專利名稱：一種多晶硅薄膜的制造方法
一種多晶硅薄膜的制造方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種多晶硅薄膜的制造方法。
技術(shù)背景
在半導(dǎo)體領(lǐng)域中常用到硅材料薄膜，例如薄膜晶體管(TFT)等。其中非晶硅的電子遷移率低，制約了半導(dǎo)體器件的工作速度，因此電子遷移率較高的多晶硅的制備工藝成為人們研發(fā)的重點(diǎn)。
目前，非晶硅晶化為多晶硅主要有固相晶化法(SPC)，ELA準(zhǔn)分子激光晶化法，金屬誘導(dǎo)晶化法(MIC)。以上方法各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，固相晶化法因?yàn)樾枰L時(shí)間高溫退火而需要襯底為能耐高溫的硅片或石英，難以用于較廉價(jià)的玻璃襯底，同時(shí)固相晶化法所生產(chǎn)的晶粒分布雜亂，晶界排布沒有規(guī)律。ELA準(zhǔn)分子激光晶化法可以得到多晶硅薄膜，但多晶硅薄膜的均勻性存在一定的問題，若非晶硅成膜厚度或致密度不一致，很容易出現(xiàn)局部燒穿，同時(shí)準(zhǔn)分子激光設(shè)備昂貴，需要使用昂貴的惰性氣體，使得成本較高。金屬誘導(dǎo)晶化法和其改進(jìn)的金屬橫向誘導(dǎo)晶化法可以制備晶粒較大并且有連續(xù)晶粒間界的多晶硅薄膜，材料和器件的均勻性和可重復(fù)性較好。但誘導(dǎo)金屬的殘留會(huì)降低材料和器件的性能。發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種多晶硅薄膜的制造方法，可以降低后續(xù)SPC固相晶化的退火溫度和退火時(shí)間，不會(huì)出現(xiàn)局部燒穿的問題，且可避免金屬殘留問題。
本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的制造方法，包括
沉積非晶硅；
利用激光掃描該非晶硅，使非晶硅初步晶化；
對初步晶化的非晶硅退火完成晶化。
根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中在激光掃描非晶硅時(shí)，在非晶硅上放置掩模。
根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中所述掩模具有條形的透光區(qū)域或具有透光孔陣列。
根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中所述透光孔為圓形或方形。
根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中所述激光的能量密度為200 350mJ。
根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中激光與襯底平面垂直。
根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中激光的掃描速度為1 5mm/s，激光的脈沖頻率為 200 900Hz ο
根據(jù)本發(fā)明提供的制造方法，其中退火在惰性氣體中進(jìn)行。
本發(fā)明還提供一種薄膜晶體管的制造方法，其特征在于利用由權(quán)利要求1所述的方法制成的多晶硅薄膜作為薄膜晶體管的有源層而制造薄膜晶體管。
本發(fā)明還提供一種由上述方法制成的薄膜晶體管。
本發(fā)明提供的多晶硅的制備方法可以降低后續(xù)固相晶化的退火溫度和退火時(shí)間，退火溫度可以降低至600°C以下，使之可以應(yīng)用于廉價(jià)的玻璃襯底，同時(shí)，前期激光初步掃描晶化時(shí)間較短，不會(huì)出現(xiàn)局部燒穿的問題。在初步激光晶化時(shí)，在非晶硅薄膜上設(shè)置具有特定構(gòu)圖的掩膜，可以控制激光在非晶硅表面的掃描區(qū)域，被掃描的區(qū)域晶化，成為后續(xù)固相晶化的核點(diǎn)，晶粒以其為中心，逐漸長大，形成具有規(guī)則晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，均勻性較好。


以下參照附圖對本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步說明，其中
圖1為根據(jù)實(shí)施例1的方法所得結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖2為實(shí)施例1所得的多晶硅薄膜的SEM形貌圖3為根據(jù)實(shí)施例2的方法所得結(jié)構(gòu)的示意圖以及所使用的掩模的局部放大示意圖4為實(shí)施例2所得的多晶硅薄膜的SEM形貌圖5為實(shí)施例3所使用的掩模的圖案；
圖6為實(shí)施例3所得的多晶硅薄膜的SEM形貌圖7為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例所使用的掩模的圖案。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提供的多晶硅薄膜的制造方法將激光晶化與固相晶化法相結(jié)合，經(jīng)激光初步掃描晶化后，再通過固相晶化法退火晶化形成多晶硅。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供一種多晶硅薄膜的制造方法，包括
1)在如圖1所示的玻璃襯底101上沉積500納米的二氧化硅作為阻擋層102，再沉積一層50納米的非晶硅103作為晶化的前驅(qū)物；
2)用能量密度為MOmJ、脈沖頻率為330Hz的準(zhǔn)分子激光掃描步驟1)中形成的非晶硅，掃描速度為3mm/s，使非晶硅初步晶化，形成后續(xù)固相晶化的核點(diǎn)；
3)在氮?dú)鈿夥障峦嘶鹜瓿删Щ?，退火溫?90°C，退火時(shí)間6小時(shí)。
本實(shí)施例提供的方法所得樣品的表面形貌如圖2所示，可見晶粒排布均勻。通過激光掃描初步晶化，可縮短后續(xù)固相晶化法的晶化時(shí)間，并可以在低于600°C的溫度下退火晶化，使之可以使用較廉價(jià)的玻璃作為襯底材料。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供一種多晶硅薄膜的制造方法，包括
1)在如圖3所示的玻璃襯底101上沉積500納米的二氧化硅作為阻擋層102，再沉積一層50納米的非晶硅103作為晶化的前驅(qū)物；
2)在非晶硅103上方放置如圖3所示的掩模201，掩模201具有如圖3所示的條形透光區(qū)域，條形透光區(qū)域的寬度W為1. 5 μ m，相鄰條形透光區(qū)域的間距D為50 μ m ；
3)用能量密度為MOmJ、脈沖頻率為330Hz的準(zhǔn)分子激光掃描步驟1)中形成的非晶硅，激光束垂直于掩膜與襯底平面，掃描速度為3mm/s，使透光區(qū)域下方對應(yīng)的非晶硅初步晶化，形成后續(xù)固相晶化的核點(diǎn)；
4)在氮?dú)鈿夥障峦嘶鹜瓿删Щ嘶饻囟?90°C，退火時(shí)間10小時(shí)。
本實(shí)施例提供的方法中，掩模的透光區(qū)域允許高能量的激光通過，激光能量被掩模下方的非晶硅薄膜吸收，使得此區(qū)域的非晶硅晶化，而掩模的不透光區(qū)域所對應(yīng)的區(qū)域未晶化。這樣就在非晶硅薄膜表面形成對應(yīng)于掩模透光區(qū)域圖形的晶化區(qū)和對應(yīng)掩模不透光區(qū)域的未晶化區(qū)，在后續(xù)的固相退火晶化過程中，多晶硅晶粒沿晶化區(qū)與非晶化區(qū)交界處繼續(xù)生長，直至完全晶化完全，這樣通過規(guī)則構(gòu)圖的掩模，可以形成如圖4所示的晶粒排布有序的多晶硅薄膜。
因此，在初步激光晶化時(shí)，在非晶硅薄膜上設(shè)置具有特定構(gòu)圖的掩膜，可以控制激光在非晶硅表面的掃描區(qū)域，被掃描的區(qū)域晶化，成為后續(xù)固相晶化的核點(diǎn)，晶粒以其為中心，逐漸長大，形成具有規(guī)則晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，均勻性較好。
實(shí)施例3
1)在玻璃襯底101上沉積500納米的二氧化硅作為阻擋層102，再沉積一層50納米的非晶硅103作為晶化的前驅(qū)物；
2)在非晶硅103上方放置如圖5所示的掩模201，掩模201具有如圖5所示的圓形透光孔陣列，透光孔的半徑為1 μ m,相鄰?fù)腹饪椎拈g距d為40 μ m ；
3)用能量密度為270mJ、脈沖頻率為540Hz的準(zhǔn)分子激光掃描步驟1)中形成的非晶硅，激光束垂直于掩膜與襯底平面，掃描速度為3mm/s，使透光孔下方對應(yīng)的非晶硅初步晶化，形成后續(xù)固相晶化的核點(diǎn)；
4)在氮?dú)鈿夥障峦嘶鹜瓿删Щ?，退火溫?90°C，退火時(shí)間12小時(shí)。
本實(shí)施例提供的方法所得的晶粒呈規(guī)則排布，晶粒幾乎以透光孔為中心向外生長，所得樣品表面形貌如圖6所示。
實(shí)施例4
本實(shí)施例提供一種薄膜晶體管的制造方法，包括
1)利用上述實(shí)施例1、實(shí)施2或?qū)嵤├?的方法制備多晶硅薄膜；
2)將步驟1)制備的多晶硅薄膜作為薄膜晶體管的有源層，利用現(xiàn)有的薄膜晶體管制造工藝，制備薄膜晶體管。
本實(shí)施例提供的薄膜晶體管制造方法能夠在較低的溫度下制造薄膜晶體管，且由于所制備的多晶硅薄膜的晶粒排布均勻有序，從而使制備的薄膜晶體管的性能非常均一。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中掩模上的透光孔不限于圓形，也可以為圖7所示的方形，還可以為三角形等其他幾何形狀。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中掩模的圖案不限于條形、透光孔陣列，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用而設(shè)計(jì)掩模的圖案，從而形成所需要的晶粒排布方式。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中襯底不限于玻璃，還可以為石英或硅片等本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的襯底，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)實(shí)際需要而選擇特定的襯底。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要來決定是否需要沉積二氧化硅阻擋層，或者沉積其他材料構(gòu)成的阻擋層，阻擋層例如但不限于100 900納米。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，其中退火溫度可以為500 600°C，退火時(shí)間可以為5 15 小時(shí)，退火的時(shí)間可根據(jù)非晶硅薄膜的厚度以及激光初步晶化的程度來選擇，非晶硅薄膜的厚度越大，則所需的退火時(shí)間越長，初步晶化的程度越低，則退火的時(shí)間越長。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中退火時(shí)的氣氛不限于氮?dú)鈿夥?，也可以為Ar氣氛等其他惰性氣氛。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中步驟2)所使用的激光可以是ELA準(zhǔn)分子激光器得到的氣體脈沖激光，也可以是固態(tài)激光器得到的脈沖激光，激光的脈沖頻率優(yōu)選為300 800Hz，激光的能量密度為200 350mJ，優(yōu)選能量密度為240 270mJ，優(yōu)選采用固體激光器Nd: YAG激光的335納米的三倍頻激光，因其設(shè)備較便宜，且此波段的激光很容易被硅膜吸收。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所采用的激光可以與襯底平面垂直，也可以與襯底平面呈一定的角度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所采用的激光的光斑不限于圖3中所示的條形，也可以為圓形等其他形狀。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所采用的激光的掃描速度為1 5mm/s。
最后應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅以描述本發(fā)明的技術(shù)方案而不是對本發(fā)明的技術(shù)方案的限制，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，應(yīng)該理解在不脫離本發(fā)明精神及范圍之內(nèi)，基于本發(fā)明公開的內(nèi)容進(jìn)行修改或改進(jìn)，這些修改和改進(jìn)都在本發(fā)明的精神及范圍之內(nèi)。權(quán)利要求
1.一種多晶硅薄膜的制造方法，包括 沉積非晶硅；利用激光掃描該非晶硅，使非晶硅初步晶化； 對初步晶化的非晶硅退火完成晶化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其中在激光掃描非晶硅前，在非晶硅上放置掩模。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造方法，其中所述掩模具有條形的透光區(qū)域或具有透光孔陣列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造方法，其中所述透光孔為圓形或方形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的制造方法，其中所述激光的能量密度為 200 350mJo
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的制造方法，其中激光與襯底平面垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的制造方法，其中激光的掃描速度為1 5mm/s，激光的脈沖頻率為200 900Hz。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的制造方法，其中退火在惰性氣體中進(jìn)行。
9.一種薄膜晶體管的制造方法，包括 利用權(quán)利要求1所述的方法制成多晶硅薄膜；利用所述多晶硅薄膜作為有源層制造薄膜晶體管。
10.由權(quán)利要求9所述的方法制成的薄膜晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種多晶硅薄膜的制造方法，包括沉積非晶硅；利用激光掃描該非晶硅，使非晶硅初步晶化；對初步晶化的非晶硅退火完成晶化。另外，在激光掃描非晶硅時(shí)，還可以在非晶硅上放置掩模。本發(fā)明提供的方法可形成具有規(guī)則晶粒結(jié)構(gòu)的多晶硅薄膜，均勻性較好。退火溫度可以降低至600℃以下使之可以應(yīng)用于廉價(jià)的玻璃襯底。
文檔編號C30B29/06GK102505139SQ20111030702
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者史亮亮 申請人:廣東中顯科技有限公司