多晶硅薄膜的制備方法

摘要：低壓化學氣相沉積、固相晶化、準分子激光晶化、快速熱退火、金屬誘導晶化、等離子體增強化學反應氣相沉積等是目前用于制備多晶硅薄膜的幾種主要方法。它們具有各自不同的制備原理、晶化機理、及其優(yōu)缺點。
 
關鍵詞：氫化非晶硅 多晶硅 晶化
　　　　　　　　　　　　The preparation methods of polycrystalline silicon film

Abstract: At present，The preparation methods of polycrystalline silicon film，including Low pressure Chemical Vapor Deposition、Solide Phase Crystallization、Excimer Laser Annealing、 Rapid Thermal Annealing、Metal Induced  Crystallization、plasma enhanced chemical vapor deposition，are being developed. we review typical preparation methods of polycrystalline silicon film、Crystallization Mechanism、their Advantage and Disadvantage.

Keywords: a-Si:Ｈ,Polycrystalline silicon, Crystallization 

1 前言

　　多晶硅薄膜材料同時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。因此，對于多晶硅薄膜材料的研究越來越引起人們的關注，多晶硅薄膜的制備工藝可分為兩大類：一類是高溫工藝，制備過程中溫度高于600℃,襯底使用昂貴的石英，但制備工藝較簡單。另一類是低溫工藝，整個加工工藝溫度低于600℃，可用廉價玻璃作襯底，因此可以大面積制作，但是制備工藝較復雜。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準方法，具有生長速度快，成膜致密、均勻，裝片容量大等特點。多晶硅薄膜可采用硅烷氣體通過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℃，則不能采用廉價的普通玻璃而必須使用昂貴的石英作襯底。 LPCVD法生長的多晶硅薄膜，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，對載流子的遷移率與器件的電學穩(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，退火時間相等時所能得到的晶粒尺寸越大；而在700℃以上，由于此時晶界移動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序程度密切相關，T.Aoyama等人對初始材料的沉積條件對固相晶化的影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)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。由于在結晶過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多晶硅的性能。這種技術的優(yōu)點是能制備大面積的薄膜, 晶粒尺寸大于直接沉積的多晶硅。可進行原位摻雜，成本低，工藝簡單，易于形成生產(chǎn)線。由于SPC是在非晶硅熔融溫度下結晶，屬于高溫晶化過程，溫度高于600℃，通常需要1100 ℃左右，退火時間長達10個小時以上，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、攝像機取景器等。

4 準分子激光晶化(ELA)

　　激光晶化相對于固相晶化制備多晶硅來說更為理想，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，使a-Si薄膜在瞬間達到1000℃左右，從而實現(xiàn)a-Si向p-Si的轉變。在此過程中，激光脈沖的瞬間(15～50ns )能量被a-Si薄膜吸收并轉化為相變能，因此，不會有過多的熱能傳導到薄膜襯底，合理選擇激光的波長和功率，使用激光加熱就能夠使a-Si薄膜達到熔化的溫度且保證基片的溫度低于450℃，可以采用玻璃基板作為襯底，既實現(xiàn)了p-Si薄膜的制備，又能滿足LCD及OEL對透明襯底的要求。其主要優(yōu)點為脈沖寬度短(15～50ns )，襯底發(fā)熱小。通過選擇還可獲得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合體。準分子激光退火晶化的機理：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(fā)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(nèi)用無輻射復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，由于非晶硅材料具有大量的隙態(tài)和深能級，無輻射躍遷是主要的復合過程，因而具有較高的光熱轉換效率，若激光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(nèi)部，經(jīng)過激光照射，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，當非晶薄膜完全熔化時，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,則薄膜不發(fā)生晶化。一般情況下,能量密度增大，晶粒增大，薄膜的遷移率相應增大，當Si膜接近全部熔化時，晶粒最大。但能量受激光器的限制，不能無限增大，太大的能量密度反而令遷移率下降。激光波長對晶化效果影響也很大，波長越長，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硅薄膜。工藝成熟度高，已有大型的生產(chǎn)線設備，但它也有自身的缺點，晶粒尺寸對激光功率敏感，大面積均勻性較差。重復性差、設備成本高，維護復雜。

5 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(wěn)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(nèi)溫度的變化量是很容易控制的。在升溫過程結束后，溫度就處于一個穩(wěn)定階段。最后，當退火爐的電源關掉后，溫度就隨著時間而降低，這一階段稱為冷卻階段。用含氫非晶硅作為初始材料，進行退火處理。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程中的升溫快慢而變化。在升溫過程中，若單位時間內(nèi)溫度變化量較大時(如100℃/s)，則所形成納米硅晶粒較小(1.6～15nm)；若單位時間內(nèi)溫度變化量較小(如1℃/s)，則納米硅粒較大(23～46nm)。進一步的實驗表明：延長退火時間和提高退火溫度并不能改變所形成的納米硅晶粒的大小；而在退火時，溫度上升快慢直接影響著所形成的納米硅晶粒大小。為了弄清楚升溫量變化快慢對所形成的納米硅大小晶粒的影響，采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(nèi)溫度變化量大,則產(chǎn)生的仔晶密度大；反之,若單位時間內(nèi)溫度變化量小，則產(chǎn)生的仔晶密度小。RTA退火時升高退火溫度或延長退火時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出納米硅的生長機理：分形生長。從下到上，只要溫度不太高以致相鄰的納米硅島不熔化，那么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 等離子體增強化學反應氣相沉積（PECVD）

　　等離子體增強化學反應氣相沉積（PECVD）法是利用輝光放電的電子來激活化學氣相沉積反應的。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容器中引進激發(fā)源（例如，直流高壓、射頻、脈沖電源等），電子在電場的加速作用下獲得能量，當它和氣體中的中性粒子發(fā)生非彈性碰撞時，就有可能使之產(chǎn)生二次電子，如此反復的進行碰撞及電離，結果將產(chǎn)生大量的離子和電子。由于其中正負粒子數(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，二者通過碰撞交換能量的過程比較緩慢，所以在等離子體內(nèi)部各種帶電粒子各自達到其熱力學平衡狀態(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。此時電子的溫度可達104℃，而分子、原子、離子的溫度卻只有25～300℃。所以，從宏觀上來看，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)，具有較高的化學活性。若受激發(fā)的能量超過化學反應所需要的熱能激活，這時受激發(fā)的電子能量（1～10eV）足以打開分子鍵，導致具有化學活性的物質(zhì)產(chǎn)生。因此，原來需要高溫下才能進行的化學反應，通過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法沉積薄膜的過程可以概括為三個階段：

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

　　研究表面，在等離子體輔助沉積過程中，離子、荷電集團對沉積表面的轟擊作用是影響結晶質(zhì)量的重要因素之一。克服這種影響是通過外加偏壓抑制或增強。對于采用PECVD技術制備多晶體硅薄膜的晶化過程,目前有兩種主要的觀點.一種認為是活性粒子先吸附到襯底表面,再發(fā)生各種遷移、反應、解離等表面過程,從而形成晶相結構,因此,襯底的表面狀態(tài)對薄膜的晶化起到非常重要的作用.另一種認為是空間氣相反應對薄膜的低溫晶化起到更為重要的作用,即具有晶相結構的顆粒首先在空間等離子體區(qū)形成,而后再擴散到襯底表面長大成多晶膜。對于SiＨ4:Ｈ2氣體系統(tǒng),有研究表明,在高氫摻雜的條件下,當用RF PECVD的方法沉積多晶硅薄膜時,必須采用襯底加熱到600℃以上的辦法,才能促進最初成長階段晶核的形成。而當襯底溫度小于300℃時,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。目前有報道用SiC14:H2或者SiF4:H2為氣源沉積多晶硅，溫度較低，在300℃左右即可獲得多晶硅，但用CVD法制備得多晶硅晶粒尺寸小，一般不超過50nm，晶內(nèi)缺陷多，晶界多。

7 金屬橫向誘導法(MILC)

　　20世紀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轉變的相變能量，之后對Ni/a-Si:H進行退火處理以使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中應用。隨后發(fā)現(xiàn)Ni橫向誘導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?shù)南嘧兡芰浚�使用鎳金屬誘導a-Si薄膜的方法得到了橫向結晶的多晶硅薄膜。橫向結晶的多晶硅薄膜的表面平滑，具有長晶粒和連續(xù)晶界的特征，晶界勢壘高度低于SPC多晶硅的晶界勢壘高度，因此，MILC TFT具有優(yōu)良的性能而且不必要進行氫化處理。利用金屬如鎳等在非晶硅薄膜表面形成誘導層，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而提供的晶格位置，a-Si原子在界面處重結晶，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，如此反復直a-Si層基本上全部晶化，其誘導溫度一般在500℃，持續(xù)時間在1O小時左右，退火時間與薄膜厚度有關。
　　　　　　　　
　　金屬誘導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，并且隨著熱處理時間的增長速率會降低。我們采用MILC和光脈沖輻射相結合的方法，實現(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 結束語

　　除了上述幾種制備多晶硅薄膜的主要方法外，還有超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD )、 電子束蒸發(fā)等。用UHV/CVD生長多晶硅，當生長溫度低于550℃時能生成高質(zhì)量細顆粒多晶硅薄膜，不用再結晶處理，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。另外，日立公司研究指出，多晶硅還可用電子束蒸發(fā)來實現(xiàn)，溫度低于530℃。因此，我們相信隨著上述幾種多晶硅制備方法的日益成熟和新的制備方法的出現(xiàn)，多晶硅技術的發(fā)展必將跨上一個新的臺階，從而推動整個半導體產(chǎn)業(yè)和相關行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 懂會寧等，非晶硅的二步快速退火固相晶化,四川大學學報[J], 1995, 0l：95～97
[2] 曾祥斌。多晶硅薄膜的新型激光晶化制備方法[J]電子元件與材料，2000，01：7～8
[3] 劉傳珍等。激光退火法低溫制備多晶硅搏膜的研究[J]。液晶與顯示，2000，01：46～51
[4] 劉傳珍等。金屬誘導法低溫多晶硅薄膜的制備與研究[J]。半導體學報，2001，01：61～65
[5] 邱法斌等。準分子激光燒結玻璃襯底上多晶硅薄膜材料的制備[J]。液晶與顯示，2001，03：170～174
[6] 卓銘。金屬Ni誘導橫向晶化的結構及工藝進程的優(yōu)化[J]。半導體學報，2002，11：1217～1223
[7] 劉豐珍。等離子體-熱絲CVD技術制備多晶硅薄膜[J]。半導體學報，2003，05：499～503
[8] 邱春文等。PECVD法低溫沉積多晶硅薄膜的研究[J]。液晶與顯示，2003，03：201～204
[9] Giust G.K, Sigmon T.W. Laser-processed thin-film transistors fabricated from sputtered amorphous silicon films. IEEE Trans Electron Devices, 2000, 47(1):207
[10] WangWen,MengZhi guo, Low Temperature Metal Induced Laterally Crystallized Polycrystallline S-ilicon Material and DeviceTechnology,2003,5:87 
[11] Zhu M,Guo X,et al.Thin Solid Films, 2000， 205～306