多晶硅薄膜的制備方法

　　6 等離子體增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(PECVD)

　　等離子體增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)氣相沉積(PECVD)法是利用輝光放電的電子來(lái)激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)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(yīng)容器中引進(jìn)激發(fā)源(例如，直流高壓、射頻、脈沖電源等)，電子在電場(chǎng)的加速作用下獲得能量，當(dāng)它和氣體中的中性粒子發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，就有可能使之產(chǎn)生二次電子，如此反復(fù)的進(jìn)行碰撞及電離，結(jié)果將產(chǎn)生大量的離子和電子。由于其中正負(fù)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(guò)碰撞交換能量的過(guò)程比較緩慢，所以在等離子體內(nèi)部各種帶電粒子各自達(dá)到其熱力學(xué)平衡狀態(tài)，于是在這樣的等離子體中將沒(méi)有統(tǒng)一的溫度，就只有所謂的電子溫度和離子溫度。此時(shí)電子的溫度可達(dá)104℃，而分子、原子、離子的溫度卻只有25～300℃。所以，從宏觀上來(lái)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(xué)活性。若受激發(fā)的能量超過(guò)化學(xué)反應(yīng)所需要的熱能激活，這時(shí)受激發(fā)的電子能量(1～10eV)足以打開(kāi)分子鍵，導(dǎo)致具有化學(xué)活性的物質(zhì)產(chǎn)生。因此，原來(lái)需要高溫下才能進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)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(guò)程可以概括為三個(gè)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(kuò)散;

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

　　研究表面，在等離子體輔助沉積過(guò)程中，離子、荷電集團(tuán)對(duì)沉積表面的轟擊作用是影響結(jié)晶質(zhì)量的重要因素之一。克服這種影響是通過(guò)外加偏壓抑制或增強(qiáng)。對(duì)于采用PECVD技術(shù)制備多晶體硅薄膜的晶化過(guò)程,目前有兩種主要的觀點(diǎn).一種認(rèn)為是活性粒子先吸附到襯底表面,再發(fā)生各種遷移、反應(yīng)、解離等表面過(guò)程,從而形成晶相結(jié)構(gòu),因此,襯底的表面狀態(tài)對(duì)薄膜的晶化起到非常重要的作用.另一種認(rèn)為是空間氣相反應(yīng)對(duì)薄膜的低溫晶化起到更為重要的作用,即具有晶相結(jié)構(gòu)的顆粒首先在空間等離子體區(qū)形成,而后再擴(kuò)散到襯底表面長(zhǎng)大成多晶膜。對(duì)于SiH4:H2氣體系統(tǒng),有研究表明,在高氫摻雜的條件下,當(dāng)用RF PECVD的方法沉積多晶硅薄膜時(shí),必須采用襯底加熱到600℃以上的辦法,才能促進(jìn)最初成長(zhǎng)階段晶核的形成。而當(dāng)襯底溫度小于300℃時(shí),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(bào)道用SiC14:H2或者SiF4:H2為氣源沉積多晶硅，溫

　　7 金屬橫向誘導(dǎo)法(MILC)

　　20世紀(jì)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(zhuǎn)變的相變能量，之后對(duì)Ni/a-Si:H進(jìn)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(yīng)用。隨后發(fā)現(xiàn)Ni橫向誘導(dǎo)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(dāng)?shù)南嘧兡芰?，使用鎳金屬誘導(dǎo)a-Si薄膜的方法得到了橫向結(jié)晶的多晶硅薄膜。橫向結(jié)晶的多晶硅薄膜的表面平滑，具有長(zhǎng)晶粒和連續(xù)晶界的特征，晶界勢(shì)壘高度低于SPC多晶硅的晶界勢(shì)壘高度，因此，MILC TFT具有優(yōu)良的性能而且不必要進(jìn)行氫化處理。利用金屬如鎳等在非晶硅薄膜表面形成誘導(dǎo)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(cuò)而提供的晶格位置，a-Si原子在界面處重結(jié)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(fù)直a-Si層基本上全部晶化，其誘導(dǎo)溫度一般在500℃，持續(xù)時(shí)間在1O小時(shí)左右，退火時(shí)間與薄膜厚度有關(guān)。

　　金屬誘導(dǎo)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(zhǎng)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(shí)間的增長(zhǎng)速率會(huì)降低。我們采用MILC和光脈沖輻射相結(jié)合的方法，實(shí)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(jié)束語(yǔ)

　　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(xué)氣相沉積(UHV/CVD )、 電子束蒸發(fā)等。用UHV/CVD生長(zhǎng)多晶硅，當(dāng)生長(zhǎng)溫度低于550℃時(shí)能生成高質(zhì)量細(xì)顆粒多晶硅薄膜，不用再結(jié)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。