一種提高多晶矽層均勻性的方法

2023-07-31 14:13:06 1

一種提高多晶矽層均勻性的方法
【專利摘要】本發明提供一種提高多晶矽層均勻性的方法，包括：在襯底上形成非晶矽層；對非晶矽層進行乾式表面處理，以形成第一氧化矽層；從非晶矽層的表面去除第一氧化矽層；在非晶矽層的表面形成第二氧化矽層；以及通過結晶化處理使非晶矽層形成多晶矽柵極層。根據本發明的方法，對非晶矽層進行乾式表面處理，避免了溼式處理臭氧水殘留的問題，同時起到清洗、氧化和避免下層傷害的作用，可有效提高結晶化處理後多晶矽層的晶粒大小的均勻性。此外，本發明方法有利於提高生產效率和產能，且操作更安全、維護更便捷。
【專利說明】-種提高多晶矽層均勻性的方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種形成多晶矽層的方法，特別是涉及一種提高多晶矽層均勻性的方 法。

【背景技術】
[0002] 多晶矽薄膜電晶體與非晶矽薄膜電晶體相比，具有更高的電子遷移率、更快的反 應時間和更高的解析度，目前已廣泛應用於顯示裝置，作為驅動電路部分的開關元件。多 晶矽薄膜電晶體的製作方法一般採用低溫多晶矽方法（LTPS)，其中通常採用化學氣相沉 積（CVD)形成非晶矽層，再對該非晶矽層進行結晶化處理。目前一般採用準分子雷射退火 (ELA)技術進行結晶化，非晶矽層被308nm雷射照射後熔化形成非晶矽液體，非晶矽液體冷 卻時，非晶矽液體依附晶核逐漸結晶生長而形成多晶矽層。
[0003] ELA結晶化之前通常需要對非晶矽進行結晶前預處理，以形成晶粒尺寸較大且均 勻的多晶矽層，進而使最終得到的多晶矽薄膜電晶體具有較低的閾值電壓和較大的電子遷 移速率。ELA結晶預處理一般是在非晶矽層之上形成表面氧化層，藉由該氧化層進行能量緩 衝，從而得到較大的晶粒尺寸。如圖1所示，目前的表面氧化層製備方法通常先後經過臭氧 水處理-氫氟酸處理-臭氧水處理，最終形成表面氧化層。經CVD成膜製備的非晶矽層在 自然環境中會氧化形成表面自然氧化層1，該自然氧化層1的均勻性及緻密性不佳，第一步 臭氧水處理的目的在於進一步氧化自然氧化層1，將其補償為較均勻的氧化層3以利於後 續氫氟酸處理的均勻性，同時去除表面附著物2。由於該層氧化層中包含品質不佳的自然氧 化層，因而需經第二步氫氟酸處理將其去除。隨後經第三步臭氧水處理在非晶矽表面形成 品質優良的均勻氧化層4。
[0004] 然而，第一步臭氧水氧化處理為溼法處理，存在臭氧水殘留的問題，如圖1所示， 在進行第二步氫氟酸處理時，會造成殘留處的氧化層被氫氟酸去除後露出的下層非晶矽層 再次被殘留臭氧水氧化，隨後再被氫氟酸去除，而導致此處的非晶矽厚度發生變化，非晶矽 層厚度均勻性變差，進而影響結晶化處理後多晶矽的晶粒大小均勻性。隨著顯示行業的不 斷髮展，玻璃基板尺寸日益增大，對大面積非晶矽板進行臭氧水處理更易於出現上述殘留 問題。而多晶矽層的晶粒大小均勻性將會極大地影響最終製得的多晶矽薄膜電晶體的閾值 電壓和電流特性的均勻性。
[0005] 因此，需要一種提高多晶矽層均勻性的方法，解決上述溼法處理的殘留問題，在清 洗、氧化非晶矽表面的同時能夠避免對下層非晶矽造成損傷，以利於提高結晶化處理後多 晶矽層的晶粒大小均勻性，從而利於改善多晶矽薄膜電晶體的電性能。


【發明內容】

[0006] 因此，本發明提供一種提高多晶矽層均勻性的方法，該方法包括以下步驟：
[0007] 在襯底上形成非晶矽層；
[0008] 對所述非晶矽層進行乾式表面處理，以形成第一氧化矽層；
[0009] 從所述非晶矽層的表面去除所述第一氧化矽層；
[0010] 在所述非晶矽層的表面形成第二氧化矽層；以及
[0011] 通過結晶化處理使所述非晶矽層形成多晶矽層。
[0012] 在本發明方法的一種實施方式中，所述乾式表面處理使用極紫外清洗裝置或大氣 壓等離子體清洗裝置進行。
[0013] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述乾式表面處理進行10?40秒。
[0014] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述乾式表面處理還包括去除表面附著物。
[0015] 在本發明方法的另一種實施方式中，其中所述表面附著物包括有機汙染物。
[0016] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述去除第一氧化矽層的步驟使用氫氟酸溶 液進行。
[0017] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述氫氟酸溶液的質量濃度為0. 5%?2%。
[0018] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述去除第一氧化矽層的步驟進行20?40 秒。
[0019] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述形成第二氧化矽層的步驟使用臭氧水進 行。
[0020] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述臭氧水的濃度為15?30ppm。
[0021] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述形成第二氧化矽層的步驟進行20?40 秒。
[0022] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述結晶化處理為準分子雷射結晶化處理。
[0023] 在本發明方法的另一種實施方式中，所述多晶矽層的晶粒大小為 270〇A~430〇A =
[0024] 根據本發明的方法，採用極紫外線清洗裝置或大氣壓等離子體清洗裝置進行乾式 表面處理，極紫外線清洗和大氣壓等離子體清洗均為氣態氧化機制，利用氣態臭氧、活性氧 原子或氧等離子體對非晶矽層表面進行氧化，將自然氧化層補償為均勻氧化層並徹底清除 表面附著物，特別是有機物，而不存在殘留問題，同時起到清洗、氧化和避免下層傷害的作 用，可有效提高結晶化處理後多晶矽層的晶粒大小的均勻性。
[0025] 再者，按照現行方法，臭氧水處理-氫氟酸處理-臭氧水處理需在同一腔室中順次 進行，後一步驟必須待前一步驟完結才可進行，為串行過程，而本發明方法中的極紫外線清 洗和大氣壓等離子體清洗均在獨立腔室中進行，可與後續處理同步進行，為並行過程。由 此，在準分子雷射退火處理技術日臻完善的情況下，通過克服預處理過程中的瓶頸實現生 廣效率和廣能的進一步提商。
[0026] 此外，臭氧水為強氧化溶液，極具氧化腐蝕性，對操作人員的健康和安全構成一定 的威脅，與之相比，本發明方法所採用的極紫外線清洗裝置和大氣壓等離子體清洗裝置操 作更安全，維護更便捷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為現有技術的多晶矽層形成方法的工藝流程示意圖；
[0028] 圖2為本發明方法的工藝流程示意圖。
[0029] 其中，附圖標記說明如下：
[0030] 1自然氧化層
[0031] 2表面附著物
[0032] 3第一氧化娃層
[0033] 4第二氧化矽層

【具體實施方式】
[0034] 下面根據具體實施例對本發明的技術方案做進一步說明。本發明的保護範圍不限 於以下實施例，列舉這些實例僅出於示例性目的而不以任何方式限制本發明。
[0035] 本發明提供了一種提高多晶矽層均勻性的方法，如圖2所示，該方法包括以下步 驟：在襯底上形成非晶矽層；對所述非晶矽層進行乾式表面處理，以補償自然氧化層1形成 第一氧化矽層3並去除表面附著物2 ;從所述非晶矽層的表面去除所述第一氧化矽層3 ;在 所述非晶矽層的表面形成第二氧化矽層4 ;以及通過結晶化處理使所述非晶矽層形成多晶 娃柵極層。
[0036] 由於自然氧化層呈島狀、不均勻地形成在非晶矽表面，若直接利用氫氟酸溶液進 行蝕刻去除，則會造成非晶矽表面的蝕刻不均勻。因而，根據本發明的方法，首先採用極紫 外線清洗裝置或大氣壓等離子體裝置代替臭氧水，進行第一步乾式表面處理，利用氣態氧 化機制將自然氧化層補償為較均勻的氧化層，同時避免了臭氧水溼法處理存在的溶液殘留 問題，從而有利於形成厚度均勻的非晶矽層，進而提高結晶化多晶矽層的晶粒大小的均勻 性。
[0037] 在本發明方法的一種實施方式中，採用極紫外線清洗裝置進行第一步乾式表面處 理，所述極紫外線清洗裝置為極紫外線清洗燈（EUV燈），使用該極紫外線清洗燈在大氣環 境下以空氣為介質照射非晶矽層表面進行表面處理，該表面處理過程優選進行20秒，以對 自然氧化層進行補償形成較均勻的第一氧化矽層，並去除表面附著物。以下將對極紫外線 清洗燈的工作機制進行具體說明。極紫外線清洗燈可發出172nm波長的紫外光，空氣中的 氧分子在吸收172nm波長紫外光後，產生臭氧和氧氣，臭氧不穩定，進一步分解為活性氧原 子和氧氣，從而利用活性氧原子的強氧化性將非晶矽表面的自然氧化層補償為均勻氧化 層。另外，極紫外線清洗燈發出的172nm紫外光具有很高的能量，高於大多數有機物的結合 能，大多數碳氫化合物對172nm紫外光具有較強的吸收，吸收高能紫外光後分解為離子、遊 離態原子、受激分子和中子等，即光敏作用。同時，臭氧分解產生的強氧化性活性氧原子可 將有機物的碳氫鍵切斷，生成水和二氧化碳等易揮發氣體，從被照射的非晶矽表面逸出，從 而徹底清除其表面汙染物。與臭氧水處理相比，極紫外線清洗處理能夠更徹底地去除表面 附著物，特別是有機物質，使表面達到原子級清潔度，而有效減少表面殘留雜質進入多晶矽 層所造成的缺陷。
[0038] 在本發明方法的另一種實施方式中，採用大氣壓等離子體清洗裝置進行第一步幹 式表面處理，所述大氣壓等離子體清洗裝置為大氣壓等離子體清洗機，優選地，使用該大氣 壓等離子體清洗機對非晶矽層表面進行20秒的表面處理，以對自然氧化層進行補償形成 較均勻的第一氧化矽層，並去除表面附著物。以下將對大氣壓等離子體清洗機的工作原理 進行具體說明。在大氣壓等離子體清洗機中，加電壓下產生加速電子，電子與氣體分子如氧 氣反應產生氧原子和臭氧，具有強氧化性的活性氧原子以及臭氧將非晶矽表面的自然氧化 層補償為均勻氧化層。另外，大氣壓等離子體工藝過程中同時會產生紫外光，結合上述化學 反應，具有良好的表面清潔效果，去除有機物質的原理與上述極紫外線清洗燈類似。
[0039] 根據本發明，在經過表面處理在非晶矽表面形成較均勻的第一氧化矽層之後，再 將該包含自然氧化層的第一氧化矽層從非晶矽表面去除。在本發明方法的一種實施方式 中，使用氫氟酸溶液去除該第一氧化矽層。氫氟酸溶液的質量濃度優選為〇. 5%?2%，濃度 過高，蝕刻速率過快，則會過度腐蝕非晶矽層，濃度過小，蝕刻速率過慢，則不能有效去除氧 化矽層。去除第一氧化矽層的步驟優選進行20?40秒，同理，時間過長，則會過度腐蝕非 晶矽層，而時間過短，則不能有效去除氧化矽層。
[0040] 去除第一氧化矽層之後，可進行溼法氧化在非晶矽表面形成厚度均勻、膜質優良 的第二氧化矽層。在本發明方法的一種實施方式中，採用臭氧水清洗非晶矽表面，形成厚度 均勻性良好的第二氧化矽層。所述臭氧水的濃度優選為15?30ppm，濃度過高，氧化速率過 大，不易控制第二氧化矽層的均勻性，濃度過低，氧化速率過小，不利於形成均勻的第二氧 化矽層。形成第二氧化矽層的步驟優選進行20?40秒，以形成良好的厚度均勻性，若時間 過短，則不能充分形成氧化矽層。
[0041] 如上所述，由於採用幹法表面處理形成第一氧化矽層，不存在溼法氧化處理溶液 殘留的問題，因而經氫氟酸蝕刻去除第一氧化矽層後形成的非晶矽層具有良好的厚度均勻 性，厚度變化率小，從而提高隨後形成的第二氧化矽層及其下結晶化處理形成的多晶矽層 的晶粒大小均勻性。
[0042] 可通過多種結晶化方法使非晶矽層結晶形成多晶矽層。根據本發明的方法，優選 使用準分子雷射退火（ELA)方法，以脈衝雷射輻照覆有氧化矽層的非晶矽以使其熔化，非 晶矽液體冷卻時，非晶矽液體依附晶核逐漸結晶生長而形成多晶矽層。
[0043] 多晶矽層的晶粒大小的均勻性可通過測定其晶粒大小變化狀況來評價。通常是 在製成的多晶矽面板上選取樣品點位，然後再將這些樣品裂片後，利用掃描電子顯微鏡 對晶粒大小進行評價，根據本發明的方法，所得多晶矽層的晶粒大小變化狀況可控制在 270〇Α·.、.430〇Α範圍內，而經過常規臭氧水處理-氫氟酸處理-臭氧水處理得到的多晶矽 層的晶粒大小通常在2000Α?5000Α範圍內變化，由此可見，根據本發明的方法，多晶矽 層的晶粒大小均勻性得到明顯提高。
[0044] 除非另作限定，本發明所用術語均為本領域技術人員通常理解的含義。
[0045] 以下通過實施例對本發明作進一步地詳細說明。
[0046] 實施例
[0047] 實施例1
[0048] 首先採用化學氣相沉積法在玻璃襯底上形成厚度為450人的非晶矽層。然後採用 EUV紫外清洗燈（HP-V型，日本UHSI0製造）在大氣環境下以空氣為介質照射非晶矽層的 表面20秒，形成厚度為20Α的第一氧化矽層。接著採用旋轉噴淋法利用質量濃度為1%的 氫氟酸溶液清洗表面30秒，去除第一氧化矽層。隨後使用旋轉噴淋法利用濃度為25ppm的 臭氧水處理非晶矽層表面30秒，形成20A的第二氧化矽層。最後在室溫和大氣壓下採用 準分子雷射退火設備（K0R0NA? LTP G4. 5，AP systems製造），以300?500mJ/cm2的能量， 5?30 μ m的掃描間距，對非晶矽層進行雷射退火結晶化處理，形成多晶矽層。
[0049] 利用掃描電子顯微鏡對所得多晶矽層的晶粒大小均勻性進行評價測定，結果顯示 其晶粒大小在2700A?4300A範圍內變化。
[0050] 實施例2
[0051] 首先採用化學氣相沉積法在玻璃襯底上形成厚度為450人的非晶矽層。然後採用 大氣壓等離子體清洗機（SD1024型，日本E-Square製造），對非晶矽層的表面處理20秒，形 成厚度為20A的第一氧化矽層。接著採用旋轉噴淋法利用質量濃度為1%的氫氟酸溶液清 洗表面30秒，去除第一氧化矽層。隨後使用旋轉噴淋法利用濃度為25ppm的臭氧水處理非 晶矽層表面30秒，形成20人的第二氧化矽層。最後在室溫和大氣壓下採用準分子雷射退 火設備（K0R0NA? LTP G4. 5, AP systems 製造），以 300 ?500mJ/cm2 的能量，5 ?30 μ m 的 掃描間距，對非晶矽層進行雷射退火結晶化處理，形成多晶矽層。
[0052] 利用掃描電子顯微鏡對所得多晶矽層的晶粒大小均勻性進行測定，結果顯示其晶 粒大小在2700A?4300A範圍內變化。
[0053] 比較例1
[0054] 首先採用化學氣相沉積法在玻璃襯底上形成厚度為450A的非晶矽層。使用旋轉 噴淋法利用濃度為25ppm的臭氧水處理非晶矽層表面20秒，形成厚度為20人的第一氧化 矽層。接著採用旋轉噴淋法利用質量濃度為1%的氫氟酸溶液清洗表面30秒，去除第一氧化 矽層。隨後使用旋轉噴淋法利用濃度為25ppm的臭氧水處理非晶矽層表面30秒，形成2〇A 的第二氧化矽層。最後在室溫和大氣壓下採用準分子雷射退火設備（K0R0NA? LTP G4.5， AP systems製造），以300?500mJ/cm2的能量，5?30 μ m的掃描間距，對非晶娃層進行激 光退火結晶化處理，形成多晶矽層。
[0055] 利用掃描電子顯微鏡對所得多晶矽層的晶粒大小均勻性進行測定，結果顯示其晶 粒大小在2000人?5000人範圍內變化。
[0056] 如以上實施例1、2和比較例1的測定結果所示，採用諸如EUV紫外清洗燈或大氣 壓等離子體清洗機代替臭氧水，即採用氣態乾式處理代替溶液溼式處理，進行第一步表面 處理，形成第一氧化矽層，最終得到的結晶化多晶矽層的晶粒大小變化狀況明顯降低，晶粒 大小均勻性顯著提高，從而將有利於最終製得的多晶矽薄膜電晶體獲得均勻的閾值電壓和 電流特性。
[0057] 本領域技術人員應當注意的是，本發明所描述的實施方式僅僅是示範性的，可在 本發明的範圍內作出各種其他替換、改變和改進。因而，本發明不限於上述實施方式，而僅 由權利要求限定。
【權利要求】
1. 一種提高多晶矽層均勻性的方法，包括以下步驟： 在襯底上形成非晶矽層； 對所述非晶矽層進行乾式表面處理，以形成第一氧化矽層； 從所述非晶矽層的表面去除所述第一氧化矽層； 在所述非晶矽層的表面形成第二氧化矽層；以及 通過結晶化處理使所述非晶矽層形成多晶矽層。
2. 權利要求1的方法，其中所述乾式表面處理步驟使用極紫外線清洗裝置或大氣壓等 離子體清洗裝置進行。
3. 權利要求2的方法，其中所述乾式表面處理進行10?40秒。
4. 權利要求1的方法，其中所述乾式表面處理還包括去除表面附著物。
5. 權利要求4的方法，其中所述表面附著物包括有機汙染物。
6. 權利要求1的方法，其中所述去除第一氧化矽層的步驟使用氫氟酸溶液進行。
7. 權利要求6的方法，其中所述氫氟酸溶液的質量濃度為0. 5%?2%。
8. 權利要求1的方法，其中所述去除第一氧化矽層的步驟進行20?40秒。
9. 權利要求1的方法，其中所述形成第二氧化矽層的步驟使用臭氧水進行。
10. 權利要求9的方法，其中所述臭氧水的濃度為15?30ppm。
11. 權利要求1的方法，其中所述形成第二氧化矽層的步驟進行20?40秒。
12. 權利要求1的方法，其中所述結晶化處理為準分子雷射結晶化處理。
13. 前述任一項權利要求的方法，其中所述多晶矽層的晶粒大小為2700人-4300A。
【文檔編號】H01L21/306GK104282546SQ201310284536
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2013年7月8日 優先權日:2013年7月8日
【發明者】任東, 黃政仕, 葉昱均, 方贊源 申請人:上海和輝光電有限公司