以作出各种改变、替换和变更。
工业可行性
根据本发明，优点在于将覆盖层置于无定形材料和金属之间来扩散金属，从而可以显著减少由于金属和无定形材料直接接触所导致的作为传统方法的问题的金属污染。
此外，根据本发明，优点在于在无定形材料上形成覆盖层，使得可以防止无定形材料薄膜表面上的污染和氧化。
还有，根据本发明，虽然额外提供覆盖层，但覆盖层的形成可以不破坏加工室中的真空环境，同时进行沉积无定形材料和金属的传统工艺。因此，优点在于可以方便地进行该工艺。
另外，根据本发明，优点在于可以通过调节形成为覆盖层的氮化物膜中的氮浓度来控制金属量和结晶度。
此外，根据本发明，优点在于可以通过调节形成为覆盖层的氮化物膜中的氮浓度来控制形成在无定形材料薄膜中的金属二硅化物的沉淀量，因而，可以实现具有高质量的相变薄膜。

Claims (33)

1.无定形材料的相变方法，包括以下步骤：
在电介质衬底上沉积无定形材料；
在无定形材料上形成覆盖层；
在覆盖层上沉积金属；和
对无定形材料进行相变。
2.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中所述方法还包括在电介质衬底上沉积无定形材料的步骤之前沉积缓冲层的步骤。
3.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中所述方法还包括在对无定形材料进行相变的步骤之前进行预先热处理的步骤。
4.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中所述方法还包括在对无定形材料进行相变的步骤之后除去金属和覆盖层的步骤。
5.根据权利要求3的无定形材料相变方法，其中所述方法还包括在进行预先热处理的步骤之后和对无定形材料进行相变的步骤之前对热处理后的膜进行压花的步骤。
6.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中所述方法还包括在沉积金属的步骤之后和在对无定形材料进行相变的步骤之前，在金属上沉积第二覆盖层的步骤和对该堆叠结构进行压花的步骤。
7.无定形材料的相变方法，包括以下步骤：
在电介质衬底上沉积金属；
在金属上形成缓冲层或覆盖层；
在缓冲层或覆盖层上沉积无定形材料；和
对无定形材料进行相变。
8.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中所述方法还包括对无定形材料进行相变的步骤之后对相变材料进行二次相变的步骤。
9.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中所述电介质材料选自玻璃、石英、覆盖有氧化物膜的单晶片和覆盖有电介质膜的薄金属衬底。
10.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中所述无定形材料为无定形硅。
11.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中所述覆盖层为包括选自氮化硅膜、氧化硅膜、有机膜中的一种的单膜，或包括氮化硅膜和氧化硅膜的双膜。
12.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中所述覆盖层包括具有薄的厚度的第一部分和具有厚的厚度的第二部分。
13.根据权利要求12的无定形材料相变方法，其中所述第二部分的下部由与第一部分相同的材料制成。
14.根据权利要求12的无定形材料相变方法，其中所述第二部分的上部由与第一部分相同或不同的材料制成。
15.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中通过PECVD法沉积所述覆盖层。
16.根据权利要求15的无定形材料相变方法，其中在650℃或更低温度下进行沉积。
17.根据权利要求1的无定形材料相变方法，其中所述覆盖层的厚度为0.1-1000nm。
18.根据权利要求6的无定形材料相变方法，其中所述第二覆盖层的厚度为0.1-1000nm。
19.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中金属沉积通过使用离子注入、PECVD、溅射、荫罩，或溶于酸溶液中的液相金属的涂覆、有机膜和液相金属的混合物或含金属的气体的旋涂来进行。
20.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中通过使用选自光刻法、光刻胶和荫罩中的一种方法来部分地对所述金属进行压花。
21.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中沉积所述金属以使表面密度为1012-1018cm-2。
22.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中沉积所述金属以使其厚度为1000nm或更小。
23.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中所述金属是镍。
24.根据权利要求2-7的任一项的无定形材料相变方法，其中所述缓冲层是选自氮化硅膜和氧化硅膜的层，或包括氮化硅膜和氧化硅膜的双层。
25.根据权利要求3的无定形材料相变方法，其中在200-800℃温度下进行预先热处理。
26.根据权利要求1-7的任一项的无定形材料相变方法，其中通过选自热处理方法、快速热处理方法和激光照射方法的至少一种方法来进行无定形材料的相变。
27.根据权利要求8的无定形材料相变方法，其中通过选自热处理方法、快速热处理方法和激光照射方法的至少一种方法来进行无定形材料的二次相变。
28.根据权利要求26的无定形材料相变方法，其中在400-1300℃的温度下进行热处理。
29.根据权利要求27的无定形材料相变方法，其中在400-1300℃的温度下进行热处理。
30.根据权利要求26的无定形材料相变方法，其中通过选自卤素灯、紫外灯和烘箱的一种来进行热处理。
31.根据权利要求27的无定形材料相变方法，其中通过选自卤素灯、紫外灯和烘箱的一种来进行热处理。
32.根据权利要求26的无定形材料相变方法，其中将电场或磁场应用到热处理工艺中。
33.根据权利要求27的无定形材料相变方法，其中将电场或磁场应用到热处理工艺中。
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