多晶硅薄膜的制备方法

多晶硅薄膜的制备方法
快速热退火(RTA)一般而言，快速退火处理过程包含三个阶段：升温阶段、稳定阶段和冷却阶段。

当退火炉的电源一打开，温度就随着时间而上升，这一
阶段称为升温阶段。

单位时间内温度的变化量是很容易控制的。

在升温过程结
束后，温度就处于一个稳定阶段。

最后，当退火炉的电源关掉后，温度就随着
时间而降低，这一阶段称为冷却阶段。

用含氢非晶硅作为初始材料，进行退火
处理。

平衡温度控制在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过程中的升温快慢而变化。

在升温过程中，若单位时间内温度变化量较大时(如100℃/s)，则所形成纳米硅晶粒较小
(1.6~15nm)；若单位时间内温度变化量较小(如1℃/s)，则纳米硅粒较大
(23~46nm)。

进一步的实验表明：延长退火时间和提高退火温度并不能改变所形成的纳米硅晶粒的大小；而在退火时，温度上升快慢直接影响着所形成的纳米
硅晶粒大小。

为了弄清楚升温量变化快慢对所形成的纳米硅大小晶粒的影响，
采用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。

也就是说，在第一步中需要足够量的生长仔晶。

结果显示：升温快慢影
响所形成的仔晶密度。

若单位时间内温度变化量大,则产生的仔晶密度大；反之，若单位时间内温度变化量小，则产生的仔晶密度小。

RTA退火时升高退火温度
或延长退火时间并不能消除薄膜中的非晶部分，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，那么即使提高退火温度或延长退火时间都不能完全消除
其中的非晶部分。

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

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

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

在充有稀薄气体的反应容器中引进激发源(例如，直流高压、射频、脉冲电源等)，电子在电场的加速作用下获得能量，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目相等。

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
的质量相差悬殊，二者通过碰撞交换能量的过程比较缓慢，所以在等离子体内
部各种带电粒子各自达到其热力学平衡状态，于是在这样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。

此时电子的温度可达104℃，而分子、原子、离子的温度却只有25~300℃。

所以，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。

若受激
发的能量超过化学反应所需要的热能激活，这时受激发的电子能量(1~10eV)足
以打开分子键，导致具有化学活性的物质产生。

因此，原来需要高温下才能进
行的化学反应，通过放电等离子体的作用，在较低温度下甚至在常温下也能够
发生。

PECVD法沉积薄膜的过程可以概括为三个阶段：1.SiH4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应生成Poly-Si层，并放出H2；研究表面，
在等离子体辅助沉积过程中，离子、荷电集团对沉积表面的轰击作用是影响结
晶质量的重要因素之一。

克服这种影响是通过外加偏压抑制或增强。

对于采用PECVD技术制备多晶体硅薄膜的晶化过程,目前有两种主要的观点：一种认为是
活性粒子先吸附到衬底表面,再发生各种迁移、反应、解离等表面过程,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非常重要的作用；另一种认为是空间气相反应对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首先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。

对于
SiH4：H2气体系统,有研究表明,在高氢掺杂的条件下,当用RFPECVD的方法沉
积多晶硅薄膜时,必须采用衬底加热到600℃以上的办法,才能促进最初成长阶
段晶核的形成。

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，一般高于600℃，属于高温工艺，不适用于玻璃基底。

目前有报道用SiC14：H2或者SiF4：H2为气源沉积多晶硅，温度较低，在300℃左右即可获得多晶硅，但用CVD法制备得多晶硅晶粒尺寸小，一般不超过50nm，晶内缺陷多，晶界多。

金属横向诱导法(MILC)20世纪
90年代初发现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薄膜的内部，能够降低a-Si向p-Si转变的相变能量，之后对Ni/a-Si：H进行退火处理以使a-Si薄膜晶化，晶化温度可低于500℃。

但由于存在金属污染未能在TFT中应用。

随后发现Ni横向诱导晶化可以避免孪晶产生，镍硅化合物的晶格常数与单晶硅相近、低互溶性和适当的相变能量，
使用镍金属诱导a-Si薄膜的方法得到了横向结晶的多晶硅薄膜。

横向结晶的多晶硅薄膜的表面平滑，具有长晶粒和连续晶界的特征，晶界势垒高度低于SPC
多晶硅的晶界势垒高度，因此，MILC TFT具有优良的性能而且不必要进行氢化
处理。

利用金属如镍等在非晶硅薄膜表面形成诱导层，金属Ni与a-Si在界面
处形成NiSi2的硅化物，利用硅化物释放的潜热及界面处因晶格失错而提供的
晶格位置，a-Si原子在界面处重结晶，形成多晶硅晶粒，NiSi2层破坏，Ni原
子逐渐向a-Si层的底层迁移，再形成NiSi2硅化物，如此反复直a-Si层基本
上全部晶化，其诱导温度一般在500℃，持续时间在10小时左右，退火时间与
薄膜厚度有关。

金属诱导非晶硅晶化法制备多晶硅薄膜具有均匀性高、成本低、相连金属掩蔽区以外的非晶硅也可以被晶化、生长温度在500℃。

但是MILC目
前它的晶化速率仍然不高，并且随着热处理时间的增长速率会降低。

我们采用MILC和光脉冲辐射相结合的方法，实现了a-Si薄膜在低温环境下快速横向晶化，得到高迁移率、低金属污染的多晶硅带。

结束语除了上述几种制备多晶硅
薄膜的主要方法外，还有超高真空化学气相沉积(UHV/CVD)、电子束蒸发等。

用UHV/CVD生长多晶硅，当生长温度低于550℃时能生成高质量细颗粒多晶硅薄膜，不用再结晶处理，这是传统CVD做不到的，因此该法很适用于低温多晶硅薄膜
晶体管制备。

另外，日立公司研究指出，多晶硅还可用电子束蒸发来实现，温
度低于530℃。

因此，我们相信随着上述几种多晶硅制备方法的日益成熟和新
的制备方法的出现，多晶硅技术的发展必将跨上一个新的台阶，从而推动整个
半导体产业和相关行业的发展。