【摘要】：為了降低非晶硅薄膜光致衰退效應(S-W)和拓寬光譜吸收范圍,目前普遍采用非晶硅薄膜退火晶化的方法,制備性能優(yōu)越、用途廣泛的多晶硅、微晶硅及納米硅薄膜材料。直接退火往往需要高溫和較長的時間。利用金屬誘導晶化,能夠有效降低晶化溫度,提高晶化效率。Al是一種成本低、制備方法簡單的金屬材料,它不僅誘導晶化效果好,且可以作為硅基薄膜材料的P型摻雜,是理想的誘導晶化金屬。在廉價的襯底上通過金屬鋁誘導制備晶態(tài)硅基薄膜,可實現(xiàn)低溫、快速、低摻雜的目的。本文根據(jù)薄膜生長的熱力學機理和動力學機理,對鋁誘導非晶硅晶化過程先提出理論假設,再進行實驗驗證。采用三靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng),在單晶硅及普通玻璃襯底上制備非晶硅薄膜和鋁薄膜,利用快速光熱退火爐進行退火處理;結合理論假設研究鋁誘導非晶硅的晶化機理,探討其低溫快速生長的動力學過程及生長機理;根據(jù)成核生長理論,研究表面能、界面能和激活能等對誘導晶化的作用,闡明晶態(tài)硅形成的熱力學驅動力和動力學機理。重點研究優(yōu)質晶硅薄膜的低溫生長技術。同時對降低金屬鋁引入及多余鋁的消除進行探究。本文主要完成了以下幾方面的研究工作:1、非晶硅薄膜和鋁膜的制備。采用磁控濺射系統(tǒng),制備非晶硅薄膜及鋁膜,利用臺階儀測定其膜厚并觀測均勻性,計算出沉積速率;通過快速光熱退火,優(yōu)化退火工藝。結果表明:射頻功率為100W時制備的非晶硅薄膜結構均勻,沉積速率快;雙脈沖功率為70W時可制備優(yōu)質鋁膜。2、根據(jù)薄膜生長的動力學理論,闡釋鋁誘導非晶硅晶化的動力學過程,提出鋁膜熱處理改善退火晶化效果的思路。利用襯底加溫與常溫,鋁膜熱處理等實驗方式,對制備的Al膜和Si(400)/Al/a-Si結構的復合膜,于N2氣氛中不同溫度下退火。結果驗證了鋁誘導非晶硅晶化的四個動力學過程,同時確認了鋁膜在晶化過程中所起的關鍵作用。通過鋁膜熱處理工藝參數(shù)的優(yōu)化,有效地增強了誘導晶化效果。3、根據(jù)薄膜生長的熱力學理論,重點研究了鋁誘導非晶硅晶化中的兩個過程:Si的擴散和Si的形核長大。通過Al膜的自然氧化,制備中間氧化層,探究Si的擴散規(guī)律;結合前期研究結果,探究低溫快速退火晶化工藝。結果表明:鋁誘導非晶硅晶化中引入中間氧化層,能夠提高晶化效果,獲得晶粒較大且結構均勻的晶化薄膜。低溫下,溫度對Si的擴散起決定作用,過厚的氧化層會阻礙Si的擴散,使其濃度不能達到臨界形核濃度,從而不能形核結晶。較大的Al晶粒及Al對Si晶粒的“潤濕”能夠低溫下誘導形核。4、根據(jù)晶化過程中Al擴散規(guī)律,利用標準鋁腐蝕液腐蝕和雙層Al薄膜結構,探究多余鋁的消除和減少鋁用量的工藝。結果表明:Al層較薄,退火晶化效果較差,不能實現(xiàn)有效晶化,增加Al層厚度,能有效的提高晶化效果。使用標準Al腐蝕液可有效去除擴散到表面的Al。使用雙層Al膜結構,在短時間內退火,實現(xiàn)了較好的晶化。在相同條件下退火,若使用雙層Al膜結構,則可減少Al的用量。
【圖文】：

Si 原子周圍原子數(shù)將多于 4 個，，從而減少 Si-Si 鍵的共不穩(wěn)定，變成非飽和價鍵，金屬鍵的加入，很大程度上同時金屬原子的高濃度和高遷移率，使得電子的遷移率明應結晶所需能量[10]。在一定溫度下，金屬-硅鍵開始斷裂個低能態(tài)，金屬-硅鍵斷裂后的硅原子由于成核驅動力的硅原子重新組合，形成穩(wěn)定的結晶鍵，最終形成穩(wěn)定的晶法，是通過金屬層與非晶硅層相接觸，在一定氣氛下，進導退火溫度往往低于直接退火溫度。利用金屬誘導可達到非晶硅晶化制備微晶硅、多晶硅及納米晶硅。目前，可用，如金屬 Al、Ag、Au、Ti、Mo 和 Cr 等[12]，但往往需要引入污染等一系列問題，且不同的金屬誘導效果略有不同AIC）效果較好，且兼顧制備簡單、成本低廉的優(yōu)點。通一定都要形成金屬硅化物，這些金屬趨向于在較低溫度下體、亞穩(wěn)態(tài)的硅化物[14]。

圖 1.3 倒金字塔模型heng Chang Peng 等[26]利用數(shù)學模型，闡述了鋁膜厚度藝的影響，為 AIC 的理論研究提出了新的思路；同年氣相沉積，在超白玻璃上制備了大晶粒的多晶硅薄膜火，制備出晶粒尺寸最大為 400μm 的不連續(xù)的多晶硅正霞[28]等對鋁誘導過程中硅鋁厚度比進行了優(yōu)化，他濺射，探究不同的硅鋁厚度比及中間 AI2O3和 SiO2層最終發(fā)現(xiàn)鋁硅厚度比從 5:4 到 5:1 時更易實現(xiàn)晶化，而變差；日本 Noritaka Usami[29]的團隊利用原位生長觀非晶硅晶化的過程，得出對鋁硅界面的控制是實現(xiàn)其晶ude Liu[30]利用毫米電磁波退火制備高質量半導體級的IC 的退火工藝及薄膜的用途。
【學位授予單位】：云南師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.2

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3 王爍;羅

本文編號：2578918