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基于横向诱导晶化多晶硅薄膜的薄膜晶体管的制备方法
    【技术领域】

    本发明属于薄膜晶体管制备领域，尤其涉及一种基于横向诱导晶化低温多晶硅薄膜的薄膜晶体管的制备方法。

    背景技术

    尽管目前有源矩阵液晶显示(AM-LCD)大部分仍然由非晶硅(a-Si)薄膜晶体管(TFT)组成，但对于有源矩阵显示来说，采用多晶硅(p-Si)薄膜晶体管可以提供更高的分辨率和更小的像素，并且在采用多晶硅TFT时，一些驱动电路还可以被整合到玻璃基板上。另外，在驱动有机光发射二极管显示器(OLED)方面，多晶硅TFT比非晶硅TFT更加稳定，因此低成本，高性能和更可靠的低温多晶硅(LTPS)处理技术是必需的。

    现有获得多晶硅薄膜的方法主要包括固态结晶法(SPC)、激光退火法(ELA)、快速高温退火法(RTA)和金属横向诱导结晶(MILC)等。在上述方法中，由于MILC所得到的多晶硅薄膜均匀性好，成本低，而受到人们极大的关注。在采用MILC方法时，通常采用蒸镀而成的纯净的金属镍作为诱导的薄膜材料，但所得到的多晶硅薄膜含有较多的镍残留，镍/硅的比率大概是～10^-3的数量级(IEEE Trans，Electron Devices，48(1655)，2001)，这种较高的镍残留浓度容易导致所制备的多晶硅薄膜性能不稳定，从而使制备出的薄膜晶体管的关闭态的电流(I_off)和栅引起的漏电流(GIDL)较高。

    【发明内容】

    因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于横向诱导晶化低温多晶硅薄膜的薄膜晶体管(TFT)的制备方法，使TFT关闭态电流和栅极引发漏极漏电流(GIDL)。

    本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

    根据本发明，提供一种基于横向诱导晶化多晶硅薄膜的薄膜晶体管的制备方法，包括：

    步骤1)：在衬底上形成非晶硅层，然后形成氧化物层；

    步骤2)：在所述氧化物层上刻蚀出凹槽，以暴露出非晶硅层；

    步骤3)：在所述暴露的非晶硅层上形成镍硅氧化物薄膜，该镍硅氧化物薄膜的厚度为2.5～50

    步骤4)：将步骤3)所得产物在惰性或保护气体环境、590℃下退火1小时；

    步骤5)：晶化完成后，去除残余的镍硅氧化物和氧化物层，并通过光刻形成有源岛；

    步骤6)：沉积100nm的氧化物层；

    步骤7)：采用二倍频和三倍频脉冲激光同时照射样品表面；

    步骤8)：栅绝缘层为100nm氧化物层，以280nm多晶硅为栅电极，离子注入后形成源漏电极；

    步骤9)：采用二倍频脉冲激光照射；

    步骤10)：沉积500nm氧化物作为电极绝缘层，形成接触孔和金属引出电极。

    在上述技术方案中，所述镍硅氧化物薄膜通过蒸发、旋涂方法制成。

    在上述技术方案中，通过溅射镍硅合金靶形成所述镍硅氧化物薄膜。

    在上述技术方案中，所述镍硅合金靶中镍与硅的比例为1∶1～1∶50。

    在上述技术方案中，所述镍硅合金靶中镍与硅的比例为1∶9。

    在上述技术方案中，所述镍硅氧化物中氧、硅和镍的原子浓度比为40∶21∶1。

    在上述技术方案中，所述溅射过程在氧气和氩气的环境下进行，溅射功率为7W至40W。

    在上述技术方案中，所述氧气和氩气的比例为1∶100至1∶200。

    与现有技术相比，本发明的优点在于：

    1.降低了所制备的多晶硅薄膜中镍的残留浓度；

    2.减少了多晶硅薄膜晶体管的关闭态的电流和栅极引发漏极漏电流。

    【附图说明】

    以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

    图1为根据本发明的用于横向诱导晶化低温多晶硅薄膜的多层膜结构的示意图；

    图2为根据本发明的方法的在垂直和横向方向上金属诱导晶化的截面示意图；

    图3为根据本发明的方法形成有源岛的截面示意图；

    图4为根据本发明的方法形成薄膜晶体管的栅电极和源漏区域离子诸如的截面示意图；

    图5为根据本发明的方法制成的薄膜晶体管(TFT)的截面示意图；

    图6为本发明的一实施例在590℃下退火半小时后在非晶硅层上样品部分晶化的显微镜照片；

    图7示出了根据本发明的实施例的三种多晶硅TFT的光特性；

    图8示意了根据本发明的实施例的残留在三种多晶硅薄膜中的镍分布；

    图9为本发明的自缓释镍/硅氧化物的X射线光电子能谱图(XPS)；

    图10为示意了本发明的自缓释镍/硅氧化物和传统纯镍物质的厚度与晶化率的关系的曲线图。

    【具体实施方式】

    本发明所采用的诱导薄膜由镍硅氧化物制成，由于其在横向诱导晶化过程中可以不断自发地释放出镍，从而降低了残留在多晶硅薄膜中的镍，此处将该薄膜材料称为“自缓释镍硅氧化物(SR-Ni/Si氧化物)”。

    制备

    根据本发明的用于基于横向诱导晶化低温多晶硅薄膜的薄膜晶体管的制备方法，包括以下步骤：

    1)首先采用低压化学汽相沉积(LPCVD)在衬底11材料上沉积50nm的非晶硅活性层，接着沉积100nm厚度的氧化物(低温氧化物，即LTO)；

    2)通过使用显影光刻处理，在LTO层上刻蚀出一个或多个凹槽12(此处将该槽称为诱导槽)，诱导槽的宽度(W)大约30μm，相邻诱导槽之间的间距(S)大约5000μm，由于凹槽穿透LTO层，暴露出诱导槽下的非晶硅，如图1所示；

    3)在诱导槽内的非晶硅上溅射镍/硅氧化物13，其中所使用的镍硅合金靶中Ni∶Si＝1∶9，且溅射环境中氩气和氧气的比例为200∶1，溅射功率一般为10W，时间为10分钟，测得镍/硅氧化物的厚度(T)大约为2.5埃

    4)将上述产物在氮保护气氛中进行1小时的590℃退火处理，形成金属诱导区301和金属诱导横向晶化区302，如图2所示，101为衬底，102为LTO绝缘层；

    5)晶化完成后，用稀释的氢氟酸去除残余的镍硅氧化物和LTO层，并在不同晶化区间通过光刻形成TFT有源岛401和402，如图3所示；

    6)用LPCVD法沉积100nm的LTO层，覆盖有源岛401和402；

    7)采用诸如Nd:YAG的脉冲激光的三倍频和两倍频激光同时照射样品表面；

    8)以上述多晶硅制备TFT，栅绝缘层为LPCVD沉积的100nm LTO层501，280nm多晶硅栅电极，离子注入的源漏电极701、702(如图4所示)；

    9)采用YAG二倍频激光照射，加热活化掺杂多晶硅源、栅、漏电极；

    10)LPCVD沉积500nm LTO电极绝缘层901，开接触孔，形成金属引出电极902，如图5所示，合金化后，即完成TFT制备。

    图6为本发明的实施例1在590℃下退火半小时后在非晶硅层上样品部分晶化的显微镜照片。从图中可以看出，在此晶化过程中，结晶通常从诱导槽22下的非晶硅开始并随着退火时间横向生长，结晶的方向大体都垂直于诱导槽22。

    多晶硅TFT的性能

    按照上述方法制备了3种不同诱导源的多晶硅TFT(分别标记为A，B和C)，其中样本A和B采用溅射时间分别为3分钟和60分钟的镍硅氧化物作为诱导源，样本C采用通过电子束蒸发法沉积的50的纯镍作为诱导源，其他工艺及条件相同。图7示出了这三种多晶硅TFT的光特性。如图7所示，上圆圈所指的曲线反映了样品A、B和C分别在Vds＝0.1V和0.5V下的Ids与Vgs的关系图。从图中可以看出，曲线在Vgs＝0V附近出现拐点，在该拐点之前这三个样品的曲线基本为重合，但在拐点之后，样品C明显比样品A、B高(A、B基本为重合的)。下圆圈所指出的曲线反映了Vgs与样品A、B和C的场效应迁移率的关系，这三条曲线基本重合。由此可以看出，Ni/Si氧化物的主要优点是减少了关闭态电流(I_off)和栅极引发漏极漏电流(GIDL)，比样本C少了4倍。该结果与下面图8所示相一致。为了比较晶化多晶硅的性能，将这3种样本得到的多晶硅薄膜中残留的镍的浓度进行对比，并以TOF-SIMS(飞行时间二次离子质谱)进行描绘分析，测试了三个晶化多晶硅中诱导口附近沿薄膜垂直深度到薄膜表面的残留的镍，如图8所示。从图8中可以看出，镍在三个样本中的分布是不均匀的。镍残留的高峰值出现在靠近玻璃的非晶硅的底部，在样本A和B中的镍残留几乎一样，但这二者均低于样本C的数量级的一半。这说明诱导物质的厚度并不是如最初的镍容量一样影响相邻非晶硅膜的分界面上的镍残留。

    通过X射线光电子能谱分析本发明的镍/硅氧化物，如图9所示，对应于Ni_2p、O_1s和Si_2p的键能分别是854.3eV，532.5e和103.5eV。这表明硅和镍原子被氧原子包围。氧、硅和镍原子的浓度比是64.18∶34.19∶1.63(即大约40∶21∶1)。需要注意的是，本实施例使用的是9∶1的镍硅合金，溅射过程是在200∶1的氩氧混合的环境下进行的，因此我们假定溅射的镍/硅合金薄膜是19 SiO₂∶Si₂NiO₂的合金结构。Si₂NiO₂可能包括Si₂O-NiO混合的结构，并且其在所溅射的镍/硅氧化物中分子浓度只有5％。众所周知，Ni-O的键强度只有93.6±0.9K car/mol，比Si-O(190.9±2K car/mol)低，但高于Si-Ni(76±4K car/mol)。相互对比这些键强度，该诱导晶化的原理可能是：与镍/硅氧化物相邻的非晶硅中的硅原子有能力从Si₂O-NiO中抢走镍，并自氧化成SiO₂，释放出单原子镍。这个反应可描述为：

    NiO+Si₂O→2SiO+Ni

    同时，随着晶化媒介诱导晶化非晶硅，释放出的镍原子将与非晶硅中的硅发生化学反应生成镍硅化物。在这个晶化过程中，自缓释的镍/硅物质仅仅是在相对较低的比例下替补了镍。这种镍诱导源通过硅与镍硅氧化物反应缓慢地提供了镍，有别于纯净的镍源，提供大量的纯镍原子。因此镍氧化物中的镍消耗量将比采用纯镍时少。这种自缓释活性镍能够减少多晶硅中残留的镍。

    自缓释镍硅氧化物的厚度T

    按照上述方法还制备了其他实施例，所不同的是自缓释镍硅氧化物的厚度T分别为410203050

    为了对比，分别制备了以厚度为102050的纯镍为诱导物的样品。图10为示意了本发明的自缓释镍/硅氧化物和传统纯镍物质的厚度与晶化率的关系的曲线图。其中晶化率是指特定时间(这里指1小时)内镍诱导多晶硅侧向生长的长度。在此图中，晶化率和两种诱导物质厚度的关系有很大区别。使用自缓释镍/硅氧化物的，晶化率在厚度超过4时达到恒定值；使用纯镍的，晶化率明显随着厚度的变化而变化。这说明自缓释镍/硅氧化物的工艺允许误差比纯净的镍金属要好。下面表1示出了本发明的实施例的自缓释镍硅氧化物的厚度及晶化率。

    表1

    

    以上实施例仅为示例性的，在本发明的其他实施例中，所述镍硅氧化物还可以采用除溅射外的其他方法来制备，包括但不限于蒸发、旋涂法等。在优选采用溅射法制备上述镍硅氧化物时，所述镍硅合金靶中镍与硅的比例可以在1∶1～1∶50之间，所述溅射及退火处理过程可以在氧气与其他惰性或保护气体混合的情况下进行，其他惰性或保护气体包括氮气、氩气等，溅射时比例可以在1∶100至1∶200之间，所述溅射功率可以在7W至40W之间，溅射时间可以在1分钟至1小时。对于本领域普通技术人员来说应该理解，所述衬底材料包括但不限于玻璃衬底、聚合物塑料等。所述低温氧化物优选为低温氧化硅。所述低压化学汽相沉积(LPCVD)还可以采用其他常见的薄膜制备方法来替代，例如溅射、电子束蒸发、旋涂等。

    在本发明中，采用SR-Ni/Si氧化物作为诱导物，可有效地减少多晶硅膜中的镍残留，非常适合于MILC制作多晶硅。同时，在制作多晶硅物质时所允许的工艺误差也相对大，不仅提供了更宽的工艺窗口，还防止了不同的工艺参数对多晶硅TFT的影响，减少了多晶硅薄膜晶体管的关闭态电流和漏电流。

    尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。