專利名稱：一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，屬半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
多晶Si薄膜同時具有單晶Si高遷移率、光照穩(wěn)定性及非晶Si大面積低成本制備的優(yōu)點，在薄膜太陽電池、薄膜晶體管(TFT)以及微電子集成電路等方面具有廣泛應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的金屬誘導(dǎo)晶化技術(shù)是利用非晶Si與Ni、Al、Cu等金屬結(jié)合，降低其晶化溫度從而實現(xiàn)低溫晶化，它具有工藝簡單，可使非晶Si薄膜在較短時間內(nèi)實現(xiàn)晶化，所制備的薄膜具有多晶Si薄膜均勻性高，成本低等優(yōu)點。如專利(200910244845. 4)中，將襯底上沉積包括非晶Si薄膜、二氧化硅薄膜和金屬鋁薄膜制得的多層薄膜，在450°C 550下氫等離子氛圍中退火2小時以上即可獲得完全晶化了的多晶Si薄膜。但在非晶Si薄膜晶化的同時薄膜會受到誘導(dǎo)金屬的污染，從而導(dǎo)致器件性能變壞。為了降低誘導(dǎo)金屬對多晶Si薄膜的污染，論文{物理學(xué)報，59 (2010) :2775 2782)中采用磁控濺射法，以鎳硅合金為靶，制備了一種適用于金屬誘導(dǎo)橫向晶化的氧化物鎳源一自緩釋鎳源，采用該鎳源制備低溫多晶Si材料，能有效降低多晶Si薄膜內(nèi)的殘余鎳含量，但該方法不能從根本上解決薄膜受誘導(dǎo)金屬污染的問題；在專利(201010175536. 9) 中，首先在所制備的非晶Si薄膜上生長一層氧化物層，然后將氧化物層刻蝕出寬度為 2mm 30mm,間距為60 5000mm的凹槽，以暴露出非晶Si層,在氧化物層及非晶Si暴露區(qū)上再沉積一層含金屬Ni的薄膜，最后將上述的氧化物層去除后，薄膜在惰性氣體或者保護氣體中590°C退火I小時，從而達到Ni誘導(dǎo)非晶Si薄膜晶化的同時降低Ni在薄膜中的含量，該技術(shù)雖然在一定程度上能降低薄膜受誘導(dǎo)金屬的污染，但該技術(shù)過于復(fù)雜。由于Ge與Si之間的物理性質(zhì)極為相似，與CMOS技術(shù)具有兼容性，通過Ge誘導(dǎo)晶化制備多晶Si薄膜，在非晶Si薄膜晶化的同時可以通過調(diào)整Ge的含量對所制備的材料實行能帶裁剪，從而滿足不同電子器件的要求。在文獻(光馇f瘦龍，22(2011) :75-78)中，采用磁控濺射法，在襯底溫度為800°C時，首先在單晶Si襯底上生長了厚度為400nm的Ge填埋層，然后在Ge層上生長厚度為1200nm的Si薄膜，從而達到在襯底溫度為800°C時Ge原位誘導(dǎo)非晶Si薄膜晶化的目的。上述方法制備的非晶Si薄膜的平均晶粒尺寸為53. 7nm, 在所制備薄膜的X-射線衍射中出現(xiàn)了 Si薄膜的(111)、(200)、(220)、(311)、(331)等非晶Si晶化后的晶面衍射峰。但由于其晶化溫度高，薄膜制備能耗高；其次高的生長溫度對襯底要求高，無法實現(xiàn)在普通玻璃襯底上制備多晶Si薄膜，且在較高的襯底溫度下，襯底原子會擴散到外延膜內(nèi)，影響外延多晶Si薄膜的質(zhì)量。另外此方法制備的多晶Si薄膜的晶粒尺寸較小，很難滿足實際應(yīng)用的要求
發(fā)明內(nèi)容
針對背景技術(shù)提出的問題，本發(fā)明提供一種多晶Si薄膜的低溫制備方法。采用與 Si物理性質(zhì)極為相似的Ge為誘導(dǎo)源，在Si襯底、不銹鋼襯底、普通玻璃襯底或石英玻璃襯底上，通過Ge低溫誘導(dǎo)晶化制備多晶Si薄膜。為實現(xiàn)上述目的，一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，采用以下步驟實施
A)30°C 500°C在襯底上生長一層200 500nm的Ge填埋層；
B)30°C 500°C在上述Ge填埋層上生長非晶Si層；
C)在真空度為IX 10_2 9 X 10_2帕下，將上述具有Ge填埋層的非晶Si薄膜密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600°C下退火至少2小時，即可獲得多晶Si薄膜。所述步驟A中生成Ge填埋層的具體工藝為
(1)將晶面指數(shù)為150 480的襯底經(jīng)過丙酮超聲清洗10分鐘，無水乙醇超聲清洗 20分鐘，去離子水沖洗后用高純氮氣吹干放入磁控濺射生長室；將Ge靶的靶間距設(shè)定為 75 83 mm, Si祀的祀間距為55 80mm ；
(2)本底真空度優(yōu)于4.OX 10_4 Pa后，通入純度為99. 999%的高純氬氣；
(3)通過調(diào)節(jié)氬氣流量，使生長室內(nèi)工作壓強為2. OPa，并設(shè)定襯底溫度為150
300 0C ；
(4)待襯底溫度及工作室內(nèi)壓強穩(wěn)定后，將控制Ge靶的直流電源功率調(diào)至100瓦， 開始生長Ge填埋層；
(5)待Ge靶的濺射30分鐘后，Ge填埋層生長結(jié)束。所述襯底為Si襯底、不銹鋼襯底、普通玻璃襯底或石英玻璃襯底。所述步驟B中Ge填埋層上生成非晶Si層的具體工藝
(1)將控制Si靶的射頻功率調(diào)至150 330瓦，在上述生長的Ge層上開始生長非晶 Si層；
(2)待Si靶的濺射時間達到90 150分鐘后，關(guān)上述射頻電源，Si層生長結(jié)束；
(3)關(guān)閉上述Ar氣及襯底溫度控制電源，待襯底溫度降到40°C后取出上述具有Ge填埋層的非晶Si薄膜。本發(fā)明的優(yōu)點及效果本發(fā)明采用與Si物理性質(zhì)極為相似的Ge為誘導(dǎo)源，在低溫度下制備多晶Si薄膜，工藝簡單，是一種實用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的多晶Si薄膜材料的晶化方法；而且通過選擇不同的襯底及通過不同Ge層厚度對多晶Si薄膜帶隙的調(diào)制作用，能滿足不同半導(dǎo)體器件的要求。通過此方法制備的多晶Si薄膜能廣泛用于多晶Si薄膜太陽電池及微電子器件領(lǐng)域。


圖I為Ge誘導(dǎo)晶化制備多晶Si薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實施例采用Ge誘導(dǎo)晶化制備的多晶Si薄膜的X-射線衍射譜圖。圖3為實施例采用Ge誘導(dǎo)晶化制備的多晶Si薄膜的斷面場發(fā)射掃描電鏡圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。實施例I
一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，采用以下步驟實施，
A)200°C在襯底上生長一層400nm的Ge填埋層
(1)將晶面指數(shù)為400的單晶Si襯底經(jīng)過丙酮超聲清洗10分鐘，無水乙醇超聲清洗 20分鐘，去離子水沖洗后用高純氮氣吹干放入磁控濺射生長室；將Ge靶的靶間距設(shè)定為 80 mm, Si革巴的祀間距為60mm ；
(2)本底真空度優(yōu)于4.OX 10_4 Pa后，通入純度為99. 999%的高純氬氣；
(3)通過調(diào)節(jié)氬氣流量，使生長室內(nèi)工作壓強為2.OPa，并設(shè)定襯底溫度為200°C ；
(4)待襯底溫度及工作室內(nèi)壓強穩(wěn)定后，將控制Ge靶的直流電源功率調(diào)至100瓦，開始生長Ge填埋層；
(5)待Ge靶的濺射時間達到30分鐘后，關(guān)閉上述直流電源，Ge填埋層生長結(jié)束；
B)300°C在上述Ge填埋層上生長非晶Si層；
(1)將控制Si靶的射頻功率調(diào)至250瓦，在上述生長的Ge層上開始生長非晶Si層；
(2)待Si靶的濺射時間達到120分鐘后，關(guān)上述射頻電源，Si層生長結(jié)束；
(3)關(guān)閉上述Ar氣及襯底溫度控制電源，待襯底溫度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋層的非晶Si薄膜；
C)將上述制備的具有Ge填埋層的非晶Si薄膜在真空度為2. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600°C下退火3小時。技術(shù)效果分析上述制備的多晶Si薄膜用Renishaw in via的拉曼(Raman)光譜儀測得的Raman散射譜，經(jīng)過520cm—1、512cm-1、480cm—13峰高斯擬合，用Xc= ( 1520+1512) / (I520+I512+I480)計算出上述多晶Si薄膜的晶化率為95%。圖2所示為上述多晶Si薄膜的X-射線衍射譜圖，其中“S”表示Si襯底(400)衍射峰。從X-射線衍射圖譜中可見采用該發(fā)明制備的多晶Si薄膜除觀察到微弱的Ge填埋層的(111)、(220)、(311)晶面衍射峰和襯底衍射峰外，出現(xiàn)了唯一的多晶Si薄膜Si (200) 強衍射峰，表明上述多晶Si薄膜在Si (200)方向具有很好的單晶性，而文獻{光電子激光， 22(2011) :75-78)在800°C時采用Ge原位誘導(dǎo)晶化制備的多晶Si薄膜的X-射線衍射譜中，除出現(xiàn)Si (200)衍射峰外，還出現(xiàn)了(111)、(220)、(311)、(331)等非晶Si晶化后的晶面衍射峰。采用公式/盧cos 〃，其中，^hkl為沿垂直于晶面(hkl)方向的晶粒直徑，k為Scherrer常數(shù)(O. 89)，Λ為入射X-射線波長(Cuk3，Λ =0. 15406nm)，Θ為布拉格衍射角(° )，β為衍射峰的半高峰寬(弧度)。計算出上述多晶Si薄膜的平均晶粒尺寸為600nm，與上述文獻在800°C時采用Ge原位誘導(dǎo)晶化制備的多晶Si薄膜的平均晶粒尺寸(53. 7nm)相比，晶粒尺寸提高了 10倍以上，且晶化溫度降低了 200°C。圖3為上述方法制備的具有Ge填埋層的多晶Si薄膜的斷面場發(fā)射掃描電鏡 (日立S — 4800)圖，從圖中可清楚看到所制備的薄膜具有清晰的GeSi界面，Ge層厚度為 400nm, Si層厚度為1350nm，未發(fā)現(xiàn)Ge向多晶Si薄膜內(nèi)的擴散，表明該方法制備的多晶Si 薄膜能有效避免誘導(dǎo)源向薄膜內(nèi)的擴散。
實施例2
一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，采用以下步驟實施，A) 30°C在襯底上生長一層200nm的Ge填埋層
(1)將晶面指數(shù)為150的襯底經(jīng)過丙酮超聲清洗10分鐘，無水乙醇超聲清洗20分鐘， 去離子水沖洗后用高純氮氣吹干放入磁控濺射生長室靶的靶間距設(shè)定為83 mm, Si 靶的靶間距為80mm ；
(2)本底真空度優(yōu)于4.OX 10_4 Pa后，通入純度為99. 999%的高純氬氣；
(3)通過調(diào)節(jié)氬氣流量，使生長室內(nèi)工作壓強為2.OPa，并設(shè)定襯底溫度為300°C ；
(4)待襯底溫度及工作室內(nèi)壓強穩(wěn)定后，將控制Ge靶的直流電源功率調(diào)至100瓦，開始生長Ge填埋層；
(5)待Ge靶的濺射30分鐘后，Ge填埋層生長結(jié)束。B) 300°C在上述Ge填埋層上生長非晶Si層；
(1)將控制Si靶的射頻功率調(diào)至280瓦，在上述生長的Ge層上開始生長非晶Si層；
(2)待Si靶的濺射時間達到100分鐘后，關(guān)上述射頻電源，Si層生長結(jié)束；
(3)關(guān)閉上述Ar氣及襯底溫度控制電源，待襯底溫度降到40°C后取出上述具有Ge填埋層的非晶Si薄膜。在真空度為8X 10_2帕下，將上述具有Ge填埋層的非晶Si薄膜密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600°C下退火2小時，即可獲得多晶Si薄膜。實施例3
一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，采用以下步驟實施，
A)500°C在襯底上生長一層500nm的Ge填埋層
(1)將晶面指數(shù)為500的單晶Si襯底經(jīng)過丙酮超聲清洗10分鐘，無水乙醇超聲清洗 20分鐘，去離子水沖洗后用高純氮氣吹干放入磁控濺射生長室；將Ge靶的靶間距設(shè)定為 75 mm, Si革巴的祀間距為55mm ；
(2)本底真空度優(yōu)于4.OX 10_4 Pa后，通入純度為99. 999%的高純氬氣；
(3)通過調(diào)節(jié)氬氣流量，使生長室內(nèi)工作壓強為2.OPa，并設(shè)定襯底溫度為500°C ；
(4)待襯底溫度及工作室內(nèi)壓強穩(wěn)定后，將控制Ge靶的直流電源功率調(diào)至100瓦，開始生長Ge填埋層；
(5)待Ge靶的濺射時間達到30分鐘后，關(guān)閉上述直流電源，Ge填埋層生長結(jié)束；
B)30°C 500°C在上述Ge填埋層上生長非晶Si層；
(2)將控制Si靶的射頻功率調(diào)至150瓦，在上述生長的Ge層上開始生長非晶Si層；
(3)待Si靶的濺射時間達到150分鐘后，關(guān)上述射頻電源，Si層生長結(jié)束；
(8)關(guān)閉上述Ar氣及襯底溫度控制電源，待襯底溫度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋層的非晶Si薄膜；
C)將上述制備的具有Ge填埋層的非晶Si薄膜在真空度為2. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600°C下退火3小時。實施例4
一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，采用以下步驟實施，
A)400°C在襯底上生長一層400nm的Ge填埋層
(I)將晶面指數(shù)為(400)的單晶Si襯底經(jīng)過丙酮超聲清洗10分鐘，無水乙醇超聲清洗20分鐘，去離子水沖洗后用高純氮氣吹干放入磁控濺射生長室；將Ge靶的靶間距設(shè)定
6為80 mm, Si祀的祀間距為60mm ；
(2)本底真空度優(yōu)于4.OX 10_4 Pa后，通入純度為99. 999%的高純氬氣；
(3)通過調(diào)節(jié)氬氣流量，使生長室內(nèi)工作壓強為2.OPa，并設(shè)定襯底溫度為400°C ；
(4)待襯底溫度及工作室內(nèi)壓強穩(wěn)定后，將控制Ge靶的直流電源功率調(diào)至100瓦，開始生長Ge填埋層；
B)200°C在上述Ge填埋層上生長非晶Si層；
(1)待Ge靶的濺射時間達到30分鐘后，關(guān)閉上述直流電源，Ge填埋層生長結(jié)束；
(2)將控制Si靶的射頻功率調(diào)至250瓦，在上述生長的Ge層上開始生長非晶Si層；
(3)待Si靶的濺射時間達到120分鐘后，關(guān)上述射頻電源，Si層生長結(jié)束；
(8)關(guān)閉上述Ar氣及襯底溫度控制電源，待襯底溫度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋層的非晶Si薄膜；
C)將上述制備的具有Ge填埋層的非晶Si薄膜在真空度為2. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600°C下退火3小時。實施例5
一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，采用以下步驟實施，
A)230°C在襯底上生長一層400nm的Ge填埋層
(1)將晶面指數(shù)為(400)的單晶Si襯底經(jīng)過丙酮超聲清洗10分鐘，無水乙醇超聲清洗20分鐘，去離子水沖洗后用高純氮氣吹干放入磁控濺射生長室；將Ge靶的靶間距設(shè)定為80 mm, Si祀的祀間距為60mm ；
(2)本底真空度優(yōu)于4.OX 10_4 Pa后，通入純度為99. 999%的高純氬氣；
(3)通過調(diào)節(jié)氬氣流量，使生長室內(nèi)工作壓強為2.OPa，并設(shè)定襯底溫度為230°C ；
(4)待襯底溫度及工作室內(nèi)壓強穩(wěn)定后，將控制Ge靶的直流電源功率調(diào)至100瓦，開始生長Ge填埋層；
B)30°C 500°C在上述Ge填埋層上生長非晶Si層；
(1)待Ge靶的濺射時間達到30分鐘后，關(guān)閉上述直流電源，Ge填埋層生長結(jié)束；
(2)將控制Si靶的射頻功率調(diào)至250瓦，在上述生長的Ge層上開始生長非晶Si層；
(3)待Si靶的濺射時間達到120分鐘后，關(guān)上述射頻電源，Si層生長結(jié)束；
(4)關(guān)閉上述Ar氣及襯底溫度控制電源，待襯底溫度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋層的非晶Si薄膜；
C)將上述制備的具有Ge填埋層的非晶Si薄膜在真空度為I. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600°C下退火4小時。
權(quán)利要求
1.一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，采用以下步驟實現(xiàn)A)30°C 500°C在襯底上生長一層200 500nm的鍺填埋層；B)30°C 500°C在上述鍺填埋層上生長非晶硅層；C)在真空度為IX10_2 9X10_2帕下，將上述具有鍺填埋層的非晶硅薄膜密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600°C下退火至少2小時，即可獲得多晶硅薄膜。
2.如權(quán)利要求I所述一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟A中生成鍺填埋層的具體工藝為(1)將晶面指數(shù)為150 480的襯底經(jīng)過丙酮超聲清洗10分鐘，無水乙醇超聲清洗20 分鐘，去離子水沖洗后用高純氮氣吹干放入磁控濺射生長室；將鍺靶的靶間距設(shè)定為75 83 mm,娃祀的祀間距為55 80mm ；(2)本底真空度優(yōu)于4.OX 10_4 Pa后，通入純度為99. 999%的高純氬氣；(3)通過調(diào)節(jié)氬氣流量，使生長室內(nèi)工作壓強為2.OPa,并設(shè)定襯底溫度為150 300 0C ；(4)待襯底溫度及工作室內(nèi)壓強穩(wěn)定后，將控制鍺靶的直流電源功率調(diào)至100瓦，開始生長鍺填埋層；(5)待鍺靶的濺射30分鐘后，鍺填埋層生長結(jié)束。
3.如權(quán)利要求I所述的一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，其特征在于 所述襯底為硅襯底、不銹鋼襯底、普通玻璃襯底或石英玻璃襯底。
4.如權(quán)利要求2所述一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，其特征在于，所述襯底為硅襯底、不銹鋼襯底、普通玻璃襯底或石英玻璃襯底。
5.如權(quán)利要求1-4任一項所述一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟B中鍺填埋層上生成非晶硅層的具體工藝(1)將控制硅靶的射頻功率調(diào)至150 330瓦，在上述生長的鍺層上開始生長非晶硅層；(2)待硅靶的濺射時間達到90 150分鐘后，關(guān)上述射頻電源，硅層生長結(jié)束；(3)關(guān)閉上述Ar氣及襯底溫度控制電源，待襯底溫度降到40°C后取出上述具有鍺填埋層的非晶硅薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種Ge低溫誘導(dǎo)晶化多晶Si薄膜的制備方法，屬半導(dǎo)體薄膜材料領(lǐng)域。采用以下步驟實施A)30℃～500℃在襯底上生長一層200～500nm的Ge填埋層；B)30℃～500℃在上述Ge填埋層上生長非晶Si層；C)在真空度為1×10-2～9×10-2帕下，將上述具有Ge填埋層的非晶Si薄膜密封于石英玻璃管內(nèi)；將上述石英玻璃管置于馬弗爐內(nèi)在600℃下退火至少2小時，即可獲得多晶Si薄膜。在低溫度下制備多晶Si薄膜，工藝簡單，是一種實用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的多晶Si薄膜材料的晶化方法。
文檔編號C23C14/58GK102605337SQ20121010523
公開日2012年7月25日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月12日
發(fā)明者孫啟利, 康昆勇, 李明, 楊培志, 申蘭先, 鄧書康, 郝瑞亭 申請人:云南師范大學(xué)