一種低溫多晶硅薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，具體步驟為：在基板上先后形成緩沖層和非晶硅層；通過元素摻雜技術對非晶硅層進行區(qū)域選擇性摻雜，在非晶硅層中形成摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域相間的周期性結構；對上述非晶硅層進行激光晶化，得到低溫多晶硅薄膜。非晶硅層接受激光束照射，摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域因對激光能量吸收能力不同而形成完全熔融區(qū)域和非完全熔融區(qū)域，完全熔融區(qū)域和非完全熔融區(qū)域存在橫向溫度梯度，從而促進和控制晶核的超級橫向晶化，增大了晶粒尺寸。本發(fā)明通過摻雜的方法，構建超級橫向晶化條件，有利于成長大尺寸的晶粒；同時具有改變非晶硅層吸收能力的作用，采用固體激光器等廉價激光器用于晶化、降低了制備成本。
【專利說明】一種低溫多晶硅薄膜的制備方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及多晶硅【技術領域】，具體涉及一種基于摻雜形成的超級橫向晶化制備低溫多晶硅薄膜的方法。

【背景技術】
[0002]多晶娃(p-Si)具有遠大于非晶娃(a_Si)流子遷移率，多晶娃(p_Si)可比擬單晶硅的高載流子迀移率，常代替非晶硅應用于薄膜晶體管(TFT)的有源層，因此在集成周邊驅動的有源液晶顯示(AMLCD)和有源有機發(fā)光二極管(AMOLED)中應用非常廣。平板顯示器的多晶硅薄膜的襯底是難以承受高溫工藝的玻璃，在此條件限制下，低溫多晶硅(LTPS)技術是業(yè)界必然的選擇。
[0003]就目前的技術而言，低溫多晶硅技術主要有以下幾種:快速退火固相晶化法(RTA);準分子激光退火晶化法(ELA);金屬誘導橫向結晶(MILC);熱絲催化化學氣相沉積(Cat-CVD)等。準分子激光器晶化(ELA)是利用準分子激光器照射玻璃基板上非晶硅，非晶硅吸收光能轉化為熱能，非晶硅當溫度達到一定值時就會從固態(tài)轉化為熔融狀態(tài)，接著又會在冷卻時再結晶而生成多晶硅的過程。由于非晶硅薄膜對紫外光的吸收能力強，而且準分子激光脈沖功率大、對基板的損害小，這些特點使得準分子激光器成為工業(yè)制備低溫多晶硅薄膜的首選激光源。但是，準分子激光器也存在光束均勻性差、功率不穩(wěn)定和維護成本高等技術缺陷。為了克服準分子激光器上述缺點，人們開始研宄使用固體激光器等長波長激光器(比如:Nd:YAG，摻釹釔鋁石榴石激光器；Nd:YVG，摻釹釩酸釔激光器)制備低溫多晶硅的方法。與準分子激光器相比，這類激光器具有輸出功率高且穩(wěn)定、可靠耐用和維護成本低等優(yōu)點。但是，這些固體激光器的輸出波長一般位于可見光波段或者近紅外波段，而非晶硅的吸收峰主要位于紫外光波段。為了緩解此問題，一般的方法是采用復雜的倍頻技術和加大激光輸出功率，這無疑會大大地增加了技術難度和制造成本。
[0004]在激光晶化技術中，為了生成大尺寸晶粒和實現(xiàn)晶粒控制，在非晶硅層中構建橫向溫度梯度(Thermal Gradient)條件，以實現(xiàn)晶粒的超級橫向晶化(Super LateralGrowth)是目前研宄主要方向之一。超級橫向晶化(Super Lateral Growth, SLG)是指非晶硅在激光照射下，處于臨界完全熔融狀態(tài)，在臨界熔融狀態(tài)下，熔融態(tài)的非晶硅中存在著微量的固態(tài)娃，而且它們之間的距離合適；在非晶硅冷卻時，就會以這些微量的固態(tài)硅粒為種子發(fā)生晶化，而且由于這種條件下的薄膜非晶硅晶化后的晶粒橫向尺寸遠遠的大于其縱向尺寸。超級橫向晶化的基本原理是通過各種方法改變非晶硅膜層的區(qū)域溫度，在不同的區(qū)域間形成溫度梯度，形成超級橫向晶化。
[0005]低溫多晶硅制備是AMOLED和AMIXD中的核心技術，而增大低溫多晶硅晶粒尺寸和降低低溫多晶硅的制備成本是低溫多晶硅技術中的重點和難點。目前急需一種控制低溫多晶硅制造成本、增大晶粒尺寸的制備方法。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明為了解決上述技術問題提供了一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，該方法解決了低溫多晶硅制造成本高、晶粒尺寸不大的技術問題。
[0007]本發(fā)明所要解決的技術問題通過以下技術方案予以實現(xiàn):一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟:
步驟一:采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術，在基板上先后形成緩沖層和非晶娃層，緩沖層在基板和非晶娃層之間；
步驟二:采用光刻構圖工藝及元素摻雜技術，選擇摻雜元素對非晶硅層進行選擇性摻雜，在非晶硅層中形成摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域相間的周期性結構；
步驟三:對摻雜后的非晶硅層采用激光器進行照射晶化，得到低溫多晶硅薄膜；
激光照射方式為掃描式或步進式。
[0008]其中，步驟二具體為:a、使用光刻膠涂膠機，在非晶硅層上涂上光刻膠，并烘干；b、采用掩模板對光刻膠進行掩膜曝光，并顯影；C、對畫好光刻膠圖形的非晶硅層進行摻雜，清洗掉光刻膠圖形，并烘干；掩膜板圖形為長條形周期性結構。
[0009]當激光器選用準分子激光器時，所述的摻雜元素為稀有元素，該稀有元素對紫外光能量的吸收能力要比非晶硅對紫外光能量的吸收能力小，非摻雜區(qū)域的面積大于摻雜區(qū)域面積，摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域之間的面積比例可根據激光照射強度和摻雜濃度進行調
-K-T。
[0010]當激光器選用固體激光器時，所述的摻雜元素為稀有元素，該稀有元素對可見光或者近紅外光能量的吸收能力要比非晶硅對可見光或者近紅外光能量的吸收能力強，摻雜區(qū)域的面積大于非摻雜區(qū)域面積，摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域之間的面積比例可根據激光照射強度和摻雜濃度進行調節(jié)。
[0011]優(yōu)選的，對非晶硅層的摻雜方式采用方向性較強的離子注入技術，并精確地控制離子注入元素的濃度，來調節(jié)摻雜區(qū)域的光吸收系數(shù)。
[0012]優(yōu)選的，緩沖層使用SiNx和Si02復合層膜，先在基板上鍍SiNx膜，然后再鍍Si02膜，緩沖層的厚度為1500埃米~3000埃米。
[0013]優(yōu)選的，所述的激光照射光束的寬度大于摻雜區(qū)域與非摻雜區(qū)域的周期之和。
[0014]進一步優(yōu)選的，所述激光器照射光束為經過寬束、均化和整形的長為750毫米、寬約0.4毫米的長方形光束。
[0015]優(yōu)選的，所述激光器照射光束的長邊平行于基板短邊，照射光束移動方向平行于基板長邊。
[0016]優(yōu)選的，所述的基板為樹脂基板或無堿基板或石英基板。
[0017]進一步優(yōu)選的，為了提高鍍膜質量，在步驟一之前預先對基板進行清洗。
[0018]本發(fā)明提供了一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，該方法采用光刻構圖工藝及元素摻雜技術，在非晶硅層中形成橫向溫度梯度，實現(xiàn)非晶硅的超級橫向晶化；有效地改變非晶硅層吸收光譜的峰值范圍及大小，消除低溫多晶硅制備中對激光波長的限制，解決現(xiàn)有固體激光器等長波長激光器晶化技術中存在的波長限制問題；非晶硅層在一定功率的激光束照射下，雜質摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域因對激光能量吸收能力不同而形成完全熔融區(qū)域和非完全熔融區(qū)域，完全熔融區(qū)域和非完全熔融區(qū)域存在橫向溫度梯度，能有效地促進和控制晶核的超級橫向晶化，從而實現(xiàn)增大晶粒尺寸和晶界控制。本發(fā)明通過元素摻雜技術，構建超級橫向晶化條件，有利于成長大尺寸的晶粒；同時能夠改變非晶硅層的吸收能力；采用固體激光器等廉價激光器用于晶化，降低了低溫多晶硅薄膜制備成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明制備流程圖。
[0020]圖2為本發(fā)明掩膜曝光前的剖切示意圖。
[0021]圖3為本發(fā)明實施例一的進行掩膜曝光過程的剖切示意圖。
[0022]圖4為本發(fā)明實施例一掩膜曝光和顯影后的剖切示意圖。
[0023]圖5為本發(fā)明實施例一的進行摻雜時的剖切示意圖。
[0024]圖6為本發(fā)明實施例一摻雜后并光刻膠脫膜清洗后的剖切示意圖。
[0025]圖7為本發(fā)明實施例二的進行掩膜曝光過程的剖切示意圖。
[0026]圖8為本發(fā)明實施例二掩膜曝光和顯影后的剖切示意圖。
[0027]圖9為本發(fā)明實施例二的進行摻雜時的剖切示意圖。
[0028]圖10為本發(fā)明實施例二摻雜后并光刻膠脫膜清洗后的剖切示意圖。
[0029]圖11為本發(fā)明中激光對元素摻雜后的非晶硅薄膜進行照射晶化的示意圖。

【具體實施方式】
[0030]為了讓本領域的技術人員更好地理解本發(fā)明的技術方案，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步闡述。
[0031]本發(fā)明提供了一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術，在基板上先后形成緩沖層和非晶娃層，緩沖層在基板和非晶娃層之間；
步驟二:采用光刻構圖工藝及元素摻雜技術，選擇摻雜元素對非晶硅層進行選擇性摻雜，在非晶硅層中形成摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域相間的周期性結構；
步驟三:對摻雜后的非晶硅層采用激光器進行照射晶化，得到低溫多晶硅薄膜。
[0032]方法步驟詳情見附圖1一 10，其中:1為基板，2為緩沖層，3為非晶硅層，4為光刻膠層，11,21分別為實施例一和實施例二的紫外曝光掩膜板，12,22分別為實施例一和實施例二的紫外曝光光束，13,23分別為實施例一和實施例二的摻雜離子束，14,24分別為實施例一和實施例二的摻雜區(qū)域；5在實施例一中為摻雜區(qū)域、在實施例二中為非摻雜區(qū)域，6在實施例一中為非摻雜區(qū)域、在實施例二中為摻雜區(qū)域，7在實施例一中為準分子激光器紫外光束、在實施例二中為固體激光器光束，8為光束移動方向。
[0033]實施例一
在本實施例中，使用于制備低溫多晶硅的激光器為準分子激光器。
[0034]本發(fā)明提供了一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟:
步驟一，采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術，先在基板I上形成緩沖層2，然后再在緩沖層上形成非晶硅層3。
[0035]在本步驟中，緩沖層起著防止基板上的雜質進入非晶硅層和減少非晶硅層缺陷的作用。緩沖層使用SiNx和Si02復合層膜，先在基板上鍍一層SiNx膜，然后再鍍Si02膜，緩沖層的厚度為1500埃米~3000埃米。當然，緩沖層的厚度也可以根據實際制備需要設置為其他數(shù)值。
[0036]基板可選用樹脂基板、無堿基板和石英基板，在制備過程中，在執(zhí)行步驟一之前，可以預先對基板進行清洗，使基板保持潔凈，能提高鍍膜質量。
[0037]步驟二，通過光刻構圖工藝及元素摻雜技術，選擇摻雜元素對非晶硅層進行選擇性摻雜，在非晶硅層中形成摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域相間的周期性結構。
[0038]在本步驟中，所述摻雜元素為稀有元素，該稀有元素對紫外光能量的吸收能力要比非晶硅對紫外光能量的吸收能力小得多。非摻雜區(qū)域的面積遠大于摻雜區(qū)域面積，但它們之間面積比例可根據激光照射強度和摻雜濃度進行調節(jié)。
[0039]具體地，步驟二的具體工藝步驟包括:
參考附圖2所示，使用光刻膠涂膠機，在非晶硅層3上涂上光刻膠4，并烘干；
參考附圖3、附圖4所示，采用掩模板對光刻膠進行掩膜曝光，并顯影；
參考附圖5、附圖6所示，對畫好光刻膠圖形的非晶硅層進行摻雜，清洗掉光刻膠圖形，并烘干。
[0040]本步驟中選用的掩膜板圖形為長條形周期性結構，掩膜板的圖形也可以根據實際制備需要設計為其他圖形。為了確保摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域界面相對明顯，非晶硅層的摻雜方式采用方向性較強的離子注入技術，精確地控制離子注入雜質的濃度，來調節(jié)摻雜區(qū)域的光吸收系數(shù)。
[0041]步驟三，如圖11所示，對經過步驟一、步驟二處理的非晶硅層進行準分子激光照射晶化，得到低溫多晶硅薄膜。
[0042]在本步驟中，由于摻雜區(qū)域的吸光能力比非摻雜區(qū)域弱，在照射激光功率達到一定的閾值條件下，非摻雜區(qū)域處于完全熔融狀態(tài)時，摻雜區(qū)域還處于非完全熔融狀態(tài)，處于完全熔融狀態(tài)區(qū)域和處于非完全熔融狀態(tài)區(qū)域之間就會在非晶硅中形成橫向溫度梯度，這促進了晶粒的超級橫向晶化，增大晶粒尺寸。非摻雜區(qū)域也具有一定的光照射吸收能力，能有效地提高晶化環(huán)境的溫度，延長非晶硅熔融時間，有利于大尺寸晶粒的成長。對于選定的摻雜元素，其在降低非晶硅光能量吸收能力的同時，具有金屬誘導晶化的作用，能有效地降低晶化溫度、增大晶粒尺寸。
[0043]激光照射方式為掃描式，當然激光的照射方式也可以根據實際制備需要選擇步進式。激光照射的光束寬度遠大于摻雜區(qū)域與非摻雜區(qū)域周期之和。激光照射光束為經過寬束、均化和整形的長為約750毫米、寬約為0.4毫米的長方形光束。當然光束的長寬也可以根據實際制備需要設置為其他數(shù)值。激光照射光束的長邊平行于基板長度比較短的一邊，即基板短邊；光束移動方向平行于基板長度比較長的一邊，即基板長邊。
[0044]實施例二
在本實施例中，使用于制備低溫多晶硅的激光器為固體激光器等長波長激光器，它們輸出光波長范圍為可見光波段或者近紅外光波段。
[0045]本發(fā)明提供了一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，包括以下步驟:
步驟一，采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術，先在基板I上形成緩沖層2，然后再在緩沖層上形成非晶硅層3。
[0046]在本步驟中，緩沖層起著防止基板上的雜質進入非晶硅層和減少非晶硅層缺陷的作用。緩沖層使用SiNx和Si02復合層膜，先在基板上鍍一層SiNx膜，然后再鍍Si02膜，緩沖層的厚度為1500埃米~3000埃米。當然，緩沖層的厚度也可以根據實際制備需要設置為其他數(shù)值。
[0047]基板可選用樹脂基板、無堿基板和石英基板，在制備過程中，在執(zhí)行步驟一之前，可以預先對基板進行清洗，使基板保持潔凈，能提高鍍膜質量。
[0048]步驟二，通過光刻構圖工藝及元素摻雜技術，選擇摻雜元素對非晶硅層進行選擇性摻雜，在非晶硅層中形成摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域相間的周期性結構。
[0049]在本步驟中，所述摻雜元素為稀有元素，該稀有元素對可見光或者近紅外光能量的吸收能力要比非晶硅對可見光或者近紅外光能量的吸收能力強得多。摻雜區(qū)域的面積遠大于非摻雜區(qū)域面積，但它們之間面積比例可根據激光照射強度和摻雜濃度進行調節(jié)。
[0050]具體地，步驟二的具體工藝步驟包括:
參考附圖1所示，使用光刻膠涂膠機，在非晶硅層3上涂上光刻膠4，并烘干；
參考附圖7、附圖8所示，采用掩模板對光刻膠進行掩膜曝光，并顯影；
參考附圖9、附圖10所示，對畫好光刻膠圖形的非晶硅層進行摻雜，清洗掉光刻膠圖形，并烘干。
[0051]本步驟中選用的掩膜板圖形為長條形周期性結構，掩膜板的圖形也可以根據實際制備需要設計為其他圖形。為了確保摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域界面相對明顯，非晶硅層的摻雜方式采用方向性較強的離子注入技術，精確地控制離子注入雜質的濃度，來調節(jié)摻雜區(qū)域的光吸收系數(shù)。
[0052]步驟三，如圖11所示，對經過步驟一、步驟二處理的非晶硅層進行準分子激光照射晶化，得到低溫多晶硅薄膜。
[0053]在本步驟中，由于摻雜區(qū)域的吸光能力比非摻雜區(qū)域強，在照射激光功率達到一定的閾值條件下，摻雜區(qū)域處于完全熔融狀態(tài)時，非摻雜區(qū)域還處于非完全熔融狀態(tài)，處于完全熔融狀態(tài)區(qū)域和處于非完全熔融狀態(tài)區(qū)域之間就會在非晶硅層形成橫向溫度梯度，這促進了晶粒的超級橫向晶化，增大晶粒尺寸。非摻雜區(qū)域也具有一定的光照射吸收能力，能有效地提高晶化環(huán)境的溫度，延長非晶硅熔融時間，有利于大尺寸晶粒的成長。對于選定的摻雜元素(如鈷元素)，其在提高非晶硅光能量吸收能力時，同時具有金屬誘導晶化的作用，能有效地降低晶化溫度、增大晶粒尺寸。
[0054]激光照射方式為掃描式，當然激光的照射方式也可以根據實際制備需要選擇步進式。激光照射的光束寬度遠大于摻雜區(qū)域與非摻雜區(qū)域周期之和。激光照射光束為經過寬束、均化和整形的長為約750毫米、寬約為0.4毫米的長方形光束。當然光束的長寬也可以根據實際制備需要設置為其他數(shù)值。激光照射光束的長邊平行于基板長度比較短的一邊，即基板短邊；光束移動方向平行于基板長度比較長的一邊，即基板長邊。
[0055]本發(fā)明提供了一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，該方法采用光刻構圖工藝及元素摻雜技術，在非晶硅層中形成橫向溫度梯度，實現(xiàn)非晶硅的超級橫向晶化；有效地改變非晶硅層吸收光譜的峰值范圍及大小，消除低溫多晶硅制備中對激光波長的限制，解決現(xiàn)有固體激光器等長波長激光器晶化技術中存在的波長限制問題；非晶硅層在一定功率的激光束照射下，雜質摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域因對激光能量吸收能力不同而形成完全熔融區(qū)域和非完全熔融區(qū)域，完全熔融區(qū)域和非完全熔融區(qū)域存在橫向溫度梯度，能有效地促進和控制晶核的超級橫向晶化，從而實現(xiàn)增大晶粒尺寸和晶界控制。本發(fā)明通過元素摻雜技術，構建超級橫向晶化條件，有利于成長大尺寸的晶粒；同時能夠改變非晶硅層的吸收能力；采用固體激光器等廉價激光器用于晶化，降低了低溫多晶硅薄膜制備成本。
[0056]以上為本發(fā)明較佳的實現(xiàn)方式，需要說明的是，在不背離本發(fā)明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發(fā)明作出各種相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:采用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)技術，在基板上先后形成緩沖層和非晶娃層，緩沖層在基板和非晶娃層之間； 步驟二:采用光刻構圖工藝及元素摻雜技術，選擇摻雜元素對非晶硅層進行選擇性摻雜，在非晶硅層中形成摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域相間的周期性結構； 步驟三:對摻雜后的非晶硅層采用激光器進行照射晶化，得到低溫多晶硅薄膜； 激光照射方式為掃描式或步進式。
2.根據權利要求1所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:所述的步驟二具體為:a、使用光刻膠涂膠機，在非晶硅層上涂上光刻膠，并烘干；b、采用掩模板對光刻膠進行掩膜曝光，并顯影；c、對畫好光刻膠圖形的非晶硅層進行摻雜，清洗掉光刻膠圖形，并烘干；掩膜板圖形為長條形周期性結構。
3.根據權利要求2所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:所述的激光器為準分子激光器。
4.根據權利要求2所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:所述的激光器為固體激光器。
5.根據權利要求3所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:所述的摻雜元素為稀有元素，該稀有元素對紫外光能量的吸收能力要比非晶硅對紫外光能量的吸收能力小，非摻雜區(qū)域的面積大于摻雜區(qū)域面積，摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域之間的面積比例可根據激光照射強度和摻雜濃度進行調節(jié)。
6.根據權利要求4所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:所述的摻雜元素為稀有元素，該稀有元素對可見光或者近紅外光能量的吸收能力要比非晶硅對可見光或者近紅外光能量的吸收能力強，摻雜區(qū)域的面積大于非摻雜區(qū)域面積，摻雜區(qū)域和非摻雜區(qū)域之間的面積比例可根據激光照射強度和摻雜濃度進行調節(jié)。
7.根據權利要求5或6所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:對非晶硅層的摻雜方式采用方向性較強的離子注入技術，并精確地控制離子注入元素的濃度，來調節(jié)摻雜區(qū)域的光吸收系數(shù)。
8.根據權利要求7所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:緩沖層使用SiNx和Si02復合層膜，先在基板上鍍SiNx膜，然后再鍍Si02膜，緩沖層的厚度為1500埃米-3000埃米。
9.根據權利要求8所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:所述的激光照射光束的寬度大于摻雜區(qū)域與非摻雜區(qū)域的周期之和，激光器照射光束的長邊平行于基板短邊，照射光束移動方向平行于基板長邊。
10.根據權利要求9所述的低溫多晶硅薄膜的制備方法，其特征在于:為了提高鍍膜質量，在步驟一之前預先對基板進行清洗，所述的基板為樹脂基板或無堿基板或石英基板。
【文檔編號】H01L21/266GK104505340SQ201410702037
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月28日 優(yōu)先權日:2014年11月28日
【發(fā)明者】陳卓, 陳建榮, 任思雨, 蘇君海, 李建華, 黃亞清 申請人:信利（惠州）智能顯示有限公司