專利名稱：一種基于金屬誘導(dǎo)的多晶硅薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多晶硅薄膜制備技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，本發(fā)明涉及一種基于金屬誘導(dǎo)的多晶硅薄膜的制備方法。
背景技術(shù)：
非晶硅薄膜晶體管(TFT)的制備工藝成熟并相對簡單，成品率高，成本低，現(xiàn)有的 有源矩陣顯示器多采用非晶硅薄膜晶體管。但是非晶硅薄膜晶體管的場效應(yīng)遷移率低，器 件的穩(wěn)定性較差，難以滿足快速開關(guān)的彩色時序液晶顯示、電流驅(qū)動的有機(jī)發(fā)光二極管顯 示以及集成型顯示的要求。玻璃襯底上制備的、通過退火爐或者激光加熱得到的低溫多晶 硅薄膜晶體管，具有較高的遷移率和較好的器件穩(wěn)定性，適合于快速開關(guān)、電流驅(qū)動和集成 基板的顯示應(yīng)用的制備。使用傳統(tǒng)低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)獲取多晶硅的工藝需要很高的溫度(通常 620-650°C )來實現(xiàn)，而通過更高溫(IOOiTC以上)退火形成的多晶硅只適合用于貴重的石 英襯底，而不適用于通常的玻璃襯底。目前，非晶硅的晶化方法主要包括激光照射加熱非晶硅的晶化方法和金屬誘導(dǎo)非 晶硅的晶化方法。通常在金屬誘導(dǎo)晶化方法中，為了有效控制誘導(dǎo)金屬在多晶硅薄膜中的 殘余量，提高在大面積襯底上批量制備多晶硅的均勻一致性，采用了金屬誘導(dǎo)橫向晶化的 技術(shù)，但是在該金屬誘導(dǎo)橫向晶化過程中的氧化過程會產(chǎn)生多晶硅的損耗。圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的金屬誘導(dǎo)橫向晶化過程后吸除金屬殘作物而形成的多晶硅 薄膜。如圖1所示，襯底101上覆蓋阻擋層102，并沉積非晶硅薄膜103，在非晶硅薄膜103 上添加金屬誘導(dǎo)層201，退火使其結(jié)晶，然后在其上形成一層金屬吸收層301，把多余的誘 導(dǎo)金屬吸收出來。但該制造過程中工藝處理的時間較長，而且在結(jié)晶的時候由于包含了過 多的鎳，使得晶核的密度過大，這不利于大晶粒多晶硅的生成。現(xiàn)有技術(shù)還存在吸除過程和金屬誘導(dǎo)橫向晶化同時進(jìn)行的一種技術(shù)(美國專利 US 2002192884)，在該技術(shù)方案中，在形成先驅(qū)物非晶硅之前預(yù)沉積一層吸除層。但是吸 除過程過早發(fā)生，把結(jié)晶核處高濃度的鎳吸收的同時也把結(jié)晶核周圍用于形成晶粒的鎳吸 收，影響了多晶硅的結(jié)晶質(zhì)量和結(jié)晶速度；而且，吸除金屬過于接近多晶硅器件有源層，吸 除層的存在會影響TFT的最終特性。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有多晶硅薄膜制備工藝復(fù)雜、殘余物多、性能差的缺陷，本發(fā)明提出一種 基于金屬誘導(dǎo)的多晶硅薄膜的制備方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提出了一種多晶硅薄膜的制備方法，包括步驟10)、在玻璃襯底上沉積阻擋層，并沉積非晶硅薄膜；步驟20)、在所述非晶硅薄膜上形成覆蓋層，并在所述覆蓋層上刻蝕誘導(dǎo)口 ；步驟30)、在所示覆蓋層上形成金屬誘導(dǎo)薄膜，使所述金屬誘導(dǎo)薄膜在所示誘導(dǎo)口處與所示非晶硅薄膜接觸；步驟40)、進(jìn)行第一步退火過程，在所述誘導(dǎo)口下方的非晶硅薄膜中得到多晶硅 島；步驟50)、在所述金屬誘導(dǎo)薄膜上沉積金屬吸收層，進(jìn)行第二次退火過程，形成晶 粒均勻分布的晶化薄膜；步驟60)、去除所述金屬吸收層和所述覆蓋層。其中，步驟10)中，在所述玻璃襯底上沉積厚度為20-900納米的低溫氮化硅、低溫 氧化硅或氮氧化硅層作為阻擋層，沉積10-500納米厚的非晶硅薄膜層。其中，步驟10)中，所示沉積采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子增強(qiáng)型化學(xué) 氣相沉積(PECVD)和濺射方法。其中，步驟10)中，所述玻璃襯底為康寧1737F、鷹2000等常用于制備非晶硅薄膜 晶體管的常用玻璃，厚度為0. 3-1. 5毫米。
其中，步驟20)中，在所述非晶硅薄膜層上沉積覆蓋層，然后采用光刻過程在所述 覆蓋層內(nèi)形成晶核生長定位的誘導(dǎo)口。其中，步驟20)中，所述誘導(dǎo)口連續(xù)布置、均勻分布，每個誘導(dǎo)口是幾何尺寸相同 的方形、圓形或者長條形孔口。其中，步驟20)中，所述誘導(dǎo)口的寬度或半徑為2微米至20微米，孔間的間隔距離 相同，為30微米至300微米；或者，所述誘導(dǎo)口寬度為2微米，間隔距離30微米。其中，步驟20)中，所述覆蓋層為PEV⑶、LPCVD、或濺射沉積的低溫氧化硅或氮化 硅或二者的混合薄膜，厚度為50納米至500納米。其中，步驟30)中，所述金屬誘導(dǎo)薄膜為采用濺射、蒸發(fā)、離子注入、溶液浸泡或旋 涂等方法形成的低鎳含量的氧化鎳硅薄膜。其中，步驟40)中，所述金屬誘導(dǎo)薄膜中的鎳源在所述誘導(dǎo)口處和所述非晶硅薄 膜反應(yīng)，形成鎳的聚集，得到離散的誘導(dǎo)晶核，生長成尺度為10-20微米、圓形晶疇的低密 度多晶硅“島”。其中，步驟40)中，所述第一次退火在氮氣氣氛下進(jìn)行，退火溫度550-590°C，時間 1-2小時。其中，步驟50)中，在所述金屬誘導(dǎo)薄膜上PECVD、LPCVD沉積厚度為100-900納米 的磷硅玻璃(PSG)。其中，步驟60)中，所述第二步退火過程在氮氣氣氛下進(jìn)行，退火溫度550-590°C， 時間2-3小時。其中，步驟60)中，所述誘導(dǎo)金屬被金屬吸收層逐漸吸除并且金屬誘導(dǎo)多晶硅前 沿推進(jìn)，隨著晶化過程的推進(jìn)，誘導(dǎo)口的金屬鎳被吸除到吸收層中，誘導(dǎo)峰對撞形成晶界。其中，步驟60)中，使用氫氟酸或BOE去除所述金屬吸收層和所述覆蓋層104。本發(fā)明的方法包括晶化與有針對性的吸除過程，其中(1)在非晶硅表面形成微 量鎳源，使用誘導(dǎo)口預(yù)先控制成核點的位置；(2)經(jīng)第一步退火，在誘導(dǎo)口處形成多晶硅 斑；(3)在上述薄膜表面，沉積磷硅玻璃(PSG)薄膜，并進(jìn)行第二次退火，完成整個多晶硅薄 膜的晶化過程。PSG薄膜邊吸收誘導(dǎo)口處的鎳晶體邊生長，在誘導(dǎo)口周圍晶化過程中需要 消耗鎳的地方能很好地保護(hù)起來而不被PSG吸收。因此，這樣的晶化過程，不存在如傳統(tǒng)MILC中的誘導(dǎo)口的明顯高鎳含量的區(qū)間，整個多晶硅薄膜的任何區(qū)域都可以作為TFT的有源層。本發(fā)明包括晶化與有針對性的吸除過程，在縮短工藝時間的同時，可獲得具有連續(xù)晶疇的多晶硅薄膜。從而進(jìn)一步使得整個多晶硅薄膜的任何區(qū)域都可以作為高質(zhì)量TFT 的有源層，消除了晶化過程玻璃襯底收縮造成的對位板錯位問題。本發(fā)明還對晶核定位的誘導(dǎo)口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，形成諸如正六角形的蜂巢晶體薄 膜。由于誘導(dǎo)口的分布為規(guī)則重復(fù)分布，形成的晶疇形狀與尺寸相同，可準(zhǔn)確控制晶化過 程，具有晶化時間的高可控性和工藝過程的高穩(wěn)定性，適合于工業(yè)化生產(chǎn)要求。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的金屬誘導(dǎo)多晶硅薄膜的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多晶硅薄膜制備方法的流程圖；圖4(a)是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多晶硅薄膜在第一次退火過程中誘導(dǎo)口處形成 多晶硅“島”的截面示意圖；圖4(b)是根據(jù)本發(fā)明的實施例的多晶硅薄膜在第一次退火過程后的晶體薄膜表 面沉積金屬吸收層后的截面圖；圖5是誘導(dǎo)口按等邊三角形分布的多晶硅島分布示意圖；圖6為根據(jù)本發(fā)明制備的多晶硅薄膜的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的一種用多晶硅薄膜的制備方法進(jìn)行 詳細(xì)描述。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的多晶硅薄膜的結(jié)構(gòu)。如圖2所示，該多晶硅薄 膜包括玻璃襯底101、阻擋層102和具有連續(xù)晶疇的多晶硅層103。其中，玻璃襯底101為 康寧1737F、鷹2000等用于制備TFT的常用玻璃，厚度為0. 3-1. 5毫米。阻擋層102為采用 低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)生長的氧化硅層或者氮 化硅層，厚度為30-900納米；優(yōu)選地，諸如200納米厚的氮化硅或者100納米厚的低溫氧化 硅(LTO)。多晶硅層103的厚度通常為10-500納米，其是正六角形的蜂巢晶體薄膜。該多 晶硅層103中晶粒均勻分布。該多晶硅層103是通過在非晶硅薄膜上的覆蓋層光刻誘導(dǎo)口、 在誘導(dǎo)口使金屬誘導(dǎo)薄膜和非晶硅薄膜接觸并經(jīng)過兩次退火晶化形成的均勻多晶硅層，該 最初非晶硅薄層采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)和 濺射方法沉積在阻擋層上，非晶硅薄層厚度為10-500納米。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多晶硅薄膜的制備方法的流程圖。總的來說，如 圖3所示，該方法包括在玻璃襯底上沉積氧化硅或氮化硅阻擋層，并沉積非晶硅薄膜(步 驟301)；在非晶硅薄膜上形成一層氧化硅或氮化硅覆蓋層，并在覆蓋層上刻蝕誘導(dǎo)口(步 驟302)；在覆蓋層上形成一層金屬誘導(dǎo)薄膜，使該金屬誘導(dǎo)薄膜在誘導(dǎo)口處與非晶硅薄膜 接觸(步驟303)；進(jìn)行第一步退火過程，在誘導(dǎo)口下方的非晶硅薄膜中得到多晶硅島(步 驟304)；在金屬誘導(dǎo)薄膜上沉積金屬吸收層，然后進(jìn)行第二次退火過程，形成晶粒均勻分布的晶化的非晶硅薄膜(步驟305)；去除金屬吸收層和覆蓋層(步驟306)。繼續(xù)參考圖3，并且進(jìn)一步參考圖4(a)和4(b)，詳細(xì)說明圖3中所述方法的流程， 其中，圖4(a)示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多晶硅薄膜在第一次退火過程中誘導(dǎo)口處形成 的多晶硅“島”，圖4(b)示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的多晶硅薄膜在第一次退火過程后晶體 薄膜表面沉積金屬吸收層的結(jié)構(gòu)。在步驟301中，在玻璃襯底101上沉積厚度為20-900納米的低溫氮化硅、低溫氧 化硅或氮氧化硅層作為阻擋層102，沉積10-500納米厚的非晶硅薄膜層103。其中，沉積方 法采用低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)和濺射方法。非晶 硅薄膜層厚度通常為10-500納米，優(yōu)選50-200納米。玻璃襯底101為康寧1737F、鷹2000 等常用于制備TFT的常用玻璃，厚度為0. 3-1. 5毫米。阻擋層102也可以采用200納米厚 的氮化硅或者100納米的低溫氧化硅(LTO)。在步驟302中，在非晶硅薄膜層103上沉積覆蓋層104，然后采用一個光刻過程在 覆蓋層104內(nèi)形成晶核生長定位的誘導(dǎo)口。在一個實施例中，誘導(dǎo)口連續(xù)布置、均勻分布， 每個誘導(dǎo)口的幾何尺寸相同，是采用光刻方法形成的方形、圓形或者長條形孔口。其中，誘 導(dǎo)口的寬度或半徑為2微米至20微米，孔間的間隔距離相同，為30微米至300微米。優(yōu)選 地，誘導(dǎo)口寬度為2微米，間隔距離30微米。覆蓋層為PEV⑶、LPCVD、或濺射沉積的低溫氧 化硅或氮化硅或二者的混合薄膜，厚度為50納米至500納米，厚度優(yōu)選100納米。在步驟303中，在覆蓋層上形成一層金屬誘導(dǎo)薄膜，使該金屬誘導(dǎo)薄膜在誘導(dǎo)口 處與非晶硅接觸。在一個實施例中，采用鎳硅混合靶，氬氧氣濺射形成金屬誘導(dǎo)薄膜105，在 誘導(dǎo)口與其下面的非晶硅層接觸。在另一個實施例中，金屬誘導(dǎo)薄膜為低鎳含量的氧化鎳 硅薄膜。在又一個實施例中，采用濺射、蒸發(fā)、離子注入、溶液浸泡或旋涂等方法形成金屬誘 導(dǎo)薄膜105。在步驟304中，進(jìn)行第一步退火過程，在誘導(dǎo)口處得到多晶硅島。在一個實施例 中，金屬誘導(dǎo)薄膜中的鎳源和與其交界的非晶硅薄膜反應(yīng)，硅被氧化而釋放出鎳，鎳很快擴(kuò) 散到其周邊鄰近的非晶硅中，形成鎳的聚集，得到離散的誘導(dǎo)晶核，并生長成尺度為10-20 微米、圓形晶疇的低密度多晶硅“島”201。該退火在氮氣氣氛下進(jìn)行，退火溫度550-590°C， 時間1-2小時。優(yōu)選，退火溫度為590度，時間1小時。在步驟305中，在金屬誘導(dǎo)薄膜上沉積金屬吸收層106。在一個實施例中，在金屬 誘導(dǎo)薄膜上PECVD、LPCVD沉積厚度為100-900納米的磷硅玻璃(PSG) 106，優(yōu)選厚度為700 納米。圖4(b)示出了經(jīng)過第一步退火后沉積金屬吸收層106的多晶硅薄膜。在步驟306中，進(jìn)行第二次退火過程，然后去除金屬吸收層和覆蓋層。在一個實施例中，第二步退火過程在氮氣氣氛下完成，退火溫度550-590°C，時間2-3小時，其中優(yōu)選 地，溫度為590度，時間為2小時。誘導(dǎo)金屬被金屬吸收層逐漸吸除并且金屬誘導(dǎo)多晶硅前 沿推進(jìn)，隨著晶化過程的推進(jìn)，誘導(dǎo)口的金屬鎳被吸除到吸收層中，誘導(dǎo)峰對撞形成晶界。 圖5示出誘導(dǎo)口按等邊三角形分布的多晶硅島的分布。其中，三角形401為多晶硅島，圓形 的402為誘導(dǎo)口，經(jīng)過第二次退火后多晶硅島長大、晶疇成輻射狀外延形成對撞晶界501。 在另一個實施例中，金屬吸收層106和覆蓋層104使用氫氟酸或BOE等去除，得到完全晶化 的多晶硅薄膜。圖6為根據(jù)本發(fā)明制備的多晶硅薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，其為在TMAH溶液中20度的環(huán)境下，腐蝕3分鐘的顯微圖片。在本發(fā)明的另一個實施例中，描述一種使用上述晶化薄膜的晶體管器件及其制備 方法。其中，得到前述方法實現(xiàn)的多晶硅薄膜之后，用其加工TFT有源島圖案，沉積20-200 納米厚的低溫氧化硅的柵氧化層，形成柵電極。其中，柵氧化層包括氧化硅、氮化硅或者氮 氧化硅。之后，N、P型摻雜源被離子注入到有源層中，并形成重?fù)诫s的源漏區(qū)間。然后用激 光、閃燈等快速退火方式活化摻雜層。沉積絕緣層，開柵、源、漏電極的接觸孔，濺射金屬電 極，沉積金屬互連層并光刻相關(guān)電極圖形。其中，對于N型TFT，采用磷源，能量為1301(^，濃度為4\1015平方厘米；對于P型 TFT，采用硼源，能量為40KeV，濃度為4X IO15平方厘米，之后500-600°C退火1_2小時。最后應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對本技術(shù)方法 進(jìn)行限制，本發(fā)明在應(yīng)用上可以延伸為其他的修改、變化、應(yīng)用和實施例，并且因此認(rèn)為所 有這樣的修改、變化、應(yīng)用、實施例都在本發(fā)明的精神和教導(dǎo)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種多晶硅薄膜的制備方法，包括步驟10)、在玻璃襯底上沉積阻擋層，并沉積非晶硅薄膜；步驟20)、在所述非晶硅薄膜上形成覆蓋層，并在所述覆蓋層上刻蝕誘導(dǎo)口；步驟30)、在所示覆蓋層上形成金屬誘導(dǎo)薄膜，使所述金屬誘導(dǎo)薄膜在所示誘導(dǎo)口處與所示非晶硅薄膜接觸；步驟40)、進(jìn)行第一步退火過程，在所述誘導(dǎo)口下方的非晶硅薄膜中得到多晶硅島；步驟50)、在所述金屬誘導(dǎo)薄膜上沉積金屬吸收層，進(jìn)行第二次退火過程，形成晶粒均勻分布的晶化薄膜；步驟60)、去除所述金屬吸收層和所述覆蓋層。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟10)中，在所述玻璃襯底上沉積厚度為20-900納 米的低溫氮化硅、低溫氧化硅或氮氧化硅層作為阻擋層，沉積10-500納米厚的非晶硅薄膜層。
3 權(quán)利要求2所述的方法，其中，步驟10)中，所示沉積采用低壓化學(xué)氣相沉積 (LPCVD)、等離子增強(qiáng)型化學(xué)氣相沉積(PECVD)和濺射方法。
4.權(quán)利要求2所述的方法，其中，步驟10)中，所述玻璃襯底為康寧1737F、鷹2000等 常用于制備非晶硅薄膜晶體管的常用玻璃，厚度為0. 3-1. 5毫米。
5.權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟20)中，在所述非晶硅薄膜層上沉積覆蓋層，然后 采用光刻過程在所述覆蓋層內(nèi)形成晶核生長定位的誘導(dǎo)口。
6.權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟20)中，所述誘導(dǎo)口連續(xù)布置、均勻分布，每個誘 導(dǎo)口是幾何尺寸相同的方形、圓形或者長條形孔口。
7.權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟20)中，所述誘導(dǎo)口的寬度或半徑為2微米至20 微米，孔間的間隔距離相同，為30微米至300微米；或者，所述誘導(dǎo)口寬度為2微米，間隔距 離30微米。
8.權(quán)利要求5所述的方法，其中，步驟20)中，所述覆蓋層為PEVCD、LPCVD、或濺射沉積 的低溫氧化硅或氮化硅或二者的混合薄膜，厚度為50納米至500納米。
9.權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟30)中，所述金屬誘導(dǎo)薄膜為采用濺射、蒸發(fā)、離 子注入、溶液浸泡或旋涂等方法形成的低鎳含量的氧化鎳硅薄膜。
10.權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟40)中，所述金屬誘導(dǎo)薄膜中的鎳源在所述誘導(dǎo) 口處和所述非晶硅薄膜反應(yīng)，形成鎳的聚集，得到離散的誘導(dǎo)晶核，生長成尺度為10-20微 米、圓形晶疇的低密度多晶硅“島”。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中，步驟40)中，所述第一次退火在氮氣氣氛下進(jìn)行，退 火溫度550-590°C，時間1-2小時。
12.權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟50)中，在所述金屬誘導(dǎo)薄膜上PECVD、LPCVD沉 積厚度為100-900納米的磷硅玻璃(PSG)。
13.權(quán)利要求1所述的方法，其中，步驟60)中，所述第二步退火過程在氮氣氣氛下進(jìn) 行，退火溫度550-590°C，時間2-3小時。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中，步驟60)中，所述誘導(dǎo)金屬被金屬吸收層逐漸吸除 并且金屬誘導(dǎo)多晶硅前沿推進(jìn)，隨著晶化過程的推進(jìn)，誘導(dǎo)口的金屬鎳被吸除到吸收層中， 誘導(dǎo)峰對撞形成晶界。
15.權(quán)利要求13所述的方法，其中，步驟60)中，使用氫氟酸或B0E去除所述金屬吸收 層和所述覆蓋層104。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的制備方法，包括在玻璃襯底上沉積阻擋層，并沉積非晶硅薄膜；在所述非晶硅薄膜上形成覆蓋層，并在所述覆蓋層上刻蝕誘導(dǎo)口；在所示覆蓋層上形成金屬誘導(dǎo)薄膜，使所述金屬誘導(dǎo)薄膜在所示誘導(dǎo)口處與所示非晶硅薄膜接觸；進(jìn)行第一步退火過程，在所述誘導(dǎo)口下方的非晶硅薄膜中得到多晶硅島；在所述金屬誘導(dǎo)薄膜上沉積金屬吸收層，進(jìn)行第二次退火過程，形成晶粒均勻分布的晶化薄膜；去除所述金屬吸收層和所述覆蓋層。
文檔編號H01L21/324GK101834139SQ20101011201
公開日2010年9月15日 申請日期2010年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日
發(fā)明者彭俊華, 黃宇華, 黃飚 申請人:廣東中顯科技有限公司