多晶矽薄膜的製備方法

發佈日期: 2012 年 04 月 09 日 0:00 | 作者: | 分類: 綠能知識

目前製備多晶矽薄膜的方法主要有如下幾種:

1.低壓化學氣相沉積(LPCVD)

這是一種直接生成多晶矽的方法。LPCVD是積體電路中所用多晶矽薄膜的製備中普遍採用的標準方法,有生長速度快,膜緻密、均勻、裝片容量大等特點。多晶矽薄膜可採用矽烷氣體通過LPCVD法直接沉積在襯底上,典型的沉積參數是:矽烷壓力為13.3~26.6Pa,沉積溫度Td=580~630℃,生長速率5~10nm/min。由於沉積溫度較高,如普通玻璃的軟化溫度處於500~600℃,則不能採用廉價的普通玻璃而必須使用昂貴的石英作襯底。
    
2.固相晶化(SPC)
  
這是一種間接生成多晶矽的方法,先以矽烷氣體作為原材料,用LPCVD方法在550℃左右沉積a-Si:H薄膜,然後將薄膜在600℃以上的高溫下使其熔化,再在溫度稍低的時候出現晶核,隨著溫度的降低熔融的矽在晶核上繼續晶化而使晶粒增大轉化為多晶矽薄膜。使用這種方法,多晶矽薄膜的晶粒大小依賴於薄膜的厚度和結晶溫度。退火溫度是影響晶化效果的重要因素,在700℃以下的退火溫度範圍內,溫度越低,成核速率越低,退火時間相等時所能得到的晶粒尺寸越大;而在700℃以上,由於此時晶界移動引起了晶粒的相互吞併,使得在此溫度範圍內,晶粒尺寸隨溫度的升高而增大。利用該方法制得的多晶矽晶粒尺寸還與初始薄膜樣品的無序程度密切相關,初始材料越無序,固相晶化過程中成核速率越低,晶粒尺寸越大。由於在結晶過程中晶核的形成是自發的,因此,SPC多晶矽薄膜晶粒的晶面取向是隨機的。相鄰晶粒晶面取向不同將形成較高的勢壘,需要進行氫化處理來提高SPC多晶矽的性能。這種技術的優點是能製備大面積的薄膜,晶粒尺寸大於直接沉積的多晶矽。可進行原位摻雜,成本低,工藝簡單,易於形成生產線。由於SPC是在非晶矽熔融溫度下結晶,屬於高溫晶化過程,溫度高於600℃,通常需要1100℃左右,退火時間長達10個小時以上,不適用於玻璃基底,基底材料採用石英或單晶矽,用於製作小尺寸器件,如液晶光閥、攝像機取景器等。
  
3.准分子鐳射晶化(ELA)
  
鐳射晶化相對於固相晶化製備多晶矽來說更為理想,其利用瞬間雷射脈衝產生的高能量入射到非晶矽薄膜表面,僅在薄膜表層100nm厚的深度產生熱能效應,使a-Si薄膜在瞬間達到1000℃左右,從而實現a-Si向p-Si的轉變。在此過程中,雷射脈衝的瞬間(15~50ns)能量被a-Si薄膜吸收並轉化為相變能,因此,不會有過多的熱能傳導到薄膜襯底,合理選擇鐳射的波長和功率,使用鐳射加熱就能夠使a-Si薄膜達到熔化的溫度且保證基片的溫度低於450℃,可以採用玻璃基板作為襯底,既實現了p-Si薄膜的製備,又能滿足LCD及OEL對透明襯底的要求。其主要優點為脈衝寬度短(15~50ns),襯底發熱小。通過選擇還可獲得混合晶化,即多晶矽和非晶矽的混合體。准分子鐳射退火晶化的機理:激光輻射到a-Si的表面,使其表面在溫度到達熔點時即達到了晶化域值能量密度Ec。a-Si在激光輻射下吸收能量,激發了不平衡的電子-空穴對,增加了自由電子的導電能量,熱電子-空穴對在熱化時間內用無輻射複合的途徑將自己的能量傳給晶格,導致近表層極其迅速的升溫,由於非晶矽材料具有大量的隙態和深能級,無輻射躍遷是主要的複合過程,因而具有較高的光熱轉換效率,若鐳射的能量密度達到域值能量密度Ec時,即半導體加熱至熔點溫度,薄膜的表面會熔化,熔化的前沿會以約10m/s的速度深入材料內部,經過鐳射照射,薄膜形成一定深度的融層,停止照射後,融層開始以108~1010K/s的速度冷卻,而固相和液相之間的介面將以1~2m/s的速度回到表面,冷卻之後薄膜晶化為多晶,隨著鐳射能量密度的增大,晶粒的尺寸增大,當非晶薄膜完全熔化時,薄膜晶化為微晶或多晶,若鐳射能量密度小於域值能量密度Ec,即所吸收的能量不足以使表面溫度升至熔點,則薄膜不發生晶化。一般情況下,能量密度增大,晶粒增大,薄膜的遷移率相應增大,當Si膜接近全部熔化時,晶粒最大。但能量受雷射器的限制,不能無限增大,太大的能量密度反而令遷移率下降。鐳射波長對晶化效果影響也很大,波長越長,鐳射能量注入Si膜越深,晶化效果越好。
   
ELA法製備的多晶矽薄膜晶粒大、空間選擇性好,摻雜效率高、晶內缺陷少、電學特性好、遷移率高達到400cm2/v.s,是目前綜合性能最好的低溫多晶矽薄膜。工藝成熟度高,已有大型的生產線設備,但它也有自身的缺點,晶粒尺寸對鐳射功率敏感,大面積均勻性較差。重複性差、設備成本高,維護複雜。
    
4.快速熱退火(RTA)
     
  一般而言,快速退火處理過程包含三個階段:升溫階段、穩定階段和冷卻階段。當退火爐的電源一打開,溫度就隨著時間而上升,這一階段稱為升溫階段。單位時間內溫度的變化量是很容易控制的。在升溫過程結束後,溫度就處於一個穩定階段。最後,當退火爐的電源關掉後,溫度就隨著時間而降低,這一階段稱為冷卻階段。用含氫非晶矽作為初始材料,進行退火處理。平衡溫度控制在600℃以上,納米矽晶粒能在非晶矽薄膜中形成,而且所形成的納米矽晶粒的大小隨著退火過程中的升溫快慢而變化。在升溫過程中,若單位時間內溫度變化量較大時(如100℃/s),則所形成納米矽晶粒較小(1.6~15nm);若單位時間內溫度變化量較小(如1℃/s),則納米矽粒較大(23~46nm)。進一步的實驗表明:延長退火時間和提高退火溫度並不能改變所形成的納米矽晶粒的大小;而在退火時,溫度上升快慢直接影響著所形成的納米矽晶粒大小。為了弄清楚升溫量變化快慢對所形成的納米矽大小晶粒的影響,採用晶體生長中成核理論。在晶體生長中需要兩步:第一步是成核,第二步是生長。也就是說,在第一步中需要足夠量的生長仔晶。結果顯示:升溫快慢影響所形成的仔晶密度。若單位時間內溫度變化量大,則產生的仔晶密度大;反之,若單位時間內溫度變化量小,則產生的仔晶密度小。RTA退火時升高退火溫度或延長退火時間並不能消除薄膜中的非晶部分,薛清等人提出一種從非晶矽中分形生長出納米矽的生長機理:分形生長。從下到上,只要溫度不太高以致相鄰的納米矽島不熔化,那麼即使提高退火溫度或延長退火時間都不能完全消除其中的非晶部分。
     
RTA退火法製備的多晶矽晶粒尺寸小,晶體內部晶界密度大,材料缺陷密度高,而且屬於高溫退火方法,不適合於以玻璃為襯底製備多晶矽。
  
5.等離子體增強化學反應氣相沉積(PECVD)
     
PECVD法沉積薄膜的過程可以概括為三個階段:
  
(1).SiH4分解產生活性粒子Si、H、SiH2 和SiH3等;
(2).活性粒子在襯底表面的吸附和擴散;
(3).在襯底上被吸附的活性分子在表面上發生反應生成Poly-Si層,並放出H2;

對於SiH4:H2氣體系統,在高氫摻雜的條件下,當用RFPECVD的方法沉積多晶矽薄膜時,必須採用襯底加熱到600℃以上的辦法,才能促進最初成長階段晶核的形成。而當襯底溫度小於300℃時,只能形成氫化非晶矽(a-Si:H)薄膜。以SiH4:H2為氣源沉積多晶矽溫度較高,一般高於600℃,屬於高溫工藝,不適用於玻璃基底。目前有報導用SiC14:H2或者SiF4:H2為氣源沉積多晶矽,溫度較低,在300℃左右即可獲得多晶矽,但用CVD法製備得多晶矽晶粒尺寸小,一般不超過50nm,晶內缺陷多,晶界多。
    
6.金屬橫向誘導法(MILC)
    
利用金屬如鎳等在非晶矽薄膜表面形成誘導層,金屬Ni與a-Si在介面處形成NiSi2的矽化物,利用矽化物釋放的潛熱及介面處因晶格失錯而提供的晶格位置,a-Si原子在介面處重結晶,形成多晶矽晶粒,NiSi2層破壞,Ni原子逐漸向a-Si層的底層遷移,再形成NiSi2矽化物,如此反復直a-Si層基本上全部晶化,其誘導溫度一般在500℃,持續時間在10小時左右,退火時間與薄膜厚度有關。
     
金屬誘導法具有均勻性高、成本低、相連金屬掩蔽區以外的非晶矽也可以被晶化、生長溫度在500℃。但是MILC目前它的晶化速率仍然不高,並且隨著熱處理時間的增長速率會降低。我們採用MILC和光脈衝輻射相結合的方法,實現了a-Si薄膜在低溫環境下快速橫向晶化,得到高遷移率、低金屬污染的多晶矽帶。
     
除了上述幾種主要方法外,還有超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD)、電子束蒸發等。

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