CN1975989A - 使用固体激光器退火的多晶硅薄膜制备半导体器件的方法 - Google Patents
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Abstract
非晶硅经过金属诱导横向晶化后可形成器件级多晶硅。本发明所讲述的是使用固体激光退火的金属锈导晶化多晶硅薄膜(包括纵向的和横向的晶化方向)制备半导体器件的技术。金属诱导多晶硅薄膜是引入金属镍的非晶硅薄膜经炉管退火而成。为提高该种多晶硅薄膜的质量，使用固体激光对上述多晶硅薄膜进行退火处理用来降低薄膜结构缺陷和金属镍元素对薄膜性质的影响，但是退火过程中，不改变金属诱导多晶硅的主体晶粒结构。器件中的搀杂活化同样采用固体激光。与准分子激光器相比，固体激光器相对便宜而且操作简单，并适合于工业化生产。该种多晶硅材料具有广泛的应用领域，如传感器，电子器件，平板显示器和三维立体电路等。
Description
技术领域
本发明所讲述的是使用固体激光退火的金属诱导晶化多晶硅薄膜(包括纵向的和横向的晶化方向)制备半导体器件的技术。金属诱导多晶硅薄膜是引入金属镍的非晶硅薄膜经炉管退火而成。为提高该种多晶硅薄膜的质量，使用固体激光对上述多晶硅薄膜进行退火处理用来降低薄膜结构缺陷和金属镍元素对薄膜性质的影响，但是退火过程中，不改变金属诱导多晶硅的主体晶粒结构。器件中的掺杂活化同样采用固体激光。与准分子激光器相比，固体激光器相对便宜而且操作简单，并适合于工业化生产。
该种多晶硅材料具有广泛的应用领域，如传感器，电子器件，平板显示器和三维立体电路等。
背景技术
薄膜晶体管(TFTs)已广泛应用于制备有源液晶显示器，有源有机发光二极管显示器，有源电子书以及有源图像传感器。
基于非晶硅的TFTs由于开关速度慢以及不能制备P型器件使得很难用于实现外围电路。这使得人们转向于将非晶硅经过熔炉或激光器加热得到的多晶硅上。
常规的低压化学气相沉积制备多晶硅，加工温度高(620-650℃)，材料质量低。通过高温退火(高于1000℃)可以提高质量，然而这只能用于衬底是昂贵的石英衬底不能用于较便宜的玻璃衬底。
另一种制备多晶硅的技术是金属诱导晶化(美国专利5275851，5879977，2001018224和6737674)。制成的材料晶粒较大并具有连续的晶粒间界，材料和器件的均匀性和可重复性较好。然而，如果能减少材料的微缺陷就能得到性能更好的材料和器件。
还有一种技术是对非晶硅进行准分子激光晶化，能得到质量更高的多晶硅(美国专利535229，6071796和2004087116)。然而它存在均匀性和可重复性较差的缺点，而且成本也较高。
在美国专利(5705829，58937730，5869362和2003129853)中已提出将金属诱导晶化和准分子激光退火结合起来的方法。然而，所采用的准分子激光器很昂贵很复杂。
在非晶硅上采用Nd:YAG激光加导热层能得到多晶硅(美国专利6537864)。相对而言该激光器较便宜，但是这项技术处理温度较高，制成材料的质量也不够好。
而本发明是一项将非晶硅金属诱导晶化和固体激光器退火结合起来制备多晶硅薄膜的技术。制成的薄膜质量高，均匀性和可重复性好。在该薄膜上可以制作半导体器件，最大加工温度不超过590℃。固体激光器的成本也很低。
发明内容
本发明是一项将非晶硅金属诱导晶化和固体激光器退火结合起来制备多晶硅薄膜的技术。制成的薄膜质量高，均匀性和可重复性好。在该薄膜上可以制作半导体器件，最大加工温度不超过590℃。固体激光器的成本也很低。
本发明的第一个创新点是采用较便宜的固体激光器来减少金属诱导晶化形成的多晶硅中的材料微缺陷的数量。
本发明的第二个创新点是采用固体激光器的更高倍频的激光。对于Nd:YAG激光，335nm的三倍频激光很容易被硅吸收，而532nm的二倍频激光则优先被微缺陷吸收。前者可用来减少体缺陷而后者可用来减少局部晶粒间界缺陷。
该种多晶硅材料具有广泛的应用领域，如传感器，电子器件，平板显示器和三维立体电路等。
本发明所述的一种制备多晶硅薄膜的技术所包含的步骤：
1)形成一层非晶硅薄膜；
2)在所述的非晶硅薄膜上沉积一薄层镍；
3)将所述的非晶硅和镍薄膜一起在420℃-620℃温度下退火，持续时间为0.5-5小时；
4)生成的薄膜经二倍频和三倍频脉冲激光同时照射，脉冲激光的波长在0.9微米到1.2微米之间。
所述的非晶硅薄膜是采用但不限于低压化学气相沉积过程形成的。
所述的非晶硅薄膜厚度为10-100纳米；
所述的镍薄为非晶硅中硅量的0.1-0.01％；
所述的脉冲激光可以是Nd:YAG激光；
所述的脉冲激光可以是Nd:Glass激光；
所述的脉冲激光可以是Alexandrite激光；
所述的多晶硅薄膜器件的衬底可以是玻璃、聚合物、绝缘不锈钢、多晶硅或者含有预制的常规集成电路的单晶硅。
上述详细说明是有关本发明的具体说明，凡未脱离本发明精神所为的等效实施或变更，均属于本发明的内容范围。
附图说明
图1：沉积在覆盖着绝缘层的衬底之上的非晶硅薄和定义选择区和非选择区的掩膜的截面示意图。
图2：在非晶硅表面沉积微量镍的截面示意图。
图3：在垂直和横向方向上金属诱导晶化的截面示意图。
图4：金属诱导晶化和金属诱导横向晶化在衬底上形成的有源岛的截面示意图。
图5：采用固体激光器三倍频或者三倍频和二倍频混合的激光对金属诱导晶化多晶硅进行照射的截面示意图。
图6：固体激光器“n”倍频和“m”倍频激光混合照射的示意图。
图7：形成薄膜晶体管的栅电极和源漏区域离子注入的截面示意图。
图8：采用热退火或Nd:YAG三倍频激光将薄膜晶体管掺杂激活的截面示意图。
图9：采用金属诱导晶化和固体激光器退火技术制成的薄膜晶体管的截面示意图。
具体实施方式
本发明参照附图详述如下：
使用固体激光器退火的金属诱导晶化多晶硅制作半导体器件的方法描述如下，参见图1-9。
图1：沉积在覆盖着绝缘层102的衬底101之上的非晶硅薄膜103和掩膜层104的截面示意图。
衬底可以是高温聚合物，玻璃，不锈钢，多晶硅或含有预制的常规集成电路的单晶硅中的一种。
过渡层可以承受较长时间的高于650℃的加工温度的加工，包括但不仅限于氧化硅，氮氧化硅，氮化硅。
在150℃-600℃的低温下形成10纳米到3微米厚的非晶硅薄膜103。采用的技术包括但不仅限于溅射，蒸发或低压和等离子加强化学气相沉积。
形成非晶硅薄膜103后，再形成一个100-200纳米厚的掩膜层104(包括但不仅限于氧化硅，氮氧化硅，氮化硅)。这一层可以承受较长时间的高于650℃的加工温度的加工。
图2：在非晶硅薄膜103的暴露区域沉积的镍201的截面示意图。引入镍的方法包括但不限于电子束蒸发，溅射，化学气相沉积，离子注入或将衬底浸入含有镍离子的溶液。
图3：非晶硅在氮气氛围下的常规退火炉中在420℃到620℃下形成的多晶硅的截面示意图。位于镍层正下方的301区域是“垂直”晶化，被掩膜层104覆盖的302区域是横向晶化。
晶化完成后，残余的镍和掩膜层将被去除。通过常规的光刻刻蚀技术定义有源岛。
图4：分别在301和302区域形成的多晶硅有源岛401和402的截面示意图。
图5：绝缘层501(包括但不仅限于氧化硅)的示意图。透过501层，采用单模式或多模式的固体激光器对有源岛401或402进行照射。
图6：两个单一模式的激光交替照射。每个模式的照射时间，波长，能量都进行最优化。
图7：在有源岛401和402上实现薄膜晶体管的截面示意图。703为栅电极。有源岛401和402上的源漏电极分别用701和702标出。
图8：采用固体激光辐射，将源漏区域热激活。或者采用在常规退火记中420℃到620℃温度下退火的方法。
图9：两个薄膜晶体管的截面示意图。沉积绝缘层901。接触孔开向栅，源和漏电极。金属连接线902沉积并定型。
具体实施制备方法是：
1：在1.1毫米厚的康宁1737F玻璃101上，PECVD沉积200纳米低温氮化硅，100纳米低温氧化硅(LTO)102，之后采用LPCVD的方法。如在上衬底上沉积50纳米的非晶硅103。
2：在非晶硅的表面沉积150纳米LTO层104，光刻形成选择区(非晶硅裸露区)和非选择区(LTO掩盖区)。
3：上述样品，通过镍硅混合靶，氩氧气氛溅射沉积微量的镍附着其表面。镍量为非晶硅中硅量的0.1-0.01％。
4：附着微量镍的非晶硅样品，在氮气氛围下的常规退火炉中在590℃温度下退火3小时，形成金属诱导区间301和金属诱导横向晶化区间302。
5：晶化完成后，用稀释的氢氟酸(5％)去除残余的镍和掩膜层。
6：在不同晶化区间，光刻形成TFT有源岛。
7：LPCVD法沉积100纳米的LTO层，覆盖在有源硅岛401、402上。
8：采用YAG三倍频和两倍频激光502、503(能量比10∶1)同时照射样品表面。脉冲宽度30纳秒，激光能量120毫焦/平方里面，扫描速度0.5厘米/秒。
9：以上述多晶硅制备TFT，栅绝缘层为LPCVD沉积的100纳米厚LTO层501，280纳米多晶硅栅电极703，离子注入的源漏电极701、702。
10：采用TAG二倍频(532纳米)激光801照射，加热活化掺杂多晶硅源、栅、漏电极。
11.LPCVD沉积500纳米LTO电极绝缘层901，开接触孔，形成金属引出电极902，合金化后，即完成器件的制备。
Claims (18)
1.一种制备多晶硅薄膜的技术所包含的步骤：
1)形成一层非晶硅薄膜；
2)在所述的非晶硅薄膜上沉积一薄层镍；
3)将所述的非晶硅和镍薄膜一起在420℃-620℃温度下退火，持续时间为0.5-5小时；
4)生成的薄膜经二倍频和三倍频脉冲激光同时照射，脉冲激光的波长在0.9微米到1.2微米之间。
2.权利要求1中所述的非晶硅薄膜是通过低压化学气相沉积过程形成的。
3.所述的非晶硅薄膜厚度为10-100纳米。
4.权利要求1中所述的镍薄膜厚度为1-10纳米。
5.权利要求1中所述的脉冲激光可以是Nd:YAG激光。
6.权利要求1中所述的脉冲激光可以是Nd:Glass激光。
7.权利要求1中所述的脉冲激光可以是Alexandrite激光。
8.权利要求1中所述的脉冲激光持续时间为5-30纳秒。
9.权利要求1中所述的多晶硅薄膜器件的衬底可以是玻璃、聚合物、绝缘不锈钢、多晶硅或者含有预制的常规集成电路的单晶硅。
10.采用权利要求1-8中所述的技术制成的多晶硅可以用来制备薄膜晶体管。薄膜晶体管可以是顶栅型的，或底栅型的，或同时具有顶栅和底栅的双栅型的，或一个顶栅一个直流底栅型的双栅型的。
11.采用权利要求1-8中所述的技术制成的多晶硅可以用来制备温度传感器。
12.采用权利要求1-8中所述的技术制成的多晶硅可以用来制备微机械系统。
13.采用权利要求1-8中所述的技术制成的多晶硅可以用来制备图像传感器。
14.采用权利要求1-8中所述的技术制成的多晶硅可以用来制备红外传感器。
15.采用权利要求1-8中所述的技术制成的多晶硅可以用来制备显示器中的象素电极。
16.采用权利要求10中所述的技术制成的薄膜晶体管可以用来制备平板显示器的有源基板和外围驱动电路。
17.采用权利要求10中所述的技术制成的薄膜晶体管可以用来制备图像传感器的有源基板和外围驱动电路。
18.采用权利要求10中所述的技术制成的薄膜晶体管可以用来制备数字电路，模拟电路和存储单元。
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