专利名称：一种多晶硅薄膜的制备方法
技术领域：
本发明属于半导体制造领域，特别涉及一种多晶硅薄膜的制备方法。
背景技术：
在玻璃衬底上制备高分辨率全彩色的有源 矩阵液晶显示屏(AM-IXD)和有源矩阵有机发光二极管显示屏(AM-OLED)，尤其是将周边驱动电路集成一体化的板上系统(SOP)显示屏，需要高性能的低温多晶硅薄膜晶体管(TFT)作为显示器件(LCD或0LED)的选址或驱动元件。目前，获得多晶硅材料的方法主要有固相晶化(SPC)、准分子激光退火(ELA)、金属诱导晶化(MIC)和金属诱导横向晶化(MILC)等技术。固相晶化法(SPC)低温晶化时间长，高温晶化只能适用于石英等昂贵的耐高温衬底，不适合显示屏用玻璃衬底的要求，且其晶核随机分布，晶粒排列无序；准分子激光退火可以获得高质量的多晶硅薄膜，但其设备昂贵，且制备的多晶硅薄膜均匀性较差；金属诱导晶化降低了晶化温度，缩短了晶化时间，使之可以用于普通显示屏，用玻璃衬底制备多晶硅薄膜，但较高的诱导金属残留，使之并未走向实用；改进的金属诱导横向晶化(MILC)解决了高诱导金属残留问题，同时晶粒生长有序，利用其诱导金属残留量低的横向晶化区作为有源区可以值得高性能的TFT器件，因而此技术被广泛应用，但此项技术制备大晶粒(晶粒尺寸> 100微米)多晶硅薄膜退火时间较长。例如中国专利申请200710150842. 5，发明名称为“自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜材料的制备方法及应用”中所公开的，该多晶硅薄膜不适于生产应用，同时其也会在横向晶化区中间形成高诱导金属残留的对撞晶界，图I为现有技术中金属横向诱导法制备多晶硅退火过程中多层膜结构的横截面示意图，由该现有技术制备多晶硅材料的过程中，在横向诱导区，诱导前锋(黑色箭头所示)横向对进，在中部形成对撞晶界，此过程较为缓慢，制备大晶粒多晶硅薄膜材料所需时间较长，不适于产业化生产需要。
发明内容
为克服以上缺陷，本发明提供了一种多晶硅薄膜的制备方法，该制备方法通过对诱导金属线间施以直流电压，在非晶硅薄膜内形成均匀电场，退火过程中，诱导前锋在电场力作用下，推进速度加快，提高结晶速率，同时横向诱导区的诱导金属会在电场力作用下由负极向正极推进，随诱导前锋一直推进至正极附近，并形成对撞晶界，这样就在极间形成低诱导金属残留的多晶硅薄膜。本发明的目的是通过如下的技术方案实现的本发明提供一种多晶硅薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤(I)在衬底上依次沉积阻挡层、非晶硅层和诱导金属层；(2)对步骤(I)形成的诱导金属层进行光刻处理，得到相互平行的诱导金属线；(3)对经步骤(2)处理的诱导金属层进行退火处理，并在退火过程中对诱导金属线施加直流电压；以及(4)经步骤(3)退火处理后，以例如酸洗的方法去掉诱导金属线，以形成多晶硅薄膜。上述制备方法中，所述衬底材料为玻璃、不锈钢或高温聚合物膜。上述制备方法中，所述阻挡层为氧化硅或氮化硅。上述制备方法中，所述阻挡层的厚度为100 900纳米。上述制备方法中，所述非晶硅层的厚度为45 100纳米。上述制备方法中，所述诱导金属层的诱导金属为镍或含镍的合金；上述制备方法中，所述诱导金属层的厚度为I 5纳米。·上述制备方法中，所述诱导金属线的厚度为I 5纳米，宽度为I 10微米。上述制备方法中，相邻的两根诱导金属线之间的距离为50 500微米。上述制备方法中，相邻的两根诱导金属线之间的距离彼此相等。上述制备方法中，在步骤(3)中，退火处理的温度为450 600摄氏度，退火处理的时间为I 10小时。上述制备方法中，在步骤(3)中，相邻诱导金属线之间的电场强度为30 210V/cm,优选为110 170V/cm,更优选为150V/cm。与现有技术相比，本发明多晶硅薄膜的制备方法至少具备以下有益效果I、本发明的退火(晶化)时间大大缩短；2、本发明通过对诱导金属线间施以直流电压，在非晶硅薄膜内形成均匀电场，便于形成晶界规整的多晶硅晶粒；3、本发明电极间电压较低，不需要额外配置高压直流电源；4、本发明便于制备超大晶粒的多晶硅薄膜；5、本发明横向晶化区多晶硅层诱导金属残留量低。电场增强横向诱导中，电场增大镍原子扩撒系数，提升Ni-Si反应生成镍硅化合物的速率，镍硅化合物(NiSi2)的成核模板效应对非晶硅的结晶有极大的促进作用，同时，在电场力作用下，诱导前锋的推进速度也会增加，进而增大诱导结晶速率，退火(晶化)时间大大缩短。诱导金属层被刻蚀成相互平行且间距一致的诱导金属线，相邻极间施加相同的直流电压后，极间电场均匀，退火时横向晶界会几乎沿着电场方向，所形成的多晶硅晶粒横向晶界规整。现有横向金属诱导技术，其对撞晶界形成于相邻诱导口的中间区域，因此晶粒尺寸约为相邻诱导口间距的一半，本发明所述的方法，横向诱导区的诱导金属会在电场力作用下由负极向正极推进，随诱导前锋一直推进至正极附近，并形成对撞晶界，晶粒尺寸几乎为原有技术的一倍，特别适合制备大尺寸晶粒的多晶硅薄膜。横向晶化区结晶完成后，诱导金属在电场力作用下，多会聚集于对撞晶界处，进而使得横向晶化区的诱导金属残留量低。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中图I为现有技术中金属横向诱导晶化技术制备多晶硅薄膜退火过程中多层膜结构横截面示意图2a为本发明电场增强金属横向诱导制备多晶硅薄膜退火过程中多层膜结构横截面示意图；图2b为本发明电场增强金属横向诱导制备多晶硅薄膜退火过程中俯视示意图；以及图3为电场增强非晶硅横向生长速率与场强之间的关系(500°C退火)。
具体实施例方式下面通过实施例详细说明本发明，应当理解，下述实施例仅用于说明本发明，而不以任何方式限制本发明的范围。图2a为本发明电场增强金属横向诱导制备多晶硅薄膜退火过程中多层膜结构横截面示意图；图2b为本发明电场增强金属横向诱导制备多晶硅薄膜退火过程中俯视示意 图。参考图2a和2b，本发明提供一种电场增强金属横向诱导制备多晶硅薄膜的方法，在一个优选的实施方案中，该方法包括以下步骤(I)在选定的衬底上，先利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、低压化学气相沉积(LPECVD)、磁控溅射等方法在衬底沉积阻挡层；再利用本领域公知的PECVD、LPCVD热化学气相沉积(HWCVD)、电子回旋共振化学气相沉积(ECRCVD)、磁控溅射等方法沉积非晶硅层；最后利用电子束蒸发、溅射、化学气相沉积、溶液浸泡或旋涂的方法在非晶硅层上形成诱导金属层。在该步骤中，衬底材料可以使玻璃、不锈钢或诸如高温聚合物膜的常规柔性材料。在一个具体的实施方案中，可以使用康宁1737F、鹰2000等用于制备TFT的常用玻璃，厚度为O. 3 I. 5晕米。在该步骤中，阻挡层的主要作用是防止衬底中杂质在后续加热过程中向多晶硅薄膜中扩散，该阻挡层还可以增加衬底强度，从而便于后续过程对其进行处理。在该步骤中，非晶硅层为制备多晶硅薄膜的前驱物，其厚度为45 100纳米。在该步骤中，诱导金属层为镍或含镍的合金，厚度为I 5纳米。(2)对步骤(I)得到的诱导金属层进行光刻处理，得到相互平行且间距一致的诱导金属线，诱导金属线线宽为I 10微米，间距为50 500微米。(3)对步骤(2)处理的诱导金属层进行退火处理，退火温度为450 600摄氏度，退火时间为I 10小时，在退火过程中对诱导金属线极间施加直流电压，使之彼此间形成均勻电场，极间电场强度为30 210V/cm,优选为110 170V/cm,本发明的一个更优选实施例中，极间电场强度为150V/cm。本发明电场增强金属横向诱导制备多晶硅薄膜退火过程中多层膜结构如图2a和2b所示，金属诱导前锋在负极处形成，并迅速向正极方向推进(黑色箭头表示金属诱导前锋推进的方向)，并最终在正极附近形成对撞晶界。(4)退火完成后，采用酸洗等方法除去线形金属诱导层。实施例I本发明多晶硅薄膜的制备方法I)选用康宁1737F作为衬底材料，首先，采用PECVD的方法在衬底表面沉积一层厚度为500纳米的二氧化硅，作为阻挡层；然后，采用PECVD的方法在阻挡层表面沉积一层厚度为50纳米的非晶硅薄膜，作为非晶硅层；最后，在非晶硅层上采用溅射的方法形成一层厚度为2纳米的镍金属薄膜，即为诱导金属层；2)采用光刻技术，对诱导金属层，即镍金属薄膜进行光刻，在非晶硅薄膜表面上形成相互平行的诱导金属线，线宽3微米，间距50微米；3)对上述产物进行退火处理，诱导金属线极间直流电场强度为50V/cm，退火温度500摄氏度，非晶硅晶化时间约为I小时；4)以酸洗除去退火后多晶硅薄膜表面的诱导金属线，即可得到晶粒尺寸约为45微米，极间诱导金属残留量低的高性能多晶硅薄膜。实施例2本发明多晶硅薄膜的制备方法I)选用康宁1737F作为衬底材料，首先，采用PECVD的方法在衬底表面沉积一层厚度为500纳米的二氧化硅，作为阻挡层；然后，采用PECVD的方法在阻挡层表面沉积一层厚
度为50纳米的非晶硅薄膜，作为非晶硅层；最后，在非晶硅层上采用溅射的方法形成一层厚度为2纳米的镍金属薄膜，即为诱导金属层；2)采用光刻技术，对诱导金属层，即诱导金属薄膜进行光刻，在非晶硅薄膜表面上形成相互平行的诱导金属线，线宽5微米，间距200微米；3)对上述产物进行退火处理，诱导金属线极间直流电场强度为llOV/cm，退火温度500摄氏度，非晶硅晶化时间约为2. 5小时；4)除去退火后多晶硅薄膜表面的诱导金属线，即可得到晶粒尺寸约为190微米，极间诱导金属残留量低的高性能多晶硅薄膜。实施例3本发明多晶硅薄膜的制备方法I)采用康宁1737F作为衬底材料，首先，采用PECVD的方法在衬底表面沉积一层厚度为500纳米的二氧化硅，作为阻挡层；之后，采用PECVD的方法在阻挡层表面沉积一层厚度为50纳米的非晶硅薄膜，作为非晶硅层；最后，在非晶硅薄膜上采用溅射的方法形成一层厚度为3纳米的镍金属薄膜，即为诱导金属层；2)采用光刻技术，对诱导金属层，即诱导金属薄膜进行光刻，在非晶硅薄膜表面上形成相互平行的诱导金属线，线宽10微米，间距500微米；3)对上述产物进行退火处理，诱导金属线极间直流电场强度为150V/cm，退火温度500摄氏度，非晶硅晶化时间约为5小时；4)除去退火后多晶硅薄膜表面的诱导金属线，即可得到晶粒尺寸约为480微米，极间诱导金属残留量底的高性能多晶硅薄膜。实施例4-12按照与实施实例3基本相同的工艺参数，通过改变极电场强度(电场强度如表I所示)制备多晶硅薄膜，并测定其中的晶化速率，得出晶化速率与电场强度之间的关系，结果具体如表I和图3所示。表I
权利要求
1.一种多晶硅薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤 步骤I、在衬底上依次沉积阻挡层、非晶硅层和诱导金属层； 步骤2、对步骤I形成的诱导金属层进行光刻处理，得到相互平行的诱导金属线； 步骤3、对经步骤2处理的诱导金属层进行退火处理，并在退火过程中对诱导金属线施加直流电压；以及 步骤4、经步骤3退火处理后，以例如酸洗的方法去掉诱导金属线，以形成多晶硅薄膜。
2.根据权利要求I所述的制备方法，其特征在于，所述衬底材料为玻璃、不锈钢或高温聚合物膜。
3.根据权利要求I或2所述的制备方法，其特征在于，所述阻挡层为氧化硅或氮化硅；优选地，所述阻挡层的厚度为100 900纳米。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述非晶硅层的厚度为45 100纳米。
5.根据权利要求I至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述诱导金属层的诱导金属为镍或含镍的合金； 优选地，所述诱导金属层的厚度为I 5纳米。
6.根据权利要求I至5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述诱导金属线的厚度为I 5纳米，宽度为I 10微米。
7.根据权利要求I至6中任一项所述的制备方法，其特征在于，相邻的两根诱导金属线之间的距离为50 500微米。
8.根据权利要求I至7中任一项所述的制备方法，其特征在于，相邻的两根诱导金属线之间的距离彼此相等。
9.根据权利要求I至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤3中，退火处理的温度为450 600摄氏度，退火处理的时间为I 10小时。
10.根据权利要求I至9中任一项所述的制备方法，其特征在于，在步骤3中，相邻诱导金属线之间的电场强度为30 210V/cm，优选为110 170V/cm，更优选为150V/cm。
全文摘要
本发明提供一种多晶硅薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤在衬底上依次沉积阻挡层、非晶硅层和诱导金属层；对上述形成的诱导金属层进行光刻处理，得到相互平行的诱导金属线；对上述处理的诱导金属层进行退火处理，并在退火过程中对诱导金属线施加直流电压；以及经退火处理后，以例如酸洗的方法去掉诱导金属线，以形成多晶硅薄膜。本发明的制备方法退火时间短，横向晶化区多晶硅层诱导金属残留量低，制备的多晶硅薄膜晶粒大。
文档编号H01L21/02GK102881569SQ201110191980
公开日2013年1月16日 申请日期2011年7月11日 优先权日2011年7月11日
发明者史亮亮, 郭海成, 凌代年, 邱成峰, 贾洪亮, 黄飚, 黄宇华 申请人:广东中显科技有限公司