CN109742028B - 一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管和显示面板 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管和显示面板，所述薄膜晶体管的制作方法包括：在基板上形成缓冲层；在缓冲层沉积非晶硅层；在非晶硅层上覆盖二硅化镍材料的金属种子层；所述非晶硅层在所述金属种子层的诱导作用下以及退火处理转化为多晶硅层；对所述多晶硅层进行曝光显影形成半导体层；对所述半导体层两端进行掺杂；在所述半导体层上依次沉积栅极绝缘层，栅极、层间绝缘层和源漏电极层。这种制造方法可以降低薄膜晶体管的残留金属，有效降低漏电流，同时得到的晶粒更大，使薄膜晶体管表面更为平整，性能更好。
Description
技术领域
本发明涉及显示技术领域，尤其涉及一种薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管和显示面板。
背景技术
低温多晶硅薄膜晶体管(Low-temperature Polycrystalline Silicon thinfilm transisitors,LTPS TFT)因为其展现比较好的电学性能和可以被做成集成电路在平板显示领域得到很大应用。传统的固相结晶(solid-phase crystallization，SPC)和准分子激光退火(Excimer laser annealing,ELA)是使非晶硅结晶常用的方法。但是，准分子激光退火则需要很高的成本和产生晶粒分布不均匀；固相结晶需要长时间的高温加热，这不仅会导致玻璃基板发生相变，而且会降低面板的生产效率；
金属诱导结晶是另一种固相结晶技术，通常使用金属镍，这种方法结晶需要的温度低，但是制造的薄膜晶体管中会残留金属，导致较大的漏电流。有一些研究去除薄膜晶体管中残留金属的技术，例如Ni偏置金属诱导横向结晶法、通过添加覆盖层(SiNx,SiO2),吸杂技术。然而这些技术复杂并且需要长时间高温退火，这会破坏薄膜晶体管，导致性能下降。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种降低残留金属，高质量和性能稳定的薄膜晶体管的制作方法、薄膜晶体管和显示面板。
为实现上述目的，本发明公开了一种薄膜晶体管的制造方法，包括：在基板上形成缓冲层；在缓冲层沉积非晶硅层；在非晶硅层上覆盖二硅化镍材料的金属种子层；所述非晶硅层在所述金属种子层的诱导作用下以及退火处理转化为多晶硅层；对所述多晶硅层进行曝光显影形成半导体层；对所述半导体层两端进行掺杂；在所述半导体层上依次沉积栅极绝缘层，栅极、层间绝缘层和源漏电极层。
可选的，所述在非晶硅层上覆盖二硅化镍材料的金属种子层步骤包括：在非晶硅层上通过磁控溅射二硅化镍材料形成所述金属种子层。
可选的，所述在非晶硅层上覆盖二硅化镍材料的金属种子层步骤包括：
在非晶硅层表面沉积金属镍薄膜；
加热使所述金属镍薄膜与非晶硅反应；
用酸溶液去除未反应的金属镍，形成金属种子层。
可选的，所述在非晶硅层上覆盖二硅化镍材料的金属种子层步骤包括：
在非晶硅层表面形成刻蚀阻挡层；
在刻蚀阻挡层表面形成牺牲层；
在所述牺牲层表面覆盖所述金属种子层；
所述非晶硅层在所述金属种子层的诱导作用下以及退火处理转化为多晶硅层步骤和所述对所述多晶硅层两端进行掺杂步骤之间包括：
去除所述牺牲层和刻蚀阻挡层；
所述牺牲层与所述非晶硅层材料相同。
可选的，所述刻蚀阻挡层不超过5nm。
可选的，所述去除所述牺牲层和刻蚀阻挡层的步骤包括：
采用湿蚀刻去除所述牺牲层和刻蚀阻挡层。
可选的，在所述牺牲层表面覆盖所述金属种子层的步骤包括：
在牺牲层上通过磁控溅射二硅化镍材料形成所述金属种子层。
可选的，在所述牺牲层表面覆盖所述金属种子层的步骤包括：
在所述牺牲层上沉积金属镍薄膜；
加热使所述金属镍薄膜与所述牺牲层反应；
用酸溶液去除未反应的金属镍，形成金属种子层。
可选的，所述退火处理的结晶温度范围为450-600℃，结晶时间范围为0.5-5h。
本发明还公开了一种薄膜晶体管，所述薄膜晶体管采用上述的薄膜晶体管的制作方法制作形成。
本发明还公开了一种显示面板，所述显示面板包括多条扫描线和多条数据线，以及多个上述的薄膜晶体管；所述薄膜晶体管分别与所述扫描线和数据线连接。
相对于普通金属诱导结晶技术，本发明金属种子诱导结晶结束能够有效降低薄膜晶体管中残留的金属，有效降低漏电流，同时得到的晶粒更大，使薄膜晶体管表面更为平整，性能更好。相比传统技术，在退火结晶后，再去除未反应的金属。本发明退火结晶前，去除部分未反应的的金属。此种方法，结晶过程中，不会有未反应金属一直扩散，残留的镍(Ni)杂质金属明显减少。能够有效降低薄膜晶体管中残留的金属。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施方式，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明一实施例一种薄膜晶体管的制作方法示意图；
图2是本发明一实施例一种非晶硅层上沉积金属镍薄膜示意图；
图3是本发明一实施例一种非晶硅层上形成金属种子层示意图；
图4是本发明另实施例一种牺牲层上沉积金属镍薄膜的示意图；
图5是本发明另一实施例一种牺牲层上磁控溅射金属种子层的示意图；
图6是本发明另一实施例一种形成多晶硅层的示意图；
图7是本发明一实施例一种形成多晶硅层的示意图；
图8是本发明一实施例一种对多晶硅图形化并两端进行P/N型重掺杂的示意图；
图9是本发明一实施例一种沉积层间绝缘层和源漏电极层的示意图；
图10是本发明一实施例一种显示面板的平面示意图。
其中，100、基板；110、缓冲层；120、非晶硅层；130、金属镍薄膜；140、刻蚀阻挡层；150、牺牲层；200、金属种子层；300、多晶硅层；400、半导体层；410、重掺杂区、420、轻掺杂区；500、栅极绝缘层；600、栅极；610、层间绝缘层；700、源漏电极层；710、源极；720、漏极；800、薄膜晶体管；900、显示面板；910、扫描线；920、数据线。
具体实施方式
这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
下面参考附图1-10和可选的的实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明实施例公布了一种薄膜晶体管的制造方法，包括：
S11：在基板上形成缓冲层；
S12：在缓冲层沉积非晶硅层；在非晶硅层上覆盖二硅化镍(NiSi2)材料的金属种子层；
S13：所述非晶硅层在所述金属种子层的诱导作用下以及退火处理转化为多晶硅层；
S14、对所述多晶硅层进行曝光显影形成半导体层；
S15、对所述半导体层两端进行掺杂；
S16、在所述半导体层上依次沉积栅极绝缘层，栅极、层间绝缘层和源漏电极层。
本方案中，相对于普通金属诱导结晶技术，本发明金属种子诱导结晶结束能够有效降低薄膜晶体管中残留的金属，有效降低漏电流，同时得到的晶粒更大，使薄膜晶体管表面更为平整，性能更好。相比传统技术，在退火结晶后，再去除未反应的金属。本发明退火结晶前，去除部分未反应的的金属。此种方法，结晶过程中，不会有未反应金属一直扩散，残留的镍(Ni)杂质金属明显减少。能够有效降低薄膜晶体管中残留的金属。本方案适用于低温多晶硅技术(Low Tem-perature Poly-silicon，LTPS)。
此实施例中可以在缓冲层上利用化学气相沉积方法沉积非晶硅层120；基板100可以为玻璃基板；栅极、源/漏极为铝、钼、钛、铜中的一种或多种堆栈组合；所述缓冲层110、栅极绝缘层500和层间绝缘层610为氧化硅层、氮化硅层、或者氧化硅与氮化硅叠加的复合层；掺杂后的半导体层包括重掺杂区410和轻掺杂区420；重掺杂区410非晶硅层120和轻掺杂区420多晶硅层300为N型或P型，掺杂的离子为硼离子或者磷离子。
在一实施例中，所述在非晶硅层120上覆盖二硅化镍材料的金属种子层200步骤包括：在非晶硅层120上通过磁控溅射二硅化镍材料形成所述金属种子层200。
本方案中，通过磁控溅射非晶硅层120形成金属种子层200，相比于热蒸镀，电子束镀膜，更快速形成所述金属种子层200，种子诱导结晶更均匀。
在一实施例中，所述在非晶硅层120上覆盖二硅化镍材料的金属种子层200步骤包括：
在非晶硅层120表面沉积金属镍薄膜130；加热使所述金属镍薄膜130与非晶硅120反应；用酸溶液去除未反应的金属镍，形成金属种子层200。
本方案中，先镀上镍后通过硫酸去除镍形成的金属种子层200，也是在非晶硅层120退火结晶转化为多晶硅层300之前，就现将未被反应的金属去除，使最后得到的薄膜晶体管800降低薄膜晶体管800中残留的金属。
在一实施例中，所述在非晶硅层120上覆盖二硅化镍材料的金属种子层200步骤包括：
在非晶硅层120表面形成刻蚀阻挡层140；
在刻蚀阻挡层140表面形成牺牲层150；
在所述牺牲层150表面覆盖所述金属种子层200；
所述非晶硅层120在所述金属种子层200的诱导作用下以及退火处理转化为多晶硅层300步骤和所述对所述多晶硅层300两端进行掺杂步骤之间包括：去除所述牺牲层150和刻蚀阻挡层140；所述牺牲层150与所述非晶硅层120材料相同。
本方案中，非晶硅层120转成多晶硅，晶粒是靠晶核生长，要想得到大的晶粒，需要给足够的生长区间，晶粒是呈现柱状生长，越往下晶粒直径尺寸越大，所以上面晶粒小的多晶硅作为牺牲层150。金属种子层200相当于一个个晶核，通过退火，成长为晶粒。而传统方法，结晶速度更快，晶粒小，晶粒密度大，所以表面粗糙，本发明结晶速度慢，同时去除上方牺牲层150上晶粒小的晶硅，从而可以得到更大的晶粒，使薄膜晶体管800表面更为平整，薄膜晶体管800性能更好。
在一实施例中，所述刻蚀阻挡层140不超过5nm。
本方案中，刻蚀阻挡层140是将非晶硅层120通过硫酸溶液表面进行氧化形成，可以保证刻蚀阻挡层140的厚度不超过5nm，改善薄膜晶体管800表面的均匀性。
在一实施例中，所述退火处理的结晶温度范围是450-600℃，结晶时间范围是0.5-2h。
本方案中，明确金属种子诱导结晶使采用低温结晶工艺，从而获得低温多晶硅薄膜晶体管800，适用于低温多晶硅显示面板900内。
在一实施例中，在所述牺牲层表面覆盖所述金属种子层的步骤包括，在牺牲层上通过磁控溅射二硅化镍材料形成所述金属种子层。
在一实施例中，在所述牺牲层150表面覆盖所述金属种子层200的步骤包括：
在牺牲层150上沉积金属镍薄膜；加热使所述金属镍薄膜130与所述牺牲层150反应，用酸溶液去除未反应的金属镍，形成金属种子层200。
本方案中，先镀上镍后通过硫酸去除镍形成的金属种子层200，也是在牺牲层150上通过两种方式，将牺牲层150与金属种子层200退火结晶转化为多晶硅层300之前，就先将未被反应的金属去除，使最后得到的薄膜晶体管800中残留的金属相比其他薄膜晶体管降低。
作为本发明的另一实施例，本发明还公开一种薄膜晶体管制作方法，包括：
如图2所示，在基板上形成缓冲层110。然后利用化学气相沉积方法在缓冲层110上沉积一层非晶硅(a-Si)层120；利用磁控溅射方法在非晶硅层120表面镀上金属镍薄膜130，厚度约等于5nm；之后用硫酸溶液将未反应的镍去除；形成二硅化镍材质的金属种子层200(如图3所示)。或者，直接使用磁控溅射在非晶硅层120表面沉积二硅化镍种子层。基板采用玻璃基板，缓冲层采用氧化硅、氮化硅、或者氧化硅与氮化硅叠加的复合材料制成。
如图3所示，对上述步骤形成的样品进行低温结晶，将非晶硅层转化为多晶硅层。低温结晶工艺为金属种子层诱导结晶法，结晶温度(450—600℃)，结晶时间(0.5—2h)相比退火结晶后再去除未反应的金属的技术方案，结晶过程后，低温多晶硅薄膜中会残留金属，密度从靠近金属的多晶硅部分到远离金属的部分逐渐减少，残留金属较多。本方案二硅化镍/多晶硅界面处的Si相对二硅化镍/单晶硅(c-Si)界面处Si具有更高的自由能，所以可以保证二硅化镍/多晶硅界面不断向多晶硅一侧推进。此种方法在结晶过程中不会有未反应金属一直扩散，残留的Ni杂质金属明显减少。而且种子层相当于一个个晶核，通过退火，缓慢成长为晶粒，成型的晶粒更大，表面更平整。
如图8所示，采用光刻制程将多晶硅层300进行图形化处理，然后用一道光罩对多晶硅层300两端进行P/N型重掺杂。在重掺杂后的多晶硅层300上沉积栅极绝缘层500和栅极600，栅极图形化后，采用自对准方式在重掺杂多晶硅和本征多晶硅之间进行P/N型轻掺杂区。
掺杂后的半导体层包括重掺杂区410和轻掺杂区420。掺杂的离子为硼离子或者磷离子。沉积的N型重掺杂非晶硅层采用的反应气体包括：甲硅烷、磷化氢、以及氢气，沉积的P型重掺杂非晶硅层采用的反应气体包括：甲硅烷、氟化硼、以及氢气。
如图9所示，在栅极600上沉积层间绝缘层和源漏电极层700，形成源极710和漏极720。栅极600、源极710和漏极720为铝、钼、钛、铜中的一种或多种堆栈组合。
作为本发明的另一实施例，本发明还公开一种薄膜晶体管制作方法，包括：
如图5所示，在基板上形成缓冲层，利用化学气相沉积方法在缓冲层上沉积一层非晶硅(a-Si)层；然后硫酸溶液在非晶硅层表面形成薄的刻蚀阻挡层；之后加一层厚牺牲层沉积在刻蚀阻挡层上面；牺牲层采用非晶硅材料制成，厚度大于刻蚀阻挡层。通过磁控溅射将薄的二硅化镍材质的金属种子层沉积在牺牲层上。或者，如图4所示，利用磁控溅射方法在牺牲层表面镀上金属镍薄膜，厚度约等于5nm；之后用硫酸溶液将未反应的镍去除；形成二硅化镍材质的金属种子层200。
基板100采用玻璃基板，缓冲层采用氧化硅、氮化硅、或者氧化硅与氮化硅叠加的复合材料制成。
如图6所示，将上述步骤形成的样本进行低温结晶，将非晶硅层转化为多晶硅层。
低温结晶工艺为金属种子层诱导结晶法，结晶温度(450—600℃)，结晶时间(0.5—2h)相比退火结晶后再去除未反应的金属的技术方案，结晶过程后，低温多晶硅薄膜中会残留金属，密度从靠近金属的多晶硅部分到远离金属的部分逐渐减少，残留金属较多。本方案二硅化镍/多晶硅界面处的Si相对二硅化镍/单晶硅(c-Si)界面处Si具有更高的自由能，所以可以保证二硅化镍/多晶硅界面不断向多晶硅一侧推进。此种方法在结晶过程中不会有未反应金属一直扩散，残留的Ni杂质金属明显减少。而且种子层相当于一个个晶核，通过退火，缓慢成长为晶粒，成型的晶粒更大，表面更平整。
晶粒是靠晶核生长，要想得到大的晶粒，需要给足够的生长区间，本方案中晶粒是呈现柱状生长，越往下晶粒直径尺寸越大，因此将上面晶粒小的多晶硅作为牺牲层。而刻蚀阻挡层是将多晶硅表面进行氧化，约为2nm,可以改善多晶硅表面的均匀性，不影响二硅化镍渗透到多晶硅层。
如图6和图7所示，通过湿蚀刻去除牺牲层和刻蚀阻挡层。
后续步骤如图8至图9所示，与上述实施方式相同，在此不再赘述。
作为本发明的另一实施例，本发明还公开了一种薄膜晶体管800，所述薄膜晶体管800采用上述的薄膜晶体管的制作方法制作形成。
如图10所示，作为本发明的另一实施例，本发明还公开了一种显示面板900，包括：多条扫描线910和多条数据线920，以及多个上述的薄膜晶体管800；薄膜晶体管800分别与所述扫描线910和数据线920连接。
需要说明的是，本方案中涉及到的各步骤的限定，在不影响具体方案实施的前提下，并不认定为对步骤先后顺序做出限定，写在前面的步骤可以是在先执行的，也可以是在后执行的，甚至也可以是同时执行的，只要能实施本方案，都应当视为属于本发明的保护范围。
本发明的技术方案可以广泛应用于薄膜晶体管液晶显示器(Thin FilmTransistor-Liquid Crystal Display，TFT-LCD)和有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示器等平板显示器。
以上内容是结合具体的可选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，包括：
在基板上形成缓冲层；
在缓冲层沉积非晶硅层；
在非晶硅层表面形成刻蚀阻挡层；
在刻蚀阻挡层表面形成牺牲层，所述牺牲层采用非晶硅材料制成；
在所述牺牲层表面覆盖金属种子层；
所述非晶硅材料的牺牲层和所述非晶硅层在所述金属种子层的诱导作用下以及退火处理转化为多晶硅层，上面晶粒小的多晶硅是牺牲层，越往下多晶硅的晶粒直径尺寸越大；
去除所述晶粒小的多晶硅的牺牲层和刻蚀阻挡层，以得到更大晶粒的多晶硅；
对所述多晶硅层进行曝光显影形成半导体层；
对所述半导体层两端进行掺杂；
在所述半导体层上依次沉积栅极绝缘层，栅极、层间绝缘层和源漏电极层。
2.如权利要求1所述的一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，所述刻蚀阻挡层的厚度范围不超过5nm；所述牺牲层的厚度大于所述刻蚀阻挡层。
3.如权利要求1所述的一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，所述退火处理的结晶温度范围为450-600℃，结晶时间范围为0.5-5h。
4.如权利要求1所述的一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，在所述牺牲层表面覆盖所述金属种子层的步骤包括：
在所述牺牲层上通过磁控溅射二硅化镍材料形成所述金属种子层。
5.如权利要求1所述的一种薄膜晶体管的制造方法，其特征在于，在所述牺牲层表面覆盖所述金属种子层的步骤包括：
在所述牺牲层上沉积金属镍薄膜；
加热使所述金属镍薄膜与所述牺牲层反应；
用酸溶液去除未反应的金属镍，形成金属种子层。
6.一种薄膜晶体管，其特征在于，所述薄膜晶体管采用如权利要求1-5任意一项所述的薄膜晶体管的制造方法制作形成。
7.一种显示面板，其特征在于，包括多条扫描线和多条数据线，以及多个如权利要求6所述的薄膜晶体管；所述薄膜晶体管分别与所述扫描线和数据线连接。
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