非晶硅的金属诱导结晶和金属吸除技术

摘要

本发明讲述的是通过非晶硅金属诱导结晶制备高质量，大面积多晶硅薄膜的技术。此技术需要对起始的非晶硅薄膜引入可控量的诱导结晶金属元素；第一个低温热处理引起金属诱导结晶成核现象并形成很小的多晶硅“岛”；在此部分晶化薄膜材料上形成金属吸除层；金属诱导结晶过程经过第二个低温热处理完成，并形成所期望的多晶硅薄膜；金属吸除层在完成结晶热处理之后可以随意去掉。

说明书

技术领域

本发明讲述的是通过非晶硅金属诱导结晶制备高质量，大面积多晶硅薄膜的技术。此技术需要对起始的非晶硅薄膜引入可控量的诱导结晶金属元素；第一个低温热处理引起金属诱导结晶成核现象并形成很小的多晶硅“岛”；在此部分晶化薄膜材料上形成金属吸除层；金属诱导结晶过程经过第二个低温热处理过程中完成，并形成所期望的多晶硅薄膜；金属吸除层在完成结晶热处理之后去掉。

背景技术

TFT可以应用于有源矩阵液晶显示、有源矩阵有机发光二极管显示、有源矩阵电子书和有源矩阵图像传感器。非晶硅TFT因为工作速度低、缺少P型器件而难于用来实现外围电路。这推动了通过退火炉或者激光加热得到的多晶硅器件的产生。通过传统的低压化学气相沉积得到多晶硅的工艺需要很高的温度(620-650℃)，并且得到的多晶硅材料性能很差。通过高温退火(1000℃以上)可以改善材料的性能，但是这种方法只适用于比较昂贵的石英衬底而不能用于一般的玻璃衬底。

获得多晶硅薄膜的另外一种方法是金属诱导晶化(美国专利US5275851，US5879977和US2001018224)。得到的材料包含大晶粒，但是多晶硅中残余的金属污染物降低了TFT的最终性能。

因此引入了金属诱导横向晶化过程后吸除金属残余物的方法。经过热氧化工艺后(美国专利US6465287，US6100562)金属诱导横向晶化多晶硅薄膜的顶部部分被氧化并且残余的金属元素被顶部的氧化层吸收。氧化过程造成的多晶硅损耗是不希望得到的，尤其当多晶硅层比较薄的时候更是如此。

在非晶硅层掺杂稀有气体(美国专利US6821828，US6821828，US2004121530，US6743700，US2002164843，US2002134981)或者掺杂五族元素(美国专利US6825072，US2004058486，US6420246，US6664144，US5700333，US2003134459，US6461943)或者从磷硅酸盐玻璃中扩散磷到所选择多晶硅区域实现金属吸除的方法被提出来。但是这样吸除过程发生在金属诱导横向晶化过程之后，延长了整个工艺的时间。并在对撞晶界处，留下高密度缺陷态。

吸除过程和金属诱导横向晶化同时进行的技术(美国专利US2002192884)的提出是在形成先驱物非晶硅之前预先沉积一层吸除层。但是这样吸除过程过早发生，会影响多晶硅的结晶质量和结晶速度，而且，吸除金属太接近多晶硅器件有源层，吸除层的存在会影响TFT的最终特性。

本发明提出在多晶硅晶粒生长过程中去除可控量的金属残余物的技术。引入金属诱导多晶硅晶核形成和生长，镍金属边吸除晶体边生长到全部晶化两个步骤。这样，一方面有效的将硅膜中的镍转移到吸收层磷硅玻璃(PSG)中，另一方面，随着硅膜中镍含量的减少，对撞晶界处的镍量会明显减少。在热处理晶化过程完成后，吸收到磷硅玻璃(PSG)中的金属镍可以在去除PSG过程中一起去除，因此大大提高了多晶硅薄膜质量并且减少了金属残余污染物的数量。

发明内容

本发明为制备高质量多晶硅薄膜材料的方法，并用此种多晶硅薄膜材料作为制备高质量多晶硅TFT的有原层。多晶硅薄膜采用镍金属诱导晶化的方法，残余镍的吸除采用磷硅玻璃(PSG)吸除方法。本发明的技术核心，是将晶化与吸除过程进行了最优化的组合。第一步，在非晶硅薄膜表面引入微量的金属镍，在420-620℃下，1-2小时，诱导成核并以MILC的形式生长成为离散的，直径10-20微米的多晶硅斑。第二步，在上述薄膜表面，沉积300-700纳米的PSG薄膜，并在420-620温度下，退火2-3小时，完成整个多晶硅薄膜的晶化过程。第一步的部分晶化薄膜形成，减少了已有专利中所采用的PSG与晶化同时开始镍吸除所造成的对结晶质量和结晶速度的影响；第二步，对剩余的非晶硅区域，镍边被吸除，边去推动晶化，最后的对撞晶界中的镍含量，较已有专利中所提到的没有镍吸除情况下全部晶化的对撞晶界中的含量低。对一个低镍含量的晶界和高镍含量的晶界进行镍吸除，前者的缺陷态较后者低。因此，采用我们的发明制备的多晶硅材料的综合性能，高于已有专利技术所制备的多晶硅薄膜材料。

本发明所述的制备多晶硅薄膜的一种方法，其步骤至少包括

1：在已经生长氮化硅氧化硅阻挡层的玻璃衬底上，沉积非晶硅层。

2：在非晶硅薄膜薄膜引入微量金属镍，并进行第一步退火过程，形成离散的部分晶化的多晶硅非晶硅混合薄膜。

3：在混合薄膜表面沉积PSG层，并进行第二步退火，形成完全的多晶硅薄膜。

4：去除PSG层和吸除在其中的金属镍。

所述的玻璃衬底为但不限于康宁1737F，鹰2000等。

所述的氮化硅氧化硅阻挡层采用但不限于PECVD方法沉积，厚度为30-900纳米。

所述的非晶硅指的是晶化硅的前驱物，为但不限于PECVD、LPCVD方法沉积，厚度为10-500纳米。

所述的非晶硅薄膜薄膜引入微量的镍，采用但不限于溅射、蒸发、溶液浸泡、溶液旋涂和离子注入等，其量应为非晶硅中硅的0.1％-0.01％，为保证形成盘形多晶硅的镍量。

所述的第一步退火，是在氮气气氛下进行的，温度420-620℃，时间为1-2小时。

所述的部分晶化的多晶硅为离散的盘形多晶硅晶畴，直接为10-20微米。

所述的混合薄膜表面沉积PSG层，是采用但不限于PECVD、LPCVD生长，厚度为100-900纳米。

所述的第二步退火，是在氮气气氛下进行的，温度420-620℃，时间为2-3小时。

所述的去除PSG的过程，采用LTO的腐蚀液(BOE，氢氟酸等)去掉PSG层，同时去掉PSG中吸附的金属镍。

附图说明

图1.覆盖了绝缘层102的衬底101上沉积的非晶硅薄膜103的截面示意图。

图2.在非晶硅薄膜103表面的暴露区域形成金属或者含金属物质诱导层201的截面图

图3.第一个热处理过程中形成不连续的多晶硅“岛”302的过程截面图。

图4.多晶硅“岛”的分布示意图

图5.在部分晶化后的薄膜301、302表面沉积金属吸收层501的截面图

图6.第二个热处理过程中诱导金属被吸收层吸收和非晶硅被晶化为多晶硅的截面图

图7.经过第二个热处理过程和去除金属吸收层以后得到的高质量金属诱导多晶硅薄膜的截面图

图8.制备薄膜晶体管工艺过程中离子注入和在高质量多晶硅材料上形成有源层的截面图

图9.在高质量多晶硅材料上制作的的薄膜晶体管器件的截面图

具体实施方式

本发明参照附图详述如下：

图1所示的是覆盖了阻挡层102的衬底101上沉积的非晶硅薄膜103的截面示意图。玻璃衬底101为康宁1737F、鹰2000等用于制备TFT的常用玻璃，厚度为0.3-1.5毫米。阻挡层102为采用PECVD或LPCVD方法生长的低温氮化硅、低温氧化硅或氮氧化硅层，厚度为30-900纳米。该层在后面晶化等温度过程中，阻挡玻璃中的金属离子向硅膜中扩散。非晶硅薄膜103为采用PECVD或LPCVD方法沉积的，厚度为10-500纳米。该层为制备多晶硅薄膜层的前驱物。

图2所示的是在非晶硅薄膜103表面沉积微量的镍或含镍物质201的截面示意图。该层微量的镍或含镍物质201是通过溅射、蒸发、离子注入、溶液浸泡或旋涂的方法获得。

图3所示的是上述样品，经过第一步退火过程，该过程通常在氮气气氛下进行，温度为550-590℃，时间1-2小时。在该退火过程中，在非晶硅薄膜中形成离散的诱导晶核，并生长成尺度为10-20微米的多晶硅岛302。其他部分为尚未晶化的非晶硅区域301。

图4所示的是经过第一步退火过程后，多晶硅非晶硅混合薄膜的俯视图。其中的多晶硅岛302为随即分布的圆形晶畴。其他部分为尚未晶化的非晶硅薄膜区域。

第一步退火过程后，用稀释的氢氟酸去掉样品表面的自然氧化层，并清洗表面。之后步骤如图5所示，在多晶硅301非晶硅301混合薄膜的表面，沉积厚度为100-900纳米的PSG501。

图6所示的是上述样品在第二个退火过程中，(该过程在氮气下进行，温度为420-620℃，时间为2-3小时)诱导金属镍被PSG 501逐渐吸除和同时金属诱导多晶硅前沿推进，非晶硅转变为多晶硅的截面示意图。图6(a)所示的是在第二步退火开始状态，在金属诱导横向晶化多晶硅的前沿的诱导峰中，存在较多的金属镍602，随着晶化过程的推进，多晶硅、非晶硅、特别是诱导峰中的金属镍不断的被吸除到PSG层中，形成吸附在PSG中的镍601。图6(b)所示的是上述退火过程进行到尾声时，催化峰中的镍已经很少，两边的晶粒将对撞在一起。这样的对撞晶粒中含镍量较小，镍吸除后，该处的缺陷态密度较低。

在第二步退火过程之后，PSG层用氢氟酸或BOE等去除掉。最后得到的金属诱导多晶硅薄膜701如图7所示。

图8所示的是多晶硅TFT栅绝缘层802的形成示意图，其为但不限于氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。在栅绝缘层上形成栅电极803，之后，N、P型掺杂源804离子注入到有源层中，并形成重掺杂的源漏区间801。然后采用激光、闪灯等快速退火或炉管热退火方式活化掺杂层。

图9描述的是薄膜晶体管的截面示意图。沉积绝缘层901，开栅、源、漏电极的接触孔，沉积金属互连层902并形成相关电极图形。

具体实施例制备方法是：

1：在1.1毫米后的康宁1737F玻璃上101，PECVD沉积200纳米氮化硅、100纳米LTO做阻挡层102。LPCVD 550℃沉积50纳米非晶硅层103。

2：采用镍硅混合靶，氩氧气氛溅射，实现微量镍201在非晶硅表面附着。

3：上述样品在氮气气氛下退火，温度为590℃，时间1小时。成为非晶硅膜301多晶硅膜302的混合膜。

4：用稀释的氢氟酸去掉样品表面的自然氧化层，并清洗表面。之后，LPCVD沉积厚度为700纳米的PSG 501。

5：上述样品进行第二个退火过程，氮气气氛，温度为590℃，时间为2小时。

6：在第二步退火过程之后，PSG 501层用氢氟酸或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有源岛，沉积100纳米LTO栅氧化层。

8：形成栅电极803，并进行离子注入掺杂804。对N型TFT，采用磷源，能量为130KeV，浓度为4×10¹⁵/平方厘米，对P型TFT，采用硼源，能量为40KeV，浓度为4×10¹⁵/平方厘米。之后550℃退火1小时，活化掺杂区域。

9：PECVD沉积500纳米的电极绝缘层901，开接触孔，形成金属电极902。