中心議題：

• 研究多晶矽薄膜的製備方法設計

解決方案：

• 低壓化學氣相沉積(LPCVD)
• 固相晶化(SPC)
• 準分子激光晶化(ELA)
• 快速熱退火(RTA)
• 等離子體增強化學反應氣相沉積(PECVD)
• 金屬橫向誘導法(MILC)

1 前言

多晶矽薄膜材料同時具有單晶矽材料的高遷移率及非晶矽材料的可大麵積、低成本製備的優點。因此，對於多晶矽薄膜材料的研究越來越引起人們的關注，多晶矽薄膜的製備工藝可分為兩大類：一類是高溫工藝
，製備過程中溫度高於600℃,襯底使用昂貴的石英，但製備工藝較簡單。另一類是低溫工藝
，整個加工工藝溫度低於600℃
，可用廉價玻璃作襯底
，因此可以大麵積製作，但是製備工藝較複雜。目前製備多晶矽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矽的方法。LPCVD是集成電路中所用多晶矽薄膜的製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。多晶矽薄膜可采用矽烷氣體通過LPCVD法直接沉積在襯底上
，典型的沉積參數是：矽烷壓力為13.3～26.6Pa，沉積溫度Td=580～630℃，生長速率5～10nm/min。由於沉積溫度較高，如普通玻璃的軟化溫度處於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法生長的多晶矽薄膜，晶粒具有<110>擇優取向
，形貌呈“V”zixing
，neihangaomidudeweiluanjingquexian
，qiejinglichicunxiao，zailiuziqianyilvbugoudaershiqizaiqijianyingyongfangmianshoudaoyidingxianzhi。suiranjianshaoguiwanyaliyouzhuyuzengdajinglichicun，danwangwangbansuizhebiaomiancucaodudezengjia
，duizailiuzideqianyilvyuqijiandedianxuewendingxingchanshengbuliyingxiang。

3 固相晶化(SPC)

所suo謂wei固gu相xiang晶jing化hua，是shi指zhi非fei晶jing固gu體ti發fa生sheng晶jing化hua的de溫wen度du低di於yu其qi熔rong融rong後hou結jie晶jing的de溫wen度du。這zhe是shi一yi種zhong間jian接jie生sheng成cheng多duo晶jing矽gui的de方fang法fa，先xian以yi矽gui烷wan氣qi體ti作zuo為wei原yuan材cai料liao
，用yongLPCVD方法在550℃左右沉積a-Si:H薄膜，然後將薄膜在600℃yishangdegaowenxiashiqironghua，zaizaiwendushaodideshihouchuxianjinghe，suizhewendudejiangdirongrongdeguizaijingheshangjixujinghuaershijinglizengdazhuanhuaweiduojingguibomo。shiyongzhezhongfangfa，duojingguibomodejinglidaxiaoyilaiyubomodehouduhejiejingwendu。tuihuowendushiyingxiangjinghuaxiaoguodezhongyaoyinsu，zai700℃以下的退火溫度範圍內

，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(yi)上(shang)，由(you)於(yu)此(ci)時(shi)晶(jing)界(jie)移(yi)動(dong)引(yin)起(qi)了(le)晶(jing)粒(li)的(de)相(xiang)互(hu)吞(tun)並(bing)，使(shi)得(de)在(zai)此(ci)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)，晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)而(er)增(zeng)大(da)。經(jing)大(da)量(liang)研(yan)究(jiu)表(biao)明(ming)，利(li)用(yong)該(gai)方(fang)法(fa)製(zhi)得(de)的(de)多(duo)晶(jing)矽(gui)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)還(hai)與(yu)初(chu)始(shi)薄(bo)膜(mo)樣(yang)品(pin)的(de)無(wu)序(xu)程(cheng)度(du)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)
，T.Aoyama等(deng)人(ren)對(dui)初(chu)始(shi)材(cai)料(liao)的(de)沉(chen)積(ji)條(tiao)件(jian)對(dui)固(gu)相(xiang)晶(jing)化(hua)的(de)影(ying)響(xiang)進(jin)行(xing)了(le)研(yan)究(jiu)

，發(fa)現(xian)初(chu)始(shi)材(cai)料(liao)越(yue)無(wu)序(xu)
，固(gu)相(xiang)晶(jing)化(hua)過(guo)程(cheng)中(zhong)成(cheng)核(he)速(su)率(lv)越(yue)低(di)，晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)越(yue)大(da)。由(you)於(yu)在(zai)結(jie)晶(jing)過(guo)程(cheng)中(zhong)晶(jing)核(he)的(de)形(xing)成(cheng)是(shi)自(zi)發(fa)的(de)，因(yin)此(ci)
，SPC多晶矽薄膜晶粒的晶麵取向是隨機的。相鄰晶粒晶麵取向不同將形成較高的勢壘，需要進行氫化處理來提高SPC多晶矽的性能。這種技術的優點是能製備大麵積的薄膜, 晶粒尺寸大於直接沉積的多晶矽。可進行原位摻雜
，成本低，工藝簡單，易於形成生產線。由於SPC是在非晶矽熔融溫度下結晶，屬於高溫晶化過程，溫度高於600℃

，通常需要1100 ℃左右，退火時間長達10個小時以上，不適用於玻璃基底，基底材料采用石英或單晶矽，用於製作小尺寸器件，如液晶光閥、攝像機取景器等。

4 準分子激光晶化(ELA)

激光晶化相對於固相晶化製備多晶矽來說更為理想
，其利用瞬間激光脈衝產生的高能量入射到非晶矽薄膜表麵，僅在薄膜表層100nm厚的深度產生熱能效應，使a-Si薄膜在瞬間達到1000℃左右

，從而實現a-Si向p-Si的轉變。在此過程中，激光脈衝的瞬間(15～50ns )能量被a-Si薄膜吸收並轉化為相變能，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於450℃

，可以采用玻璃基板作為襯底，既實現了p-Si薄膜的製備，又能滿足LCD及OEL對透明襯底的要求。其主要優點為脈衝寬度短(15～50ns )
，襯底發熱小。通過選擇還可獲得混合晶化，即多晶矽和非晶矽的混合體。準分子激光退火晶化的機理：激光輻射到a-Si的表麵，使其表麵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-kongxueduizairehuashijianneiyongwufushefuhedetujingjiangzijidenengliangchuangeijingge

，daozhijinbiaocengjiqixunsudeshengwen，youyufeijingguicailiaojuyoudaliangdexitaiheshennengji
，wufusheyueqianshizhuyaodefuheguocheng，yinerjuyoujiaogaodeguangrezhuanhuanxiaolv
，ruojiguangdenengliangmidudadaoyuzhinengliangmiduEc時，即半導體加熱至熔點溫度，薄膜的表麵會熔化，熔化的前沿會以約10m/s的速度深入材料內部


，經過激光照射

，薄膜形成一定深度的融層，停止照射後
，融層開始以108-1010K/s的速度冷卻，而固相和液相之間的界麵將以1-2m/s的de速su度du回hui到dao表biao麵mian，冷leng卻que之zhi後hou薄bo膜mo晶jing化hua為wei多duo晶jing，隨sui著zhe激ji光guang能neng量liang密mi度du的de增zeng大da，晶jing粒li的de尺chi寸cun增zeng大da，當dang非fei晶jing薄bo膜mo完wan全quan熔rong化hua時shi，薄bo膜mo晶jing化hua為wei微wei晶jing或huo多duo晶jing
，若ruo激ji光guang能neng量liang密mi度du小xiao於yu域yu值zhi能neng量liang密mi度duEc
，即所吸收的能量不足以使表麵溫度升至熔點,則薄膜不發生晶化。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mo接jie近jin全quan部bu熔rong化hua時shi，晶jing粒li最zui大da。但dan能neng量liang受shou激ji光guang器qi的de限xian製zhi，不bu能neng無wu限xian增zeng大da，太tai大da的de能neng量liang密mi度du反fan而er令ling遷qian移yi率lv下xia降jiang。激ji光guang波bo長chang對dui晶jing化hua效xiao果guo影ying響xiang也ye很hen大da，波bo長chang越yue長chang，激ji光guang能neng量liang注zhu入ruSi膜越深
，晶化效果越好。 ELA法製備的多晶矽薄膜晶粒大、空間選擇性好，摻雜效率高、晶內缺陷少、電學特性好、遷移率高達到400cm2/v.s，shimuqianzonghexingnengzuihaodediwenduojingguibomo。gongyichengshudugao，yiyoudaxingdeshengchanxianshebei，dantayeyouzishendequedian，jinglichicunduijiguanggonglvmingan
，damianjijunyunxingjiaocha。zhongfuxingcha
、設備成本高，維護複雜

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(wen)定(ding)階(jie)段(duan)和(he)冷(leng)卻(que)階(jie)段(duan)。當(dang)退(tui)火(huo)爐(lu)的(de)電(dian)源(yuan)一(yi)打(da)開(kai)，溫(wen)度(du)就(jiu)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)而(er)上(shang)升(sheng)，這(zhe)一(yi)階(jie)段(duan)稱(cheng)為(wei)升(sheng)溫(wen)階(jie)段(duan)。單(dan)位(wei)時(shi)間(jian)內(nei)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)量(liang)是(shi)很(hen)容(rong)易(yi)控(kong)製(zhi)的(de)。在(zai)升(sheng)溫(wen)過(guo)程(cheng)結(jie)束(shu)後(hou)，溫(wen)度(du)就(jiu)處(chu)於(yu)一(yi)個(ge)穩(wen)定(ding)階(jie)段(duan)。最(zui)後(hou)
，當(dang)退(tui)火(huo)爐(lu)的(de)電(dian)源(yuan)關(guan)掉(diao)後(hou)，溫(wen)度(du)就(jiu)隨(sui)著(zhe)時(shi)間(jian)而(er)降(jiang)低(di)，這(zhe)一(yi)階(jie)段(duan)稱(cheng)為(wei)冷(leng)卻(que)階(jie)段(duan)。用(yong)含(han)氫(qing)非(fei)晶(jing)矽(gui)作(zuo)為(wei)初(chu)始(shi)材(cai)料(liao)，進(jin)行(xing)退(tui)火(huo)處(chu)理(li)。平(ping)衡(heng)溫(wen)度(du)控(kong)製(zhi)在(zai)600℃yishang，namiguijinglinengzaifeijingguibomozhongxingcheng，erqiesuoxingchengdenamiguijinglidedaxiaosuizhetuihuoguochengzhongdeshengwenkuaimanerbianhua。zaishengwenguochengzhong，ruodanweishijianneiwendubianhualiangjiaodashi(如100℃/s)，則所形成納米矽晶粒較小(1.6～15nm);若單位時間內溫度變化量較小(如1℃/s)，則納米矽粒較大(23～46nm)。進一步的實驗表明：延長退火時間和提高退火溫度並不能改變所形成的納米矽晶粒的大小;而er在zai退tui火huo時shi
，溫wen度du上shang升sheng快kuai慢man直zhi接jie影ying響xiang著zhe所suo形xing成cheng的de納na米mi矽gui晶jing粒li大da小xiao。為wei了le弄nong清qing楚chu升sheng溫wen量liang變bian化hua快kuai慢man對dui所suo形xing成cheng的de納na米mi矽gui大da小xiao晶jing粒li的de影ying響xiang，采cai用yong晶jing體ti生sheng長chang中zhong成cheng核he理li論lun。在zai晶jing體ti生sheng長chang中zhong需xu要yao兩liang步bu：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.若單位時間內溫度變化量大,則產生的仔晶密度大;反之,若單位時間內溫度變化量小，則產生的仔晶密度小。RTA退火時升高退火溫度或延長退火時間並不能消除薄膜中的非晶部分，薛清等人提出一種從非晶矽中分形生長出納米矽的生長機理：分(fen)形(xing)生(sheng)長(chang)。從(cong)下(xia)到(dao)上(shang)，隻(zhi)要(yao)溫(wen)度(du)不(bu)太(tai)高(gao)以(yi)致(zhi)相(xiang)鄰(lin)的(de)納(na)米(mi)矽(gui)島(dao)不(bu)熔(rong)化(hua)，那(na)麼(me)即(ji)使(shi)提(ti)高(gao)退(tui)火(huo)溫(wen)度(du)或(huo)延(yan)長(chang)退(tui)火(huo)時(shi)間(jian)都(dou)不(bu)能(neng)完(wan)全(quan)消(xiao)除(chu)其(qi)中(zhong)的(de)非(fei)晶(jing)部(bu)分(fen)。 RTA退tui火huo法fa製zhi備bei的de多duo晶jing矽gui晶jing粒li尺chi寸cun小xiao
，晶jing體ti內nei部bu晶jing界jie密mi度du大da
，材cai料liao缺que陷xian密mi度du高gao，而er且qie屬shu於yu高gao溫wen退tui火huo方fang法fa
，不bu適shi合he於yu以yi玻bo璃li為wei襯chen底di製zhi備bei多duo晶jing矽gui。[page]

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)fashiliyonghuiguangfangdiandedianzilaijihuohuaxueqixiangchenjifanyingde。qichu，qitiyouyushoudaoziwaixiandenggaonengyuzhoushexiandefushe
，zongbukebimiandeyouqingweidedianli


，cunzaizheshaoliangdedianzi。zaichongyouxiboqitidefanyingrongqizhongyinjinjifayuan(例如，直流高壓、射頻
、脈衝電源等)，電dian子zi在zai電dian場chang的de加jia速su作zuo用yong下xia獲huo得de能neng量liang，當dang它ta和he氣qi體ti中zhong的de中zhong性xing粒li子zi發fa生sheng非fei彈dan性xing碰peng撞zhuang時shi，就jiu有you可ke能neng使shi之zhi產chan生sheng二er次ci電dian子zi
，如ru此ci反fan複fu的de進jin行xing碰peng撞zhuang及ji電dian離li，結jie果guo將jiang產chan生sheng大da量liang的de離li子zi和he電dian子zi。由you於yu其qi中zhong正zheng負fu粒li子zi數shu目mu相xiang等deng。故gu稱cheng為wei等deng離li子zi體ti，並bing以yi發fa光guang的de形xing式shi釋shi放fang出chu多duo餘yu的de能neng量liang，即ji形xing成cheng“輝光”。zaidenglizitizhong
，youyudianzihelizidezhiliangxiangchaxuanshu
，erzhetongguopengzhuangjiaohuannengliangdeguochengbijiaohuanman
，suoyizaidenglizitineibugezhongdaidianlizigezidadaoqirelixuepinghengzhuangtai
，yushizaizheyangdedenglizitizhongjiangmeiyoutongyidewendu，jiuzhiyousuoweidedianziwenduheliziwendu。cishidianzidewendukeda104℃，而分子
、原子
、離子的溫度卻隻有25～300℃。所(suo)以(yi)，從(cong)宏(hong)觀(guan)上(shang)來(lai)看(kan)，這(zhe)種(zhong)等(deng)離(li)子(zi)的(de)溫(wen)度(du)不(bu)高(gao)
，但(dan)其(qi)內(nei)部(bu)電(dian)子(zi)卻(que)處(chu)於(yu)高(gao)能(neng)狀(zhuang)態(tai)，具(ju)有(you)較(jiao)高(gao)的(de)化(hua)學(xue)活(huo)性(xing)。若(ruo)受(shou)激(ji)發(fa)的(de)能(neng)量(liang)超(chao)過(guo)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)所(suo)需(xu)要(yao)的(de)熱(re)能(neng)激(ji)活(huo)，這(zhe)時(shi)受(shou)激(ji)發(fa)的(de)電(dian)子(zi)能(neng)量(liang)(1～10eV)足(zu)以(yi)打(da)開(kai)分(fen)子(zi)鍵(jian)，導(dao)致(zhi)具(ju)有(you)化(hua)學(xue)活(huo)性(xing)的(de)物(wu)質(zhi)產(chan)生(sheng)。因(yin)此(ci)，原(yuan)來(lai)需(xu)要(yao)高(gao)溫(wen)下(xia)才(cai)能(neng)進(jin)行(xing)的(de)化(hua)學(xue)反(fan)應(ying)
，通(tong)過(guo)放(fang)電(dian)等(deng)離(li)子(zi)體(ti)的(de)作(zuo)用(yong)，在(zai)較(jiao)低(di)溫(wen)度(du)下(xia)甚(shen)至(zhi)在(zai)常(chang)溫(wen)下(xia)也(ye)能(neng)夠(gou)發(fa)生(sheng)。
PECVD法沉積薄膜的過程可以概括為三個階段：

1.SiH4分解產生活性粒子Si、H、SiH2 和SiH3等;
2.活性粒子在襯底表麵的吸附和擴散;
3.在襯底上被吸附的活性分子在表麵上發生反應生成Poly-Si層，並放出H2;

研究表麵，在等離子體輔助沉積過程中


，離子、荷電集團對沉積表麵的轟擊作用是影響結晶質量的重要因素之一。克服這種影響是通過外加偏壓抑製或增強。對於采用PECVD技術製備多晶體矽薄膜的晶化過程,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麵,再發生各種遷移
、反應、解離等表麵過程,從而形成晶相結構,因此,襯底的表麵狀態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形成,而後再擴散到襯底表麵長大成多晶膜。對於SiH4:H2氣體係統,有研究表明,在高氫摻雜的條件下,當用RF PECVD的方法沉積多晶矽薄膜時,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。而當襯底溫度小於300℃時,隻能形成氫化非晶矽(a-Si:H)薄膜。以SiH4:H2為氣源沉積多晶矽溫度較高，一般高於600℃，屬於高溫工藝，不適用於玻璃基底。目前有報道用SiC14:H2或者SiF4:H2為氣源沉積多晶矽，溫

7 金屬橫向誘導法(MILC)

20世紀90年代初發現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薄膜的內部，能夠降低a-Si向p-Si轉變的相變能量，之後對Ni/a-Si:H進行退火處理以使a-Si薄膜晶化，晶化溫度可低於500℃。但由於存在金屬汙染未能在TFT中應用。隨後發現Ni橫向誘導晶化可以避免孿晶產生

，鎳矽化合物的晶格常數與單晶矽相近、低互溶性和適當的相變能量，使用鎳金屬誘導a-Si薄膜的方法得到了橫向結晶的多晶矽薄膜。橫向結晶的多晶矽薄膜的表麵平滑


，具有長晶粒和連續晶界的特征
，晶界勢壘高度低於SPC多晶矽的晶界勢壘高度，因此
，MILC TFT具有優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矽薄膜表麵形成誘導層
，金屬Ni與a-Si在界麵處形成NiSi2的矽化物，利用矽化物釋放的潛熱及界麵處因晶格失錯而提供的晶格位置，a-Si原子在界麵處重結晶，形成多晶矽晶粒，NiSi2層破壞
，Ni原子逐漸向a-Si層的底層遷移，再形成NiSi2矽化物，如此反複直a-Si層基本上全部晶化
，其誘導溫度一般在500℃，持續時間在1O小時左右，退火時間與薄膜厚度有關。

金屬誘導非晶矽晶化法製備多晶矽薄膜具有均勻性高
、成本低
、相連金屬掩蔽區以外的非晶矽也可以被晶化
、生長溫度在500℃。但是MILC目前它的晶化速率仍然不高，並且隨著熱處理時間的增長速率會降低。我們采用MILC和光脈衝輻射相結合的方法，實現了a-Si薄膜在低溫環境下快速橫向晶化。得到高遷移率、低金屬汙染的多晶矽帶。

8 結束語

除了上述幾種製備多晶矽薄膜的主要方法外
，還有超高真空化學氣相沉積(UHV/CVD )、電子束蒸發等。用UHV/CVD生長多晶矽
，當生長溫度低於550℃時能生成高質量細顆粒多晶矽薄膜，不用再結晶處理，這是傳統CVD做不到的，因此該法很適用於低溫多晶矽薄膜晶體管製備。