专利名称：一种低温多晶硅薄膜的制备方法及低温多晶硅薄膜的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜的制备方法，具体涉及一种低温多晶硅薄膜的制备方法及低温多晶硅薄膜。
背景技术：
有机发光显示器(OLED)由于具有自主发光、快速响应、轻薄、低功耗并可实现柔性显示等诸多优点而备受关注，被认为是下一代的平板显示技术。目前，OLED技术已逐步应用于各种电子产品中，其中有源矩阵有机发光显示屏(AMOLED)凭借高画质、移动图像响应时间短、低功耗、宽视角及超轻超薄等优点而成为OLED发展的主要趋势。目前AMOLED背板技术中多采用多晶硅薄膜晶体管，多晶硅薄膜晶体管具有消耗功率小且电子迁移率大等优点。早期的多晶硅薄膜晶体管的制程温度高达摄氏1000°c， 因此基板材质的选择受到大幅的限制，近来由于激光的发展，制程温度可降至摄氏600°c以下，利用此种制程方式所得的多晶硅薄膜晶体管又被称为低温多晶硅薄膜晶体管(LTPSTFT)。LTPS TFT制备的关键技术是将非晶硅转变为多晶硅的结晶化方法。这些方法可以分成非激光结晶和激光退火两类。在非激光结晶中，最简单的方法是固相结晶(SPC)JMSPC需在600°C退火10hr，不适用于大面积玻璃基板。激光方法中，应用最广泛的是准分子激光退火(ELA)，因为它结晶度极高、结晶速度快且迁移率高。另外，ELA已经应用于大规模生产。在现有低温多晶硅薄膜晶体管的制程中，其中一个步骤是在基板上形成一层多晶硅薄膜。后续制程会在此多晶硅薄膜中形成源极/漏极区与沟道区。其中，多晶硅薄膜的制造方法是通过ELA工艺将原本的非晶硅层转变成多晶硅薄膜。然而在ELA步骤完成后，多晶硅薄膜的表面会形成数个突起物，这些突起物的形成原因是在退火过程中，非晶硅层通过再结晶的方式重新排列成为多晶硅薄膜。而再结晶时，部分的非晶硅会先作为再结晶的晶种，然后进行长晶成为较大的晶体，这些大晶体不断成长进而相互结合成为一个更大的晶体。在结合的过程中，由于这些晶体彼此应力相互作用的缘故，会使得部分的晶体被推挤到多晶硅薄膜的表面上形成突起物。这些位于表面上的突起物大小会影响LTPS TFT的电流特性，造成LTPS TFT的漏电流较大，迁移率及阈值电压的不均匀性。如中国专利申请号03122982. 4公开了一种低温多晶硅薄膜的制造方法，该方法首先在基板上形成一层非晶硅层，接着对该非晶硅层进行第一回火制程，以使该非晶硅层转变成多晶硅层，其中该多晶硅层的表面形成多个突起物，且该多晶硅层的表面形成有氧化层，接着对该多晶硅层进行蚀刻处理步骤，以移除该氧化层，然后对该多晶硅层进行第二回火制程。该方法第一回火制程中形成的突起物尺寸较大，后续蚀刻处理并不能有效移除突起物，导致第二回火制程中突起物进一步长大，所制得的多晶硅薄膜表面粗糙度高
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种低温多晶硅薄膜的制备方法，其工艺简单，且能解决现有技术所制得的多晶硅薄膜表面因突起物尺寸过大而影响多晶硅薄膜晶体管电流特性的问题。解决本发明技术问题所采用的技术方案是该低温多晶硅薄膜的制备方法包括以下步骤(I)在基板上形成缓冲层；(2)在步骤⑴得到的缓冲层上形成30_100nm的非晶硅层；(3)对步骤(2)所得非晶硅层进行第一次激光退火处理，使非晶硅层转变形成多晶娃生长底层；
(4)对步骤(3)所得多晶硅生长底层进行蚀刻处理，以除去多晶硅生长底层表面氧化物和突起；以及(5)对多晶硅生长底层进行第二次激光退火处理，得到多晶硅薄膜。优选的是，步骤(I)所述基板为玻璃或石英。在基板上形成缓冲层等薄膜的方法有沉积、涂覆等，本发明采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在基板上沉积缓冲层及非晶硅层。PECVD具有基本温度低、沉积速率快、成膜质量好等优点，因而被广泛应用于低温多晶硅薄膜制造领域中。优选的是，步骤⑴所述缓冲层为双层结构SiNx/Si02薄膜，其中SiNx厚度为50-150nm, SiO2 厚度为 100_350nm ;或步骤(I)所述缓冲层为单层结构的SiNx或SiO2薄膜，SiNx厚度为50-150nm，SiO2厚度为 100-350nm。由于氧化硅(SiO2)较氮化硅(SiNx)更容易形成晶相较好的多晶硅，氮化硅对阻挡来自基板的污染物效果更佳，所以优选缓冲层的上层为氧化硅，下层为氮化硅。步骤(I)在基板上形成缓冲层的目的是防止基板中的金属离子扩散至多晶硅薄膜区产生缺陷中心进而增加漏电流。合适厚度的缓冲层还可以改善多晶硅背面界面的质量，并且降低热传导，减缓被激光加热的硅的冷却速率，有助于形成较大的多晶硅晶粒。本发明中优选的缓冲层厚度为150_500nm。优选的是，在步骤(3)之前，包括对非晶硅层进行高温处理，高温处理温度为400-500°C，高温处理时间为0. 5-3小时。高温处理可减少非晶硅层内氢含量，防止激光退火时发生氢爆。在步骤(3)过程中，非晶硅层经第一次激光退火处理转变为多晶硅生长底层。该多晶硅生长底层厚度约为30-100nm。采用以往常规工艺，多晶硅生长底层的表面会形成数个不规则的突起物(突起最高60-120nm)，这种突起物使多晶硅表面粗糙度高，并对于后期多晶硅薄膜的应用存在很大的负面影响。整个多晶硅薄膜表面还形成一层氧化物，后续蚀刻处理过程中酸与表面氧化物反应除去氧化物，但并不能完全除去多晶硅生长底层表面过大的突起物，随后的第二次激光退火处理会使得突起物尺寸更大。优选的是，步骤(3)所述第一次激光退火处理采用Ishot (射击次数)对非晶硅层进行激光退火，其中激光线性光束宽度尺寸为300 iim，激光脉冲频率为300Hz，激光能量密度为300-500mJ/cm2，扫描速度为2-5mm/s，脉冲宽度为25纳秒。即在完成第一次激光退火时，在宽度为300微米的尺寸区域内只有I个激光脉冲通过。本发明采用该特殊工艺，第一次激光退火处理在多晶硅生长底层的表面形成40-80nm的突起前驱体，避免突起物过分长大，随后采用步骤(4)对多晶硅生长底层进行表面蚀刻处理，在除去多晶硅生长底层表面氧化物的同时还能减小甚至除去多晶硅生长底层表面的突起物前驱体，使表面平坦。这样再经步骤(5)的第二次激光退火处理，使多晶硅生长底层的晶粒得到充分生长，由于没有过大突起物的影响，最终得到表面质量良好的低温多晶硅薄膜，进而改善多晶硅薄膜晶体管的电流特性和显示面板的画面质量。优选的是，步骤(4)所述蚀刻处理是利用氢氟酸或重铬酸溶液来进行浸泡，氢氟 酸或重铬酸溶液浓度为l-10wt%，蚀刻处理时间为10-60S。多晶硅薄膜晶界处形成的突起物为晶格发生畸变的硅硅价键的结合物，而多晶硅薄膜部分则为晶格规则并且硅硅价键结合非常紧密的物质，酸类物质浸泡只是除去晶界处结合比较疏松的突起物，不会造成多晶硅薄膜整体变薄。优选的是，步骤(5)所述第二次激光退火处理采用多个shot (射击次数)对多晶硅生长底层进行激光退火，其中激光线性光束宽度尺寸为300 iim，激光脉冲频率为300Hz，激光能量密度为300-500mJ/cm2，扫描速度为2-5mm/s，脉冲宽度为25纳秒。即在宽度为300微米的尺寸区域内共有多个激光脉冲通过。进一步优选的是，步骤(5)所述第二次激光退火处理采用19个shot (射击次数)对多晶硅生长底层进行激光退火。或者，进一步优选的是，步骤(5)所述第二次激光退火处理采用39个shot (射击次数)对多晶硅生长底层进行激光退火。本发明还包括采用上述方法制备的低温多晶硅薄膜，其厚度为30_100nm。本发明还包括采用了包括上述低温多晶硅薄膜制备的低温多晶硅薄膜晶体管。本发明还包括采用了包括上述低温多晶硅薄膜晶体管制备的显示面板。本发明的有益效果是使准分子激光退火工艺制备的多晶硅薄膜表面粗糙度低，改善了后续制备的多晶硅薄膜晶体管的电流特性和显示面板的画面质量。
图I为本发明一个具体实施例中第一次激光退火处理不意图；图2为本实施例中完成第一次激光退火处理后得到的多晶硅薄膜的剖面示意图；图3为本实施例中蚀刻处理示意图；图4为本实施例中完成蚀刻处理后得到的多晶硅薄膜的剖面示意图；图5为本实施例中第二次激光退火处理示意图；图6为本实施例中完成第二次激光退火处理后得到的多晶硅薄膜的剖面示意图；图7为现有的多晶硅薄膜的剖面示意图。图中101-基板；102_氮化硅层；103_ 二氧化硅层；104_非晶硅层；105_第一次激光退火处理；106_第一次激光退火处理后得到的多晶硅薄膜；107_蚀刻液；108_蚀刻处理后得到的多晶硅薄膜；109-第二次激光退火处理；110_第二次激光退火处理后得到的多晶硅薄膜；111-现有技术中得到的多晶硅薄膜。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。本发明实施例中采用氯化氙(XeCl)准分子激光器(波长308nm)对非晶硅(a_Si)进行退火处理，从而得到多晶硅薄膜。实施例一 本实施例采用以下步骤制备低温多晶硅薄膜(I)在基板上形成缓冲层基板101采用玻璃基板，在对玻璃基板进行预清洗后采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法沉积双层结构SiNx/SiOJ^膜作为绝缘缓冲层，先沉积IOOnm的氮化硅层102，再沉积200nm的二氧化硅层103 ；(2)在步骤(I)得到的绝缘缓冲层上形成30-100nm的非晶硅层沉积60nm的非晶娃层104 ；(3)对步骤(2)得到的非晶硅层进行高温处理在450°C的温度下，对非晶硅层104进行2小时的高温处理；(4)对非晶硅层进行第一次激光退火处理，使该非晶硅层转变为多晶硅薄膜图I为本发明中采用I个shot (射击次数)进行第一次激光退火过程示意图，在非晶硅层104上，采用I个shot (射击次数)对非晶硅层104进行第一次激光退火处理105，其中激光线性光束宽度尺寸为300 u m,激光脉冲频率为300Hz，激光能量密度为400mJ/cm2，扫描速度为5mm/s，脉冲宽度为25纳秒。在完成第一次激光退火过程后，非晶硅层104经晶化转变为如图2所示的多晶硅薄膜106，多晶硅薄膜106的晶界处地方有着明显的尖端状突起物，采用原子力显微镜(AFM)对其表面进行检测，突起最高为约50nm ；(5)对步骤(4)所得多晶硅薄膜进行蚀刻处理蚀刻液107选用浓度为10wt%氢氟酸溶液进行清洗，蚀刻时间为10s，除去多晶硅生长底层表面氧化物和突起，蚀刻过程示意图如图3所示，完成氢氟酸清洗后，可以得到粗糙度较小的多晶硅薄膜108，最高突起仅为15nm左右，如图4所示；(6)对多晶硅薄膜进行第二次激光退火处理采用19个shot (射击次数)进行第二次激光退火，所选用激光线性光束宽度尺寸为300微米。其中激光脉冲频率为300Hz，激光能量密度为400mJ/cm2，扫描速度为5mm/s，脉冲宽度为25纳秒。过程如图5所示。完成第二次激光退火处理109步骤后，多晶硅薄膜得到了充分的生长，最终得到突起物分布比较均匀，表面低粗糙度的多晶硅薄膜110，多晶硅薄膜110厚度为50nm。采用原子力显微镜(AFM)对其表面进行检测，最高突起处仅为约20nm。图6为完成第二次激光退火处理后得到的多晶硅薄膜110的剖面示意图。实施例二主要方法步骤与实施例一相同，不同之处在于步骤(4)中蚀刻液107选用浓度为lwt%重铬酸溶液进行清洗，蚀刻时间为60s;步骤(6)采用39个shot(射击次数)进行第二次退火处理109，选用激光线性光束宽度尺寸为400 iim，激光脉冲频率为300Hz，激光能量密度为400mJ/cm2，扫描速度为2mm/s，脉冲宽度为25纳秒。采用原子力显微镜(AFM)对所得到的多晶硅薄膜表面进行检测，最高突起处仅为约20nm。图7为现有技术中得到的多晶硅薄膜111的剖面示意图，可看出晶界处的突起物非常明显，一般为电阻大的物质(晶格发生畸变的硅硅价键的结合物以及部分氧化物)，将导致有源层载流子难以通过，或在施加电压时，在晶界突起尖端处，造成较大漏电流。现有技术中采用普通方法第一次激光退火后多晶硅薄膜晶界处突起最高为60-120nm，而采用本发明第一次激光退火后突起最高为40-80nm ;采用现有技术所得到的多晶硅薄膜最高突起处可达60-200nm,而采用本发明所得到的多晶娃薄膜最高突起处仅15_25nm,尺寸明显减小。因此采用本发明的制备方法所得到的多晶硅薄膜表面突起物明显减小，粗糙度降低，质量明显改善。
由以上对本发明实施例的详细描述，可以了解本发明解决了现有低温多晶硅薄膜由于采用普通激光退火工艺引起的多晶硅晶界处突起物特别大、薄膜粗糙度高的问题，将多晶硅薄膜应用于显示器背板中，进而解决了多晶硅薄膜晶体管漏电流较大、迁移率及阈值电压不均匀的问题，改善了多晶硅薄膜晶体管的电流特性及显示面板的显示效果。可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
权利要求
1.ー种低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于包括以下步骤 (1)在基板上形成缓冲层； (2)在步骤(I)得到的缓冲层上形成30-100nm的非晶硅层； (3)对步骤(2)所得非晶硅层进行第一次激光退火处理，形成多晶硅生长底层； (4)对步骤(3)所得多晶硅生长底层进行蚀刻处理，以除去多晶硅生长底层表面氧化物和突起；以及 (5)对多晶硅生长底层进行第二次激光退火处理，得到多晶硅薄膜 。
2.根据权利要求I所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于步骤(I)所述缓冲层为双层结构SiNx/Si02薄膜，其中SiNx厚度为50-150nm，SiO2厚度为100_350nm ;或 步骤(I)所述缓冲层为单层结构的SiNx或SiO2薄膜，SiNx厚度为50-150nm，SiO2厚度为 100_350nm。
3.根据权利要求2所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于所述双层结构的SiNx/Si02薄膜缓冲层，缓冲层的上层为SiO2，下层为在基板上的SiNx。
4.根据权利要求I所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于在步骤(3)之前，包括对非晶硅层进行高温处理，高温处理温度为400-500°C，高温处理时间为0. 5-3小吋。
5.根据权利要求I所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于步骤(3)所述第一次激光退火处理采用Ishot (射击次数)对非晶硅层进行激光退火，其中激光线性光束宽度尺寸为300 u m,激光脉冲频率为300Hz，激光能量密度为300-500mJ/cm2，扫描速度为2-5mm/s，脉冲宽度为25纳秒。
6.根据权利要求I所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于步骤(4)所述蚀刻处理是利用氢氟酸或重铬酸溶液来进行浸泡，氢氟酸或重铬酸溶液浓度为I-IOwt蚀刻处理时间为10-60S。
7.根据权利要求I所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于步骤(5)所述第二次激光退火处理采用多个shot (射击次数)对多晶硅生长底层进行激光退火，其中激光线性光束宽度尺寸为300 u m,激光脉冲频率为300Hz，激光能量密度为300-500mJ/cm2，扫描速度为2-5mm/s，脉冲宽度为25纳秒。
8.根据权利要求7所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于步骤(5)所述第二次激光退火处理采用19个shot (射击次数)对多晶硅生长底层进行激光退火。
9.根据权利要求7所述的低温多晶硅薄膜的制备方法，其特征在于步骤(5)所述第二次激光退火处理采用39个shot (射击次数)对多晶硅生长底层进行激光退火。
10.ー种低温多晶硅薄膜，其特征在于采用权利要求1-9所述之ー的方法制备，其厚度为 30_100nm。
11.ー种低温多晶硅薄膜晶体管，其特征在于采用了包括权利要求10所述的低温多晶硅薄膜所制得。
12.—种显示面板，其特征在于采用了包括权利要求11所述的低温多晶硅薄膜晶体管所制得。
全文摘要
本发明提供一种低温多晶硅薄膜的制备方法，该方法首先在基板上形成缓冲层和非晶硅层，随后对非晶硅层进行第一次激光退火处理，使非晶硅层转变为多晶硅生长底层，随后对多晶硅生长底层进行蚀刻处理，使第一次激光退火处理过程得到的多晶硅生长底层表面趋于平坦，接着再对多晶硅生长底层进行第二次激光退火处理，得到多晶硅薄膜。由本方法制备的低温多晶硅薄膜表面粗糙度低，后续制备的多晶硅薄膜晶体管的电流特性好。
文档编号H01L29/786GK102651311SQ20111043074
公开日2012年8月29日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者姚江峰, 田雪雁, 龙春平 申请人:京东方科技集团股份有限公司