金属诱导法制备多晶硅薄膜的研究进展
铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜
Ａｂ ｔａ ｔ ｏｙ ｒ ｓａ ｌ ｅ ｓｌ ｏ （ｏｙ ｉ ｈｎ ｍｓ ａ ｅ ｗ ｉ ｌ ｓ ｄ ｉ ｃ ｏ ｌｃ ｒ ｎｃ ｎ ｓｒ ｃ ：Ｐ ｌｃｙ ｔ ｌｎ ｉｃ ｎ ｐ ｌ—Ｓ）ｔ ｉ ｉ ｉ ｒ ｌ ｙ ｕ ｅ ｎ ｍｉｒ ｅｅ ｔｏ ｉｓ ａ ｄ ｄ
法 主 要 有 ：化 学 汽 相 沉 积 法 （Ｖ ） 固相 晶化 法 Ｃ Ｄ、
等 。化 学汽相 沉 积 法需 要在 较 高的 温度 下 才能 获 得 多 晶硅 薄膜 ； 固相 晶化 法 虽然 工 艺设 备简 单 ， 需 但 要 的时 间长 ， 处理 温 度 高 ， 热 对基 板材 料 的选择 限 制
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刘
伟等
文章编号： ０—２８２０ ）１ ２０４ —５ １ ６ ６６（０ ８０／ —０７０ ０ ０
六基 金 项 目： 育部 留学回 国科研 启 动 教
基 金 ： 型光 伏效 应 的探 索性研 究（ ９ ２ ） 新 ６ ０２ ６
铝诱导晶化法制备多晶
ａｕ ｎ ｍ—ｉｄｕ ｅ ｃｙ ｔ ｌ ａ ｉｎ （ Ｃ）ｆ ｍｏ ｐ ｏ ｓ ｉ ｏ ，ａ ｄ ｅ ｃ ｉｅ ｈ ｇ ｎ ｒ ｌ ｌｍｉｕ ｎ ｃ ｄ ｒ ｓａｌ ｔ ｉ ｏ ｚ ＡＩ ｏ ａ ｒ ｈ ｕ ｓｌ ｎ ｎ ｄ ｓ ｒ ｄ ｔ ｅ ｅ ｅ ａ ｉ ｃ ｂ
ｐ ｏ ｅ ｓｏ ａ ｒ ａ ｉｇ ｐ ｌ—Ｓ ｈ ｎ ｍ ｓ Ｔｈ ｅ ｈ ｎｓ ｏ Ｃ ａ ｄｔ ｅ ｉｆ ｅ ｃ ｆ ａ ｉｕ ｒ ｃ ｓ ｆｆ ｂ ｉ ｔｎ ｏｙ ｉ ｉ ｃ ｔ ． ｅ ｍ ｃ ａ ｉｍ ｆ Ａｌ ｎ ｈ ｌ ｎ ｅ ｏ ｒ ｓ ｎ ｕ ｖ ｏ ｐ ｒｍ ｅ ｅ ｓｏ ｈ ｕ ｌｙ ｏ ｏｙ Ｓ ｈｎ ｍ ｓｗ ｅ ｅ ｍ ａｎｙ ｄｓ ｕ ｓ ｄ ａａ ｔ ｒ ｎｔ ｅｑ ａｉ ｆｐ ｌ— ｉ ｉ ｔ ｔ ｒ ｉｌ ｉｃ ｓ ｅ ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ： ｌｍ ｉｕ —ｉｄ ｃ ｄ ｃｙ ｔ ｌｚ ｔ ｙ ｒｓ ａｕ ｎ ｍ ｎ ｕ ｅ ｒ ｓａ ｌａ ｉ ｉ ｏｎ； ｏｙ Ｓｉｈ ｎ州ｍ ｓ； ｒ ｓ ａｌａ ｉｎ ｍ ｅ ｈ ｎｓ ｐ ｌ— ｉ ｔ ｃ ｔ ｌｚ ｔ ｃ ａ ｉｍ ｙ ｉ ｏ
多晶硅薄膜阳极微腔有机发光器件及其简化制备流程的研究
速度快 、 功耗低 等优 点 ， 有 可 能成 为 下 一代 显 示 技 术 极 的主流［ ． 于常 规 Ｏ Ｅ 来说 ， １对 ］ Ｌ Ｄ 由于有 机 材料 本身 所 固有 的宽 谱带发 射 ， 导致 其发光 色度 差 、 发光 强度 低 ， 要 实现高亮 度显示 势必要增 加功 耗 ， 就减 少 了器 件 的使 这 用寿命 ． 因此 ， 善有机 电致发光 器 件 的性 能 ， 为人 们 改 成 关 注并研究 的热 点 ． 微腔 可 以重新 分 配腔 内光 子 的态 密 度， 使得满 足微腔 谐振条 件 的模 式得 到增 强 而其他 模 式 受 到抑制 ． 如果将 微 腔 结构 引 入普 通 ＯＬ Ｄ， Ｅ 由于 微 腔 效应 的存在 ， 其光谱 窄化 、 使 发光 强度 提 高 ， 无疑 极 大 这 地 改善 了器 件 的 色 纯度 ， 在 ＯＬ Ｄ 显 示 领 域具 有 重 这 Ｅ 要 的应用 价值口 ． 叫］ 普通 Ｏ Ｅ 一般是 由沉 积 在玻 璃衬 底 上 的透 明 阳 Ｌ Ｄ 极 、 机层 以及 金 属 阴极 组 成 的夹 心 结 构 ． 有 阴极 常采 用 铝、 镁银 合金等 金 属 ， 阳极 一般 使 用 高 功 函数 的 Ｉ ｏ 而 Ｔ 薄膜［ ，Ｔ 的功 函数 为 ４ ８ Ｖ 左 右 ， 光 电性 能 比较 ５ Ｉｏ ］ ．ｅ 且 好 ， 可见光透 过率 一般 可 达 到 ８ ％ 以上 ， 块 电 阻 一 其 ５ 方 般 为几 十欧姆 ， 符合 ＯＬ Ｄ 阳极 的要 求 ． 微腔 是 由 间 Ｅ 而 距在 光 波 长 量 级 的 两 个 平 行 平 面 反 射 镜 构 成 的 （ 即 Ｆ ｂ ｙＰ ｒ ｔ Ｆ Ｐ 谐 振 腔［ ， 来 选 择所 需 要 的 光 波 ａ ｒ． ｅｏ ， ． ） ６ 用 Ｊ 长． 相对 于普通 ＯＬ Ｄ 而言 ， Ｅ 微腔 式 ｏＬ Ｄ（ ｃｏｃ ｖ Ｅ ｍｉｒ ａ ． ｉ ． Ｅ ＭＯＬ Ｄ） 是 在 沉 积 Ｉ ｏ 之 前 ， 在 已沉 ｔ ＯＬ Ｄ， ｙ Ｅ 就 Ｔ 先 积有低 温氧化 物 Ｌ ｏ（ Ｔ 我们 在实 验 中采 用 ｓｏ 的玻 璃 ｉ ）
金属铝诱导法低温制备多晶硅薄膜
本工作采用铝诱导晶化 的方法 ， 低温晶化 ａ ｉ 薄膜制备 出 ｐ ｌ Ｓ 薄膜 ． Ｓ ｏ ｉ ｙ 通过磁控溅 射的方法在镀 ａ ｉ － 薄膜的玻璃衬底上溅射不同厚度 的铝膜 ， Ｓ 将所制备 的样品置于通有氮
８ ６ ９ ２ ， － ｉ ｏ ｌ ｘａ ｍ ｉ ｗｈ ｔ ｅ ｕ ｃ ． ７ ６ ７ ９ Ｅ ｍａ ：ｄ ￣ ｉ ｉ ａ ｌ ｕ ｄ ．ｎ ｌ ｎ ＠ ．
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８ ８
感பைடு நூலகம்
光
科
学
与
光
化
学
第 ２ 卷 ４
等， 晶化诱导的效果取决于所用的诱导金属 ． 目前用得最多的是铝诱 导晶化 （ ｌ ｎｍ Ａｕ ｕ ｍｉ
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第２卷 ４
第２ 期
感 光 科 学 与 光 化 学
Ｐｈ ｔｇａ ｈｃＳ ｉｎ ｅａ ｄＰｈ ｔ ｃｅ ｓｒ ｏｏ ｒｐ ｉ ｃｅ ｃ ｎ ｏｏ ｈ ｍｉｔｙ
Ｖｏ． ４ Ｎｏ ２ Ｉ２ ．
２ｏ ｏ ６年 ３月
Ｍａ ． ０ ６ ｒ ．２ ０
金属铝诱导法低 温制备 多晶硅 薄膜
夏冬林， 晟， 慢， 杨 徐 赵修建
（ 武汉理工大学 硅 酸盐材料工程教育部重点实验室 ， 湖北 武汉 ４０７） ３００
摘
要：以氢气稀释 的硅烷（ｉ４和硼烷 （２ ６ 为气源 ， 用等 离子体增强化 ＳＨ ） ＢＨ ） 利
学气相沉积法（Ｅ Ⅷ ） ＰＣ 制备 出 Ｐ ａ ｉ 型 ． 薄膜． ｓ 采用铝诱导晶化技术对不同厚度 的铝膜对 ａ ｉ ． 薄膜 晶化的影响进行 了 究． ｓ 研 实验 中发现 ， 铝膜溅射为 １ 的非 ０ｓ 晶硅薄膜样品在 ４０℃下退火 １ ｉ 后 ， 型 ａ ｉ ５ ０ｍ ｎ Ｐ － 结构仍为 非晶态， Ｓ 铝膜溅射 为 ２ 的非晶硅薄膜在 ４ ０ ０ ｓ ５ ℃下退火２ ｉ后 ， ａ ｉ Ｏ ｎ Ｐ型 ． 薄膜开始晶化为 ｐｌ ｍ Ｓ ｏ． ｙ Ｓ 薄膜， 并且铝膜厚度越厚 ， ａ ｉ 则 ． 薄膜晶化程度越强． Ｓ
100μm大晶粒多晶硅薄膜的铝诱导法制备
用 磁控 溅射 法 沉积 一 定 厚 度 的铝 薄膜 ， 后将 其 置 于 最 真 空管 式 炉 中 ， 入 氩气 ， ４ ０ ０ ℃退 火 一 定 时 通 于 ０ ～５ ０
溅 射 法 制 备 了 ｇａ ｓ ａＳ ／ ｉ ／ ｌｓ ／ — ｉＳ Ｏ２ Ａｌ叠 层 结 构 ， Ａｒ气 于
收层 。硅 铝界 面 的氧化 物在 铝诱 导非 晶 硅 晶化 过程 中
图 １为所 制 备 的 多 晶硅 薄 膜 的 ＸＲ 图 。样 品 制 Ｄ 备参 数 如 下 ：－ ｉ薄 膜 厚 度 为 １ ０ ｍ， 化 时 间 约 ａＳ ８ｎ 氧 ４ ｈ 铝 薄膜 厚度 约为 ３ ｎ 于 ４ ０ ７， ５ ｍ， ５ ℃退 火 ５ 。 由图 Ｉ ｈ 可知 ， 所制 备 的薄 膜 只在 ２ 射 角 为 ２ ． 。 一 个 很 衍 ８ ５有 强 的衍 射 峰 ， 是标 准 的 Ｓ （ １ ） 这 ｉ１ １ 的峰 ， 因此 所 制 备 的
结 晶质 量 好 、 大 晶 粒 尺 寸 达 １ ０ ｍ 的 铝 诱 导 多 晶 最 ０＞
硅 。
２ 实 验 方 法
以康 宁 Ｅ ｇｅ２ ０ ａ ｌ ０ ０玻璃 为衬 底 ， 别用 丙 酮 、 水 分 无 乙醇 、 去离 子水超 声 清洗 １ ｒｉ ， ０ ｎ后 氮气 吹 干 。用 国产 ａ ＭＳＢ ６ ０ Ｉ 一０ ０型 磁控溅 射 仪在 经过 上述 处理 的 衬底 上 沉
３ 结 果 与 讨 论
３ １ 铝诱 导 多晶硅 薄 膜 的结构 分析 ．
１ 引 言
自 １９ ９ ９年 ＵＮＳ 大 学 的 Ｎ ｓ 等 人Ｌ 以玻 璃 为 Ｗ ａｔ １ 衬底 制备 了 Ａｌ 导 多 晶硅薄膜 后 ， 诱 国内外学 者对 此 产 生 了浓厚 的兴 趣 Ｄ 。由于铝 诱 导 晶化 法 （ Ｃ 制 备 ］ ＡＩ ） 的 多晶硅是 铝 重 掺 杂 ， 此 目前 还 不 能 直 接 作 为 吸 收 因 层， 而是利 用其 结 晶质量 好 、 晶粒 大等优 势将 其作 为 模 版， 在其上 外延 生 长 大 晶 粒 高 质量 多 晶硅 薄 膜 作 为 吸
金属诱导生长法在Ni硅化物上异质生长多晶GeSi薄膜
第27卷 第4期2006年4月半 导 体 学 报C HIN ES E J OU RNAL O F S EM ICOND U C TO RSVol.27 No.4Apr.,20063国家科技部攀登计划(批准号:981101040),浙江省计划(批准号:991110535)资助项目 通信作者.Email :yezz @ 2005208218收到,2005210227定稿c ○2006中国电子学会金属诱导生长法在Ni 硅化物上异质生长多晶G eSi 薄膜3吴贵斌 叶志镇 赵 星 刘国军 赵炳辉(浙江大学硅材料国家重点实验室,杭州 310027)摘要:采用金属Ni 诱导与超高真空化学气相沉积相结合的方法,低温下在氧化Si 衬底上制备出了多晶G eSi 薄膜.利用X 射线衍射仪、场发射扫描电镜等对多晶G eSi 薄膜的晶体质量、表面形貌进行了表征,研究了在Ni 上生长多晶GeSi 的生长方式及表面形貌随生长参数变化的规律.结果表明,在温度高于510℃时,Ni 金属诱导作用明显;生长压强为10Pa 时,多晶G eSi 能够形成连续致密的薄膜,而采用先低压(011Pa )后高压(10Pa )的生长方式,多晶G eSi 呈现分离的晶须状,晶须尺寸多在100nm 以上.关键词:金属诱导生长;超高真空化学气相沉积;异质生长;NiSi 化物PACC :8115H ;6855中图分类号:TN304 文献标识码:A 文章编号:025324177(2006)04207212041 引言由于多晶GeSi 具有较高的载流子迁移率[1]以及禁带宽度随Ge 含量变化[2]等优点,已成为目前研究的热点之一.它不仅可以用于深亚微米COMS 领域[3],而且在光电子方面,与多晶Si 相比,具有更高的光电转换效率[4].金属诱导结晶方法[5]在制备多晶Si ,GeSi 薄膜方面有其自身的优势.该技术是将Ni [6,7]等金属薄膜沉积在非晶Si ,Si Ge 薄膜上,在一定退火温度下,Ni 等金属通过扩散与非晶薄膜反应生成Si 化物,由于NiSi 化物与Si ,GeSi 的晶格常数接近,使得非晶Si ,GeSi 可以以此Si 化物为籽晶通过键的断裂以及重新结合来实现晶化.与固相结晶法相比,该技术可以在较低的退火温度下,实现较快的结晶.但是由于该方法是通过Ni 扩散来实现结晶,因此薄膜中存在较为严重的金属污染,而且在多数情况下由于使用绝缘衬底,在制作肖特基结等器件时,多晶Ge 2Si 薄膜的电极只能制作在同一侧.为了解决以上问题,一种被称作金属诱导生长(M IG )的[8]技术受到了研究者们的重视.这种技术是将预淀积的Ni ,Co 金属层作为种子层(seed 2layer ),在淀积Si 或Si Ge 时,沉积到金属层上的Si 或Si Ge 会与Ni ,Co 发生固相反应生成Si 化物,并最终形成稳定的NiSi 2相.由于多晶GeSi 与NiSi 2晶格常数接近,多晶GeSi较易在NiSi 2上成核生长,目前采用该方法已能够生长晶粒尺寸大于100nm 的多晶Si 薄膜[9].与金属诱导结晶方法相比,由于Ni 在反应中不断转化为NiSi 化物,因此Si Ge 薄膜中Ni 的含量很低;另外生成的NiSi 化物本身具有很低的薄层电阻,从而在制作肖特基结型器件时,可以作为器件一端的欧姆接触.目前我们已采用M IG 与U HVCVD 相结合的方法,在热氧化Si 衬底上低温生长了晶粒尺寸均匀、连续的多晶GeSi 薄膜,晶粒尺寸可达到500nm 以上.本文主要研究采用不同生长条件来控制多晶GeSi 薄膜的生长,以实现多晶GeSi 的可控生长,为多晶GeSi 在太阳能电池等光电领域的进一步应用打下良好的基础.2 实验选用n 型、电阻率为10Ω・cm 的(100)Si 片作为衬底,先利用氧化炉在1100℃下热氧化一层厚为300nm 的SiO 2层;再利用电子束蒸发的方法在氧化好的Si 片上蒸镀一层厚为30nm 的金属Ni 层,然后立即放入自行研制的超高真空化学气相沉积系统中[10],生长多晶GeSi 薄膜.该系统与U HV/CVD 2Ⅰ[11]设备相比,生长室的本底真空为10-8Pa.实验进行前已经过长时间的烘烤,以纯Si H 4及10%的Ge H 4(与H 2混和)为气源,生长温度在400半 导 体 学 报第27卷～650℃范围内,生长时间均为1h ,生长压强在011～10Pa 范围内.生长结束后对样品进行了XRD 和SEM 等测试,以观测生长条件对样品结晶质量和表面形貌的影响.3 结果与讨论首先对已镀Ni 及未镀Ni 的氧化Si 衬底上生长GeSi 样品的结晶质量进行了比较,GeSi 样品的生长温度均为510℃,生长压强为10Pa ,如图1所示.可以看出镀Ni 衬底上生长的GeSi 薄膜为多晶态,图中2812°,4710°和5610°的峰位分别对应着Si Ge (111),Si Ge (220)和Si Ge (311);而在无Ni 情况下,GeSi 薄膜生长1h 的XRD 图中未见任何明显的峰,说明GeSi 薄膜基本处于非晶态,Ni 的存在促使多晶Si Ge 薄膜的生长,而在无Ni 情况下,生长的GeSi 处于非晶态.图1 多晶GeSi 样品的XRD 图谱 a :镀Ni 样品;b :未镀Ni 样品Fig.1 XRD spectra showing the effect of the Ni pre 2layer on the Si G e film structure a :30nm Ni prelayer ;b :Without Ni prelayer为了获得了不同温度下Ni 对多晶GeSi 薄膜的诱导情况,对在480℃和510℃、30nm Ni 上生长的样品进行了扫描电镜测试,如图2所示.样品测试时,倾斜一定的角度,以获得更好的观测效果.从图可以看到,温度对多晶GeSi 表面形貌有重要的影响,480℃下生长的薄膜不够致密,晶粒较均匀地分布在表面较平坦的非晶薄膜上;510℃下,由于生长温度适中,晶粒均匀,无非晶相,形成连续致密的薄膜.图3是上述样品对应的XRD 图,从图中可以看到两个样品均为多晶,其中2812°,4710°和5610°附近的峰对应着Si Ge (111),Si Ge (220)和Si Ge (311)峰,两个样品的Ge 含量通过Vegard 公式计算得到分别约为9%和10%.结合SEM 图,说明在Ge 含量基本相同的情况下,480～510℃范围内,随着温度升高,Ni 对晶粒尺寸、表面形貌以及晶体质量的影图2 不同温度下在镀Ni 氧化硅片上生长多晶GeSi 的SEM 图像 (a )480℃;(b )510℃Fig.2 SEM images of Poly 2Si G e films grown on Ni in 2terlayers at different deposition temperature (a )480℃;(b )510℃图3 不同温度下镀Ni 衬底上多晶GeSi 样品的XRD 谱Fig.3 XRD spectra of poly 2Si G e films grown on Ni in 2terlayers at different temperatures响也越大.为了进一步研究温度与晶粒尺寸的关系,对在400～650℃之间生长的样品进行了SEM 测试,并总结了生长温度与晶粒尺寸的关系,见图4.从图中可以看到,晶粒尺寸随温度变化经历了3个阶段.当温度低于450℃时,金属Ni 诱导对晶粒尺寸的变化并不明显,此时晶粒尺寸多与Si Ge 薄膜自身的生长条件有关;温度在450～510℃时,属于过渡过程,这时Ni 诱导作用日趋明显,从SEM 图中227第4期吴贵斌等: 金属诱导生长法在Ni 硅化物上异质生长多晶G eSi 薄膜可以看到明显的晶粒,晶粒尺寸也迅速增加;当温度超过510℃以上时,Si Ge 薄膜晶粒尺寸完全由在Si 化物上成核决定,晶粒尺寸基本保持不变,形成连续均匀的薄膜.图4 生长温度与晶粒尺寸关系Fig.4 Dependence of grain size on the deposition tem 2perature图5 采用不同生长方式生长多晶GeSi 样品的SEM 图像 (a )生长压强为先10Pa ,后降至011Pa ;(b )生长压强为先011Pa ,后升至10PaFig.5 SEM images of poly 2Si G e films grown on Ni in 2terlyaers at different growth modes (a )High 2low pressure growth mode ;(b )Low 2high pressure growth mode图5是在530℃时采用两种不同生长方式获得的多晶GeSi 的扫描电镜图.两种生长方式的区别在于生长压强的改变,采用先高压(10Pa )后低压(011Pa )生长的GeSi 样品的表面形貌与图2样品的表面形貌类似,说明采用这种方式生长与恒定压强在10Pa 生长对表面形貌产生相同的影响;而采用先低压(011Pa )后高压(10Pa )生长的GeSi 样品的SEM 图中出现了尺寸较大的晶须,晶须尺寸多在100nm 以上,并且晶须与晶须之间相分离.通过以上测试可以看到,随着生长条件的改变,在镀Ni 衬底上生长多晶GeSi 表面形貌截然不同.这是因为GeSi 原子在NiSi 化物上的生长属于异质生长,最初沉积到Ni 上的Si Ge 原子与Ni 原子发生固相反应生成了NiSi 化物,随着反应的进行,金属Ni 不断地被消耗,直至所有Ni 都转变成NiSi 化物,由于NiSi 化物与Ge 含量小于20%的Si Ge 的晶格失配小于1%,有利于Si Ge 在NiSi 化物上成核外延生长,因而开始时Si Ge 以layer 2by 2layer 的方式生长,此时生长的Si Ge 表面形貌以及晶向只与NiSi 化物表面形貌与晶向有关;随着生长的进行,薄膜存在应变,应变能随着膜厚的增加而增加,当薄膜厚度超过一定值时,薄膜的生长方式由layer 2by 2layer 方式转变成St ranski 2Krastanov 方式,应力释放,产生失配位错.应力释放产生的缺陷从Si Ge/NiSi 界面延伸到薄膜表面,导致在缺陷附近沉积速率加快,因而形成岛状,当气相中有更多的Si Ge 时,Si Ge 原子会优先选择在岛处沉积,导致小岛生长加快,形成晶须状.基于以上分析,对图2与图5(b )的表面形貌进行解释.图2样品的生长压强较高,温度合适,因而成核密度很大,尽管晶粒与晶粒之间有很多的缺陷,但是由于成核密度大,生长速率较快,多晶GeSi 能较快形成连续的薄膜,之后薄膜保持连续的表面形貌,不会形成岛状;而图5(b )的样品由于生长开始时压强较低,成核密度小,生长速率慢,而缺陷密度高,当薄膜厚度超过临界值时,薄膜生长方式从lay 2er 2by 2layer 方式转变成St ranski 2Krastanov 方式.沉积在表面的Si Ge 有足够的扩散距离,在表面位错处优先成核生长,导致表面出现岛状,表面变得粗糙,一旦岛状稳定后,表面形貌维持不变,当生长压强增加到10Pa 时,大多数沉积到表面的Si Ge 原子会首先沉积在薄膜的凸起处,使得岛的生长速率快于周围Si Ge 的速率,形成晶须状结构.以上分析说明,应力弛豫是产生晶须状多晶GeSi 的驱动力,而采用M IG 与薄膜生长相结合的方法,通过应力释放,可以实现多晶GeSi 的可控生长,使获得均匀分布的晶须状多晶GeSi 成为可能.327半 导 体 学 报第27卷4 结论首次采用Ni金属诱导与化学气相沉积相结合的方法低温制备了多晶Si Ge.该方法的优点在于GeSi薄膜结晶与薄膜生长同时进行,不需要长时间退火.而且生长温度低于600℃,衬底完全可以采用廉价的玻璃替代Si片,降低了制备成本.通过对多晶Si Ge薄膜的晶体质量和表面形貌测试,可知在450℃以上,Ni对多晶GeSi生长的影响随着温度的升高而变大.在Si Ge/NiSi异质结构中,应力释放是影响多晶GeSi表面形貌的原动力,导致多晶GeSi 在NiSi化物上生长可以有两种机制.当生长压强适中时(10Pa),能够形成连续、晶粒尺寸均匀致密的薄膜;而采用先低压(011Pa)后高压(10Pa)生长时,会导致分离的晶须状表面形貌,晶须尺寸大于100nm.为可控多晶GeSi膜在微电子、光电子领域内的应用打下了良好的基础.参考文献[1] J elenkovic E V,Tong K Y,Cheung W Y,et al.L ow te mp era2ture doping of p oly2Si Ge fil ms wit h boron by co2sp uttering.Thin Solid Fil ms,2000,368:55[2] Xie Y H.Si Ge field eff ect t ra nsist ors.Mater Sci Eng,1999,25:89[3] Clif t on P A,L avelle S J,Neill A G.Sub2micron st rained Si:Si Ge heterost ructure MOS F ETs.Microelect ronics J our nal,1997,28:691[4] Healy S A,Green M A.Efficiency enhance ments in crystal2line silicon solar cells by alloying wit h ger manium.Solar En2ergy Material a nd Solar Cells,1992,28(3):273[5] Hayzelden C,Batst one J L.Silicide f or mation a nd silicide2mediated crystallization of nickel2i mpla nted a morp hous sili2con t hin fil 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de nsely p acked Si Ge w hiskers are f ormed w he n adop ting a low2high p res2 sure growt h mode.K ey w ords:metal2induced growt h;U HV CV D;heteroepitaxy;Ni disilicidePACC:8115H;6855Article ID:025324177(2006)04207212043Project supp orted by t he Cli mbing Progra m of t he Minist ry of Science and Technology of Chi na(No.981101040)a nd t he Progra m of Zhe2 jia ng Province(No.991110535)Corresp onding aut hor.Email:yezz@ Received18August2005,revised ma nuscript received27Oct ober2005c○2006Chinese Institute of Elect ronics 427。
溶液法铝诱导晶化多晶硅薄膜
ｄｐ ｓｅ ｙ ｏ ｐｅｓｒ ｃｅ ｃｌ ａｏ ｅ ｏｉｏ Ｌ Ｃ Ｄ） ｎ ｓｄａ ｅ ｒｃｒｏｓ ｆ ｒｓ ｌｚｔ ｎ Ａｌ ｎｔ ｅ ｏｉｄｂ ｗ—ｒｓ ｅ ｈｍｉａｖｐ ｒ ｐ ｓｉｎ（Ｐ Ｖ ａｄｕｅ ｓｈ ｅｕｓｒ ｏ ｙｔ ｌ ａ ｏ ． ｕ ａ ｔ ｌ ｕ ｄ ｔ ｔ ｐ ｃ ａｉ ｉ ｉ ｍ ｅ
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溶液法铝诱导晶化 多晶硅 薄膜
王 烁 罗 科 赵 颖 熊绍 珍
３０７） ００ １
（ 南开大学光 电子器件与技术研究所， 天津市光 电子薄膜材料 和器件重点实验室， 天津
摘 要： 介绍 了一种基于溶液 的廉价制备 Ａ１ 诱导 晶化多晶硅薄膜的方法． 先以低压化学气相沉积（Ｐ Ｖ 方法 Ｌ Ｃ Ｄ）
中图 分 类 号 ： ０ ４ ； ０ ４ ６５ ６９
Ａ１ ｎｄ ｅ ｙ ｔ ｌｉａ ｉ ｎ ｏ ｌ ｃ ｙ ｔ ｌｉ ｅ Ｓ ｌｃ ｎ Ｔｈｉ ｌ ｓＢａ ｅ ｎ － Ｉ ｕｃ ｄ Ｃｒ ｓ ａ ｌｚ ｔｏ ｆ ＰＯ ｙ ｒ ｓ ａ ｌｎ ｉｉ ｏ ｎ Ｆｉｍ ｓ ｄ ｏ Ｓ ｌ ｔｏ ｅ ｈｏ ｏ ｕ ｉ ｎＭ ｔ ｄ
ｆ ｕ ｄ ｈ ｔ ｔ ｅ ＡＩ ｐ ｏ ｅ ｓ ｏ ｌ ｔｋ ｌｃ ｎ ｙ ｗｉ ｓ ｌｔ ｎ ｃ ｎ ａ ｎｎ ｍｅａ ａｕ ｎ ｔ ｓ ａ ｄ ｏ ｔ ｕ ｕ ｏ ｎ ｔ ａ Ｃ ｒ ｃ ｓ ｃ ｕ ｄ ａ ｅ ｐ ａ ｅ ｏ ｌ ｔ ｏ ｕ ｉ ｏ ｔｉ ｉ ｇ ｈ ｈ ｏ ｔ — ｌ ｍｉ ａｅ ． ｎ ｃ ｎｉ ｏ ｓ ｎ
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多晶硅制备技术的研究现状
多晶硅制备技术的研究现状作者：段昊院系：化学化工学院学号：1502070117日期：2009/10/24多晶硅制备技术的研究现状段昊，中南大学，化学化工学院，1502070117摘要：多晶硅是当今社会在能源和信息产业的重要无机材料，他具备单晶硅和非晶硅的诸多优点，广泛用于制造太阳能电池及半导体。
高纯多晶硅是电子工业和太阳能光伏产业的基础原料，在短期内，还不可能有其他材料能够替代硅材料而成为电子和光伏产业主要原材料。
目前多晶硅生产制备的多种生产工艺路线并存，本文主要讨论了制备多晶硅的不同方法及差异。
关键字：多晶硅，制备，晶化，气象沉积。
引言：自从半导体工业发展以来，硅作为性能优良的半导体材料受到人们的重视。
硅有单晶硅，多晶硅和非晶硅等形态，多晶硅兼具单晶硅和非晶硅的大部分优点于一身，以及相对较成熟的单晶硅制造工艺被沿用到多晶硅的制备中，人们对多晶硅制备的研究兴趣愈发浓厚。
多晶硅主要应用于半导体工业及制造太阳能电池上，占多晶硅总需求的90%以上。
目前有两个应用方向有发展潜力：一是大晶粒多晶硅,具有远大于非晶硅,并与单晶硅可相比拟的高载流子迁移率,常代替非晶硅应用于薄膜晶体管(TFT)的有源层,因此不仅可以取代非晶硅用于液晶显示器件(LCD),而且用它制作的互补MOS(CMOS)电路可以实现LCD一体化,即把外围驱动电路和显示屏做在同一衬底上;另一方面,多晶硅薄膜在光照下,无非晶硅薄膜材料在受到长时间的光照之后,光电导和暗电导的性能均有所降低的光致亚稳效应(S-W效应),而且带隙较窄,对可见光能有效吸收,被公认为是高效率和低功耗的光伏材料,因为在太阳电池制作上的应用十分成功。
本文总结了多晶硅制备的一些方法。
制备方法：目前多晶硅制备方法有铸造法[1]和低温合成法[2]两大方法。
其中铸造法有浇铸法，定向凝固法，电磁感应加热连续铸造法等；低温合成则分为化学气象沉积(CVD)和非晶硅薄膜晶化两类。
非晶硅薄膜晶化又有金属诱导横向晶化，准分子激光诱导等方法；化学气象沉积则有触媒化学气象沉积(CAT-CVD)，电感耦合等离子体化学气象沉积(ICP-CVD)，等离子体增强气象沉积(PECVD)，热丝化学气象沉积(HWCVD)等。
多晶硅tft后氢化处理的研究
引言注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。
1独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
签名：陈飞日期：2006 年1 月16日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。
（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名：陈飞导师签名：祁康成日期：2006 年1月16日摘要摘要多晶硅薄膜晶体管（p-Si TFT）液晶显示器可以实现高分辨率、高集成度、同时有效降低显示器的功耗，因而成为目前平板显示领域主要研究方向；而以横向晶化多晶硅为有源层的TFT由于在导电方向有更少的晶界、更低的金属杂质污染、更高的载流子迁移率而成为目前有源矩阵液晶显示领域、投影显示、OLED显示等领域研究的热点。
多晶硅薄膜晶粒间界存在大量的悬挂键与缺陷,形成高密度陷阱. 晶粒间的杂质电离产生的载流子首先被陷阱浮获,减少了参与导电的自由载流子的数目.陷阱在浮获载流子之前是电中性的,但是在俘获载流子之后就带电了,在其周围形成一个多子势区,阻挡载流子从一个晶粒向另一个晶粒运动,导致载流子迁移率下降，导致TFT的电学性能下降。
而通过氢化可以大大降低多晶硅薄膜晶粒边界中的悬挂键和界面陷阱，从而显著提高TFT的场效应迁移率和开态电流，减少关态电流，提高TFT的电学性能。
常规的氢化工艺是在TFT全部完成后再进行氢化处理的。
那样不仅氢化时间很长而且氢离子需要穿过多层薄膜（钝化层、栅氧化层、源漏极电极接触区）才能够进入沟道层，这样就需要氢化设备提供大的功率密度，从而使得设备成本增加。
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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)11004803Progress in Study on Poly-Si Films by Metal Induced CrystallizationCAI 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 on1 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48轻 金 属 2006年第11期收稿日期: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492006年第11期 蔡捷宏,姚若河,陈明鑫,许佳雄,陈岳政:金属诱导法制备多晶硅薄膜的研究进展在晶化过程中用紫外光照射样品。
紫外光光子作为外加的能量源补偿了玻璃衬底温度的降低,能够进一步降低晶化温度。
Ali Khakifirooz等人报道19!,在镍诱导晶化过程中,用波长为365nm、功率为2.5mW/cm2的紫外光照射样品,在400∀下退火,出现了明显的多晶硅特征。
增加紫外光的功率,观察到更多晶粒的生长。
4.3 金属-诱导准分子激光晶化法该方法是用镍金属诱导方法通过热退火形成N iSi2,再通过准分子激光退火方法使非晶硅晶化形成多晶硅20!。
在此方法中,Ni:Si不发生Ni的迁移,而仅仅是作为小晶核,硅的晶化在小晶核NiSi 的八面体的一面或多面成核生长。
这种方法的优点是:(1)制备的多晶硅晶粒大,晶粒间缺陷少;(2)制备的多晶硅比通常的激光晶化法有更高的晶化度;(3)比普通的金属诱导晶化法可以缩短晶化时间,而且多晶硅形貌呈致密的网状形;(4)在非晶硅表层存在的NiSi2小晶核层,并有可能拓宽为获得更大晶粒的激光晶化能量范围。
该方法存在的主要缺点是:(1)当激光能量太低时,非晶硅不能熔化或晶粒不能达到足够大,太高时又造成微晶化或非晶化,所以对激光能量的控制要求高;(2)所需准分子激光器的价格高;(3)不适应于大面积的薄膜制备。
4.4 化学源金属诱导法指将Ni或Ni盐溶于一定的溶剂中形成溶液21!,以此作为金属源(化学源),通过旋涂在非晶规表面,在一定的温度下退火诱导生成P-Si。
这种方法的优点是:(1)在一定程度上可以通过控制旋涂的化学源的浓度的方法来调控样品的晶化效果;(2)与物理源金属诱导晶化法相比,化学源金属诱导晶化法制备的多晶硅薄膜中金属的残余量很小,薄膜的性能更好;(3)用化学源金属诱导晶化制备的多晶硅的择优晶向为<220>,在<220>的择优取向的微晶硅太阳能电池中可以呈现良好的电池品质。