專利名稱：制備多晶硅的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體材料技術領域，涉及一種硅材料，具體地說是一種把非晶硅轉化成多晶硅的方法。
背景技術：
目前，制備多晶硅薄膜技術按照生長環(huán)境主要分為以下幾種，即預沉積法(as-deposited)，固相晶化法(SPC)，金屬誘導法(MIC)，脈沖快速熱燒結法(PRTA)和準分子激光晶化法(ELA)。
預沉積法通常是由低壓化學氣相沉積(LPCVD)設備直接生長。在約630℃高溫下，SiH4發(fā)生熱分解淀積成多晶硅。此方法生長的多晶硅粒度較小，生長溫度較高，不適宜在玻璃上生長。
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，通過較長時間的熱退火，通常10小時以上，把非晶硅轉化成多晶硅。此方法也是在高溫下進行，且晶化度較低。
金屬誘導法是在固相晶化法的基礎上通過某些金屬或其金屬鹽，誘導非晶硅發(fā)生晶化。根據(jù)文獻報道這種方法的生長機理是金屬和a-Si在界面處發(fā)生擴散反應，能降低晶化溫度，使a-Si的晶化溫度可低于500℃。Carmarata等報道，Ni通過離子注入a-Si薄膜，加熱形成NiSi2化合物，NiSi2作為晶核能通過a-Si遷移生成。硅的晶核首先在NiSi2/a-Si界面成核生長。在NiSi2運動方向，由于Ni原子在NiSi2/a-Si界面化學勢低，Ni擴散到a-Si形成新的NiSi2/a-Si界面。因此，一方面在Ni擴散的反方向硅得到生長，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。該方法晶化時間長，得到的多晶硅晶化度也不是很高。
脈沖快速熱燒結法和準分子激光燒結法都是把非晶硅加熱熔化，液態(tài)非晶硅冷卻時發(fā)生晶化。其中在準分子激光燒結法中，要求激光能量密度適度，小于晶化閾值能量密度時不發(fā)生晶化，太高時a-Si發(fā)生非晶化或微晶化，這是由于未能形成重結晶的固液界面，薄膜內的液化區(qū)溫度比熔點高得多，冷卻速度過快造成的。
另外，中國專利公報公開了一種“薄膜晶體管及制造方法”(CN 1357925)，是通過對非晶硅膜多次照射激光，實現(xiàn)由多個晶粒構成，通過抑制鄰接晶粒的邊界。

發(fā)明內容
為了克服上述制備多晶硅方法的晶化度低的不足，本發(fā)明采用準分子激光，利用金屬鎳的誘導性，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，氮氣氣氛下退火2～4小時，形成鎳硅化合物NiSi2。NiSi2化合物的晶格結構與Si的晶格結構相近，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，通過準分子激光把非晶硅熔化。準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。這里多晶硅是在非晶硅的上界面生長，它區(qū)別于金屬誘導法多晶硅的生長，以NiSi2為小晶核的多晶硅生長不發(fā)生Ni的遷移。因為激光能量把非晶硅熔化，降低了非晶硅中硅原子的表面能，隨著溫度的降低，硅原子以NiSi2小晶核為中心點重新排列在各個格點處，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，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。下界面的晶化原理與激光晶化法相同。
通過這種辦法，在熔化的非晶硅上下兩個界面同時發(fā)生晶化，使晶化度得到了進一步提高。采用本發(fā)明使非晶硅上下界面同時晶化，能得到比單純的非晶硅上界面晶化如金屬誘導法或非晶硅下界面晶化如準分子激光晶化法有更高的晶化度。晶化度的提高可以通過實驗與金屬誘導法和準分子激光晶化法相對比，用XRD測試結果來驗證。多晶硅的XRD特征峰強度高低相對反映了晶化度的高低。
圖1是本發(fā)明制備多晶硅的XRD測試結果，圖2是準分子激光晶化法制備多晶硅的XRD測試結果，圖3是金屬誘導法制備多晶硅的XRD測試結果。為了便于對比，圖1、2、3的樣品都是在相同參數(shù)統(tǒng)一條件下制備和測試，而且都是在相對較好的條件下進行。為便于對比測試結果，應用了初始曲線，未數(shù)字化處理。
從測試結果可以看出，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)兩個面(111)、(220)的特征峰，對應的強度都不如圖1；圖3只出現(xiàn)(311)面的特征峰，而且半高寬寬化，說明晶粒小、強度很弱，此時只在非晶硅的表面形成了一薄層微晶硅，主要是NiSi2小晶核。通過測試結果對比，進一步證實本發(fā)明是在兩個面同時晶化，晶化度得到了進一步提高。


圖1是本發(fā)明制備多晶硅的XRD測試結果。樣品制備條件50nm的非晶硅在450℃下退火3小時去氫后濺射1.5nm厚的鎳，再在450℃下退火3小時，最后用準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是準分子激光晶化法制備多晶硅的XRD測試結果。樣品制備條件50nm的非晶硅在450℃下退火3小時去氫后用準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是金屬誘導法制備多晶硅的XRD測試結果。樣品制備條件50nm的非晶硅在450℃下退火3小時去氫后濺射1.5nm厚的鎳，再在450℃下退火3小時。
具體實施例方式下面結合實施例進一步說明本發(fā)明。
用PECVD方法在玻璃上生長50nm厚的Ha-Si，然后在450℃，氮氣氣氛下退火3小時去氫，濺射1.5nm厚的鎳后再在450℃，氮氣氣氛下退火3小時，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/秒的準分子激光照射樣品。通過日本理學D/max-rAXRD儀在40KV、100mA測試樣品。
權利要求
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，氮氣氣氛下退火2～4小時，形成鎳硅化合物NiSi2；用能量密度為260～360mJ/cm2的準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出多晶硅。
2.根據(jù)權利要求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，氮氣氣氛下退火3小時，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生長多晶硅。
全文摘要
本發(fā)明屬于半導體材料技術領域，是一種把非晶硅轉化成多晶硅的方法。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，氮氣氣氛下退火2～4小時，形成鎳硅化合物NiSi，用能量密度為260～360mJ/cm
文檔編號H01L29/786GK1545143SQ20031011005
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月15日 優(yōu)先權日2003年11月15日
發(fā)明者廖燕平, 邵喜斌, 付國柱, 荊海, 郜峰利, 繆國慶 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 中國科學院長春光學精密機械與物理研