专利名称：自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜材料的制备方法及应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及多晶硅薄膜材料的制备技术领域。通过采用镍硅混合物溅射 靶，在氩、氧混合气体中等离子M"形成低镍^M化镍、氧化硅薄膜作为金属诱导横向晶化诱 导源，然后退火晶化形成多晶硅薄膜材料。
背景技术：
获得高质量的液晶、有机发光二极管等平板显示器，必须使用有源驱
动技术。有源显示去除了显示信号串扰的影响，提高了显示器的分辨率和彩色质量。 而有源显示基板的关键技术是薄膜晶体管技术。
现在的有源矩阵显示器所采用的主要为非晶硅薄膜晶体管技术，其主要优点是 工艺成熟并相对简单，成品率高，成本较低。但是非晶硅薄膜晶体管的缺点是场效 应迁移率低，器件的稳定性较差，这使之难以满足快速开关的彩色时序液晶显示、 电流驱动的有机发光二极管显示、以及集成型显示的要求。玻璃衬底上制备的低温 多晶硅薄膜晶体管，具有较高的迁移率和较好的器件稳定性，适合于快速开关、电 流驱动和集成基板制作，是未来平板显示器的关键技术。
现有的制备低温多晶硅薄膜技术主要包括准分子激光晶化技术、固相晶化和金 属诱导晶化技术，前者的结晶质量强烈地依赖激光照射状态，如光强、脉冲宽度、 光波波长、扫描速度等。工艺窗口窄、流程的稳定性差、产品的良品率低、设备的 成本高是该种技术的弱点。金属诱导晶化技术在以上几个方面与准分子激光晶化相 比具有明显的优势。
金属诱导晶化技术中，如何有效地控制诱导金属在多晶硅薄膜中的残余量，提 高在大面积衬底上批量制备多晶硅的均匀一致性，是获得高质量、高均匀、高稳定、 高重复的低温多晶硅器件和显示有源基板的核心。采用金属诱导横向晶化技术可以 较好的解决上述问题，所获得的材料和器件性能优良。但目前，如何进一步降低金 属在多晶硅薄膜中的残余量，提高多晶硅的薄 ^1件的质量和工艺重复性仍是有源驱动 领域的，和追求目标。
现有的常一脸属诱导横向晶化如图1所示金属诱导横向晶化多晶硅薄自成过程如图l(a) 戶标，首先在鹏衬底101上沉积氧化硅或氮化硅阻挡层102，然后在其上沉积非晶硅薄膜103 和氧化硅鶴层104，并在MM内光刻出诱导口，诱导金属镍105沉积在诱导口中。在随后的退 烛程中，如图l(b)戶标，诱导口中的鍋镍与诱导口下面的非晶硅形成離化物，之后形成密 集的结晶核，形皿属诱导晶化多晶硅薄膜107，之后,区的诱导峰汇聚淑黄向诱导晶化前沿峰 106，并向 4，诱导口中的鍋诱导多晶硅中富余的镍108向多晶硅中扩散，不断的补充晶化 峰中所需要的镍量。多晶硅薄膜中镍含量分布示勃,l(c)所示，诱导口下面的金属诱导多晶硅 区镍含量很高，横向分布为沿晶化方向逐渐衰减，诱导峰处有一^l臬含量^。高镍 会严重
影响器件的稳定性和器件的漏电特性，因此，必须^i姚斷氏多晶硅中的镍含量。
图2戶标的是现有的常规横向晶化的平均鹏与镍沉积厚度的^ 、。在镍量未饱和的情况 下，横向晶化的平均速度与镍沉积厚度有关，采用电子束蒸发方法获得的催化金属镍薄膜，厚度 从lnm—10nm， (45nm非晶硅薄膜，59(TC退火^)横向晶化速度从5iim/h到25um/h。也就是 说，在表面积薄膜晶^il程中，镍的沉积厚度出现不均匀，或批量生产出现参数波动，结晶速率 的均匀性就会发生问题。甜门所希望的是如同方土央标曲线戶际的状态，镍驢量在很大范围内变 化，结晶速率基本不发生变化。这样，晶化的工艺窗口会变得很宽，有利刊i」备大面积、大批量 高质量的多晶硅,。
发明内容本发明的目的是解决如何降低金属在多晶硅薄膜中的残余量，以提高金属诱
导晶化多晶硅的薄膜质量和工艺重复性，从而提高用之制备的多晶硅薄麟件性能的问题，掛共一种采用自缓释金属诱导源的非晶硅薄膜金属诱导晶化方法以及应用。本发明麟的自缓释金J诱导晶化多晶硅薄膜材料的制备方法，是用具有自限制和缓释功能
的金属诱导薄膜材料作为诱导源，诱导非晶硅薄膜变成多晶硅薄膜；以高质量的金属诱导横向晶
化区为沟道区制备多晶硅薄膜晶体管，具体步骤如下
第一、首先，在衬底上沉积一层氧化硅或氮化硅阻挡层，之后，在其上面沉积形成一层非晶
硅薄膜；
第二 ^bS非晶硅薄J^:沉积一层氧化硅或氮化硅amM，并在该,层上刻蚀出诱导口； 第三、^h^SMM上形成一层金属诱导薄膜，使该金属诱导薄 诱导口处与非晶硅撤虫; 第四、然后在45(fC以上的鹏退火，即可制成自缓释賴诱导晶化多晶硅薄膜。在诱导口 的下方形成金属诱导晶化区，在没有诱导口的SMM下形成金属诱导横向晶化区。200710150842.5
说明书第3/7页
戶腿的自缓释功能是指镍以氧化物状态存在，并以较低含量混合在氧化粒中，因此，除靠 近非晶線面的镍可较快地扩髓(J赚之中，后面的镍贝似非常缓優的鹏释方妇(J繊中。
戶腿的自限制功能是指非晶硅和金属诱导层界面处的镍原子数量与混^t/薄膜的厚度无关，
因此，即使其厚度不均匀及批次间厚度出现变化，晶核和诱导前锋的形微态却是基本相同的。 J^第三步中的^M诱导薄膜材料为催化金属Ni、 Au、 Cu、 Pd、 Co、 Al或Ag的氧化物和氧
化硅混合薄膜，^M^S (金属原子数与金属、皿硅原子数和的比)为1%至30%。 爐诱导薄膜为氩氧气氛下等离子 的薄膜，厚度为lnm至30nm。 第二步中臓的诱导口为周期重复诱导口，針诱导口的几何尺寸相同，诱导口宽度为2nm
至20mih,间隔距离相同，为30^m至300nm。
戶腿的诱导口为采用光刻方法形成的长形孔口，舰孔口区i或内，金J1诱导薄麟其他隨
与鹏更舰。
所述的衬底材料为玻璃或Al箔柔性衬底材料。
第一步中所述的非晶硅薄膜为PECVD、 LPCVD、 Mlt沉积的非晶硅薄膜，厚度为10nm至 10(Jin。
第二步中所述的g层为PECVD、 LPCVD、 ^Wt法的低温氧化硅或氮化硅薄膜，厚度为 50nm至500ran。
±^方法制备的自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜材料的应用，以金属诱导横向晶化区为沟道 区制备多晶硅薄膜晶体管。
以金属诱导横向晶化区为沟道区的多晶硅薄膜晶体管，源漏区间是金属诱导横向晶化多晶硅 材料或是金属诱导晶化多晶硅材料。
上述各方法制备的自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜材料的应用，用于制备多晶硅器件和系 统，包括平腿示器有源选址翻、多晶硅电路、駄阳能电池。
本发明的优点和积极，
本发明采用II^混合物MM耙，Sffl氧混^t体中等离子iW形成低镍含量的氧化镍和氧化 硅混合薄膜作为金属诱导横向晶化诱导源。该种诱导源薄膜的特点是当薄)W度大于几个原子层 之后，再增加厚度，即使是数十倍的增加，对晶化的速度和多晶硅中的残，量均不产生影响， 只是与非晶硅J魏的界面起作用。界面处镍原子数量与混合物薄膜的厚度无关，因此，即使其厚 度不均匀及批次间厚度出现变化，晶核和诱导前锋的形成状态却是相同的。在随后的横向晶化过 程中，缓释的镍不断补充晶化前锋所需的镍，使晶化稳趟行。因此，在15英寸面积以内的多晶 硅薄膜和器件的制备中，具有很好的一致性和可控性，扩大了制备工艺窗口。同时，采用该镍自
5
缓释方法可有效控制織留量，防止镍的聚合对个别器件形成高漏电，條高器件的稳定性，是 大规模妒平feM示器有源选址繊的关驗术之一。
图1是现有的常规金属诱导横向晶化示意图。
图2是常规横向晶化的平均皿与镍沉积厚度的关系。
图3 ^^用本发明的方法制^f氐镍含aft化镍氧化硅诱导薄膜示意图。
图4是本发明采用的《转臬含:lft化镍氧化硅诱导薄膜层的二次离子谱图。
图5是本发明所悉的自缓释^JS诱导横向晶化过程示意图和多晶硅薄膜中镍分布示意图。
图6是本发明的镍向硅膜中扩散的速率和退火时间的关系。
图7是同种50nm非晶硅薄膜，不同诱导源种类和厚度，在相同退火劍^(59(rC、氮气环境)
下晶化后的多晶硅薄膜，纟S1TMAH腐蚀后的^I兒图。 图8是对应图7三种多晶硅薄膜中残，量的SMS图。 图9 M用本发明方法横向晶化的速率与诱导薄膜厚度关系。 图10 ，应图7三种多晶硅薄膜中金属诱导横向晶化区间的拉曼谱。 图11 ，应图7三种多晶硅薄膜中 诱导横向晶化区间的AFM图。 图12践用本发明的低镍含S^化^^和采用镍金属做诱导薄膜形成的横向晶化多晶硅作
为沟道的多晶硅薄膜晶体管的特性比较。
图13 ^^用本发明的低镍^t^化H^和采用镍金属做诱导薄膜形成的横向晶化多晶硅作 为沟道的多晶硅薄膜晶体管的均匀性的比较。
图14 M用本发明的低镍含Sft化,，和采用镍金属做诱导薄膜形成的横向晶化多晶硅作 为沟道的多晶硅薄膜晶体管的稳定性的比较。
具体实^^
本发明附图详述如下
如图戶标本发明讲述的是采用,驗混合物溅射耙，在氩氧混^t体中等离子M形成低镍 含mm化镍、氧化硅薄膜，或氧化的镍硅化物镶嵌于氧化硅中的氧化物薄膜作为金属诱导横向晶化诱导源的方法。使用该技术可在获得适当的晶化速率 下，有效的减少了多晶硅中镍的残余 量，提高了获得大面积多晶硅薄膜材料和器件的均匀性和稳定性。
图3戶标的是采用鹏方法获得低镍^4ft化镍氧化硅诱导薄膜的基本过程。|^§ 耙
301由賴镍和高離硅材料以1: 9的驢比压制而成。趨氧混合的等离B氛302中，鹏 耙受到轰击，并氧化《低镍含難化镍氧化硅诱导薄膜303，沉积到待晶化的样品表面。
图4戶标的是该层低镍含錄化镍氧化硅诱导薄膜的二次离子谱图，其中主要包括硅、镍 和氧。
图5戶标的是用±^低镍^*^化镍氧化硅诱导薄膜实现的缓释鍋诱导横向晶^1程示
意图和多晶硅薄膜中镍分布示意图。图5(a)戶际的是鹏衬底101上沉积阻挡层102，在其上沉 积非晶硅薄膜103和SMM 104，并在SMM 104内形成诱导口。鹏形成的低镍含錄化f艇薄 膜301在诱导口中，并与其下面的非晶鶴撤虫。图5(b)戶标的是:，在随后的退爐程中，娜 与其交界的非晶硅反应，Si被氧化而释放出Ni，激艮',散到其周边邻近糊隔硅中，经完成镍 的聚集，形成离散的、随意分布的低密度晶核，然后歐长大、形^^卖晶粒的横向结晶薄膜501 和横向晶化前沿峰504 ，并御機含歸化離薄膜301中遊卖、M补充镍503的帮助下，在 退i^i程中，向前概，最终完齢属横向诱导多晶硅502的形成过程，之后去斷秀导层和M 层。如图5(c)戶标，此技术有效地限制了晶核形成过程的初辦臬量，并由娜依据形成诱导驗 化物诱导MMNiSi2的不足，ilil氧化反应、缓释地J^Ni原子。Ni:M自于氧化反应释放出来 的Ni，而不是常规的金属M，因此明显斷氏了多晶硅薄膜中的镍含量。
图6所示的是其镍向硅膜中扩散的速率和退火时间的关系。在退火初始的几^l中内，诱导薄 膜表面的像^Iitk扩離排晶硅薄膜中形成诱导媒质MSi2进行晶化。当界面处的非晶硅与驗氧 化物的镍源之间的反应受到两者互溶度限制之后，氧化反应减缓甚至停止，镍向硅薄膜中释放镍 的速度很小直至随时间增长达到其饱和值。晶化速率随时间的增^3I率以及其饱和值，可以用溅 射耙中的離比例进fiH周整，可采用单一lilt耙，也可采用双源共溅，3蚊调整界面镍扩散量和 镍缓髓度。
图7所示的是同种50nm非晶硅薄膜，不同诱导源种类和厚度，在相同退火割^59(rC、氮
气环境)下晶化后的多晶硅薄膜，会纽TMAH腐蚀后的職图。图7(a)采用2nm厚低镍^fi^化 ,薄膜做诱导薄膜，图7(b)采用40nm厚低镍含Mft化,薄膜做诱导薄膜，图7(c) B^f^采用 5nm鍋镍薄膜做诱导薄膜。在此瞎况下，三种样品具有相同的晶舰率17^m/h。从图中可以看 到，(c)中的诱导口中晶化密度明显高于前两者。
图8戶标的是对应图7三种多晶硅薄膜中残雑量的SMS图。从图中可以明显看出，(c) 戶^多晶硅薄膜中的镍含量，明显高于前两者。
图9所示的是横向晶化的速率与诱导薄,度关系。由于初始晶化过程中^i要作用的是 诱导薄膜的表面镍量，横向晶化的速率与诱导薄膜厚度关系不大，因此可以获得均匀性、重复性 很高的结晶速率。
图IO所示的是对应图7的三种多晶硅薄膜中金属诱导横向晶化区间的拉曼谱，基本具有相 同的半高宽和曲线分布。
图ll戶标的是对应图7的三种多晶硅薄膜中鍋诱导横向晶化区间的AFM图，基本具有 相同的光滑表面。
图12至14^ffi低镍含:lil化,和采用镍金属做诱导薄膜形成的横向晶化多晶硅作为沟 道的多晶硅薄膜晶体管的特性、均匀性、稳定性的比较。可见i^H种器件的性能、空间均匀性 和稳定性基糊近。
本发明具体制备方法是 实施例1:
1 )、用LPCVD在eagle 2000玻谅衬底101上沉积300纳米的^ft化硅作为阻挡层102。之后， 在其上面形成50纳米厚的非晶硅薄膜103。参见图3 (a)。
2) 、然后用LPCVD在l03非晶硅薄mJ:沉积l00纳米的:i^化硅SMMl04。接着，采用一 钱罩过程在104薄膜内形成诱导口。诱导口为周期重复诱导口，齡诱导口的几何尺寸相同， 诱导口宽度为2^m，间隔距离3(Vm。
3) 、采用Jd^ff说的、鹏方法，形成lnm厚的10。/。低镍含龍化镍氧化硅诱导薄膜301，在
诱导口鄉l:薄膜与非晶硅，数虫。 4)、然后在590。C下退火2个小时，即可形成《駭臬含量、高性能的多晶硅薄膜502。 实施例2:
1 )、用LPCVD在eagle 2000鹏衬底101上沉积300纳米的K七硅作为阻挡层102。之后， 在其上面形成10纳米厚的非晶硅薄膜103。参见图3 (a)。
2) 、然后用LPCVD在103非晶硅薄mJ:沉积50纳米的zm化硅S^104。接着，細一 个光罩过程在104薄膜内形成诱导口，诱导口宽度为10(^1，间隔距离100^m。
3) 、采用Jd^H兑的鹏方法，形成1體厚的1%低镍含龍化镍氧化硅诱导薄膜301，在诱 导口鄉匕薄膜与非晶硅撤虫。
4)、然后在59(fC下退火4个小时，即可形成低镍含量、高性能的多晶硅薄膜502。
实施例3:
1 )、用LPCVD在eagle 2000自衬底101上沉积300纳米的二氧化硅作为阻挡层102。之后， 在其上面形成10 厚的非晶硅薄膜103。参见图3 (a)。
2) 、然后用LPCVD在103非晶硅薄ai:沉积500纳米的:im化硅SM层104。接着，采用一 个光罩过程在104薄膜内形成诱导口 ，诱导口宽度为20Mm，间隔距离300)im。
3) 、采用，戶;fi兑的lilt方法，形成30nm厚的30。/。低镍含im化镍氧化硅诱导薄膜301,在 诱导口 薄膜与非晶硅接触。
4)、然后在550。C下退火100个小时，即可形成低镍含量、高性能的多晶硅薄膜502。
权利要求
1、一种自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜材料的制备方法，其特征在于该方法用具有自限制和缓释功能的金属诱导薄膜材料作为诱导源，诱导非晶硅薄膜变成多晶硅薄膜，具体步骤如下第一、首先，在衬底上沉积一层氧化硅或氮化硅阻挡层，之后，在其上面沉积形成一层非晶硅薄膜；第二、在上述非晶硅薄膜上沉积一层氧化硅或氮化硅覆盖层，并在该覆盖层上刻蚀出诱导口；第三、在上述覆盖层上形成一层金属诱导薄膜，使该金属诱导薄膜在诱导口处与非晶硅接触；第四、然后在450℃以上温度退火后，非晶硅被金属诱导晶化多晶硅，制成自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜；在诱导口的下方形成金属诱导晶化区，在没有诱导口的覆盖层下形成金属诱导横向晶化区。
2、 根据权利要求1 0M的制备方法，，征在于J^第三步中的金J1诱导薄膜材料为催化 鍋Ni、 Au、 Cu、 Pd、 Co、 Al或Ag的氧化物和氧化硅混合薄膜，金属^S即金属原子数与金属、 氧及硅原子数和的比为1 %至30% 。
3、 根据权利要求2戶做的制备方法，欺寺征在于金属诱导薄膜为織混仏体气氛下M" ^的薄膜，厚度为lnm至30nm。
4、 根据权利要求l所述的制备方法，其特征在于第二步中所述的诱导口为周期重复诱导口， *诱导口的几何尺寸相同，诱导口宽度为2^m至20Mm，间隔距离相同，为30nm至300nm。
5、 根据权利要求4所逸的制备方法，其特征在于戶皿的诱导口为OT光刻方法形成的长条 形孔口。
6、 根据权利要求l戶，的制备方法，其特征在于戶;M的衬底材料为玻谅或A1箔柔性衬底材料。
7、 根据权利要求1戶，的制备方法，其特征在于第一步中所述的非晶硅薄膜为PECVD、 LPCVD、 ait沉积的非晶硅薄膜，厚度为10nm至lOpm;第二步中戶脱的SM层为PECVD、 LPCVD、或mt沉积的低温氧化硅或氮化硅或二者的混合薄膜，厚度为50nm至500nm。
8、 权利要求1至7中任一项戶，方法制备的自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜材料的应用， 其特征在于以金属诱导横向晶化区为沟道区制备多晶硅薄膜晶体管。
9、 根据权利要求8 0M的应用，其特征在于以，诱导横向晶化区为沟道区的多晶硅薄膜 晶体管，源漏区间是金属诱导横向晶化多晶硅材料^金属诱导晶化多晶硅材料。
10、 权利要求1至7中任一项戶腿方法制备的自缓释鍋诱导晶化多晶硅薄膜材料的应用， 其特征在于，用于制备多晶硅器件和系统，包括平板显示翻源选址繊、多晶硅电路、駄阳 能电池。
全文摘要
自缓释金属诱导晶化多晶硅薄膜材料的制备方法及应用。采用镍硅混合物靶，在氩氧混合气体中溅射形成低镍含量的氧化镍和氧化硅混合薄膜作金属诱导横向晶化诱导源。由于镍以氧化物状态存在，并以较低含量混合在氧化硅中，因此，除靠近非晶硅和金属诱导层界面处的镍可较快地扩散到硅膜之中，后面的镍则以非常缓慢的速度释放到硅膜中。表面镍原子数量与混合物薄膜的厚度无关，因此，即使其厚度不均匀及批次间厚度出现变化，晶核和诱导前锋的形成状态却是基本相同的。在随后的横向晶化过程中，缓释的镍不断补充晶化前锋所需的镍。使用该技术可在保持适当的晶化速率前提下，有效地减少了多晶硅中镍的残余量，提高了多晶硅材料和器件的均匀性和稳定性。
文档编号H01L21/02GK101179013SQ20071015084
公开日2008年5月14日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者吴春亚, 孟志国, 娟 李, 熊绍珍 申请人:南开大学