專(zhuān)利名稱(chēng)：制備多晶硅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種硅材料，具體地說(shuō)是一種把非晶硅轉(zhuǎn)化成多晶硅的方法。
背景技術(shù)：
目前，制備多晶硅薄膜技術(shù)按照生長(zhǎng)環(huán)境主要分為以下幾種，即預(yù)沉積法(as-deposited)，固相晶化法(SPC)，金屬誘導(dǎo)法(MIC)，脈沖快速熱燒結(jié)法(PRTA)和準(zhǔn)分子激光晶化法(ELA)。
預(yù)沉積法通常是由低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)設(shè)備直接生長(zhǎng)。在約630℃高溫下，SiH4發(fā)生熱分解淀積成多晶硅。此方法生長(zhǎng)的多晶硅粒度較小，生長(zhǎng)溫度較高，不適宜在玻璃上生長(zhǎng)。
固相晶化法是把已淀積的非晶硅薄膜放在650℃左右的環(huán)境溫度，通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的熱退火，通常10小時(shí)以上，把非晶硅轉(zhuǎn)化成多晶硅。此方法也是在高溫下進(jìn)行，且晶化度較低。
金屬誘導(dǎo)法是在固相晶化法的基礎(chǔ)上通過(guò)某些金屬或其金屬鹽，誘導(dǎo)非晶硅發(fā)生晶化。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道這種方法的生長(zhǎng)機(jī)理是金屬和a-Si在界面處發(fā)生擴(kuò)散反應(yīng)，能降低晶化溫度，使a-Si的晶化溫度可低于500℃。Carmarata等報(bào)道，Ni通過(guò)離子注入a-Si薄膜，加熱形成NiSi2化合物，NiSi2作為晶核能通過(guò)a-Si遷移生成。硅的晶核首先在NiSi2/a-Si界面成核生長(zhǎng)。在NiSi2運(yùn)動(dòng)方向，由于Ni原子在NiSi2/a-Si界面化學(xué)勢(shì)低，Ni擴(kuò)散到a-Si形成新的NiSi2/a-Si界面。因此，一方面在Ni擴(kuò)散的反方向硅得到生長(zhǎng)，一方面Ni向縱深遷移，繼續(xù)形成新的NiSi2/a-Si界面，即形成新的NiSi2。該方法晶化時(shí)間長(zhǎng)，得到的多晶硅晶化度也不是很高。
脈沖快速熱燒結(jié)法和準(zhǔn)分子激光燒結(jié)法都是把非晶硅加熱熔化，液態(tài)非晶硅冷卻時(shí)發(fā)生晶化。其中在準(zhǔn)分子激光燒結(jié)法中，要求激光能量密度適度，小于晶化閾值能量密度時(shí)不發(fā)生晶化，太高時(shí)a-Si發(fā)生非晶化或微晶化，這是由于未能形成重結(jié)晶的固液界面，薄膜內(nèi)的液化區(qū)溫度比熔點(diǎn)高得多，冷卻速度過(guò)快造成的。
另外，中國(guó)專(zhuān)利公報(bào)公開(kāi)了一種“薄膜晶體管及制造方法”(CN 1357925)，是通過(guò)對(duì)非晶硅膜多次照射激光，實(shí)現(xiàn)由多個(gè)晶粒構(gòu)成，通過(guò)抑制鄰接晶粒的邊界。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述制備多晶硅方法的晶化度低的不足，本發(fā)明采用準(zhǔn)分子激光，利用金屬鎳的誘導(dǎo)性，提供一種制備多晶硅的方法。
本發(fā)明先在非晶硅表面形成小晶核，其方法是在已脫氫的非晶硅表面濺射一薄層金屬鎳，薄層厚度為0.5～2.5nm，在400～500℃溫度，氮?dú)鈿夥障峦嘶?～4小時(shí)，形成鎳硅化合物NiSi2。NiSi2化合物的晶格結(jié)構(gòu)與Si的晶格結(jié)構(gòu)相近，晶格常數(shù)只差0.4％，因此可以把化合物NiSi2看作是一些小晶核。
把上述樣品放置在真空室，襯底溫度200～300℃，氣壓2～8×10-4Pa，通過(guò)準(zhǔn)分子激光把非晶硅熔化。準(zhǔn)分子激光能量密度為260～360mJ/cm2，激光輸出頻率為3～10Hz，樣品受光次數(shù)為6～20次/秒。隨著熔化非晶硅溫度的降低，在非晶硅的表面發(fā)生以NiSi2為小晶核的多晶硅的生長(zhǎng)。這里多晶硅是在非晶硅的上界面生長(zhǎng)，它區(qū)別于金屬誘導(dǎo)法多晶硅的生長(zhǎng)，以NiSi2為小晶核的多晶硅生長(zhǎng)不發(fā)生Ni的遷移。因?yàn)榧す饽芰堪逊蔷Ч枞刍档土朔蔷Ч柚泄柙拥谋砻婺?，隨著溫度的降低，硅原子以NiSi2小晶核為中心點(diǎn)重新排列在各個(gè)格點(diǎn)處，形成多晶硅。在熔化的非晶硅里由于存在固液界面，在此界面處也存在某些能起小晶核作用的物質(zhì)，隨熔化的非晶硅溫度的降低也發(fā)生晶化。這里多晶硅是在非晶硅的下界面生長(zhǎng)。下界面的晶化原理與激光晶化法相同。
通過(guò)這種辦法，在熔化的非晶硅上下兩個(gè)界面同時(shí)發(fā)生晶化，使晶化度得到了進(jìn)一步提高。采用本發(fā)明使非晶硅上下界面同時(shí)晶化，能得到比單純的非晶硅上界面晶化如金屬誘導(dǎo)法或非晶硅下界面晶化如準(zhǔn)分子激光晶化法有更高的晶化度。晶化度的提高可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)與金屬誘導(dǎo)法和準(zhǔn)分子激光晶化法相對(duì)比，用XRD測(cè)試結(jié)果來(lái)驗(yàn)證。多晶硅的XRD特征峰強(qiáng)度高低相對(duì)反映了晶化度的高低。
圖1是本發(fā)明制備多晶硅的XRD測(cè)試結(jié)果，圖2是準(zhǔn)分子激光晶化法制備多晶硅的XRD測(cè)試結(jié)果，圖3是金屬誘導(dǎo)法制備多晶硅的XRD測(cè)試結(jié)果。為了便于對(duì)比，圖1、2、3的樣品都是在相同參數(shù)統(tǒng)一條件下制備和測(cè)試，而且都是在相對(duì)較好的條件下進(jìn)行。為便于對(duì)比測(cè)試結(jié)果，應(yīng)用了初始曲線，未數(shù)字化處理。
從測(cè)試結(jié)果可以看出，圖1在多晶硅的(111)面(衍射角為28.47°)、(220)面(衍射角為47.30°)、(311)面(衍射角為56.14°)出現(xiàn)了特征峰；圖2只出現(xiàn)兩個(gè)面(111)、(220)的特征峰，對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度都不如圖1；圖3只出現(xiàn)(311)面的特征峰，而且半高寬寬化，說(shuō)明晶粒小、強(qiáng)度很弱，此時(shí)只在非晶硅的表面形成了一薄層微晶硅，主要是NiSi2小晶核。通過(guò)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，進(jìn)一步證實(shí)本發(fā)明是在兩個(gè)面同時(shí)晶化，晶化度得到了進(jìn)一步提高。


圖1是本發(fā)明制備多晶硅的XRD測(cè)試結(jié)果。樣品制備條件50nm的非晶硅在450℃下退火3小時(shí)去氫后濺射1.5nm厚的鎳，再在450℃下退火3小時(shí)，最后用準(zhǔn)分子激光在能量密度為330mJ/cm2，頻率5Hz，受光次數(shù)10次/秒下照射。
圖2是準(zhǔn)分子激光晶化法制備多晶硅的XRD測(cè)試結(jié)果。樣品制備條件50nm的非晶硅在450℃下退火3小時(shí)去氫后用準(zhǔn)分子激光在能量密度為330mJ/cm2，頻率5Hz，受光次數(shù)10次/秒下照射。
圖3是金屬誘導(dǎo)法制備多晶硅的XRD測(cè)試結(jié)果。樣品制備條件50nm的非晶硅在450℃下退火3小時(shí)去氫后濺射1.5nm厚的鎳，再在450℃下退火3小時(shí)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
用PECVD方法在玻璃上生長(zhǎng)50nm厚的Ha-Si，然后在450℃，氮?dú)鈿夥障峦嘶?小時(shí)去氫，濺射1.5nm厚的鎳后再在450℃，氮?dú)鈿夥障峦嘶?小時(shí)，最后把樣品放在真空度為8×10-4Pa，襯底溫度300℃的退火室，用激光能量密度330mJ/cm2，頻率5Hz，受光次數(shù)10次/秒的準(zhǔn)分子激光照射樣品。通過(guò)日本理學(xué)D/max-rAXRD儀在40KV、100mA測(cè)試樣品。
權(quán)利要求
1.一種制備多晶硅的方法，其特征是在已脫氫的非晶硅表面濺射一薄層金屬鎳，薄層厚度為0.5～2.5nmnm，在400～500℃溫度，氮?dú)鈿夥障峦嘶?～4小時(shí)，形成鎳硅化合物NiSi2；用能量密度為260～360mJ/cm2的準(zhǔn)分子激光把非晶硅熔化，隨著熔化的非晶硅溫度降低，在非晶硅的上下界面處生長(zhǎng)出多晶硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備多晶硅的方法，其特征是在已脫氫的非晶硅表面濺射一薄層金屬鎳的厚度為1.5nm，在450℃溫度，氮?dú)鈿夥障峦嘶?小時(shí)，形成鎳硅化合物NiSi2；用激光能量密度330mJ/cm2，頻率5Hz，受光次數(shù)10次/秒的激光把非晶硅熔化，隨著熔化的非晶硅溫度降低，在NiSi2小晶核與熔化的非晶硅界面和液相非晶硅和固相非晶硅界面同時(shí)生長(zhǎng)多晶硅。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，是一種把非晶硅轉(zhuǎn)化成多晶硅的方法。本發(fā)明是在已脫氫的非晶硅表面濺射一薄層金屬鎳，薄層厚度為0.5～2.5nm。在400～500℃溫度，氮?dú)鈿夥障峦嘶?～4小時(shí)，形成鎳硅化合物NiSi，用能量密度為260～360mJ/cm
文檔編號(hào)H01L29/786GK1545143SQ20031011005
公開(kāi)日2004年11月10日 申請(qǐng)日期2003年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月15日
發(fā)明者廖燕平, 邵喜斌, 付國(guó)柱, 荊海, 郜峰利, 繆國(guó)慶 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所, 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研