專利名稱：非晶硅的金屬誘導(dǎo)結(jié)晶和金屬吸除技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明講述的是通過(guò)非晶硅金屬誘導(dǎo)結(jié)晶制備高質(zhì)量，大面積多晶硅薄膜的技術(shù)。此技術(shù)需要對(duì)起始的非晶硅薄膜引入可控量的誘導(dǎo)結(jié)晶金屬元素；第一個(gè)低溫?zé)崽幚硪鸾饘僬T導(dǎo)結(jié)晶成核現(xiàn)象并形成很小的多晶硅“島”；在此部分晶化薄膜材料上形成金屬吸除層；金屬誘導(dǎo)結(jié)晶過(guò)程經(jīng)過(guò)第二個(gè)低溫?zé)崽幚磉^(guò)程中完成，并形成所期望的多晶硅薄膜；金屬吸除層在完成結(jié)晶熱處理之后去掉。
背景技術(shù)：
TFT可以應(yīng)用于有源矩陣液晶顯示、有源矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示、有源矩陣電子書(shū)和有源矩陣圖像傳感器。非晶硅TFT因?yàn)楣ぷ魉俣鹊汀⑷鄙貾型器件而難于用來(lái)實(shí)現(xiàn)外圍電路。這推動(dòng)了通過(guò)退火爐或者激光加熱得到的多晶硅器件的產(chǎn)生。通過(guò)傳統(tǒng)的低壓化學(xué)氣相沉積得到多晶硅的工藝需要很高的溫度(620-650℃)，并且得到的多晶硅材料性能很差。通過(guò)高溫退火(1000℃以上)可以改善材料的性能，但是這種方法只適用于比較昂貴的石英襯底而不能用于一般的玻璃襯底。
獲得多晶硅薄膜的另外一種方法是金屬誘導(dǎo)晶化(美國(guó)專利US5275851，US5879977和US2001018224)。得到的材料包含大晶粒，但是多晶硅中殘余的金屬污染物降低了TFT的最終性能。
因此引入了金屬誘導(dǎo)橫向晶化過(guò)程后吸除金屬殘余物的方法。經(jīng)過(guò)熱氧化工藝后(美國(guó)專利US6465287，US6100562)金屬誘導(dǎo)橫向晶化多晶硅薄膜的頂部部分被氧化并且殘余的金屬元素被頂部的氧化層吸收。氧化過(guò)程造成的多晶硅損耗是不希望得到的，尤其當(dāng)多晶硅層比較薄的時(shí)候更是如此。
在非晶硅層摻雜稀有氣體(美國(guó)專利US6821828，US6821828，US2004121530，US6743700，US2002164843，US2002134981)或者摻雜五族元素(美國(guó)專利US6825072，US2004058486，US6420246，US6664144，US5700333，US2003134459，US6461943)或者從磷硅酸鹽玻璃中擴(kuò)散磷到所選擇多晶硅區(qū)域?qū)崿F(xiàn)金屬吸除的方法被提出來(lái)。但是這樣吸除過(guò)程發(fā)生在金屬誘導(dǎo)橫向晶化過(guò)程之后，延長(zhǎng)了整個(gè)工藝的時(shí)間。并在對(duì)撞晶界處，留下高密度缺陷態(tài)。
吸除過(guò)程和金屬誘導(dǎo)橫向晶化同時(shí)進(jìn)行的技術(shù)(美國(guó)專利US2002192884)的提出是在形成先驅(qū)物非晶硅之前預(yù)先沉積一層吸除層。但是這樣吸除過(guò)程過(guò)早發(fā)生，會(huì)影響多晶硅的結(jié)晶質(zhì)量和結(jié)晶速度，而且，吸除金屬太接近多晶硅器件有源層，吸除層的存在會(huì)影響TFT的最終特性。
本發(fā)明提出在多晶硅晶粒生長(zhǎng)過(guò)程中去除可控量的金屬殘余物的技術(shù)。引入金屬誘導(dǎo)多晶硅晶核形成和生長(zhǎng)，鎳金屬邊吸除晶體邊生長(zhǎng)到全部晶化兩個(gè)步驟。這樣，一方面有效的將硅膜中的鎳轉(zhuǎn)移到吸收層磷硅玻璃(PSG)中，另一方面，隨著硅膜中鎳含量的減少，對(duì)撞晶界處的鎳量會(huì)明顯減少。在熱處理晶化過(guò)程完成后，吸收到磷硅玻璃(PSG)中的金屬鎳可以在去除PSG過(guò)程中一起去除，因此大大提高了多晶硅薄膜質(zhì)量并且減少了金屬殘余污染物的數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為制備高質(zhì)量多晶硅薄膜材料的方法，并用此種多晶硅薄膜材料作為制備高質(zhì)量多晶硅TFT的有原層。多晶硅薄膜采用鎳金屬誘導(dǎo)晶化的方法，殘余鎳的吸除采用磷硅玻璃(PSG)吸除方法。本發(fā)明的技術(shù)核心，是將晶化與吸除過(guò)程進(jìn)行了最優(yōu)化的組合。第一步，在非晶硅薄膜表面引入微量的金屬鎳，在420-620℃下，1-2小時(shí)，誘導(dǎo)成核并以MILC的形式生長(zhǎng)成為離散的，直徑10-20微米的多晶硅斑。第二步，在上述薄膜表面，沉積300-700納米的PSG薄膜，并在420-620溫度下，退火2-3小時(shí)，完成整個(gè)多晶硅薄膜的晶化過(guò)程。第一步的部分晶化薄膜形成，減少了已有專利中所采用的PSG與晶化同時(shí)開(kāi)始鎳吸除所造成的對(duì)結(jié)晶質(zhì)量和結(jié)晶速度的影響；第二步，對(duì)剩余的非晶硅區(qū)域，鎳邊被吸除，邊去推動(dòng)晶化，最后的對(duì)撞晶界中的鎳含量，較已有專利中所提到的沒(méi)有鎳吸除情況下全部晶化的對(duì)撞晶界中的含量低。對(duì)一個(gè)低鎳含量的晶界和高鎳含量的晶界進(jìn)行鎳吸除，前者的缺陷態(tài)較后者低。因此，采用我們的發(fā)明制備的多晶硅材料的綜合性能，高于已有專利技術(shù)所制備的多晶硅薄膜材料。
本發(fā)明所述的制備多晶硅薄膜的一種方法，其步驟至少包括1在已經(jīng)生長(zhǎng)氮化硅氧化硅阻擋層的玻璃襯底上，沉積非晶硅層。
2在非晶硅薄膜薄膜引入微量金屬鎳，并進(jìn)行第一步退火過(guò)程，形成離散的部分晶化的多晶硅非晶硅混合薄膜。
3在混合薄膜表面沉積PSG層，并進(jìn)行第二步退火，形成完全的多晶硅薄膜。
4去除PSG層和吸除在其中的金屬鎳。
所述的玻璃襯底為但不限于康寧1737F，鷹2000等。
所述的氮化硅氧化硅阻擋層采用但不限于PECVD方法沉積，厚度為30-900納米。
所述的非晶硅指的是晶化硅的前驅(qū)物，為但不限于PECVD、LPCVD方法沉積，厚度為10-500納米。
所述的非晶硅薄膜薄膜引入微量的鎳，采用但不限于濺射、蒸發(fā)、溶液浸泡、溶液旋涂和離子注入等，其量應(yīng)為非晶硅中硅的0.1％-0.01％，為保證形成盤(pán)形多晶硅的鎳量。
所述的第一步退火，是在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行的，溫度420-620℃，時(shí)間為1-2小時(shí)。
所述的部分晶化的多晶硅為離散的盤(pán)形多晶硅晶疇，直接為10-20微米。
所述的混合薄膜表面沉積PSG層，是采用但不限于PECVD、LPCVD生長(zhǎng)，厚度為100-900納米。
所述的第二步退火，是在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行的，溫度420-620℃，時(shí)間為2-3小時(shí)。
所述的去除PSG的過(guò)程，采用LTO的腐蝕液(BOE，氫氟酸等)去掉PSG層，同時(shí)去掉PSG中吸附的金屬鎳。


圖1.覆蓋了絕緣層102的襯底101上沉積的非晶硅薄膜103的截面示意圖。
圖2.在非晶硅薄膜103表面的暴露區(qū)域形成金屬或者含金屬物質(zhì)誘導(dǎo)層201的截面3.第一個(gè)熱處理過(guò)程中形成不連續(xù)的多晶硅“島”302的過(guò)程截面圖。
圖4.多晶硅“島”的分布示意5.在部分晶化后的薄膜301、302表面沉積金屬吸收層501的截面6.第二個(gè)熱處理過(guò)程中誘導(dǎo)金屬被吸收層吸收和非晶硅被晶化為多晶硅的截面7.經(jīng)過(guò)第二個(gè)熱處理過(guò)程和去除金屬吸收層以后得到的高質(zhì)量金屬誘導(dǎo)多晶硅薄膜的截面8.制備薄膜晶體管工藝過(guò)程中離子注入和在高質(zhì)量多晶硅材料上形成有源層的截面9.在高質(zhì)量多晶硅材料上制作的的薄膜晶體管器件的截面圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明參照附圖詳述如下圖1所示的是覆蓋了阻擋層102的襯底101上沉積的非晶硅薄膜103的截面示意圖。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PECVD或LPCVD方法生長(zhǎng)的低溫氮化硅、低溫氧化硅或氮氧化硅層，厚度為30-900納米。該層在后面晶化等溫度過(guò)程中，阻擋玻璃中的金屬離子向硅膜中擴(kuò)散。非晶硅薄膜103為采用PECVD或LPCVD方法沉積的，厚度為10-500納米。該層為制備多晶硅薄膜層的前驅(qū)物。
圖2所示的是在非晶硅薄膜103表面沉積微量的鎳或含鎳物質(zhì)201的截面示意圖。該層微量的鎳或含鎳物質(zhì)201是通過(guò)濺射、蒸發(fā)、離子注入、溶液浸泡或旋涂的方法獲得。
圖3所示的是上述樣品，經(jīng)過(guò)第一步退火過(guò)程，該過(guò)程通常在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行，溫度為550-590℃，時(shí)間1-2小時(shí)。在該退火過(guò)程中，在非晶硅薄膜中形成離散的誘導(dǎo)晶核，并生長(zhǎng)成尺度為10-20微米的多晶硅島302。其他部分為尚未晶化的非晶硅區(qū)域301。
圖4所示的是經(jīng)過(guò)第一步退火過(guò)程后，多晶硅非晶硅混合薄膜的俯視圖。其中的多晶硅島302為隨即分布的圓形晶疇。其他部分為尚未晶化的非晶硅薄膜區(qū)域。
第一步退火過(guò)程后，用稀釋的氫氟酸去掉樣品表面的自然氧化層，并清洗表面。之后步驟如圖5所示，在多晶硅301非晶硅301混合薄膜的表面，沉積厚度為100-900納米的PSG501。
圖6所示的是上述樣品在第二個(gè)退火過(guò)程中，(該過(guò)程在氮?dú)庀逻M(jìn)行，溫度為420-620℃，時(shí)間為2-3小時(shí))誘導(dǎo)金屬鎳被PSG 501逐漸吸除和同時(shí)金屬誘導(dǎo)多晶硅前沿推進(jìn)，非晶硅轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑Ч璧慕孛媸疽鈭D。圖6(a)所示的是在第二步退火開(kāi)始狀態(tài)，在金屬誘導(dǎo)橫向晶化多晶硅的前沿的誘導(dǎo)峰中，存在較多的金屬鎳602，隨著晶化過(guò)程的推進(jìn)，多晶硅、非晶硅、特別是誘導(dǎo)峰中的金屬鎳不斷的被吸除到PSG層中，形成吸附在PSG中的鎳601。圖6(b)所示的是上述退火過(guò)程進(jìn)行到尾聲時(shí)，催化峰中的鎳已經(jīng)很少，兩邊的晶粒將對(duì)撞在一起。這樣的對(duì)撞晶粒中含鎳量較小，鎳吸除后，該處的缺陷態(tài)密度較低。
在第二步退火過(guò)程之后，PSG層用氫氟酸或BOE等去除掉。最后得到的金屬誘導(dǎo)多晶硅薄膜701如圖7所示。
圖8所示的是多晶硅TFT柵絕緣層802的形成示意圖，其為但不限于氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在柵絕緣層上形成柵電極803，之后，N、P型摻雜源804離子注入到有源層中，并形成重?fù)诫s的源漏區(qū)間801。然后采用激光、閃燈等快速退火或爐管熱退火方式活化摻雜層。
圖9描述的是薄膜晶體管的截面示意圖。沉積絕緣層901，開(kāi)柵、源、漏電極的接觸孔，沉積金屬互連層902并形成相關(guān)電極圖形。
具體實(shí)施例制備方法是1在1.1毫米后的康寧1737F玻璃上101，PECVD沉積200納米氮化硅、100納米LTO做阻擋層102。LPCVD 550℃沉積50納米非晶硅層103。
2采用鎳硅混合靶，氬氧氣氛濺射，實(shí)現(xiàn)微量鎳201在非晶硅表面附著。
3上述樣品在氮?dú)鈿夥障峦嘶穑瑴囟葹?90℃，時(shí)間1小時(shí)。成為非晶硅膜301多晶硅膜302的混合膜。
4用稀釋的氫氟酸去掉樣品表面的自然氧化層，并清洗表面。之后，LPCVD沉積厚度為700納米的PSG 501。
5上述樣品進(jìn)行第二個(gè)退火過(guò)程，氮?dú)鈿夥?，溫度?90℃，時(shí)間為2小時(shí)。
6在第二步退火過(guò)程之后，PSG 501層用氫氟酸或BOE等去除掉，得到完全晶化的多晶硅薄膜701。
7用上述多晶硅薄膜加工TFT有源島，沉積100納米LTO柵氧化層。
8形成柵電極803，并進(jìn)行離子注入摻雜804。對(duì)N型TFT，采用磷源，能量為130KeV，濃度為4×1015/平方厘米，對(duì)P型TFT，采用硼源，能量為40KeV，濃度為4×1015/平方厘米。之后550℃退火1小時(shí)，活化摻雜區(qū)域。
9PECVD沉積500納米的電極絕緣層901，開(kāi)接觸孔，形成金屬電極902。
權(quán)利要求
1.制備多晶硅薄膜技術(shù)包含以下步驟·制備非晶硅薄膜；·在上述非晶硅薄膜表面引入微量金屬鎳或者含鎳物質(zhì)為誘導(dǎo)層；·對(duì)由上述樣品進(jìn)行第一步退火過(guò)程，以得到不連續(xù)的多晶硅“島”；·在上述已部分晶化的薄膜上沉積金屬吸收層；·完成金屬誘導(dǎo)晶化的第二步退火過(guò)程；·去除金屬吸收層。
2.權(quán)利要求1中提到的非晶硅薄膜采用但不限于低壓化學(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。
3.權(quán)利要求1中提到的非晶硅薄膜厚度為10-1000納米。
4.權(quán)利要求1中提到的金屬為鎳，采用但不限于濺射、蒸發(fā)、離子注入、溶液浸泡或旋涂等方法。
5.權(quán)利要求1中提到的金屬或含金屬物質(zhì)中的鎳量為所覆蓋非晶硅中硅含量的0.1％-0.01％。
6.權(quán)利要求1中所講的第一步退火過(guò)程在氮?dú)鈿夥障峦瓿?。退火溫?50-590℃，時(shí)間1-2小時(shí)。
7.權(quán)利要求1中提到的不連續(xù)的多晶硅“島”為金屬誘導(dǎo)橫向晶化多晶硅。
8.權(quán)利要求1中提到的金屬吸收層材料為但不限于磷硅玻璃(PSG)，制備采用但不限于PECVD、LPCVD等方法。
9.權(quán)利要求1中提到的金屬吸收層的厚度為100-900納米。
10.權(quán)利要求1中提到的第二個(gè)退火過(guò)程在氮?dú)鈿夥障峦瓿伞Ｍ嘶饻囟?50-590℃，時(shí)間2-3小時(shí)。
11.權(quán)利要求1中提到去除金屬吸收層過(guò)程，為采用稀釋氫氟酸、BOE等腐蝕掉PSG，吸附在其中的金屬鎳同時(shí)被除去。
12.應(yīng)用權(quán)利要求1至11中提到的技術(shù)制備的多晶硅薄膜來(lái)制作薄膜晶體管，和相應(yīng)電路、有源矩陣和顯示基板。
全文摘要
本發(fā)明講述的是通過(guò)非晶硅金屬誘導(dǎo)結(jié)晶制備高質(zhì)量，大面積多晶硅薄膜的技術(shù)。此技術(shù)需要對(duì)起始的非晶硅薄膜引入可控量的誘導(dǎo)結(jié)晶金屬元素；第一個(gè)低溫?zé)崽幚硪鸾饘僬T導(dǎo)結(jié)晶成核現(xiàn)象并形成很小的多晶硅“島”；在此部分晶化薄膜材料上形成金屬吸除層；金屬誘導(dǎo)結(jié)晶過(guò)程經(jīng)過(guò)第二個(gè)低溫?zé)崽幚硗瓿?，并形成所期望的多晶硅薄膜；金屬吸除層在完成結(jié)晶熱處理之后可以隨意去掉。
文檔編號(hào)H01L21/70GK101064246SQ20061013987
公開(kāi)日2007年10月31日 申請(qǐng)日期2006年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月27日
發(fā)明者王文, 郭海成, 孟志國(guó), 張冬利, 施雪捷 申請(qǐng)人:香港科技大學(xué)