一种多晶硅薄膜的制作方法、薄膜晶体管和阵列基板与流程

本申请涉及但不限于多晶硅薄膜技术领域，尤指一种多晶硅薄膜的制作方法、薄膜晶体管和阵列基板。

背景技术：

随着显示器技术发展和更新换代，市场上出现了多种类型的显示器。有源矩阵有机发光二极管显示器(activematrixorganiclightemittingdiode，简称为：amoled)凭据高画质、移动图像响应时间短、低功耗、宽视角及超轻超薄等优点，成为了未来显示技术的发展趋势。

目前的amoled中，背板技术中制作多晶硅层的方式，包括采用准分子激光退火(excimerlaserannealer，简称为：ela)，固相晶化(solidphasecrystallization，简称为：spc)，金属诱导晶化(metalinducedcrystallization，简称为：mic)等多种制作方法。其中，采用ela工艺制作得到背板中晶体管有源层的多晶硅薄膜，是唯一已经实现量产的方法。现有技术中采用ela工艺制作多晶硅薄膜的方式为：进行一次性扫描，ela之后快速形成多晶硅；具体地，在基板上依次形成缓冲层和非晶硅层，对非晶硅层进行ela后形成多晶硅层。然而，通过现有技术形成的多晶硅层中，一方面，形成的晶粒较小，并且存在众多分布不均的晶粒间界，由于多晶硅晶粒间界在氧化时起到源漏杂质增强扩散通道的作用，因此短沟道晶体管中表现为较强的源漏间漏电。另一方面，在晶粒交互汇的边界处，由于熔融硅和固态硅之间密度的不同，随着熔融硅的固化，会产生与晶粒间界相关的凸起，例如，几十纳米的多晶硅薄膜，可能会出现上十纳米左右或者以上的表面粗糙度。

综上所述，采用现有技术制作的多晶硅薄膜，由于形成的晶粒较小，存在众多分布不均的晶粒间界，以及晶粒间界间存在较为严重的凸起，而导致将该多晶硅薄膜应用于薄膜晶体管时，薄膜晶体管的阈值电压不均匀以及漏电流较大的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种多晶硅薄膜的制作方法、薄膜晶体管和阵列基板，以解决采用现有技术制作的多晶硅薄膜存在晶粒较小、分布不均和严重凸起的问题。

本发明实施例提供一种多晶硅薄膜制作方法，包括：

对基板上的非晶硅层进行第一次激光照射，形成多晶硅层；

在所述多晶硅层上形成栅极绝缘层；

采用连续激光器发出的激光对所述多晶硅层进行第二次激光照射，将所述多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶。

可选地，如上所述的多晶硅薄膜制作方法，所述采用连续激光器发出的激光对所述多晶硅层进行第二次激光照射，将所述多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶，包括：

采用连续波氩离子激光器发出的激光，从所述基板的正面对所述多晶硅层进行所述第二次激光照射，所述激光穿透所述栅极绝缘层入射到所述多晶硅层，将所述多晶硅层的近表面融化并实现再次结晶。

可选地，如上所述的多晶硅薄膜制作方法，所述连续波氩离子激光器的工作参数为：激光功率为5～6瓦，扫描速度为4.5厘米每秒，步进为20微米。

可选地，如上所述的多晶硅薄膜制作方法，所述基板上还形成有缓冲层，所述多晶硅层形成在所述缓冲层上，所述采用连续激光器发出的激光对所述多晶硅层进行第二次激光照射，将所述多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶，包括：

采用连续波二氧化碳激光器发出的激光，从所述基板的背面对所述多晶硅层进行所述第二次激光照射，所述激光穿透所述基板、所述缓冲层和所述多晶硅层，所述激光产生的热量使得所述多晶硅层的浅表面融化并实现再次结晶。

可选地，如上所述的多晶硅薄膜制作方法，所述连续波二氧化碳激光器的工作参数为：激光功率为5～6瓦或者小于10瓦，激光功率密度为300～500瓦每平方厘米，扫描速度为1毫米每秒，交叠率大于50％。

可选地，如上所述的多晶硅薄膜制作方法，所述连续激光器为用于连续输出持续时间大于0.25秒的激光器。

可选地，如上所述的多晶硅薄膜制作方法，所述栅极绝缘层包括依次形成的二氧化硅层和氮化硅层，所述对基板上的非晶硅层进行第一次激光照射，结晶形成多晶硅层，包括：

在所述基板上依次形成缓冲层和所述非晶硅层；

对所述非晶硅层进行高温处理；

采用准分子激光器对所述非晶硅层进行准分子激光退火处理，结晶形成所述多晶硅层。

可选地，如上所述的多晶硅薄膜制作方法，所述缓冲层包括氮化硅层和二氧化硅层；或者，所述缓冲层包括氮化硅层或所述二氧化硅层。

本发明实施例提供一种薄膜晶体管，包括：所述薄膜晶体管的有源层为采用如上述任一项所述的多晶硅薄膜的制作方法制作。

本发明实施例提供一种阵列基板，包括：在基板上形成的如上所述的薄膜晶体管。

本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法、薄膜晶体管和阵列基板，通过对基板上的非晶硅层进行第一次激光照射，结晶形成多晶硅层，在该多晶硅层上形成栅极绝缘(gi)层，并采用连续激光器发出的激光对该多晶硅层进行第二次激光照射，将该多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶，其中，gi层在第二次激光照射时可以起到盖帽作用(用于消除表面张力及不浸润效应的影响)，或者gi层中的二氧化硅层能吸收第二次激光照射时的激光，因此，连续激光器产生的间接加热使硅膜熔化并且在多晶硅层的浅表面实现再次结晶；本发明实施例提供的技术方案，通过两次激光照射的工艺方式，实现在多晶硅层的近表面或浅表面融化并再次结晶，再次结晶增加了晶粒尺寸，降低了晶粒间界的密度，改善了第一激光照射后形成的多晶硅层的均匀性和表面粗糙等问题，从而解决了采用现有技术制作的多晶硅薄膜存在晶粒较小、分布不均和和严重凸起的现象，从而导致将该多晶硅薄膜应用于薄膜晶体管时，薄膜晶体管的阈值电压不均匀以及漏电流较大的问题。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种多晶硅薄膜的制作方法的流程图；

图2为采用图1所示多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的工艺原理示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种多晶硅薄膜的制作方法的流程图；

图4为采用图3所示多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的工艺原理示意图；

图5为采用本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的一种工艺原理示意图；

图6为采用本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的另一种工艺原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

采用现有技术制作多晶硅薄膜的方式中，在基板上依次形成缓冲层和非晶硅层，并对该非晶硅层进行ela后形成多晶硅层，通过上述方式形成的晶粒较小，存在众多分布不均的晶粒间界，以及晶粒间界间存在较为严重的凸起，从而导致薄膜晶体管的阈值电压不均匀以及漏电流较大的问题。本发明实施例的设计思路为：通过优化多晶硅薄膜的制作工艺，形成晶粒尺寸较大且表面平坦性较好多晶硅层，从而解决上述问题。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例提供的一种多晶硅薄膜的制作方法的流程图。本实施例提供的方法可以应用于制作薄膜晶体管、阵列基板和显示装置等器件的制作工艺中，本发明实施例提供的方法，可以包括如下步骤：

s110，对基板上的非晶硅层进行第一次激光照射，结晶形成多晶硅层。

本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法，为一种制作具有低表面粗糙度的低温多晶硅薄膜的方法，该低温多晶硅薄膜可以用于制作低温多晶硅薄膜晶体管的有源层、amoled和低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示器(lowtemperaturepolysiliconthinfilmtransistor-liquidcrystaldisplay，简称为：ltpstft-lcd)。

本发明实施例提供的方法中，基板上已形成非晶硅层，该非晶硅层与基板之间具有缓存层，该非晶硅层的厚度例如为30～60纳米(nm)，本发明实施例可以采用氯化氙(xecl)准分子激光器对该非晶硅层(a-si)进行第一激光照射，从而结晶得到多晶硅层，该氯化氙准分子激光器的激光波长例如可以为308nm。

s120，在该多晶硅层上形成栅极绝缘层；其中，该栅极绝缘层可以包括依次形成的二氧化硅层和氮化硅层。

本发明实施例提供的方法，在执行完第一次激光照射后，已结晶形成多晶硅层，此时的多晶硅层与采用现有技术制作的多晶硅层类似，同样存在晶粒较小(约为300nm)，并存在众多分布不均的晶粒间界，以及晶粒间界间存在较为严重的凸起等缺陷，这样，会带来高密度的界面陷阱密度，并且多晶硅层的表面粗糙度的明显较大，将这样表面粗糙度较大的多晶硅层应用于制作薄膜晶体管时，会导致薄膜晶体管的阈值电压不均匀以及漏电流较大的问题。

为了制作出低表面粗糙度的多晶硅薄膜，本发明实施例提供的方法在通过第一次激光照射形成多晶硅层后，在该多晶硅层上通过形成栅极绝缘层(gateinsulator，简称为：gi)，该gi层包括依次沉积的二氧化硅(sio2)层和氮化硅(sinx)层，在本发明实施例提供的多晶硅薄膜的方法的后续工艺中，该gi层具有较高的工艺价值。

s130，采用连续激光器发出的激光对该多晶硅层进行第二次激光照射，将该多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶。

在本发明实施例中，在通过ela结晶形成多晶硅层，并且在多晶硅层上沉积gi层后，可以采用具有特殊波段的连续激光器发出的激光，对上述多晶硅层进行第二次激光照射，将该多晶硅层的近表面或浅表面融化，并实现在多晶硅层的近表面或浅表面的再次结晶。在实际应用中，连续激光器例如可以采用连续波氩离子激光器(cwar)，或者，可以采用连续波二氧化碳激光器(cwco2)。

需要说明的是，多晶硅层的近表面是指接近多晶硅层的表面，并与该多晶硅层平行的一层薄膜，多晶硅层的浅表面是指从多晶硅层的表面向内的一层较浅薄膜。

如图2所示，为采用图1所示多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的工艺原理示意图。基板101上依次沉积了缓存层102、多晶硅层103和gi层104，采用连续激光器发出的激光对多晶硅层103进行第二次激光照射，根据激光照射的不同方式(例如为在基板101的正面照射，或者在基板101的背面照射，图2中示出第二次激光照射的两种不同方式，该两种方式是选择性使用的)，激光可以穿透gi层104或者穿透基板101和缓存层102，在多晶硅层103的近表面或浅表面融化并实现再次结晶。采用本发明实施例提供的方法，实现对多晶硅层近表面或浅表面的再次结晶，通过多次实验可以得到再次结晶后多晶硅层的表面性质，具有较大的晶粒尺寸(约为400nm)，具有较低密度的晶粒间界(约为20个晶粒/平分微米)，与ela后形成的多晶硅层的晶粒间界的密度(约为30个晶粒/平分微米)相比，晶粒间界的密度下降1/3。通过对比仅采用ela处理形成的多晶硅层的表面性质和采用本发明实施例中通过两次激光照射形成的多晶硅层的表面性质，可以看出，本发明实施例制作出的多晶硅层的晶粒尺寸较大，且具有低密度的晶粒间界以及较小的表面粗糙度，即多晶硅层的均匀性和平坦性明显优于现有技术中的多晶硅层。

本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法，通过对基板上的非晶硅层进行第一次激光照射，结晶形成多晶硅层，在该多晶硅层上形成栅极绝缘(gi)层，并采用连续激光器发出的激光对该多晶硅层进行第二次激光照射，将该多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶，其中，gi层在第二次激光照射时可以起到盖帽作用(用于消除表面张力及不浸润效应的影响)，或者gi层中的二氧化硅层能吸收第二次激光照射时的激光，因此，连续激光器产生的间接加热使硅膜熔化并且在多晶硅层的浅表面实现再次结晶；本发明实施例提供的方法，通过两次激光照射的工艺方式，实现在多晶硅层的近表面或浅表面融化并再次结晶，再次结晶增加了晶粒尺寸，降低了晶粒间界的密度，改善了第一激光照射后形成的多晶硅层的均匀性和表面粗糙等问题，从而解决了采用现有技术制作的多晶硅薄膜存在晶粒较小、分布不均和和严重凸起的现象，从而导致将该多晶硅薄膜应用于薄膜晶体管时，薄膜晶体管的阈值电压不均匀以及漏电流较大的问题。

进一步地，图3为本发明实施例提供的另一种多晶硅薄膜的制作方法的流程图。在本发明上述实施例的基础上，本实施例提供的方法可以包括：

s210，在基板上依次形成缓冲层和非晶硅层。

在本发明实施例中，进行多晶硅薄膜的制作工艺之前，还可以对衬底(基板)进行预清洗。随后，在基板上制作缓存层，可选地，该缓冲层可以包括氮化硅(sinx)膜和二氧化硅(sio2)膜，或者，该缓冲层也可以包括氮化硅(sinx)膜或二氧化硅(sio2)膜；之后在缓存层上沉积非晶硅层。

举例来说，图4为采用图3所示多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的工艺原理示意图，在图2所示工艺原理的基础上，缓存层102的制作过程可以为：采用等离子体增强化学气相沉积(plasmaenhancedchemicalvapordeposition，简称为：pecvd)方法沉积缓冲层102，图4所示的缓冲层102包括双层结构，即包括氮化硅(sinx)层1021和二氧化硅(sio2)层1022，在实际工艺中，可以先沉积50～150nm的sinx层1021，再沉积100～350nm的sio2层1022；之后沉积30～60nm的非晶硅层。

s220，对该非晶硅层进行高温处理。

在本发明实施例中，在完成非晶硅层的沉积后，可以采用400～500℃的温度，对该非晶硅层进行0.5～3小时(h)的加热处理。

s230，采用准分子激光器对该非晶硅层进行准分子激光退火处理，结晶形成多晶硅层。

对非晶硅层进行加热处理后，将制备完非晶硅层的基板，进行第一次激光照射，例如可以采用准分子激光退火(ela)工艺。本实施例中ela的工艺参数可以为：激光脉冲频率为500赫兹(hz)，重叠率为92％～98％，激光扫描速率为：4～16毫米每秒(mm/s)，激光能量密度为300～500毫焦每平方厘米(mj/cm2)，随后，非晶硅层结晶形成多晶硅层103。

s240，在该多晶硅层上形成栅极绝缘层，该栅极绝缘层包括依次形成的二氧化硅层和氮化硅层。

s250，采用连续激光器发出的激光对该多晶硅层进行第二次激光照射，将该多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶。

由于ela工艺是一种相对比较复杂的退火过程，从而导致现有技术中低温多晶硅背板存在着一些比较棘手的问题，例如多晶硅层晶粒分布不均匀，存在众多的晶粒间界及较为严重的凸起等表面缺陷，会形成高密度的界面陷阱密度以及多晶硅层表面粗糙度较大等问题，从而会导致低温多晶硅薄膜晶体管的阈值电压的不均匀性及漏电流较大的问题。因此，可以采用本实施例提供的第二次激光照射的方式，在多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶，从而解决上述问题。

需要说明的是，本实施例中s240～s250的实现方式与图1所示实施例中s120～s130的实现方式相同，故在此不再赘述。

在本发明实施例的一种实现方式中，采用连续激光器进行第二次激光照射的实现方式，可以为：采用连续波氩离子激光器发出的激光，从基板的正面对多晶硅层进行第二次激光照射，其中，激光器发出的激光穿透gi层入射到多晶硅层，将该多晶硅层的近表面融化并实现再次结晶。

如图5所示，为采用本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的一种工艺原理示意图，本实施例提供的方法中，在玻璃基板301上进行ltps正常工艺做完gi层，此时，在玻璃基板301上依次形成缓存层(图5所示缓存层以包括氮化硅层302和二氧化硅层303为例予以示出，本实施例中的缓存层也可以仅包括氮化硅层302或二氧化硅层303)、多晶硅层304和gi层(图5所示gi层包括：二氧化硅层305和氮化硅层306)，随后，采用采用488nm蓝光波段的连续波氩离子激光器(cwar)从玻璃基板301的正面，小功率入射多晶硅层304。由于多晶硅层304上方有二氧化硅层305及氮化硅层306的存在，在激光退火时也同时可以作为盖帽层作用存在，即可以消除表面张力及不浸润效应的影响，在最佳激光功率下，可以减少硅的质量转移效应，将多晶硅层304的近表面融化并实现再次结晶。

可选地，在本实施例中，连续波氩离子激光器的工作参数例如可以为：激光功率约为5～6瓦(w)，扫描速度为4.5厘米每秒(cm/s)，步进为20微米(um)。

在本发明实施例的另一种实现方式中，本实施例中基板上还形成有缓冲层，并且多晶硅层形成在该缓冲层上，其中，采用连续激光器进行第二次激光照射的实现方式，还可以为：采用连续波二氧化碳激光器发出的激光，从基板的背面对多晶硅层进行第二次激光照射，其中，激光器发出的激光穿透基板、缓冲层和多晶硅层，激光产生的热量使得该多晶硅层的浅表面融化并实现再次结晶。

如图6所示，为采用本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法制作多晶硅薄膜的另一种工艺原理示意图，本实施例提供的方法中，在非硅材料基板401上进行ltps正常工艺做完gi层，此时，在非硅材料基板401上依次形成缓冲层(图6所示缓存层包括：氮化硅层402)、多晶硅层403和gi层(图6所示gi层包括：二氧化硅层404和氮化硅层405)，随后，采用采用10.6um的红外波段的连续波二氧化碳激光器(cwco2)从非硅材料基板401的背面，以合适光功率入射多晶硅层403。由于硅对co2激光器发出的10.6um的红外波段的光是透明的，所以激光可以直接穿透多晶硅层403，但gi层中的二氧化硅能吸收波长10.6um的激光，因此，由co2激光器产生的间接加热使硅膜熔化并且在多晶硅层403的浅表面实现再次结晶。同时，硅表面的能量吸收也是属于自由载流子吸收。需要说明的是，激光照射时，可以使得多晶硅层403的浅表面达到退火温度所需要的长时间供热，以实现表面融化和再结晶的过程。

可选地，在本实施例中，连续波二氧化碳激光器的工作参数例如可以为：激光功率约为5～6w或者小于10w，激光功率密度为300～500瓦每平方厘米(w/cm2)，扫描速度为1毫米每秒(mm/s)，交叠率大于50％。

可选地，在本发明实施例中，上述连续激光器为用于连续输出持续时间大于0.25s的激光器。

可选地，在本发明实施例中，在采用连续波激光器进行第二激光照射时，考虑到节约连续波激光器的能量，可以采用选择性激光退火对多晶硅层进行照射，将该多晶硅层的近表面或浅表面融化并实现再次结晶。举例来说，采用连续波激光器进行激光照射的区域可以选择，在实际工艺中，有些区域的多晶硅层在后续工艺中会通过光刻和刻蚀工艺去除，对这些区域的多晶硅层可以不进行第二激光照射。

可选地，在本发明实施例中，上述基板可以为非硅材料基板，该非硅材料基板例如可以为：柔性聚酰亚胺(polyimide，简称为：pi)基底、透明陶瓷基板或聚合物透明薄膜基板；其中，柔性pi基底的背面贴附于透明材料基板上，透明陶瓷基板例如包括：氧化铝(al2o3)、氧化钇(y2o3)、氧化镁(mgo)、氧化钙(cao)、二氧化钛(tio2)、二氧化钍tho2、二氧化锆(zro2)等氧化物透明陶瓷基板，以及氮化率(aln)、硫化锌(zns)、硒化锌(znse)、氟化镁(mgf2)、氟化钙(caf2)等非氧化物透明陶瓷基板。

本发明实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法，结合ltps工艺和具有特殊波段的连续波激光器，对多晶硅层的近表面或浅表面进行融化并实现再次结晶。再次结晶的过程中，采用的连续激光器具有稳定的工作状态，即是稳态；并且通过工作物质的激励和相应的激光输出，连续激光器可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行激光照射，例如连续激光器可以连续输出持续时间大于0.25s的激光。最终减少晶粒间界，减少表面粗糙度，从而得到漏电流较小并且阈值电压均匀的低温多晶硅薄膜晶体管、及其阵列基板和显示装置。该低温多晶硅薄膜可以作为低温多晶硅薄膜晶体管的有源层，适用于amoled和ltpstft-lcd)等器件。

基于本发明上述各实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法，本发明实施例还提供一种薄膜晶体管，该薄膜晶体管的有源层为采用本发明上述任一实施例提供的多晶硅薄膜的制作方法制作得到的。

本发明实施例提供的薄膜晶体管中，有源层具有与上述实施例中的通过两次激光照射形成的多晶硅层相同的表面性质，即具有较大的晶粒尺寸，具有较低密度的晶粒间界以及较低的表面粗糙度，有源层具有的较高的均匀性和平坦性，因此，本发明实施例提供的薄膜晶体管的阈值电压和漏电流都可以达到器件要求。

本发明实施例还提供一种阵列基板，该阵列基板包括在基板上形成的如上述实施例中的薄膜晶体管。该阵列基板由与上述实施例中的薄膜晶体管组成，具有与上述实施例中薄膜晶体管相同的性质，故在此不再赘述。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。