一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法
2023-11-10 11:07:07 1
一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法
【專利摘要】一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法，步驟如下：在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅物後進行退火處理；採用等離子體增強化學氣相沉積法進行氫等離子體預處理後進行二次退火處理；用雷射器的雷射照射上述二次退火處理後的晶化前驅物以使其晶化為多晶矽，即可製得多晶矽薄膜。本發明的優點是：該製備方法與普通的微電子工藝兼容且成本低廉；通過控制氫等離子體預處理達到提高薄膜性能的目的；所製備的多晶矽薄膜可廣泛用於製備多晶矽薄膜電晶體和多晶矽電晶體電路、顯示器象素電路和光電子器件、面陣敏感器，平板顯示基板，多晶矽電路和象素電極製備的全集成顯示系統，具有重要的實用價值。
【專利說明】—種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及多晶矽薄膜材料的製備技術，具體涉及到一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法。
【背景技術】
[0002]非晶矽和多晶矽是目前用於製備有源選址矩陣的有源層的主流薄膜材料。多晶矽與非晶矽相比，具有較高的遷移率和較好的穩定性，適合於製備高質量、高解析度、低功耗和高穩定性的有源選址顯示器。在全集成小尺寸的顯示器上的應用，具有明顯的優勢。但其製備工藝相對複雜，製備成本相對較高。如果欲在大尺寸有源選址技術上，與非晶矽一爭高低，就必須在保持多晶矽原有優勢的同時，開發出適於大面積玻璃襯底的低成本材料製備技術。低溫晶化技術因其能低溫下製備出高性能薄膜電晶體(TFT)所需的多晶矽材料而受到廣泛關注和採用。用多晶矽製備的TFT在場效應遷移率、可靠性、閾值電壓等方面的特性在很大程度上依賴於多晶矽材料本身的性能，如晶粒尺寸、晶向等。晶界上的缺陷能降低多晶矽TFT的特性。可以用增大晶粒尺寸、減少晶界和提高晶粒均勻性的方法來提高多晶矽TFT的參數特性。實質上，在雷射晶化過程中，增大晶粒尺寸和提高晶粒均勻性的關鍵在於控制晶核數量和分布。為了解決此問題，有人提出了超級橫向生長法，通過精確控制雷射照射的能量，使非晶矽處於近完全熔化，這種情況下非晶矽幾乎完全熔化，只有少量稀疏分布的晶簇未熔化，在冷卻過程中，晶粒以這些晶簇為晶核生長直到相互碰撞，所得晶粒尺寸達I μ m。由於雷射穩定性較差，而超級橫向生長的工藝窗口很窄，通過此方法得到大尺寸晶粒很難實現。還有人提出了用兩次連續橫向晶化(TS-SLS)的方法來實現晶粒生長的控制。在這種方法中，需要在非晶矽表面放置掩模板，通過兩次雷射照射起到控制晶粒橫向生長的作用。但是使用這種方法也有缺點，比如掩模板的設計和製作較為複雜，縫寬和縫間距達到微米級；另外需要兩次照射，第二次照射需要移動掩模板，精確位置很難控制。本發明採用氫等離子體預處理的方法在雷射晶化前預先形成晶核再進行雷射晶化製備多晶矽薄膜。具體是預先將雷射晶化前驅物進行氫等離子體處理，我們以前的研究結果證明氫等離子體具有促進成核的作用，可以在非晶矽中形成一定密度的晶核或者有序結構，因此在後續的雷射晶化過程中，當雷射能量密度合適的時候，晶粒會以這些晶核或有序結構為籽晶生長。通過控制氫等離子體作用的功率、壓強等參數，實現成核密度的控制，達到提高多晶矽性能的目的。與傳統雷射晶化技術相比，本發明並沒有引入複雜工藝。通過測試發現多晶矽的霍爾遷移率有明顯的提高。
[0003]另外，和準分子雷射器相比，氟化釔鋰(YLF)固體雷射器不需要很多的日常維護和補充昂貴的工作物質。因此，通過此項技術還具有與傳統雷射晶化技術相比相對低廉的成本。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是針對上述技術分析和存在問題，提供一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法，該方法可提高多晶矽薄膜的性能，工藝與普通的微電子工藝兼容且成本低廉。
[0005]本發明的技術方案:
一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法，包括如下步驟:
1)在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅物，獲得的晶化前驅物為厚度100-150nm的非晶矽薄膜作為晶化前驅物；
2)將上述晶化前驅物進行退火處理，退火溫度為400-500°C，退火時間為l_3h；
3)對上述退火後的晶化前驅物採用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)進行氫等離子體預處理，工藝參數為:射頻功率0.16W/cm2，腔室內的壓強50-200Pa，預處理溫度150-700°C，預處理時間 10-60min ；
4)將氫等離子體處理後的晶化前驅物進行二次退火處理，退火溫度為400-500°C，退火時間為l-3h ；
5)用雷射器的雷射照射上述二次退火處理後的晶化前驅物以使其晶化為多晶矽，即可製得多晶矽薄膜。
[0006]所述在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅物的方法為化學汽相沉積法、等離子增強化學汽相沉積法或濺射沉積法。
[0007]所述雷射器為半導體固體雷射器，雷射波長為523nm、雷射能量密度為20-400 mj/cm2、脈衝寬度頻率為150ns、掃描速度為6-10mm/s,雷射光斑形狀為圓形光束或線形光束。
[0008]一種所製備的用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的應用，用於製備多晶矽薄膜電晶體，進而將該多晶矽薄膜電晶體用於多晶矽電晶體電路、顯示器象素電路、光電子器件以及採用多晶矽電路和象素電極製備的全集成顯示系統。
[0009]本發明的優點是:該製備方法可提高多晶矽薄膜的性能，工藝與普通的微電子工藝兼容且成本低廉；可通過控制氫等離子體預處理的功率、壓強、時間等參數在晶化前驅物上預置合適分布狀態的晶核，從而在後續的雷射晶化過程中抑制高密度晶核的隨機產生，達到降低晶核密度，增大晶粒尺寸，提高薄膜性能的目的；所製備的多晶矽薄膜可廣泛用於製備多晶矽薄膜電晶體和多晶矽電晶體電路、顯示器象素電路和光電子器件、面陣敏感器，平板顯示基板，多晶矽電路和象素電極製備的全集成顯示系統，具有重要的實用價值。
[0010]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1為採用氫等離子體作用後的非晶矽為晶化前驅物與未採用氫等離子體作用的非晶矽為晶化前驅物，雷射晶化後霍爾遷移率隨雷射能量密度的變化曲線。
[0012]圖2為用原子力顯微鏡所測得的薄膜形貌，圖中:(a)非晶矽樣品的表面形貌；(b)氫等離子體作用後非晶矽樣品的表面形貌(C)雷射晶化後，多晶矽的表面形貌。
【具體實施方式】
[0013]下面結合實施例對本發明的製備方法及產品應用做出詳細說明。
[0014]實施例:
一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法，包括如下步驟: 1)120°c條件下在石英玻璃襯底上採用等離子增強化學氣相沉積(PECVD)沉積厚度為150nm的非晶矽薄膜作為晶化前驅物；
2)將上述晶化前驅物進行退火處理，退火溫度為400°C，退火時間為3h；
3)對上述退火後的晶化前驅物採用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)進行氫等離子體預處理，工藝參數為:射頻功率0.16W/cm2，腔室內的壓強120Pa，預處理溫度600°C，預處理時間20min ；
4)將氫等離子體處理後的晶化前驅物進行二次退火處理，退火溫度為400°C，退火時間為3h ；
5)用氟化釔鋰(YLF)半導體雷射器線形光束掃描照射上述二次退火處理後的晶化前驅物表面以使其晶化為多晶矽，工藝參數:雷射波長為527nm、脈衝頻率為ΙΚΗζ、光束長為4cm、寬為140 μ m，雷射能量密度範圍為0-400mJ/cm2，即可製得多晶矽薄膜。
[0015]圖1為採用氫等離子體作用後雷射晶化與普通的雷射晶化(熱退火6h後雷射晶化)多晶矽薄膜霍爾遷移率隨雷射能量密度的變化曲線。圖中顯示:與普通的雷射晶化相t匕，晶核預控制雷射晶化法製備的多晶矽薄膜霍爾遷移率有較大提升。其霍爾遷移率與普通的樣品相比提高了約50%。
[0016]圖2為用原子力顯微鏡所測得的薄膜形貌，圖中:(a)非晶矽樣品的表面形貌，可以看到非晶矽表面不平整；(b)氫等離子體作用後非晶矽樣品的表面形貌，可以看到氫等離子體作用後非晶矽表面形成了一些有序的團簇結構或類團簇結構；(C)雷射晶化後多晶矽的表面形貌，與一般的雷射晶化多晶矽的表面形貌相似，呈現較為連續整齊的球狀結構。
[0017]將該採用氫等離子體預處理雷射晶化法製備的多晶矽，可應用於製備多晶矽薄膜電晶體，進而將該多晶矽薄膜電晶體用於多晶矽電晶體電路、顯示器象素電路、光電子器件以及採用多晶矽電路和象素電極製備的全集成顯示系統。
【權利要求】
1.一種用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法，其特徵在於包括如下步驟: 1)在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅物，獲得的晶化前驅物為厚度100-150nm的非晶矽薄膜作為晶化前驅物； 2)將上述晶化前驅物進行退火處理，退火溫度為400-500°C，退火時間為l_3h； 3)對上述退火後的晶化前驅物採用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)進行氫等離子體預處理，工藝參數為:射頻功率0.16W/cm2，腔室內的壓強50-200Pa，預處理溫度150-700°C，預處理時間 10-60min ； 4)將氫等離子體處理後的晶化前驅物進行二次退火處理，退火溫度為400-500°C，退火時間為l-3h ； 5)用雷射器的雷射照射上述二次退火處理後的晶化前驅物以使其晶化為多晶矽，即可製得多晶矽薄膜。
2.根據權利要求1所述用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法，其特徵在於:所述在石英玻璃襯底上沉積晶化前驅物的方法為化學汽相沉積法、等離子增強化學汽相沉積法或濺射沉積法。
3.根據權利要求1所述用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的方法，其特徵在於:所述雷射器為半導體固體雷射器，雷射波長為523nm、雷射能量密度為20-400 mj/cm2、脈衝寬度頻率為150ns、掃描速度為6-10mm/s,雷射光斑形狀為圓形光束或線形光束。
4.一種權利要求1所製備的用氫等離子體預處理雷射晶化製備多晶矽薄膜的應用，其特徵在於:用於製備多晶矽薄膜電晶體，進而將該多晶矽薄膜電晶體用於多晶矽電晶體電路、顯示器象素電路、光電子器件以及採用多晶矽電路和象素電極製備的全集成顯示系統。
【文檔編號】H01L21/268GK104078334SQ201410300595
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月27日 優先權日:2014年6月27日
【發明者】李娟 , 景月月, 呂朋浩, 劉政鵬 申請人:南開大學