金属诱导法制备多晶硅薄膜的研究进展

镁钛工业硅

金属诱导法制备多晶硅薄膜的研究进展

蔡捷宏,姚若河,陈明鑫,许佳雄,陈岳政

(华南理工大学物理科学与技术学院,广州510640)

摘要:多晶硅薄膜材料已广泛应用于太阳能电池和集成电路制造等领域。本文综述了金属诱导非晶硅薄膜进行低温

晶化的研究,讨论了金属诱导法的晶化机理,分析了金属诱导晶化过程中的主要影响因素,对不同的金属诱导法进行

比较,展望了金属诱导法的进一步发展。

关键词:多晶硅薄膜;金属诱导;低温晶化

中图分类号:TF533.2+1 文献标识码:A 文章编号:10021752(2006)11004803

Progress in Study on Poly-Si Films by Metal Induced Crystallization

CAI Jie-hong,YAO Ruo-he,CHEN M ing-xin,XU Jia-x iong,CHEN Yue-zheng (School of Physics,South China University o f Technology,Guangz hou510640,China)

Abstract:T he polycrystalline silicon(Poly-Si)films are w idely used in energy sources and i nformational science field.This article presents the technol ogy of Poly-S i films by metal induced crystallization,an d discus ses crystalline mechanism.Finally,the developed tendency of Poly-Si films is predi cated.

Keywords:Poly-S i films;metal induced;low temperature crystallizati on

1 前言

多晶硅(Poly-Si)薄膜由于有较高的载流子迁移率和稳定的光电性能,广泛应用于太阳能电池、液晶显示器(LCD)、图像感应器、集成电路等领域。而多晶硅薄膜的低温制备技术能降低多晶硅的制造成本。因此,如何在低温下获得优质的多晶硅薄膜成为研究的热点。

目前,低温制备多晶硅薄膜的主要方法有:低压化学气相沉积(LPCVD)1!、热丝化学气相法(HWCVD)2!、固相晶化法(SPC)3~4!、准分子激光退火法(ELA)5!、金属诱导法(M IC)6!。用LPCVD 法制备多晶硅成膜致密、均匀,能大面积生产,但是用这种方法制备时,所需衬底的温度较高,且沉积速度较慢,不能使用廉价的玻璃为衬底;热丝化学气相法具有沉淀速率快、衬底温度低等优点,但是由于淀积速度太快时,薄膜会形成微空洞,在空气中易被氧化;固相晶化法工艺相对简单、成本低、均匀性好、而且能大面积应用,但是晶化温度较高(600∀以上),晶化时间长,晶粒尺寸和均匀性较难控制;准分子激光退火法具有晶化度高、可以实现大面积制备、晶粒尺寸合适、工艺周期短、衬底的温度低等优点,但是该方法用到的设备昂贵,成本高,大面积衬底上晶化的均匀性有待改进,而且其非平衡退火机制尚不清楚,其工艺的重复性与稳定性较差;金属诱导法所需晶化温度低,意味着可以采用廉价的玻璃为衬底材料,且所需晶化时间较短,得到的晶粒较大、薄膜均匀性好。

2 金属诱导的晶化机理

如果没有金属诱导,Si的固相结晶激活能是3ev~4ev。当用Al层与a-Si层相接触时,Al原子扩散进Si中,Al原子与Si原子相互作用,使Si-Si 键从饱和价键向非饱和价键转变,其键强变弱7!,从而使AlxSi激活能下降0.8ev。由于Si-Al界面处高浓度的Al原子的存在,使得电子和原子的迁移率明显提高,从而使Alx Si的混合相层在Si-Al界面处形成。这层混合相层是Al和Si相互扩散的媒介。一旦Alx Si媒介层形成,Si就不断地通过扩散进Al中,并在Al中溶化。溶化的Si优先在Al边界处成核。晶核通过吸附从a-Si中扩散进来的Si原子不断向Al层内部生长。当晶粒长到跟Al一样厚度时,由于衬底和Al/Si界面的约束,晶体不再纵向长大,但横向继续长大,一直到相邻的晶体颗粒碰撞到一起。由于Al在结晶硅中的溶解度极低,Al原子被不断长大的Si颗粒排挤入a-Si层中。在整个

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收稿日期:2006-08-02

晶化过程中,由于Si原子在Al中的高扩散系数,a -Si中的Si源源不断地进入Al层与晶粒结合,直到形成连续的Poly-Si层8!。如果Al层与a-Si 不是在同一个系统中淀积,而在淀积层转移过程中接触到空气,则在淀积层表面形成一层氧化物。如果是先淀积Al层,则在Al表面产生Al的稳定氧化物;如果是先淀积Si层,则Si表面形成的是Si的不稳定氧化物,在Al蒸发时,氧化物与Al相互作用,形成Al/Si的稳定氧化物SiOx/AlOy。退火时,混合相层Alx Si在氧化层内形成,并且,晶化结束后, Al层与Poly-Si层由氧化物相互隔离8!。

对于Ni,Pt,Pb等金属诱导,有与Al相类似的过程。

3 影响金属诱导晶化的主要因素

3.1 退火温度

由于金属能使Si的激活能大大降低,所以金属和硅界面有低的共熔点温度,例如Al/Si的共熔点为557∀,通常在远低于共熔点的温度下,就已经形成了金属与硅的混合相。混合相作为Al/Si的扩散媒介形成后,Si原子就开始向Al层扩散并晶化9!。

由金属的诱导机理可知,p-Si的生长主要由Si原子从a-Si层通过Al/Si混合相在Al中的扩散决定。当退火温度过低时,Si原子的扩散速度太小,难以重组使其从无序的非晶态向有序的晶态转变7!。随退火温度的升高,Al原子与Si原子的相互扩散速度不断增大,一方面,提供足够的能量使Si 原子得以向晶态转变;另一方面,扩散速度的提高也加快了晶粒的生长速度,从而缩短了晶化的时间11!。但是,退火温度并不是越高越好。随着温度的升高,晶核的形成速度也在增大,而且增大得比晶粒的生长速度更快。由于晶粒的尺寸正比于晶粒的生长速度与晶核的形成速度的比值,所以,温度的升高会降低晶粒的尺寸10!。为了制备出晶粒尺寸足够大、性能优良的Poly-Si,应适当控制退火的温度。通常,退火温度选取在375∀到535∀之间10!。一般情况下,对于500nm厚的a-Si层,在500∀退火时,将a-Si完全晶化并将Al层替换出Poly-Si 层需要30min~45min,当温度选取在480∀时,该过程需要45min~60min,如果温度下降到450∀,则退火时间将上升到75min12!。

3.2 淀积层厚度比

当a-Si层厚度比Al层厚度大的时候,经过适当条件的退火之后,形成一层与Al层一样厚的连续Poly-Si层,同时,过剩的a-Si在原来的地方形成了网状的a-Si层。当a-Si厚度比Al层小的时候,没有连续的Poly-Si层形成,形成的是一些硅的结晶孤岛,这些孤岛厚度与铝层一样厚,而大小由a-Si层的厚度决定。这些效应可由金属的晶化机理进行解释。

为了得到连续的Poly-Si层,在稳定的退火温度下,a-Si层至少应该与Al层一样厚,但Al层的继续增厚并不会生成更多的Poly-Si,p-Si的厚度由Al层厚度决定。通常情况下,a-Si层与Al层一样厚时,形成的Poly-Si层连续并具有较大的颗粒,质量较好10!。

4 各种晶化方法的比较

4.1 使用不同的金属作为诱导源

#铝诱导(AIC):该方法是Al在Si晶核的形成及长大过程中起到一个媒介作用。用AIC法能够在玻璃衬底上制备高质量的多晶硅层,晶粒尺寸大于10 m2!,晶化时间短,工艺简单12!,晶化温度低(其晶化温度可低至150∀13!),可用标准的工业制备技术。缺点是存在不连续的多晶硅结构,在表面存在高密度的硅岛14!,存在金属污染15!

。

∃镍诱导:L.Pereira16!等人的实验证实,在500∀下,Ni对于非晶硅晶化似乎更加有效,其诱导的多晶硅薄膜比Al诱导的具有更高的晶体分数。这是由于在Ni与a-Si形成NiSi的晶格常数与硅非常接近。对于Ni来说,可以获得很好的多晶硅薄膜,1nm厚的Ni层经退火后晶体分数超过84%。

4.2 退火过程中外加不同的条件

#场置低温晶化

场置低温晶化是指在退火过程中加入电场,这种方法的优点是:进一步降低退火温度,缩短退火时间。这是由于场致引起的感应作用,加速了界面处硅与金属原子间的相互扩散,从而实现非晶硅薄膜的更快速低温晶化。Jang17!等人报道了镍诱导非晶硅薄膜的场致快速晶化,在电场(80Vcm-1)作用下,退火温度为500∀时,样品的退火时间缩短为10min。陈一匡18!等人报道了铝诱导非晶硅薄膜的场致快速晶化,退火温度为450∀时,在30min的退火时间内,外加电场的样品已经呈现明显的晶化现象。

∃外加紫外光辐射

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