[发明专利]非晶硅的金属诱导结晶和金属吸除技术

说明书

技术领域

本发明讲述的是通过非晶硅金属诱导结晶制备高质量，大面积多晶硅薄膜的技术。此技术需要对起始的非晶硅薄膜引入可控量的诱导结晶金属元素；第一个低温热处理引起金属诱导结晶成核现象并形成很小的多晶硅“岛”；在此部分晶化薄膜材料上形成金属吸除层；金属诱导结晶过程经过第二个低温热处理过程中完成，并形成所期望的多晶硅薄膜；金属吸除层在完成结晶热处理之后去掉。

背景技术

TFT可以应用于有源矩阵液晶显示、有源矩阵有机发光二极管显示、有源矩阵电子书和有源矩阵图像传感器。非晶硅TFT因为工作速度低、缺少P型器件而难于用来实现外围电路。这推动了通过退火炉或者激光加热得到的多晶硅器件的产生。通过传统的低压化学气相沉积得到多晶硅的工艺需要很高的温度(620-650℃)，并且得到的多晶硅材料性能很差。通过高温退火(1000℃以上)可以改善材料的性能，但是这种方法只适用于比较昂贵的石英衬底而不能用于一般的玻璃衬底。

获得多晶硅薄膜的另外一种方法是金属诱导晶化(美国专利US5275851，US5879977和US2001018224)。得到的材料包含大晶粒，但是多晶硅中残余的金属污染物降低了TFT的最终性能。

因此引入了金属诱导横向晶化过程后吸除金属残余物的方法。经过热氧化工艺后(美国专利US6465287，US6100562)金属诱导横向晶化多晶硅薄膜的顶部部分被氧化并且残余的金属元素被顶部的氧化层吸收。氧化过程造成的多晶硅损耗是不希望得到的，尤其当多晶硅层比较薄的时候更是如此。

在非晶硅层掺杂稀有气体(美国专利US6821828，US6821828，US2004121530，US6743700，US2002164843，US2002134981)或者掺杂五族元素(美国专利US6825072，US2004058486，US6420246，US6664144，US5700333，US2003134459，US6461943)或者从磷硅酸盐玻璃中扩散磷到所选择多晶硅区域实现金属吸除的方法被提出来。但是这样吸除过程发生在金属诱导横向晶化过程之后，延长了整个工艺的时间。并在对撞晶界处，留下高密度缺陷态。

吸除过程和金属诱导横向晶化同时进行的技术(美国专利US2002192884)的提出是在形成先驱物非晶硅之前预先沉积一层吸除层。但是这样吸除过程过早发生，会影响多晶硅的结晶质量和结晶速度，而且，吸除金属太接近多晶硅器件有源层，吸除层的存在会影响TFT的最终特性。

本发明提出在多晶硅晶粒生长过程中去除可控量的金属残余物的技术。引入金属诱导多晶硅晶核形成和生长，镍金属边吸除晶体边生长到全部晶化两个步骤。这样，一方面有效的将硅膜中的镍转移到吸收层磷硅玻璃(PSG)中，另一方面，随着硅膜中镍含量的减少，对撞晶界处的镍量会明显减少。在热处理晶化过程完成后，吸收到磷硅玻璃(PSG)中的金属镍可以在去除PSG过程中一起去除，因此大大提高了多晶硅薄膜质量并且减少了金属残余污染物的数量。

发明内容

本发明为制备高质量多晶硅薄膜材料的方法，并用此种多晶硅薄膜材料作为制备高质量多晶硅TFT的有原层。多晶硅薄膜采用镍金属诱导晶化的方法，残余镍的吸除采用磷硅玻璃(PSG)吸除方法。本发明的技术核心，是将晶化与吸除过程进行了最优化的组合。第一步，在非晶硅薄膜表面引入微量的金属镍，在420-620℃下，1-2小时，诱导成核并以MILC的形式生长成为离散的，直径10-20微米的多晶硅斑。第二步，在上述薄膜表面，沉积300-700纳米的PSG薄膜，并在420-620温度下，退火2-3小时，完成整个多晶硅薄膜的晶化过程。第一步的部分晶化薄膜形成，减少了已有专利中所采用的PSG与晶化同时开始镍吸除所造成的对结晶质量和结晶速度的影响；第二步，对剩余的非晶硅区域，镍边被吸除，边去推动晶化，最后的对撞晶界中的镍含量，较已有专利中所提到的没有镍吸除情况下全部晶化的对撞晶界中的含量低。对一个低镍含量的晶界和高镍含量的晶界进行镍吸除，前者的缺陷态较后者低。因此，采用我们的发明制备的多晶硅材料的综合性能，高于已有专利技术所制备的多晶硅薄膜材料。

本发明所述的制备多晶硅薄膜的一种方法，其步骤至少包括

1：在已经生长氮化硅氧化硅阻挡层的玻璃衬底上，沉积非晶硅层。

2：在非晶硅薄膜薄膜引入微量金属镍，并进行第一步退火过程，形成离散的部分晶化的多晶硅非晶硅混合薄膜。

3：在混合薄膜表面沉积PSG层，并进行第二步退火，形成完全的多晶硅薄膜。

4：去除PSG层和吸除在其中的金属镍。