一种提高多晶硅层均匀性的方法

一种提高多晶硅层均匀性的方法
【专利摘要】本发明提供一种提高多晶硅层均匀性的方法，包括：在衬底上形成非晶硅层；对非晶硅层进行干式表面处理，以形成第一氧化硅层；从非晶硅层的表面去除第一氧化硅层；在非晶硅层的表面形成第二氧化硅层；以及通过结晶化处理使非晶硅层形成多晶硅栅极层。根据本发明的方法，对非晶硅层进行干式表面处理，避免了湿式处理臭氧水残留的问题，同时起到清洗、氧化和避免下层伤害的作用，可有效提高结晶化处理后多晶硅层的晶粒大小的均匀性。此外，本发明方法有利于提高生产效率和产能，且操作更安全、维护更便捷。
【专利说明】-种提高多晶硅层均匀性的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种形成多晶硅层的方法，特别是涉及一种提高多晶硅层均匀性的方 法。

【背景技术】
[0002] 多晶硅薄膜晶体管与非晶硅薄膜晶体管相比，具有更高的电子迁移率、更快的反 应时间和更高的分辨率，目前已广泛应用于显示装置，作为驱动电路部分的开关元件。多 晶硅薄膜晶体管的制作方法一般采用低温多晶硅方法（LTPS)，其中通常采用化学气相沉 积（CVD)形成非晶硅层，再对该非晶硅层进行结晶化处理。目前一般采用准分子激光退火 (ELA)技术进行结晶化，非晶硅层被308nm激光照射后熔化形成非晶硅液体，非晶硅液体冷 却时，非晶硅液体依附晶核逐渐结晶生长而形成多晶硅层。
[0003] ELA结晶化之前通常需要对非晶硅进行结晶前预处理，以形成晶粒尺寸较大且均 匀的多晶硅层，进而使最终得到的多晶硅薄膜晶体管具有较低的阈值电压和较大的电子迁 移速率。ELA结晶预处理一般是在非晶硅层之上形成表面氧化层，借由该氧化层进行能量缓 冲，从而得到较大的晶粒尺寸。如图1所示，目前的表面氧化层制备方法通常先后经过臭氧 水处理-氢氟酸处理-臭氧水处理，最终形成表面氧化层。经CVD成膜制备的非晶硅层在 自然环境中会氧化形成表面自然氧化层1，该自然氧化层1的均匀性及致密性不佳，第一步 臭氧水处理的目的在于进一步氧化自然氧化层1，将其补偿为较均匀的氧化层3以利于后 续氢氟酸处理的均匀性，同时去除表面附着物2。由于该层氧化层中包含品质不佳的自然氧 化层，因而需经第二步氢氟酸处理将其去除。随后经第三步臭氧水处理在非晶硅表面形成 品质优良的均匀氧化层4。
[0004] 然而，第一步臭氧水氧化处理为湿法处理，存在臭氧水残留的问题，如图1所示， 在进行第二步氢氟酸处理时，会造成残留处的氧化层被氢氟酸去除后露出的下层非晶硅层 再次被残留臭氧水氧化，随后再被氢氟酸去除，而导致此处的非晶硅厚度发生变化，非晶硅 层厚度均匀性变差，进而影响结晶化处理后多晶硅的晶粒大小均匀性。随着显示行业的不 断发展，玻璃基板尺寸日益增大，对大面积非晶硅板进行臭氧水处理更易于出现上述残留 问题。而多晶硅层的晶粒大小均匀性将会极大地影响最终制得的多晶硅薄膜晶体管的阈值 电压和电流特性的均匀性。
[0005] 因此，需要一种提高多晶硅层均匀性的方法，解决上述湿法处理的残留问题，在清 洗、氧化非晶硅表面的同时能够避免对下层非晶硅造成损伤，以利于提高结晶化处理后多 晶硅层的晶粒大小均匀性，从而利于改善多晶硅薄膜晶体管的电性能。


【发明内容】

[0006] 因此，本发明提供一种提高多晶硅层均匀性的方法，该方法包括以下步骤：
[0007] 在衬底上形成非晶硅层；
[0008] 对所述非晶硅层进行干式表面处理，以形成第一氧化硅层；
[0009] 从所述非晶硅层的表面去除所述第一氧化硅层；
[0010] 在所述非晶硅层的表面形成第二氧化硅层；以及
[0011] 通过结晶化处理使所述非晶硅层形成多晶硅层。
[0012] 在本发明方法的一种实施方式中，所述干式表面处理使用极紫外清洗装置或大气 压等离子体清洗装置进行。
[0013] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述干式表面处理进行10?40秒。
[0014] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述干式表面处理还包括去除表面附着物。
[0015] 在本发明方法的另一种实施方式中，其中所述表面附着物包括有机污染物。
[0016] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述去除第一氧化硅层的步骤使用氢氟酸溶 液进行。
[0017] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述氢氟酸溶液的质量浓度为0. 5%?2%。
[0018] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述去除第一氧化硅层的步骤进行20?40 秒。
[0019] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述形成第二氧化硅层的步骤使用臭氧水进 行。
[0020] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述臭氧水的浓度为15?30ppm。
[0021] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述形成第二氧化硅层的步骤进行20?40 秒。
[0022] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述结晶化处理为准分子激光结晶化处理。
[0023] 在本发明方法的另一种实施方式中，所述多晶硅层的晶粒大小为 270〇A~430〇A =
[0024] 根据本发明的方法，采用极紫外线清洗装置或大气压等离子体清洗装置进行干式 表面处理，极紫外线清洗和大气压等离子体清洗均为气态氧化机制，利用气态臭氧、活性氧 原子或氧等离子体对非晶硅层表面进行氧化，将自然氧化层补偿为均匀氧化层并彻底清除 表面附着物，特别是有机物，而不存在残留问题，同时起到清洗、氧化和避免下层伤害的作 用，可有效提高结晶化处理后多晶硅层的晶粒大小的均匀性。
[0025] 再者，按照现行方法，臭氧水处理-氢氟酸处理-臭氧水处理需在同一腔室中顺次 进行，后一步骤必须待前一步骤完结才可进行，为串行过程，而本发明方法中的极紫外线清 洗和大气压等离子体清洗均在独立腔室中进行，可与后续处理同步进行，为并行过程。由 此，在准分子激光退火处理技术日臻完善的情况下，通过克服预处理过程中的瓶颈实现生 广效率和广能的进一步提商。
[0026] 此外，臭氧水为强氧化溶液，极具氧化腐蚀性，对操作人员的健康和安全构成一定 的威胁，与之相比，本发明方法所采用的极紫外线清洗装置和大气压等离子体清洗装置操 作更安全，维护更便捷。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1为现有技术的多晶硅层形成方法的工艺流程示意图；
[0028] 图2为本发明方法的工艺流程示意图。
[0029] 其中，附图标记说明如下：
[0030] 1自然氧化层
[0031] 2表面附着物
[0032] 3第一氧化娃层
[0033] 4第二氧化硅层

【具体实施方式】
[0034] 下面根据具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限 于以下实施例，列举这些实例仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
[0035] 本发明提供了一种提高多晶硅层均匀性的方法，如图2所示，该方法包括以下步 骤：在衬底上形成非晶硅层；对所述非晶硅层进行干式表面处理，以补偿自然氧化层1形成 第一氧化硅层3并去除表面附着物2 ;从所述非晶硅层的表面去除所述第一氧化硅层3 ;在 所述非晶硅层的表面形成第二氧化硅层4 ;以及通过结晶化处理使所述非晶硅层形成多晶 娃栅极层。
[0036] 由于自然氧化层呈岛状、不均匀地形成在非晶硅表面，若直接利用氢氟酸溶液进 行蚀刻去除，则会造成非晶硅表面的蚀刻不均匀。因而，根据本发明的方法，首先采用极紫 外线清洗装置或大气压等离子体装置代替臭氧水，进行第一步干式表面处理，利用气态氧 化机制将自然氧化层补偿为较均匀的氧化层，同时避免了臭氧水湿法处理存在的溶液残留 问题，从而有利于形成厚度均匀的非晶硅层，进而提高结晶化多晶硅层的晶粒大小的均匀 性。
[0037] 在本发明方法的一种实施方式中，采用极紫外线清洗装置进行第一步干式表面处 理，所述极紫外线清洗装置为极紫外线清洗灯（EUV灯），使用该极紫外线清洗灯在大气环 境下以空气为介质照射非晶硅层表面进行表面处理，该表面处理过程优选进行20秒，以对 自然氧化层进行补偿形成较均匀的第一氧化硅层，并去除表面附着物。以下将对极紫外线 清洗灯的工作机制进行具体说明。极紫外线清洗灯可发出172nm波长的紫外光，空气中的 氧分子在吸收172nm波长紫外光后，产生臭氧和氧气，臭氧不稳定，进一步分解为活性氧原 子和氧气，从而利用活性氧原子的强氧化性将非晶硅表面的自然氧化层补偿为均匀氧化 层。另外，极紫外线清洗灯发出的172nm紫外光具有很高的能量，高于大多数有机物的结合 能，大多数碳氢化合物对172nm紫外光具有较强的吸收，吸收高能紫外光后分解为离子、游 离态原子、受激分子和中子等，即光敏作用。同时，臭氧分解产生的强氧化性活性氧原子可 将有机物的碳氢键切断，生成水和二氧化碳等易挥发气体，从被照射的非晶硅表面逸出，从 而彻底清除其表面污染物。与臭氧水处理相比，极紫外线清洗处理能够更彻底地去除表面 附着物，特别是有机物质，使表面达到原子级清洁度，而有效减少表面残留杂质进入多晶硅 层所造成的缺陷。
[0038] 在本发明方法的另一种实施方式中，采用大气压等离子体清洗装置进行第一步干 式表面处理，所述大气压等离子体清洗装置为大气压等离子体清洗机，优选地，使用该大气 压等离子体清洗机对非晶硅层表面进行20秒的表面处理，以对自然氧化层进行补偿形成 较均匀的第一氧化硅层，并去除表面附着物。以下将对大气压等离子体清洗机的工作原理 进行具体说明。在大气压等离子体清洗机中，加电压下产生加速电子，电子与气体分子如氧 气反应产生氧原子和臭氧，具有强氧化性的活性氧原子以及臭氧将非晶硅表面的自然氧化 层补偿为均匀氧化层。另外，大气压等离子体工艺过程中同时会产生紫外光，结合上述化学 反应，具有良好的表面清洁效果，去除有机物质的原理与上述极紫外线清洗灯类似。
[0039] 根据本发明，在经过表面处理在非晶硅表面形成较均匀的第一氧化硅层之后，再 将该包含自然氧化层的第一氧化硅层从非晶硅表面去除。在本发明方法的一种实施方式 中，使用氢氟酸溶液去除该第一氧化硅层。氢氟酸溶液的质量浓度优选为〇. 5%?2%，浓度 过高，蚀刻速率过快，则会过度腐蚀非晶硅层，浓度过小，蚀刻速率过慢，则不能有效去除氧 化硅层。去除第一氧化硅层的步骤优选进行20?40秒，同理，时间过长，则会过度腐蚀非 晶硅层，而时间过短，则不能有效去除氧化硅层。
[0040] 去除第一氧化硅层之后，可进行湿法氧化在非晶硅表面形成厚度均匀、膜质优良 的第二氧化硅层。在本发明方法的一种实施方式中，采用臭氧水清洗非晶硅表面，形成厚度 均匀性良好的第二氧化硅层。所述臭氧水的浓度优选为15?30ppm，浓度过高，氧化速率过 大，不易控制第二氧化硅层的均匀性，浓度过低，氧化速率过小，不利于形成均匀的第二氧 化硅层。形成第二氧化硅层的步骤优选进行20?40秒，以形成良好的厚度均匀性，若时间 过短，则不能充分形成氧化硅层。
[0041] 如上所述，由于采用干法表面处理形成第一氧化硅层，不存在湿法氧化处理溶液 残留的问题，因而经氢氟酸蚀刻去除第一氧化硅层后形成的非晶硅层具有良好的厚度均匀 性，厚度变化率小，从而提高随后形成的第二氧化硅层及其下结晶化处理形成的多晶硅层 的晶粒大小均匀性。
[0042] 可通过多种结晶化方法使非晶硅层结晶形成多晶硅层。根据本发明的方法，优选 使用准分子激光退火（ELA)方法，以脉冲激光辐照覆有氧化硅层的非晶硅以使其熔化，非 晶硅液体冷却时，非晶硅液体依附晶核逐渐结晶生长而形成多晶硅层。
[0043] 多晶硅层的晶粒大小的均匀性可通过测定其晶粒大小变化状况来评价。通常是 在制成的多晶硅面板上选取样品点位，然后再将这些样品裂片后，利用扫描电子显微镜 对晶粒大小进行评价，根据本发明的方法，所得多晶硅层的晶粒大小变化状况可控制在 270〇Α·.、.430〇Α范围内，而经过常规臭氧水处理-氢氟酸处理-臭氧水处理得到的多晶硅 层的晶粒大小通常在2000Α?5000Α范围内变化，由此可见，根据本发明的方法，多晶硅 层的晶粒大小均匀性得到明显提高。
[0044] 除非另作限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
[0045] 以下通过实施例对本发明作进一步地详细说明。
[0046] 实施例
[0047] 实施例1
[0048] 首先采用化学气相沉积法在玻璃衬底上形成厚度为450人的非晶硅层。然后采用 EUV紫外清洗灯（HP-V型，日本UHSI0制造）在大气环境下以空气为介质照射非晶硅层的 表面20秒，形成厚度为20Α的第一氧化硅层。接着采用旋转喷淋法利用质量浓度为1%的 氢氟酸溶液清洗表面30秒，去除第一氧化硅层。随后使用旋转喷淋法利用浓度为25ppm的 臭氧水处理非晶硅层表面30秒，形成20A的第二氧化硅层。最后在室温和大气压下采用 准分子激光退火设备（K0R0NA? LTP G4. 5，AP systems制造），以300?500mJ/cm2的能量， 5?30 μ m的扫描间距，对非晶硅层进行激光退火结晶化处理，形成多晶硅层。
[0049] 利用扫描电子显微镜对所得多晶硅层的晶粒大小均匀性进行评价测定，结果显示 其晶粒大小在2700A?4300A范围内变化。
[0050] 实施例2
[0051] 首先采用化学气相沉积法在玻璃衬底上形成厚度为450人的非晶硅层。然后采用 大气压等离子体清洗机（SD1024型，日本E-Square制造），对非晶硅层的表面处理20秒，形 成厚度为20A的第一氧化硅层。接着采用旋转喷淋法利用质量浓度为1%的氢氟酸溶液清 洗表面30秒，去除第一氧化硅层。随后使用旋转喷淋法利用浓度为25ppm的臭氧水处理非 晶硅层表面30秒，形成20人的第二氧化硅层。最后在室温和大气压下采用准分子激光退 火设备（K0R0NA? LTP G4. 5, AP systems 制造），以 300 ?500mJ/cm2 的能量，5 ?30 μ m 的 扫描间距，对非晶硅层进行激光退火结晶化处理，形成多晶硅层。
[0052] 利用扫描电子显微镜对所得多晶硅层的晶粒大小均匀性进行测定，结果显示其晶 粒大小在2700A?4300A范围内变化。
[0053] 比较例1
[0054] 首先采用化学气相沉积法在玻璃衬底上形成厚度为450A的非晶硅层。使用旋转 喷淋法利用浓度为25ppm的臭氧水处理非晶硅层表面20秒，形成厚度为20人的第一氧化 硅层。接着采用旋转喷淋法利用质量浓度为1%的氢氟酸溶液清洗表面30秒，去除第一氧化 硅层。随后使用旋转喷淋法利用浓度为25ppm的臭氧水处理非晶硅层表面30秒，形成2〇A 的第二氧化硅层。最后在室温和大气压下采用准分子激光退火设备（K0R0NA? LTP G4.5， AP systems制造），以300?500mJ/cm2的能量，5?30 μ m的扫描间距，对非晶娃层进行激 光退火结晶化处理，形成多晶硅层。
[0055] 利用扫描电子显微镜对所得多晶硅层的晶粒大小均匀性进行测定，结果显示其晶 粒大小在2000人?5000人范围内变化。
[0056] 如以上实施例1、2和比较例1的测定结果所示，采用诸如EUV紫外清洗灯或大气 压等离子体清洗机代替臭氧水，即采用气态干式处理代替溶液湿式处理，进行第一步表面 处理，形成第一氧化硅层，最终得到的结晶化多晶硅层的晶粒大小变化状况明显降低，晶粒 大小均匀性显著提高，从而将有利于最终制得的多晶硅薄膜晶体管获得均匀的阈值电压和 电流特性。
[0057] 本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在 本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅 由权利要求限定。
【权利要求】
1. 一种提高多晶硅层均匀性的方法，包括以下步骤： 在衬底上形成非晶硅层； 对所述非晶硅层进行干式表面处理，以形成第一氧化硅层； 从所述非晶硅层的表面去除所述第一氧化硅层； 在所述非晶硅层的表面形成第二氧化硅层；以及 通过结晶化处理使所述非晶硅层形成多晶硅层。
2. 权利要求1的方法，其中所述干式表面处理步骤使用极紫外线清洗装置或大气压等 离子体清洗装置进行。
3. 权利要求2的方法，其中所述干式表面处理进行10?40秒。
4. 权利要求1的方法，其中所述干式表面处理还包括去除表面附着物。
5. 权利要求4的方法，其中所述表面附着物包括有机污染物。
6. 权利要求1的方法，其中所述去除第一氧化硅层的步骤使用氢氟酸溶液进行。
7. 权利要求6的方法，其中所述氢氟酸溶液的质量浓度为0. 5%?2%。
8. 权利要求1的方法，其中所述去除第一氧化硅层的步骤进行20?40秒。
9. 权利要求1的方法，其中所述形成第二氧化硅层的步骤使用臭氧水进行。
10. 权利要求9的方法，其中所述臭氧水的浓度为15?30ppm。
11. 权利要求1的方法，其中所述形成第二氧化硅层的步骤进行20?40秒。
12. 权利要求1的方法，其中所述结晶化处理为准分子激光结晶化处理。
13. 前述任一项权利要求的方法，其中所述多晶硅层的晶粒大小为2700人-4300A。
【文档编号】H01L21/306GK104282546SQ201310284536
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2013年7月8日
【发明者】任东, 黄政仕, 叶昱均, 方赞源 申请人:上海和辉光电有限公司