多晶硅薄膜的制备方式文档格式.docx

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Ｈ,Polycrystallinesilicon,Crystallization

1前言

多晶硅薄膜材料同时具有单晶硅材料的高迁移率及非晶硅材料的可大面积、低本钱制备的优势。

因此，关于多晶硅薄膜材料的研究愈来愈引发人们的关注，多晶硅薄膜的制备工艺可分为两大类：

一类是高温工艺，制备进程中温度高于600℃,衬底利用昂贵的石英，但制备工艺较简单。

另一类是低温工艺，整个加工工艺温度低于600℃，可用廉价玻璃作衬底，因此能够大面积制作，可是制备工艺较复杂。

目前制备多晶硅薄膜的方式要紧有如下几种：

2低压化学气相沉积（LPCVD）

这是一种直接生成多晶硅的方式。

LPCVD是集成电路中所用多晶硅薄膜的制备中普遍采纳的标准方式，具有生长速度快，成膜致密、均匀，装片容量大等特点。

多晶硅薄膜可采纳硅烷气体通过LPCVD法直接沉积在衬底上，典型的沉积参数是：

硅烷压力为～，沉积温度Td=580～630℃，生长速度5～10nm/min。

由于沉积温度较高，如一般玻璃的软化温度处于500～600℃，那么不能采纳廉价的一般玻璃而必需利用昂贵的石英作衬底。

LPCVD法生长的多晶硅薄膜，晶粒具有&

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择优取向，形貌呈“V”字形，内含高密度的微挛晶缺点，且晶粒尺寸小，载流子迁移率不够大而使其在器件应用方面受到必然限制。

尽管减少硅烷压力有助于增大晶粒尺寸，但往往伴随着表面粗糙度的增加，对载流子的迁移率与器件的电学稳固性产生不利阻碍。

3固相晶化（SPC）

所谓固相晶化，是指非晶固体发生晶化的温度低于其熔融后结晶的温度。

这是一种间接生成多晶硅的方式，先以硅烷气体作为原材料，用LPCVD方式在550℃左右沉积a-Si:

H薄膜，然后将薄膜在600℃以上的高温下使其熔化，再在温度稍低的时候显现晶核，随着温度的降低熔融的硅在晶核上继续晶化而使晶粒增大转化为多晶硅薄膜。

利用这种方式，多晶硅薄膜的晶粒大小依托于薄膜的厚度和结晶温度。

退火温度是阻碍晶化成效的重要因素，在700℃以下的退火温度范围内，温度越低，成核速度越低，退火时刻相等时所能取得的晶粒尺寸越大；

而在700℃以上，由于现在晶界移动引发了晶粒的彼此兼并，使得在此温度范围内，晶粒尺寸随温度的升高而增大。

经大量研究说明，利用该方式制得的多晶硅晶粒尺寸还与初始薄膜样品的无序程度紧密相关，等人对初始材料的沉积条件对固相晶化的阻碍进行了研究，发觉初始材料越无序，固相晶化进程中成核速度越低，晶粒尺寸越大。

由于在结晶进程中晶核的形成是自发的，因此，SPC多晶硅薄膜晶粒的晶面取向是随机的。

相邻晶粒晶面取向不同将形成较高的势垒，需要进行氢化处置来提高SPC多晶硅的性能。

这种技术的优势是能制备大面积的薄膜,晶粒尺寸大于直接沉积的多晶硅。

可进行原位搀杂，本钱低，工艺简单，易于形成生产线。

由于SPC是在非晶硅熔融温度下结晶，属于高温晶化进程，温度高于600℃，通常需要1100℃左右，退火时刻长达10个小时以上，不适用于玻璃基底，基底材料采纳石英或单晶硅，用于制作小尺寸器件，如液晶光阀、摄像机取景器等。

4准分子激光晶化（ELA）

激光晶化相关于固相晶化制备多晶硅来讲更为理想，其利用刹时激光脉冲产生的高能量入射到非晶硅薄膜表面，仅在薄膜表层100nm厚的深度产生热能效应，使a-Si薄膜在刹时达到1000℃左右，从而实现a-Si向p-Si的转变。

在此进程中，激光脉冲的刹时（15～50ns）能量被a-Si薄膜吸收并转化为相变能，因此，可不能有过量的热能传导到薄膜衬底，合理选择激光的波长和功率，利用激光加热就能够够使a-Si薄膜达到熔化的温度且保证基片的温度低于450℃，能够采纳玻璃基板作为衬底，既实现了p-Si薄膜的制备，又能知足LCD及OEL对透明衬底的要求。

其要紧优势为脉冲宽度短（15～50ns），衬底发烧小。

通过选择还可取得混合晶化，即多晶硅和非晶硅的混合体。

准分子激光退火晶化的机理：

激光辐射到a-Si的表面，使其表面在温度抵达熔点时即达到了晶化域值能量密度Ec。

a-Si在激光辐射下吸收能量，激发了不平稳的电子－空穴对，增加了自由电子的导电能量，热电子－空穴对在热化时刻内用无辐射复合的途径将自己的能量传给晶格，致使近表层极为迅速的升温，由于非晶硅材料具有大量的隙态和深能级，无辐射跃迁是要紧的复合进程，因此具有较高的光热转换效率，假设激光的能量密度达到域值能量密度Ec时，即半导体加热至熔点温度，薄膜的表面会熔化，熔化的前沿会以约10m/s的速度深切材料内部，通过激光照射，薄膜形成必然深度的融层，停止照射后，融层开始以108-1010K/s的速度冷却，而固相和液相之间的界面将以1-2m/s的速度回到表面，冷却以后薄膜晶化为多晶，随着激光能量密度的增大，晶粒的尺寸增大，当非晶薄膜完全熔化时，薄膜晶化为微晶或多晶，假设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温度升至熔点,那么薄膜不发生晶化。

一样情形下,能量密度增大，晶粒增大，薄膜的迁移率相应增大，当Si膜接近全数熔化时，晶粒最大。

但能量受激光器的限制，不能无穷增大，太大的能量密度反而令迁移率下降。

激光波长对晶化成效阻碍也专门大，波长越长，激光能量注入Si膜越深，晶化成效越好。

ELA法制备的多晶硅薄膜晶粒大、空间选择性好，搀杂效率高、晶内缺点少、电学特性好、迁移率高达到400cm2/，是目前综合性能最好的低温多晶硅薄膜。

工艺成熟度高，已有大型的生产线设备，但它也有自身的缺点，晶粒尺寸对激光功率灵敏，大面积均匀性较差。

重复性差、设备本钱高，保护复杂。

5快速热退火（RTA）

一样而言，快速退火处置进程包括三个时期：

升温时期、稳固时期和冷却时期。

当退火炉的电源一打开，温度就随着时刻而上升，这一时期称为升温时期。

单位时刻内温度的转变量是很容易操纵的。

在升温进程终止后，温度就处于一个稳固时期。

最后，当退火炉的电源关掉后，温度就随着时刻而降低，这一时期称为冷却时期。

用含氢非晶硅作为初始材料，进行退火处置。

平稳温度操纵在600℃以上，纳米硅晶粒能在非晶硅薄膜中形成，而且所形成的纳米硅晶粒的大小随着退火进程中的升温快慢而转变。

在升温进程中，假设单位时刻内温度转变量较大时（如100℃/s），那么所形成纳米硅晶粒较小～15nm）；

假设单位时刻内温度转变量较小（如1℃/s），那么纳米硅粒较大（23～46nm）。

进一步的实验说明：

延长退火时刻和提高退火温度并非能改变所形成的纳米硅晶粒的大小；

而在退火时，温度上升快慢直接阻碍着所形成的纳米硅晶粒大小。

为了弄清楚升温量转变快慢对所形成的纳米硅大小晶粒的阻碍，采纳晶体生长中成核理论。

在晶体生长中需要两步：

第一步是成核，第二步是生长。

也确实是说。

在第一步中需要足够量的生长仔晶。

结果显示：

升温快慢阻碍所形成的仔晶密度.假设单位时刻内温度转变量大,那么产生的仔晶密度大；

反之,假设单位时刻内温度转变量小，那么产生的仔晶密度小。

RTA退火时升高退火温度或延长退火时刻并非能排除薄膜中的非晶部份，薛清等人提出一种从非晶硅中分形生长出纳米硅的生长机理：

分形生长。

从下到上，只要温度不太高以致相邻的纳米硅岛不熔化，那么即便提高退火温度或延长退火时刻都不能完全排除其中的非晶部份。

RTA退火法制备的多晶硅晶粒尺寸小，晶体内部晶界密度大，材料缺点密度高，而且属于高温退火方式，不适合于以玻璃为衬底制备多晶硅。

6等离子体增强化学反映气相沉积（PECVD）

等离子体增强化学反映气相沉积（PECVD）法是利用辉光放电的电子来激活化学气相沉积反映的。

起初，气体由于受到紫外线等高能宇宙射线的辐射，总不可幸免的有轻微的电离，存在着少量的电子。

在充有稀薄气体的反映容器中引进激发源（例如，直流高压、射频、脉冲电源等），电子在电场的加速作用下取得能量，当它和气体中的中性粒子发生非弹性碰撞时，就有可能使之产生二次电子，如此反复的进行碰撞及电离，结果将产生大量的离子和电子。

由于其中正负粒子数量相等。

故称为等离子体，并以发光的形式释放出多余的能量，即形成“辉光”。

在等离子体中，由于电子和离子的质量相差差异，二者通过碰撞互换能量的进程比较缓慢，因此在等离子体内部各类带电粒子各自达到其热力学平稳状态，于是在如此的等离子体中将没有统一的温度，就只有所谓的电子温度和离子温度。

现在电子的温度可达104℃，而分子、原子、离子的温度却只有25～300℃。

因此，从宏观上来看，这种等离子的温度不高，但其内部电子却处于高能状态，具有较高的化学活性。

假设受激发的能量超过化学反映所需要的热能激活，这时受激发的电子能量（1～10eV）足以打开分子键，致使具有化学活性的物质产生。

因此，原先需要高温下才能进行的化学反映，通过放电等离子体的作用，在较低温度下乃至在常温下也能够发生。

PECVD法沉积薄膜的进程能够归纳为三个时期：

分解产生活性粒子Si、H、SiH2和SiH3等；

2.活性粒子在衬底表面的吸附和扩散；

3.在衬底上被吸附的活性分子在表面上发生反映生成Poly-Si层，并放出H2；

研究表面，在等离子体辅助沉积进程中，离子、荷电集团对沉积表面的轰击作用是阻碍结晶质量的重要因素之一。

克服这种阻碍是通过外加偏压抑制或增强。

关于采纳PECVD技术制备多晶体硅薄膜的晶化进程,目前有两种要紧的观点.一种以为是活性粒子先吸附到衬底表面,再发生各类迁移、反映、解离等表面进程,从而形成晶相结构,因此,衬底的表面状态对薄膜的晶化起到超级重要的作用.另一种以为是空间气相反映付薄膜的低温晶化起到更为重要的作用,即具有晶相结构的颗粒第一在空间等离子体区形成,而后再扩散到衬底表面长大成多晶膜。

关于SiＨ4:

Ｈ2气体系统,有研究说明,在高氢搀杂的条件下,当用RFPECVD的方式沉积多晶硅薄膜时,必需采纳衬底加热到600℃以上的方法,才能增进最初成长时期晶核的形成。

而当衬底温度小于300℃时,只能形成氢化非晶硅（a-Si:

Ｈ）薄膜。

以SiＨ4:

Ｈ2为气源沉积多晶硅温度较高，一样高于600℃，属于高温工艺，不适用于玻璃基底。

目前有报导用SiC14:

H2或SiF4:

H2为气源沉积多晶硅，温度较低，在300℃左右即可取得多晶硅，但用CVD法制备得多晶硅晶粒尺寸小，一样不超过50nm，晶内缺点多，晶界多。

7金属横向诱导法（MILC）

20世纪90年代初发觉a-Si中加入一些金属如Al，Cu，Au，Ag，Ni等沉积在a-Si∶H上或离子注入到a-Si∶H薄