多晶硅薄膜的制備方法設(shè)計(jì)

1 前言

　　多晶硅薄膜材料同時(shí)具有單晶硅材料的高遷移率及非晶硅材料的可大面積、低成本制備的優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)于多晶硅薄膜材料的研究越來(lái)越引起人們的關(guān)注，多晶硅薄膜的制備工藝可分為兩大類：一類是高溫工藝，制備過(guò)程中溫度高于600℃,襯底使用昂貴的石英，但制備工藝較簡(jiǎn)單。另一類是低溫工藝，整個(gè)加工工藝溫度低于600℃，可用廉價(jià)玻璃作襯底，因此可以大面積制作，但是制備工藝較復(fù)雜。目前制備多晶硅薄膜的方法主要有如下幾種：

　　2 低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)

　　這是一種直接生成多晶硅的方法。LPCVD是集成電路中所用多晶硅薄膜的制備中普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)方法，具有生長(zhǎng)速度快，成膜致密、均勻，裝片容量大等特點(diǎn)。多晶硅薄膜可采用硅烷氣體通過(guò)LPCVD法直接沉積在襯底上，典型的沉積參數(shù)是：硅烷壓力為13.3～26.6Pa，沉積溫度Td=580～630℃，生長(zhǎng)速率5～10nm/min。由于沉積溫度較高，如普通玻璃的軟化溫度處于500～600℃，則不能采用廉價(jià)的普通玻璃而必須使用昂貴的石英作襯底。 LPCVD法生長(zhǎng)的多晶硅薄膜，晶粒具有110>擇優(yōu)取向，形貌呈“V”字形，內(nèi)含高密度的微攣晶缺陷，且晶粒尺寸小，載流子遷移率不夠大而使其在器件應(yīng)用方面受到一定限制。雖然減少硅烷壓力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴隨著表面粗糙度的增加，對(duì)載流子的遷移率與器件的電學(xué)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

　　3 固相晶化(SPC)

　　所謂固相晶化，是指非晶固體發(fā)生晶化的溫度低于其熔融后結(jié)晶的溫度。這是一種間接生成多晶硅的方法，先以硅烷氣體作為原材料，用LPCVD方法在550℃左右沉積a-Si:H薄膜，然后將薄膜在600℃以上的高溫下使其熔化，再在溫度稍低的時(shí)候出現(xiàn)晶核，隨著溫度的降低熔融的硅在晶核上繼續(xù)晶化而使晶粒增大轉(zhuǎn)化為多晶硅薄膜。使用這種方法，多晶硅薄膜的晶粒大小依賴于薄膜的厚度和結(jié)晶溫度。退火溫度是影響晶化效果的重要因素，在700℃以下的退火溫度范圍內(nèi)，溫度越低，成核速率越低，退火時(shí)間相等時(shí)所能得到的晶粒尺寸越大;而在700℃以上，由于此時(shí)晶界移動(dòng)引起了晶粒的相互吞并，使得在此溫度范圍內(nèi)，晶粒尺寸隨溫度的升高而增大。經(jīng)大量研究表明，利用該方法制得的多晶硅晶粒尺寸還與初始薄膜樣品的無(wú)序程度密切相關(guān)，T.Aoyama等人對(duì)初始材料的沉積條件對(duì)固相晶化的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)初始材料越無(wú)序，固相晶化過(guò)程中成核速率越低，晶粒尺寸越大。由于在結(jié)晶過(guò)程中晶核的形成是自發(fā)的，因此，SPC多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是隨機(jī)的。相鄰晶粒晶面取向不同將形成較高的勢(shì)壘，需要進(jìn)行氫化處理來(lái)提高SPC多晶硅的性能。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能制備大面積的薄膜, 晶粒尺寸大于直接沉積的多晶硅。可進(jìn)行原位摻雜，成本低，工藝簡(jiǎn)單，易于形成生產(chǎn)線。由于SPC是在非晶硅熔融溫度下結(jié)晶，屬于高溫晶化過(guò)程，溫度高于600℃，通常需要1100 ℃左右，退火時(shí)間長(zhǎng)達(dá)10個(gè)小時(shí)以上，不適用于玻璃基底，基底材料采用石英或單晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光閥、攝像機(jī)取景器等。

　　4 準(zhǔn)分子激光晶化(ELA)

　　激光晶化相對(duì)于固相晶化制備多晶硅來(lái)說(shuō)更為理想，其利用瞬間激光脈沖產(chǎn)生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，僅在薄膜表層100nm厚的深度產(chǎn)生熱能效應(yīng)，使a-Si薄膜在瞬間達(dá)到1000℃左右，從而實(shí)現(xiàn)a-Si向p-Si的轉(zhuǎn)變。在此過(guò)程中，激光脈沖的瞬間(15～50ns )能量被a-Si薄膜吸收并轉(zhuǎn)化為相變能，因此，不會(huì)有過(guò)多的熱能傳導(dǎo)到薄膜襯底，合理選擇激光的波長(zhǎng)和功率，使用激光加熱就能夠使a-Si薄膜達(dá)到熔化的溫度且保證基片的溫度低于450℃，可以采用玻璃基板作為襯底，既實(shí)現(xiàn)了p-Si薄膜的制備，又能滿足LCD及OEL對(duì)透明襯底的要求。其主要優(yōu)點(diǎn)為脈沖寬度短(15～50ns )，襯底發(fā)熱小。通過(guò)選擇還可獲得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合體。準(zhǔn)分子激光退火晶化的機(jī)理：激光輻射到a-Si的表面，使其表面在溫度到達(dá)熔點(diǎn)時(shí)即達(dá)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(fā)了不平衡的電子-空穴對(duì)，增加了自由電子的導(dǎo)電能量，熱電子-空穴對(duì)在熱化時(shí)間內(nèi)用無(wú)輻射復(fù)合的途徑將自己的能量傳給晶格，導(dǎo)致近表層極其迅速的升溫，由于非晶硅材料具有大量的隙態(tài)和深能級(jí)，無(wú)輻射躍遷是主要的復(fù)合過(guò)程，因而具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，若激光的能量密度達(dá)到域值能量密度Ec時(shí)，即半導(dǎo)體加熱至熔點(diǎn)溫度，薄膜的表面會(huì)熔化，熔化的前沿會(huì)以約10m/s的速度深入材料內(nèi)部，經(jīng)過(guò)激光照射，薄膜形成一定深度的融層，停止照射后，融層開始以108-1010K/s的速度冷卻，而固相和液相之間的界面將以1-2m/s的速度回到表面，冷卻之后薄膜晶化為多晶，隨著激光能量密度的增大，晶粒的尺寸增大，當(dāng)非晶薄膜完全熔化時(shí)，薄膜晶化為微晶或多晶，若激光能量密度小于域值能量密度Ec，即所吸收的能量不足以使表面溫度升至熔點(diǎn),則薄膜不發(fā)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(yīng)增大，當(dāng)Si膜接近全部熔化時(shí)，晶粒最大。但能量受激光器的限制，不能無(wú)限增大，太大的能量密度反而令遷移率下降。激光波長(zhǎng)對(duì)晶化效果影響也很大，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，激光能量注入Si膜越深，晶化效果越好。 ELA法制備的多晶硅薄膜晶粒大、空間選擇性好，摻雜效率高、晶內(nèi)缺陷少、電學(xué)特性好、遷移率高達(dá)到400cm2/v.s，是目前綜合性能最好的低溫多晶硅薄膜。工藝成熟度高，已有大型的生產(chǎn)線設(shè)備，但它也有自身的缺點(diǎn)，晶粒尺寸對(duì)激光功率敏感，大面積均勻性較差。重復(fù)性差、設(shè)備成本高，維護(hù)復(fù)雜

5 快速熱退火(RTA)

　　一般而言，快速退火處理過(guò)程包含三個(gè)階段：升溫階段、穩(wěn)定階段和冷卻階段。當(dāng)退火爐的電源一打開，溫度就隨著時(shí)間而上升，這一階段稱為升溫階段。單位時(shí)間內(nèi)溫度的變化量是很容易控制的。在升溫過(guò)程結(jié)束后，溫度就處于一個(gè)穩(wěn)定階段。最后，當(dāng)退火爐的電源關(guān)掉后，溫度就隨著時(shí)間而降低，這一階段稱為冷卻階段。用含氫非晶硅作為初始材料，進(jìn)行退火處理。平衡溫度控制在600℃以上，納米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的納米硅晶粒的大小隨著退火過(guò)程中的升溫快慢而變化。在升溫過(guò)程中，若單位時(shí)間內(nèi)溫度變化量較大時(shí)(如100℃/s)，則所形成納米硅晶粒較小(1.6～15nm);若單位時(shí)間內(nèi)溫度變化量較小(如1℃/s)，則納米硅粒較大(23～46nm)。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明：延長(zhǎng)退火時(shí)間和提高退火溫度并不能改變所形成的納米硅晶粒的大小;而在退火時(shí)，溫度上升快慢直接影響著所形成的納米硅晶粒大小。為了弄清楚升溫量變化快慢對(duì)所形成的納米硅大小晶粒的影響，采用晶體生長(zhǎng)中成核理論。在晶體生長(zhǎng)中需要兩步：第一步是成核，第二步是生長(zhǎng)。也就是說(shuō)。在第一步中需要足夠量的生長(zhǎng)仔晶。結(jié)果顯示：升溫快慢影響所形成的仔晶密度.若單位時(shí)間內(nèi)溫度變化量大,則產(chǎn)生的仔晶密度大;反之,若單位時(shí)間內(nèi)溫度變化量小，則產(chǎn)生的仔晶密度小。RTA退火時(shí)升高退火溫度或延長(zhǎng)退火時(shí)間并不能消除薄膜中的非晶部分，薛清等人提出一種從非晶硅中分形生長(zhǎng)出納米硅的生長(zhǎng)機(jī)理：分形生長(zhǎng)。從下到上，只要溫度不太高以致相鄰的納米硅島不熔化，那么即使提高退火溫度或延長(zhǎng)退火時(shí)間都不能完全消除其中的非晶部分。 RTA退火法制備的多晶硅晶粒尺寸小，晶體內(nèi)部晶界密度大，材料缺陷密度高，而且屬于高溫退火方法，不適合于以玻璃為襯底制備多晶硅。

　　6 等離子體增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(PECVD)

　　等離子體增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(PECVD)法是利用輝光放電的電子來(lái)激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的。起初，氣體由于受到紫外線等高能宇宙射線的輻射，總不可避免的有輕微的電離，存在著少量的電子。在充有稀薄氣體的反應(yīng)容器中引進(jìn)激發(fā)源(例如，直流高壓、射頻、脈沖電源等)，電子在電場(chǎng)的加速作用下獲得能量，當(dāng)它和氣體中的中性粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，就有可能使之產(chǎn)生二次電子，如此反復(fù)的進(jìn)行碰撞及電離，結(jié)果將產(chǎn)生大量的離子和電子。由于其中正負(fù)粒子數(shù)目相等。故稱為等離子體，并以發(fā)光的形式釋放出多余的能量，即形成“輝光”。在等離子體中，由于電子和離子的質(zhì)量相差懸殊，二者通過(guò)碰撞交換能量的過(guò)程比較緩慢，所以在等離子體內(nèi)部各種帶電粒子各自達(dá)到其熱力學(xué)平衡狀態(tài)，于是在這樣的等離子體中將沒有統(tǒng)一的溫度，就只有所謂的電子溫度和離子溫度。此時(shí)電子的溫度可達(dá)104℃，而分子、原子、離子的溫度卻只有25～300℃。所以，從宏觀上來(lái)看，這種等離子的溫度不高，但其內(nèi)部電子卻處于高能狀態(tài)，具有較高的化學(xué)活性。若受激發(fā)的能量超過(guò)化學(xué)反應(yīng)所需要的熱能激活，這時(shí)受激發(fā)的電子能量(1～10eV)足以打開分子鍵，導(dǎo)致具有化學(xué)活性的物質(zhì)產(chǎn)生。因此，原來(lái)需要高溫下才能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)放電等離子體的作用，在較低溫度下甚至在常溫下也能夠發(fā)生。

　　PECVD法沉積薄膜的過(guò)程可以概括為三個(gè)階段：

　　1.SiH4分解產(chǎn)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(kuò)散;

　　3.在襯底上被吸附的活性分子在表面上發(fā)生反應(yīng)生成Poly-Si層，并放出H2;

　　研究表面，在等離子體輔助沉積過(guò)程中，離子、荷電集團(tuán)對(duì)沉積表面的轟擊作用是影響結(jié)晶質(zhì)量的重要因素之一?？朔@種影響是通過(guò)外加偏壓抑制或增強(qiáng)。對(duì)于采用PECVD技術(shù)制備多晶體硅薄膜的晶化過(guò)程,目前有兩種主要的觀點(diǎn).一種認(rèn)為是活性粒子先吸附到襯底表面,再發(fā)生各種遷移、反應(yīng)、解離等表面過(guò)程,從而形成晶相結(jié)構(gòu),因此,襯底的表面狀態(tài)對(duì)薄膜的晶化起到非常重要的作用.另一種認(rèn)為是空間氣相反應(yīng)對(duì)薄膜的低溫晶化起到更為重要的作用,即具有晶相結(jié)構(gòu)的顆粒首先在空間等離子體區(qū)形成,而后再擴(kuò)散到襯底表面長(zhǎng)大成多晶膜。對(duì)于SiH4:H2氣體系統(tǒng),有研究表明,在高氫摻雜的條件下,當(dāng)用RF PECVD的方法沉積多晶硅薄膜時(shí),必須采用襯底加熱到600℃以上的辦法,才能促進(jìn)最初成長(zhǎng)階段晶核的形成。而當(dāng)襯底溫度小于300℃時(shí),只能形成氫化非晶硅(a-Si:H)薄膜。以SiH4:H2為氣源沉積多晶硅溫度較高，一般高于600℃，屬于高溫工藝，不適用于玻璃基底。目前有報(bào)道用SiC14:H2或者SiF4:H2為氣源沉積多晶硅，溫

　　7 金屬橫向誘導(dǎo)法(MILC)

　　20世紀(jì)90年代初發(fā)現(xiàn)a-Si中加入一些金屬如Al，Cu，Au，Ag，Ni等沉積在a-Si∶H上或離子注入到a-Si∶H薄膜的內(nèi)部，能夠降低a-Si向p-Si轉(zhuǎn)變的相變能量，之后對(duì)Ni/a-Si:H進(jìn)行退火處理以使a-Si薄膜晶化，晶化溫度可低于500℃。但由于存在金屬污染未能在TFT中應(yīng)用。隨后發(fā)現(xiàn)Ni橫向誘導(dǎo)晶化可以避免孿晶產(chǎn)生，鎳硅化合物的晶格常數(shù)與單晶硅相近、低互溶性和適當(dāng)?shù)南嘧兡芰?，使用鎳金屬誘導(dǎo)a-Si薄膜的方法得到了橫向結(jié)晶的多晶硅薄膜。橫向結(jié)晶的多晶硅薄膜的表面平滑，具有長(zhǎng)晶粒和連續(xù)晶界的特征，晶界勢(shì)壘高度低于SPC多晶硅的晶界勢(shì)壘高度，因此，MILC TFT具有優(yōu)良的性能而且不必要進(jìn)行氫化處理。利用金屬如鎳等在非晶硅薄膜表面形成誘導(dǎo)層，金屬Ni與a-Si在界面處形成NiSi2的硅化物，利用硅化物釋放的潛熱及界面處因晶格失錯(cuò)而提供的晶格位置，a-Si原子在界面處重結(jié)晶，形成多晶硅晶粒，NiSi2層破壞，Ni原子逐漸向a-Si層的底層遷移，再形成NiSi2硅化物，如此反復(fù)直a-Si層基本上全部晶化，其誘導(dǎo)溫度一般在500℃，持續(xù)時(shí)間在1O小時(shí)左右，退火時(shí)間與薄膜厚度有關(guān)。

　　金屬誘導(dǎo)非晶硅晶化法制備多晶硅薄膜具有均勻性高、成本低、相連金屬掩蔽區(qū)以外的非晶硅也可以被晶化、生長(zhǎng)溫度在500℃。但是MILC目前它的晶化速率仍然不高，并且隨著熱處理時(shí)間的增長(zhǎng)速率會(huì)降低。我們采用MILC和光脈沖輻射相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了a-Si薄膜在低溫環(huán)境下快速橫向晶化。得到高遷移率、低金屬污染的多晶硅帶。

　　8 結(jié)束語(yǔ)

　　除了上述幾種制備多晶硅薄膜的主要方法外，還有超高真空化學(xué)氣相沉積(UHV/CVD )、 電子束蒸發(fā)等。用UHV/CVD生長(zhǎng)多晶硅，當(dāng)生長(zhǎng)溫度低于550℃時(shí)能生成高質(zhì)量細(xì)顆粒多晶硅薄膜，不用再結(jié)晶處理，這是傳統(tǒng)CVD做不到的，因此該法很適用于低溫多晶硅薄膜晶體管制備。