[發明專利]一種用金屬銅在低溫下誘導非晶硅薄膜晶化為多晶硅薄膜的方法

無效

• 申請號: 201210205718.5
• 申請日: 2012-06-21
• 公開（公告）號: CN102709404A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 史偉民;周平生;周平華;李杰;瞿曉雷;廖陽;錢雋;李季戎;張月璐;許月陽
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H01L31/20
• 分類號: H01L31/20;C23C16/44
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種多晶硅薄膜的制備方法，具體的說就是利用金屬銅的催化作用在低溫下誘導非晶硅薄膜晶化為多晶硅薄膜的方法。

背景技術

目前制備多晶硅薄膜的方法主要要有:低壓化學氣相沉積法(LPCVD)、固相晶化法(SPC)?、準分子激光誘導晶化法(ELA)、快速熱退火晶化法（RTA）等。

用LPCVD法制備多晶硅成膜致密、均勻,?而且能大面積生產,?但是用這種方法制備時,?所需襯底的溫度較高,?且沉積速度較慢,?并不能使用廉價的玻璃為襯底，最重要的是這種方法淀積的多晶硅薄膜所生成的顆粒較小，造成薄膜晶界多，缺陷多，影響后續太陽能電池的效率；

固相晶化法（SPC）雖然工藝設備簡單，但是對基板材料的選擇限制較大，不太適合在玻璃襯底上制作，而且即便在其他可耐高溫的基底材料上淀積多晶硅薄膜也有所需溫度太高、耗時過高、耗能大，成本過高的因素制約；

準分子激光晶化法（ELA）首先是用不同能量密度的激光束照射非晶硅表面，使得非晶硅加熱熔化，液態非晶硅冷卻時發生晶化。這就要求激光能量密度適中，當激光能量密度小于晶化閾值能量密度時非晶硅不發生晶化，而太高時，由于未能形成重結晶的固液界面，薄膜內的液化區溫度比熔點高得多，冷卻速度過快直接導致多晶硅發生非晶化或微晶化。況且激光誘導晶化法設備復雜，制造成本較高，對于講求經濟效益的工業化生產中顯然不是最優選擇。

快速退火法(RTA)處理過程使用鹵鎢燈光加熱的方法升溫降溫。所謂“快速”顧名思義是指升溫和降溫速度很快，可以再幾秒內升溫幾百度，因此單位時間內溫度的變化量是很容易控制的。通過控制升溫階段、穩定階段和冷卻階段這三個階段的時間、溫度，可以制備不同晶粒尺寸大小的薄膜，但是總的來說，使用RTA退火法制備的多晶硅晶粒尺寸小，晶體內部晶界密度大，材料缺陷密度高，而且屬于高溫退火方法，不適合于以玻璃為襯底制備多晶硅。

金屬誘導晶化?(metal-induced?crystallization，MIC)?法是一種低溫制備多晶硅薄膜的方法，它主要是利用金屬的催化作用來降低非晶硅的成核溫度，達到低溫下成核的目的。具體來說，就是在非晶硅(a-Si)薄膜的上面蒸鍍或者濺射一層金屬膜，或者在鍍有金屬膜的基片上沉積一層非晶硅薄膜，然后將樣品進行退火處理來形成多晶硅薄膜的技術。在退火的過程中，通過非晶硅與金屬的接觸，提高了金屬原子與Si?原子的擴散速率，降低了非晶硅的晶化溫度、縮短了晶化時間。金屬誘導晶化（MIC）法不僅可以使用廉價的玻璃作為襯底，最重要的是，可以制得大晶粒的多晶硅薄膜，降低晶界密度和缺陷密度而且均勻性好。

發明內容

由于使用MIC鋁誘導是總有一定量的金屬污染的問題，而且為了可以在TFT的應用方面與半導體制造中的新一代技術銅互連結合起來，利用銅的誘導性，本發明使用循環退火式的銅誘導晶化非晶硅薄膜的方法來制備多晶硅薄膜。

為了達成上述目的，本發明是采用以下技術方案來實現。

(a)??????襯底玻璃的清洗：首先使用曲拉通溶劑清洗玻璃襯底的表面污垢，然后將該襯底分別放在丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲波清洗15分鐘，并用氮氣吹干；

(b)?????非晶硅薄膜的形成：使用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法在上述襯底上沉積一層非晶硅(a-Si:H)薄膜，薄膜厚度約100-500nm，沉積時襯底的溫度為250℃，使用的氣源為99.999%的硅烷（SiH₄）和氫氣(H₂)，氣體輝光放電的氣壓范圍為50-200Pa，射頻電壓為13.56MHz；

(c)??????二氧化硅薄膜的形成：將生長好的非晶硅薄膜樣品放在氧氣室中在20-200℃下氧化0.5小時-72小時，從而形成一層約1-20nm的二氧化硅薄膜；

(d)?????淀積金屬層：取出樣品后用真空蒸發法或者磁控濺射法在樣品表面淀積一層厚度約5-100nm的金屬銅薄膜，得到襯底/a-Si:H/SiO₂/Cu結構，其中蒸發或者濺射原料是99.999%的銅粉或者銅靶；

(e)??????然后將樣品置于以氮氣為保護氣、真空度為1-10Pa的恒溫退火爐中，在250℃-450℃條件下恒溫退火處理1-2小時，并將樣品在退火爐中自然冷卻；?

(f)???????將退火后的樣品置于腐蝕液（磷酸：醋酸：硝酸：氫氟酸：去離子水=70%：5%：5%：5%：15%）中腐蝕去掉表面殘留的銅后，用氮氣吹干，放入450-650℃的退火爐進行恒溫2-6個小時；