專利名稱：一種制備多晶硅的方法
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，具體地說就是一種把非晶硅轉(zhuǎn)化為多晶硅的方法。
背景技術(shù)：
與非晶硅相比，多晶硅的載流子遷移率增大2個數(shù)量級，因而廣泛應(yīng)用與平板顯示中薄膜晶體管的制作甚至驅(qū)動IC制作。
多晶硅的制備方法依制備溫度分為高溫制備和低溫制備，高溫制備不適于廉價的玻璃或塑料襯底，因而如何在低溫下制備高品質(zhì)的多晶硅薄膜成為當(dāng)前國內(nèi)外的研究熱點。目前低溫制備多晶硅薄膜的主要方法有催化劑預(yù)沉積法(Cat-CVD)、激光晶化法(ELA)和金屬誘導(dǎo)法(MIC/MILC/MIUC)。
催化劑預(yù)沉積法(Cat-CVD)是一種直接淀積方法，為降低預(yù)沉積法的襯底溫度，采用催化法(Cat-CVD)，即使反應(yīng)氣體通過高溫金屬絲后分解，沉積在基板上，金屬絲只起到催化作用而不參加反應(yīng)。這種方法催化劑會對沉積的多晶硅薄膜產(chǎn)生污染，這個問題尚未解決。
激光晶化(ELA)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，在日本、韓國已經(jīng)廣泛應(yīng)用，此方法是非晶硅熔融再結(jié)晶過程，晶化時間短，得到的多晶硅薄膜含氫量低，較致密，但晶粒小、大面積不夠均勻，從而降低了開態(tài)電流和器件的穩(wěn)定性。
金屬誘導(dǎo)法(MIC/MILC/MIUC)制備的多晶硅薄膜均勻性好，能大面積應(yīng)用；為減少器件溝道區(qū)金屬離子的污染，采用橫向誘導(dǎo)方法；但橫向誘導(dǎo)的弊端是溝道區(qū)存在晶界勢壘，改進(jìn)的方法是單側(cè)橫向誘導(dǎo)，將晶界移出溝道；金屬誘導(dǎo)方法制備多晶硅薄膜周期長(幾個～幾十小時)。場助金屬誘導(dǎo)法(FE-SMC)就是在源漏間加上電場，能提高金屬誘導(dǎo)橫向生長的速率、增加橫向生長長度并且縮短制備周期，即使是這樣制備周期還是幾個到十幾個小時。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述制備多晶硅方法的缺點，本發(fā)明以直接沉積的非晶硅薄膜為前身，將金屬誘導(dǎo)與激光退火兩種方法結(jié)合起來晶化非晶硅薄膜，目的是提供一種低溫制備高品質(zhì)多晶硅薄膜的方法。
本發(fā)明主要內(nèi)容為首先在普通玻璃基板上制備一層高品質(zhì)的非晶硅薄膜，然后在非晶硅薄膜上制備一薄層金屬鎳，并將金屬鎳光刻成細(xì)線，對樣品進(jìn)行一次激光退火。一次激光退火結(jié)束后，去除非晶硅薄膜上多余的金屬鎳，之后對已經(jīng)去除多余的金屬鎳的非晶硅薄膜進(jìn)行二次激光退火，使非晶硅薄膜晶化為多晶硅薄膜。
本發(fā)明所用的高品質(zhì)非晶硅薄膜的淀積方法很多，包括低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)、熱絲化學(xué)氣相沉積(HW CVD)、電子回旋共振化學(xué)氣相沉積(ECR CVD)等等。這些方法，工藝成熟，淀積速率快，膜質(zhì)致密，能獲得高品質(zhì)的非晶硅薄膜。
金屬誘導(dǎo)是以金屬硅化物二硅化鎳為媒介、鎳原子以二硅化鎳形式在非晶硅薄膜中遷移晶化非晶硅薄膜。以往這個過程是通過熱退火來完成的，在本發(fā)明中采用激光退火取代熱退火實現(xiàn)金屬誘導(dǎo)晶化非晶硅薄膜。一次激光退火的目的就是使鎳原子向鎳線兩側(cè)及鎳線下的非晶硅薄膜中擴(kuò)散，形成晶化媒介二硅化鎳。因為鎳在非晶硅薄膜中的含量直接影響制備出來的多晶硅薄膜的品質(zhì)，所以控制一次激光退火的激光能量密度，使擴(kuò)散進(jìn)非晶硅薄膜的鎳原子的量足夠晶化整個非晶硅薄膜而不富余，一次激光退火結(jié)束后還要去除掉沒有擴(kuò)散進(jìn)非晶硅薄膜的金屬鎳。二次激光退火使鎳原子在非晶硅薄膜中遷移從而晶化非晶硅薄膜，因為二次激光退火激光刀與鎳線平行而掃描方向與鎳線垂直，所以使原鎳線下的非晶硅晶化形成金屬誘導(dǎo)晶化多晶硅區(qū)，而使沒有鎳覆蓋的非晶硅晶化成沿掃描方向生長的長晶粒多晶硅，即金屬誘導(dǎo)橫向晶化區(qū)。
本發(fā)明將金屬誘導(dǎo)與雙次激光退火相結(jié)合，利用雙次激光退火取代熱退火，縮短了晶化周期，對基板來講降低了襯底溫度。制備的多晶硅薄膜適于制備薄膜晶體管。金屬誘導(dǎo)橫向晶化區(qū)作為薄膜晶體管的導(dǎo)電溝道因為沒有與電場垂直的晶界，故而提高了遷移率并降低了器件的閾值電壓。


附圖為本發(fā)明的制備過程圖。圖中1為玻璃基板，2非晶硅薄膜，3金屬鎳薄膜，4激光刀，5激光刀掃描方向，6含有金屬鎳離子的非晶硅薄膜，7多晶硅薄膜。AD、BC表示與鎳線平行的樣品的兩個邊，AB、DC表示與鎳線垂直的樣品的兩個邊。
制備過程圖中給出本發(fā)明的六個步驟，分別如下步驟1制備非晶硅薄膜；步驟2在非晶硅薄膜上制備薄層金屬鎳；步驟3將金屬鎳光刻成線形；步驟4一次激光退火，樣品放置要求使激光刀與鎳線垂直，激光刀掃描的方向與鎳線平行，目的是使鎳原子向鎳線兩側(cè)及鎳線下的非晶硅薄膜中擴(kuò)散，形成晶化媒介二硅化鎳；步驟5去除多余金屬鎳；步驟6二次激光退火，樣品放置要求使激光刀與原鎳線平行，激光刀掃描的方向與原鎳線垂直，目的是使原鎳線下的非晶硅晶化形成金屬誘導(dǎo)晶化多晶硅區(qū)，而使沒有鎳覆蓋的非晶硅晶化成沿掃描方向生長的長晶粒多晶硅，即金屬誘導(dǎo)橫向晶化區(qū)。
具體實施例方式
附圖是本發(fā)明一種實施方式圖。以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明。
第一步，首先利用已有的成熟工藝在普通玻璃基板1上沉積一層高品質(zhì)的非晶硅薄膜2；第二步，然后將非晶硅薄膜樣品放置于濺射臺中濺射一薄層金屬鎳薄膜3；第三步，并將金屬鎳薄膜3層光刻成細(xì)線；第四步，對樣品進(jìn)行一次激光退火，樣品在激光退火系統(tǒng)的真空樣品平臺上放置，使激光刀4與鎳線垂直，即與邊AB、DC垂直，激光刀掃描的方向5與鎳線平行，即與邊AD、BC平行，如圖所示；第五步，一次激光退火結(jié)束后，將樣品置于金屬鎳的蝕刻溶液中蝕刻掉殘余的金屬鎳，此時的非晶硅薄膜是含有金屬鎳離子的非晶硅薄膜6；第六步，對樣品進(jìn)行二次激光退火晶化非晶硅薄膜6獲得多晶硅薄膜7。二次激光退火時樣品放置，使激光刀4與原鎳線平行，即與邊AB、DC平行，激光刀的掃描方向5與原鎳線垂直，即與邊AD、BC垂直。
實施例用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法在普通玻璃基板1上沉積50nm厚的非晶硅薄膜(a-Si)2，襯底溫度為220℃，射頻功率密度為0.03W/cm2，氣體流量為15sccm，反應(yīng)室氣壓為80Pa。
上述非晶硅樣品放置于磁控濺射臺中濺射5nm的金屬鎳薄膜3，襯底溫度為150℃射頻功率密度為0.03W/cm2，本底真空度為2×10-4Pa。
使用紫外光刻技術(shù)將金屬鎳薄膜3光刻成線形，寬度為2μm，間距為4μm。
用XeCl(308nm)激光退火系統(tǒng)對樣品在室溫下進(jìn)行一次激光退火，使激光刀4與鎳線垂直，激光刀掃描方向5與鎳線平行放置樣品，激光能量密度為150mJ/cm2。
一次激光退火結(jié)束后將樣品取出，放入稀硫酸中腐蝕掉多余的金屬鎳并清洗。稀硫酸的濃度可以是H2O∶H2SO4＝4∶1。
用XeCl(308nm)激光退火系統(tǒng)對樣品在室溫下進(jìn)行二次激光退火，使激光刀4與原鎳線平行，激光刀掃描方向5與原鎳線垂直放置樣品，激光能量密度為330mJ/cm2。
權(quán)利要求
1.一種制備多晶硅的方法，其特征是在普通玻璃基板(1)上制備一層高品質(zhì)的非晶硅薄膜(2)，然后在非晶硅薄膜(2)上制備一薄層金屬鎳薄膜(3)，并將金屬鎳薄膜(3)光刻成細(xì)線成為樣品；對樣品進(jìn)行一次激光退火，一次激光退火結(jié)束后，去除非晶硅薄膜(2)上多余的金屬鎳，之后對已經(jīng)去除多余的金屬鎳的非晶硅薄膜(6)進(jìn)行二次激光退火，使非晶硅薄膜(6)晶化為多晶硅薄膜(7)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備多晶硅的方法，其特征是第一步，首先利用已有的成熟工藝在普通玻璃基板(1)上沉積一層高品質(zhì)的非晶硅薄膜(2)制成樣品；第二步，然后將非晶硅薄膜樣品放置于濺射臺中濺射一薄層金屬鎳薄膜(3)；第三步，并將金屬鎳薄膜(3)層光刻成細(xì)線；第四步，對樣品進(jìn)行一次激光退火，樣品在激光退火系統(tǒng)的真空樣品平臺上放置，使激光刀(4)與鎳線垂直，即與邊AB、DC垂直，激光刀掃描的方向(5)與鎳線平行，即與邊AD、BC平行，；第五步，一次激光退火結(jié)束后，將樣品置于金屬鎳的蝕刻溶液中腐蝕掉殘余的金屬鎳，此時的非晶硅薄膜是含有金屬鎳離子的非晶硅薄膜(6)；第六步，對非晶硅薄膜(6)二次激光退火時樣品放置，使激光刀(4)與原鎳線平行，即與邊AB、DC平行，激光刀的掃描方向(5)與原鎳線垂直，即與邊AD、BC垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備多晶硅的方法，其特征是所述的制備高品質(zhì)非晶硅成熟工藝包括低壓化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、熱絲化學(xué)氣相沉積、電子回旋共振化學(xué)氣相沉積。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備多晶硅的方法，其特征是用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法在普通玻璃基板(1)上沉積50nm厚的非晶硅薄膜(2)，襯底溫度為220℃，射頻功率密度為0.03W/cm2,氣體流量為15sccm，反應(yīng)室氣壓為80Pa；將上述非晶硅樣品放置于磁控濺射臺中濺射5nm的金屬鎳薄膜(3)，襯底溫度為150℃，射頻功率密度為0.03W/cm2，本底真空度為2×10-1Pa；使用紫外光刻技術(shù)將金屬鎳薄膜(3)光刻成線形，寬度為2μm，間距為4μm；用XeCl激光退火系統(tǒng)對樣品在室溫下進(jìn)行一次激光退火，激光能量密度為150mJ/cm2；一次激光退火結(jié)束后將樣品取出，放入稀硫酸中刻蝕掉多余的金屬鎳并清洗；用XeCl激光退火系統(tǒng)對樣品在室溫下進(jìn)行二次激光退火，激光能量密度為330mJ/cm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備多晶硅的方法，其特征是在刻蝕掉多余的金屬鎳時，所用的稀硫酸中濃度為H2O∶H2SO4＝4∶1。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，是一種制備多晶硅的方法。本發(fā)明將直接沉積在玻璃基板上的非晶硅薄膜，用金屬誘導(dǎo)—雙次激光退火的方法晶化為多晶硅。首先在普通玻璃基板上制備一層高品質(zhì)的非晶硅薄膜，然后在非晶硅薄膜上制備一薄層金屬鎳，并將金屬鎳光刻成細(xì)線，對樣品進(jìn)行一次激光退火，一次激光退火結(jié)束后，去除非晶硅薄膜上多余的金屬鎳，之后對已經(jīng)去除多余的金屬鎳的非晶硅薄膜進(jìn)行二次激光退火，使非晶硅薄膜晶化為多晶硅薄膜。用激光退火取代傳統(tǒng)的熱退火，不僅縮短了晶化周期而且降低了襯底溫度。制備的多晶硅薄膜適于制備薄膜晶體管。金屬誘導(dǎo)橫向晶化區(qū)作為薄膜晶體管的導(dǎo)電溝道因為沒有與電場垂直的晶界，故而提高了遷移率并降低了器件的閾值電壓。
文檔編號H01L21/02GK1727525SQ20051001660
公開日2006年2月1日 申請日期2005年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月4日
發(fā)明者黃金英, 付國柱, 荊海, 凌志華 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所