專利名稱：多晶硅的定向生長(zhǎng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種硅材料，具體地說是一種把非晶硅定向生長(zhǎng)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。
固相晶化法是把已淀積的非晶硅薄膜放在650℃左右的環(huán)境溫度下，通過較長(zhǎng)時(shí)間的熱退火，通常在10小時(shí)以上，把非晶硅轉(zhuǎn)化成多晶硅。
金屬誘導(dǎo)法是在固相晶化法的基礎(chǔ)上通過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(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。
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，冷卻速度過快造成的。
另外，中國(guó)專利公報(bào)公開了一種“薄膜晶體管及制造方法”(CN1357925)，是通過對(duì)非晶硅膜多次照射激光，實(shí)現(xiàn)由多個(gè)晶粒構(gòu)成，通過抑制鄰接晶粒的邊界。
上述方法制備的多晶硅晶粒沒有統(tǒng)一的取向，即它們的XRD譜表現(xiàn)為(111)(220)(311)三個(gè)晶面的特征峰，也就是說晶粒的生長(zhǎng)是沿著[111][220][311]三個(gè)晶向。盡管多晶硅的電子遷移率比非晶硅高10到100倍，但這種無序的多晶硅導(dǎo)致晶粒內(nèi)部勢(shì)場(chǎng)波動(dòng)性大，不利于電子遷移率的進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述方法制備多晶硅的無序化，進(jìn)一步提高電子遷移率，本發(fā)明采用準(zhǔn)分子激光，和預(yù)先在非晶硅表面形成的一薄層NiSi2小晶核，目的是提供一種定向制備多晶硅的方法。
本發(fā)明不同與激光晶化法，激光晶化法是在熔化非晶硅里的固液界面處，由無序網(wǎng)絡(luò)中的某些分散小晶核開始生長(zhǎng)，本發(fā)明通過在非晶硅表面形成一薄層NiSi2小晶核，在表面處開始生長(zhǎng)多晶硅，并且在適當(dāng)條件下定向生長(zhǎng)多晶硅。
本發(fā)明先在非晶硅表面形成NiSi2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2.0～3.0nm，在400～500℃溫度，氮?dú)鈿夥障峦嘶?～5小時(shí)，形成一薄層鎳硅化合物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，通過準(zhǔn)分子激光把非晶硅熔化。真空室的條件是襯底溫度250～300℃，氣壓2～8×10-4Pa，所用的準(zhǔn)分子激光能量密度270～360mJ/cm2，激光輸出頻率10～15Hz，樣品受光次數(shù)為20～30次/秒。由于NiSi2小晶核層的熱傳導(dǎo)系數(shù)比非晶硅的快，這就相當(dāng)在表面形成了一個(gè)固液界面層。在上述條件下，多晶硅晶粒開始定向生長(zhǎng)。
在熔化非晶硅的表面由于存在一薄層NiSi2小晶核，即相當(dāng)存在一個(gè)固液界面。NiSi2小晶核層的熱傳導(dǎo)系數(shù)比熔體非晶硅大，這樣就滿足了晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)的必要條件。它指的是在生長(zhǎng)的固液界面上保持熱平衡，即在單位時(shí)間內(nèi)QL+QF＝QC，QL指熔體傳到界面的熱量，QF指結(jié)晶放出的相變潛熱，QC是指從固液界面向晶體傳走的熱量。在具備了多晶硅生長(zhǎng)的必要條件后，在熔化非晶硅的表面就發(fā)生以NiSi2小晶核為中心的多晶硅生長(zhǎng)。又因?yàn)樵诙嗑Ч枭L(zhǎng)過程中，不同晶面的生長(zhǎng)速度也存在差異。晶面生長(zhǎng)速度分為兩種，一為橫切方向生長(zhǎng)速度，即晶面沿橫向擴(kuò)展速度，另一為垂直方向生長(zhǎng)速度，即晶面沿垂直方向推移速度。晶面的橫切方向和垂直方向生長(zhǎng)速度之間又存在著相互制約的關(guān)系。通常所指的晶面生長(zhǎng)速度是指其沿垂直方向的生長(zhǎng)速度。研究晶體生長(zhǎng)過程發(fā)現(xiàn)晶體有優(yōu)先在原子排列最密的晶面上擴(kuò)展的傾向，也就是在這些晶面上橫向生長(zhǎng)速度較快，這些晶面的垂直生長(zhǎng)速度則較慢。這一規(guī)律可以粗略地從原子之間的結(jié)合力情況給以解釋。一般原子密度比較大的晶面，面上的原子間距較小，在面橫切方向上原子之間相互結(jié)合的鍵力較強(qiáng)，易于拉取介質(zhì)中的原子沿橫向生長(zhǎng)，因此這樣的晶面橫向擴(kuò)展的生長(zhǎng)速度較快。而這樣的晶面與晶面之間的間距較大，相互吸引較弱，因此介質(zhì)中的原子在這樣的晶面上繼續(xù)生長(zhǎng)新的晶面時(shí)相對(duì)比較要困難些，從而其垂直生長(zhǎng)速度較慢。由于硅是金剛石結(jié)構(gòu)，(111)面是原子密排面，面密度大的(111)晶面橫向生長(zhǎng)速度快，而垂直生長(zhǎng)速度慢，因此在用本發(fā)明制備多晶硅生長(zhǎng)過程中，它將逐漸“吃掉”與其相鄰的垂直生長(zhǎng)速度較快的晶面，如(220)和(311)晶面，結(jié)果導(dǎo)致晶體生長(zhǎng)時(shí)其裸露的表面都傾向于(111)晶面。
從測(cè)試結(jié)果可以看出，圖1、2、3都只在多晶硅的(111)面(衍射角為28.47°)出現(xiàn)了特征峰，而(220)面(衍射角為47.30°)、(311)面(衍射角為56.14°)未出現(xiàn)特征峰；說明生長(zhǎng)的多晶硅都是[111]取向。


圖1、2、3是本發(fā)明制備定向多晶硅的XRD測(cè)試結(jié)果。圖1是在激光能量密度270mJ/cm2，頻率10Hz，受光次數(shù)20次/秒照射樣品的XRD圖；圖2是在激光能量密度300mJ/cm2，頻率10Hz，受光次數(shù)20次/秒照射樣品的XRD圖；圖3是在激光能量密度330mJ/cm2，頻率10Hz，受光次數(shù)20次/秒照射樣品的XRD圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
用PECVD方法在玻璃上生長(zhǎng)50nm厚的a-SiH，然后在450℃，氮?dú)鈿夥障峦嘶?小時(shí)去氫，再濺射2.5nm厚的鎳后在450℃，氮?dú)鈿夥障峦嘶?小時(shí)，最后把樣品放在真空度為5×10-4Pa，襯底溫度300℃的退火室，用激光能量密度分別為270mJ/cm2，300mJ/cm2，330mJ/cm2，頻率10Hz，受光次數(shù)20次/秒的準(zhǔn)分子激光照射樣品。通過日本理學(xué)D/max-rAXRD儀在功率參數(shù)40KV、100mA條件下測(cè)試樣品。
權(quán)利要求
1.一種制備定向多晶硅的方法，首先在已脫氫的非晶硅表面濺射一薄層金屬鎳，薄層厚度為2.0～3.0nm，在400～500℃溫度，氮?dú)鈿夥障峦嘶?～5小時(shí)，其特征是形成一薄層鎳硅化合物NiSi2小晶核；用能量密度為270～360mJ/cm2和頻率為10～15Hz的準(zhǔn)分子激光把非晶硅熔化，非晶硅受光次數(shù)為20～30次/秒，則從熔化非晶硅的表面開始生長(zhǎng)出定向多晶硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備定向多晶硅的方法，其特征是激光能量密度分別為270mJ/cm2、300mJ/cm2、330mJ/cm2，頻率為10Hz，非晶硅受光次數(shù)為20次/秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備定向多晶硅的方法，其特征是激光能量密度為270mJ/cm2，頻率為10Hz，非晶硅受光次數(shù)為20次/秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備定向多晶硅的方法，其特征是激光能量密度為300mJ/cm2，頻率為10Hz，非晶硅受光次數(shù)為20次/秒。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備定向多晶硅的方法，其特征是激光能量密度為330mJ/cm2，頻率為10Hz，非晶硅受光次數(shù)為20次/秒。
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)化成定向多晶硅的方法。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2.0～3.0nm，在400～500℃溫度，氮?dú)鈿夥障峦嘶?～5小時(shí)，形成一薄層鎳硅化合物NiSi
文檔編號(hào)C30B29/06GK1546744SQ20031011589
公開日2004年11月17日 申請(qǐng)日期2003年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月8日
發(fā)明者廖燕平, 邵喜斌, 鄺俊峰, 荊海, 付國(guó)柱, 駱文生, 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