專利名稱：一種具有金屬上擴散層的金屬誘導多晶硅薄膜制造方法
技術領域：
本發明涉及一種低溫多晶硅薄膜的制造方法，特別是一種改進的利用金屬誘導使非晶硅晶化，從而獲得高質量多晶硅的制造方法，其也是一種低溫下進行的半導體加工技術。
背景技術：
眾所周知，多晶硅薄膜現在已被廣泛應用于半導體器件的制作中，如顯示工業中用的多晶硅薄膜晶體管(TFT，Thin Film Transistor)，微電子機械系統，集成電路以及替代SOI(Silicon on Insulator)材料等方面。其中在顯示工業中，尤其是在AMOLED(Active Matrix Organic Light-emitting Device，有源有機發光器件)、TFT-LCD(TFT液晶顯示器件)產品中，為了提高顯示屏的性能，通常采用TFT組成象素驅動電路及其周邊驅動電路，這些TFT大多采用多晶硅薄膜作為其有源層，并且驅動電路和顯示元件一起制作在成本低廉的透明玻璃襯底上，這都要求多晶硅薄膜的性能較好，并且要求在低溫條件下制作。
現在已經有幾種形成低溫多晶硅薄膜的方法，其中一類為直接生長法，如下列文獻中所報道①、“Comparison of poly-Si films deposited by UHVCVD andLPCVD and its application for thin film transistors”，D.Z.Peng，et a1.，Vacuum，(2002)，vol.67，pp641，；②、“Low temperature polycrystallinesilicon thin film transistors”，Jin Jang，Jai Il Ryu，Soo Young Yoon andKyung Ha Lee，Vacuum，(1998)，Vol.51，pp769。這種方法一般是利用超高真空CVD(UHVCVD)或RPCVD、PECVD等設備直接在襯底上生長出多晶硅薄膜，其優點是無需再用退火結晶，從而縮短了制備的時間，但缺點也十分明顯，那就是薄膜的表面粗糙度大，嚴重影響了器件的遷移率以及器件的穩定性；另外一類方法是先制備a-Si薄膜，再通過退火的方法使a-Si薄膜再結晶形成多晶硅薄膜，如文獻①、“Advanced excimer laser crystallization technique，L.Mariucci，A.Pecora，et.al.，Thin Solid Films，2001，Vol.383，pp39”；②、“Effect ofexcimer laser annealing on the structural and electrical properties ofpolycrystalline silicon thin-film transistors，C.T.Angelis and C.A.Dimitriadis，J.APPL.PHYS.，(1999)，Vol.86，pp4600”中所報道的采用準分子激光加熱a-Si薄膜，然后退火結晶；以及如文獻①、“Polycrystalline siliconprepared by metal induced crystallization，Jong Hyun Choi，Do Young Kim，Seung Soo Kim，Seong Jin Park，Jin Jang，Thin Solid Films，(2003)，Vol.440，pp.1”；②、“Low-temperature crystallization of hydrogenatedamorphous silicon induced by Nickel silicide formation，Yunosuke KAWAZU，et al.，Jpn.J.Appl.Phys.，(1990)，Vol.29，pp.2698”中所述的金屬誘導(MIC，Metal Induced Crystallization)技術，其中利用金屬材料和硅形成金屬硅化物，并以此作為媒介，促使多晶硅可在較低溫度下形成(低于600℃)。
準分子激光退火以及金屬誘導制備多晶硅的技術是目前業界中制備多晶硅薄膜的兩種極其重要的方法。利用準分子激光退火的方法可得到遷移率大和表面粗糙度較小的多晶硅薄膜，但是其裝置價格昂貴，另外制成的多晶硅薄膜的均勻性較差；利用金屬誘導技術可得到均勻性好，遷移率高，表面平坦的多晶硅薄膜，制作工藝及設備也較為簡單。但這一方法目前也存在著一些問題，例如晶化完成之后，在溝道處殘留的金屬對溝道造成污染，從而影響器件的性能；為了減少殘留金屬的污染，以及利于形成較大尺寸晶粒的多晶硅薄膜(提高遷移率，減少晶粒間缺陷)，一般將誘導金屬層做的很薄，甚至到比一個原子層還薄的程度，這樣又使得工藝不易控制和重復，增加了工藝上實現的困難。近年來發展的金屬側向誘導技術(MILC，Metal Induced Lateral Crystallization)，如文獻“Lowtemperature poly-Si thin film transistor fabrcation by metal-inducedlateral crystallization，Seok-Woon Lee and Seung-Ki Joo，IEEE ElectronDevice Letter，1996，Vol17，pp160”所報道，該技術盡管可達到減少殘留金屬污染的問題，但工藝上也很復雜，并且仍不能完全避免金屬層與半導體層的直接接觸，還存在MIC與MILC之間以及兩個方向的MILC在中間相遇時留下的晶界，而晶界的存在影響了器件的擊穿電壓和漏電流。
綜上所述，在該領域中，探索新的多晶硅制造方法，提高多晶硅薄膜的質量，簡化制作過程，提高制備的可控制性是十分有意義的。
發明內容
本發明的目的是利用改進的金屬誘導技術，在低溫下將a-Si薄膜再結晶形成高質量的多晶硅薄膜，以供器件制作的使用。
本發明的具體方案如下首先在絕緣襯底10上沉積一層非晶硅薄膜11，其厚度一般為幾十納米至幾百納米，也可以厚到幾個微米。采用等離子體增強化學汽相沉積(PECVD)或低壓化學汽相沉積(LPCVD)的方法生長。襯底10采用絕緣材料，如用玻璃、石英或覆有SiO2絕緣層(厚度為數百納米)的硅片。
第二步，在非晶硅薄膜11之上再生長一層與硅不同種類的材料作為誘導金屬的隔離層12，其厚度一般是在幾十納米到數百納米之間，使金屬層避免了與非晶硅層的直接接觸，同時又可保證在退火溫度附近(約500℃)，金屬原子能在隔離層12中擴散并進入到非晶硅層，達到誘導晶化的目的。金屬隔離層12也可采用PECVD或LPCVD的方法生長形成，金屬隔離層12材料可采用與硅不同的材料，具體采用材料如SiNx，SiO2，SiON，SiCF。
第三步，在金屬隔離層12之上再蒸發誘導金屬層13，其厚度一般為一納米到數十納米之間。該層材料的作用是使得其中的金屬原子通過擴散進入金屬隔離層后，再進入到硅層，與硅原子形成金屬硅化物，使得晶化可在低溫下進行(金屬的作用如文獻“Silicide formation and silicide-mediated crystallizationof nickel-implanted amorphous silicon thin films，C.Hayzelden and J.L.Batstone，J.Appl.Phys，(1993)，Vol73 No.12，pp8279”所述)。誘導金屬層13可采用金屬Ni，Au，Cu，Al，Pd，Co，Ag，這些金屬可采用濺射、熱蒸發以及電子束蒸發的方法制備。
第四步，在誘導金屬層13之上再生長一層金屬上擴散介質層14，其厚度一般為幾十納米到數百納米。金屬上擴散介質層14可采用與金屬隔離層12相同或不同的材料，也通過PECVD或LPCVD的方法生長，如SiNx，a-Si，SiO2，SiON，SiCF。
第五步，在低溫條件下退火(低于600℃)，實現非晶硅到多晶硅的晶化。退火在快速退火爐中進行，且退火過程中采用保護性氣體(如氮氣)對樣品進行保護，退火的時間一般為數小時到幾十小時。
第六步，在晶化完成之后，采用干法或濕法刻蝕的方法分別或一起將金屬上擴散介質層14、誘導金屬層13以及隔離層12去除，同時保證刻蝕過程中多晶硅層和絕緣襯底不受到破壞，從而留下多晶硅層和絕緣襯底供器件制作使用，本發明所采用的方案中，誘導金屬原子既可以通過金屬隔離層12向下擴散進入非晶硅層，同時也可以向上擴散進入金屬上擴散介質層14，這樣使得誘導金屬層13中的部分金屬原子得到了分流，并且可以通過改變這兩層材料各自的厚度和材料種類，對向上和向下擴散的金屬原子數量進行調控，在保證較好的誘導效果的同時，可增加誘導金屬層的厚度，提高工藝的可操作性和可重復性；又因為多晶硅薄膜的質量如晶粒的大小，是和金屬原子的數量，即金屬硅化物所形成的晶核數量有關，降低晶核的數量有利于提高多晶硅晶粒的尺寸。因此，采用本發明中的方法，可以制備高質量的多晶硅薄膜，如較少的晶粒間界缺陷，較大的晶粒尺寸(單個晶粒的橫向尺寸大于8微米)；同時，誘導金屬層13的厚度可以做的大一些，達到納米級以至更大的厚度，從而提高工藝的可重復性，也使工藝的可控制性增強；再者，金屬隔離層12的存在，避免了誘導金屬層與半導體層的直接接觸，減少了晶化完成之后殘留金屬對半導體層的污染，也減少了對器件(如TFT)的影響；通過對金屬上擴散層介質以及金屬隔離層材料的選擇，使得刻蝕金屬上擴散層介質、殘留誘導金屬層以及金屬隔離層的過程對半導體層和襯底沒有影響。
圖1本發明所述的多晶硅薄膜制備示意圖。
其中絕緣襯底10，非晶硅薄膜11(晶化完成之后成為多晶硅層)，金屬隔離層12，誘導金屬層13以及金屬上擴散介質層14。
具體實施例方式
實施例1本例子中的工藝方案如圖1所示。
第一步，首先在平板玻璃襯底10上采用PECVD方法沉積a-Si薄膜11，其厚度為60nm，以SiH4作為氣源分解得到a-Si。沉積時襯底溫度為200℃，本底真空為2×10-4Pa，反應室壓力80Pa。在使用之前平板玻璃襯底10分別用有機溶劑如甲苯、丙酮、乙醇超聲清洗；第二步，在a-Si薄膜11沉積一層厚度為50nm的SiNx層，作為金屬隔離層12，該層薄膜的生長同樣利用PECVD在SiH4和NH3的混合氣氛下生長，襯底溫度保持在270℃，反應室壓力為30Pa；第三步，接著將樣品放入磁控濺射臺中生長一層誘導金屬13，該層的厚度為1nm，使用金屬Ni作為誘導金屬，生長時襯底溫度為130℃，本底真空為2×10-4Pa，濺射時反應室壓力為0.1Pa；第四步，采用與第二步相同的工藝條件接著在樣品上生長一層厚度為50nm的SiNx層作為金屬上擴散層14；第五步，利用快速退火爐在520℃的溫度下退火處理10個小時，其間通以N2作為保護氣體；第六步，退火完成之后，利用等離子體刻蝕工藝(干法刻蝕)在CF4氣氛下刻掉金屬上擴散層14(SiNx)，接著用稀鹽酸腐蝕掉剩余的金屬Ni，最后采用等離子體刻蝕工藝在CF4氣氛下刻掉金屬隔離層12(SiNx)，留下的多晶硅層和襯底就可供器件制作使用。
實施例2本例子中的工藝方案如圖1所示。
首先在覆有400nmSiO2絕緣層的硅片上采用PECVD方法沉積a-Si薄膜11，其厚度為200nm，以SiH4作為氣源分解得到a-Si。沉積時襯底溫度為200℃，本底真空為2×10-4Pa，反應室壓力80Pa。在使用之前，對覆有400nmSiO2絕緣層的硅片10分別用有機溶劑如甲苯、丙酮、乙醇超聲清洗；第二步，在a-Si薄膜11沉積一層厚度為100nm的SiNx層，作為金屬隔離層12，該層薄膜的生長同樣利用PECVD在SiH4和NH3的混合氣氛下生長，襯底溫度保持在270℃，反應室壓力為30Pa；第三步，接著將樣品放入磁控濺射臺中生長一層誘導金屬13，該層的厚度為5nm，使用金屬Ni作為誘導金屬，生長時襯底溫度為130℃，本底真空為2×10-4Pa，濺射時反應室壓力為0.1Pa；第四步，采用與第一步相同的工藝條件接著在樣品上生長一層厚度為50nma-Si層作為金屬上擴散層14；第五步，利用快速退火爐在520C的溫度下退火處理20個小時，其間通以N2作為保護氣體；第六步，退火完成之后，利用等離子體刻蝕工藝(干法刻蝕)在CF4氣氛下刻掉金屬上擴散層14(a-Si)，接著用稀鹽酸腐蝕掉剩余的金屬Ni，最后采用等離子體刻蝕工藝在CF4氣氛下刻掉金屬隔離層12(SiNx)，留下的多晶硅層和襯底，可供器件制作使用。
雖然以上對本發明采用舉例的形式進行了具體的描述，但是本領域的一般技術人員應該懂得，這些公開的內容只是作為例子，在不脫離本發明的精神和范圍的前提下，可以在各部分的細節上作許多改變。
權利要求
1.一種具有金屬上擴散層的金屬誘導多晶硅薄膜制造方法，其特征在于采用改進的金屬誘導技術，將非晶硅薄膜晶化成多晶硅薄膜，其具體的方法是首先在絕緣襯底(10)上沉積一層非晶硅薄膜(11)，其厚度一般為幾十納米到幾個微米；第二步，在非晶硅薄膜(11)之上再生長一層與硅不同種類的材料作為誘導金屬的隔離層(12)，其厚度一般是在幾十納米到數百納米之間，金屬隔離層(12)材料采用SiNx、SiO2、SiON或SiCF；第三步，在金屬隔離層(12)之上再蒸發誘導金屬層(13)，其厚度一般為一納米到數十納米之間，誘導金屬層(13)可采用金屬Ni、Au、Cu、Al、Pd、Co或Ag，這些金屬可采用濺射、熱蒸發以及電子束蒸發的方法制備；第四步，在誘導金屬層(13)之上再生長一層金屬上擴散介質層(14)，其厚度一般是幾十納米到數百納米，金屬上擴散介質層(14)可采用與金屬隔離層(12)相同或不同的材料，如SiNx、a-Si、SiO2、SiON或SiCF；第五步，在低于600℃的低溫條件下退火進行晶化，退火在快速退火爐中進行，且退火過程中采用保護性氣體對樣品進行保護，退火的時間一般為幾小時至幾十小時；第六步，在晶化完成之后，采用干法或濕法刻蝕的方法分別或一起將金屬上擴散介質層(14)、誘導金屬層(13)以及金屬隔離層(12)去除，在絕緣襯底上得到多晶硅薄膜。
2.根據權利要求1所述的具有金屬上擴散層的金屬誘導多晶硅薄膜制造方法，其特征在于絕緣襯底(10)為玻璃、石英或覆有數百納米SiO2絕緣層的硅片。
3.根據權利要求1或2所述的具有金屬上擴散層的金屬誘導多晶硅薄膜制造方法，其特征在于非晶硅薄膜(11)、金屬隔離層(12)及金屬上擴散介質層(14)是利用等離子增強化學汽相沉積或低壓化學汽相沉積的方法制作。
全文摘要
本發明涉及一種具有金屬上擴散層的金屬誘導多晶硅薄膜的制造方法，包括①在絕緣襯底(10)上沉積非晶硅薄膜(11)；②在(11)上沉積金屬隔離層(12)；③在(12)上蒸發一層誘導金屬層(13)；④在(13)之上沉積一層介質作為金屬上擴散介質層(14)；⑤在保護氣體中采用低溫(<600℃)退火，實現非晶硅到多晶硅的晶化；⑥采用刻蝕工藝將金屬上擴散介質層(14)、誘導金屬層(13)、金屬隔離層(12)去除等步驟。采用本發明的方法，可對進入非晶硅層的金屬原子數量進行調控，以獲得大晶粒的多晶硅薄膜；同時金屬與硅層不直接接觸，避免了殘留金屬的污染；還可增加誘導金屬層的厚度，提高工藝的可操作性和可重復性。
文檔編號H01L21/02GK1595613SQ200410010970
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月30日 優先權日2004年6月30日
發明者李傳南, 王麗杰, 張彤, 趙毅, 侯晶瑩, 劉式墉 申請人:吉林大學