ECR_PECVD方法低温制备多晶硅薄膜.

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1、1引言近年来，人们对多晶硅薄膜在电子器件应用方面的研究日益广泛，比如薄膜晶体管（TFTs和薄膜太阳能电池1,2。多晶硅薄膜与非晶硅薄膜和单晶硅薄膜相比，不但 有更高的电子迁移率、更高光敏性和较高的载流子浓度，而且没有效率衰减问题，可在廉价的衬底大面积低温制备，较低的制备成本，在能源科学、信息科学等领域中有 着广泛的应用3。为降低多晶硅薄膜的制备成本，选用更为廉价的玻璃作为衬底，但玻璃的软化点较低（ 600C ,需要更低的沉积温度。目前国内外发展了多种低温固相晶化的方法，如金属 诱导法、激光晶化法、部分掺杂法、热丝法以及采用各种新的原材料组合（SiH4+ H2+SiF4,SiH2Cl+ SiH4

2、,SiH4H2+ Si2H6,SiCl4+ H246。硅烷（S i H是非常活泼的气体，在空气中能够自燃生成S i O2和H20,且在燃烧过程中释放出大量热能，因此直接利用SiH4进行实验和工业生产将面临安全控制的瓶颈。虽然SiH4比四氯化硅(SiCI4价格较贵,但其生成的薄膜杂质不含氯，E C R-P E C V D方法低温制备多晶硅薄膜冯庆浩1,秦福文1,吴爱民1,王阳2116023;(1.大连理工大学三束”材料表面改性国家重点实验室，辽宁大连2.东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110004摘要：采用ECR-PECVD低温沉积方法，以质量分数为5%的SiH4(配 Ar 气,SiH4:Ar

3、 =1:19 和H2为反应气体,在普通玻璃和单晶硅片衬底上直接沉积多晶硅薄膜，以期寻找到 适合大规模工业化生产的方法。当衬底温度为 500C时,即能沉积高质量的多晶硅薄 膜。沉积前,H2等离子体的清洗时间和流量对多晶薄膜的质量有较大的影响。通过与其他反应 气体相比较，我们制备的多晶硅薄膜不含杂质。关键词:多晶硅薄膜；化学汽相淀积；低温中图分类号:TN304.055文献标识码:A文章编号:1003-353X(200605-0342-04 Low Temperature Deposition of Poly-Silicon Thi n Filmsb y E C R-P E C V DFENG Qi

4、n g-hao1, QINFu-wen1, WU Ai-min1, WANG Yang2(1. State Key Lab. ofMaterials Modificati on by Three Beams,Dalia n Un i.of Tech., Dalia n116023,Chi na;2.School of MechanicalEngineering and Automation,Northeastern Uni.She nya ng 110004,Chi naAbstract :The polycrystalline siliconfilms were directly obtai

5、nedusing 5% SiH4(mixed with Ar,SiH4: Ar =1:19 and H2as reacting gas by ECR-PECVD on glass and silicon substrate to find methodsfor extensive industrialization. As the substrate temperature was 500C, the high quality polycrystal-line silicon films can be deposited. Before depositing, washing time and

6、 flow of H2plasma had greater in flue nee on the quality of the films. Through comparison with other reacting gas, the films prepared by this process do not contain any impurity.Key words:poly-silic onthin films; CVD;low temperature半导体技术第31卷第5期2006年5月342Semic on ductor Tech no logy Vol. 31 No. 5May

7、2006底温度、反应气体的流量比、生长压强及微波功率的变化都会对薄膜的晶体结 构产生影响，特别是在生长压强和微波功率保持一定的条件下，采用不同的衬底温度 和不同的清洗，薄膜的晶体结构可以是多晶，也可以是微晶或非晶8。这是因为改变 反应气体流量比将改变等离子体中形成的活性基团的类型和浓度，而改变衬底温度 将使活性基团在生长薄膜表面的反应过程中发生变化。因此，通过改变反应气体的 流量比而在等离子体中选择性地形成活性基团，并结合选择合适的衬底温度，就可以 控制薄膜的晶体结构。表1为样品a和b沉积的工艺参数。图1为样品a和b的TEM图像,分别给出 了清洗时间为10min和20min的硅片为衬底，清洗微

8、波功率650W,沉积微波功率 600W。样品是经SiC玻璃纸研磨和氩能制备出优质薄膜。在本实验中，采用质量分数为5%的SiH 4（配Ar 气,SiH4:Ar=1:19为气源，既利于安全制备薄膜，也有利于控制流量，另外,Ar气也有助 于微波放电，能进一步提高SiH 4的离解率。用ECR-PECVD沉积技术，直接在玻璃 衬底上沉积薄膜。当衬底温度仅为 500E时，即能沉积形成多晶硅薄膜。本工作研究 衬底材料和沉积功率对薄膜的成分、结构的影响，探讨氢离子放电在低温成膜中的 作用以及薄膜沉积的最佳条件。2实验过程实验是在配有反射高能电子衍射（RHEED原位监测设备的ECR-PECVD装置上 进行的，该

9、装置采用的电子回旋共振（ECR等离子体源能产生具有高能电子（520eV 和低能离子（2eV的大面积均匀非磁化等离子体，特别适合半导体薄膜的低温生长 7。与传统的等离子体增强化学汽相沉积相比，沉积温度更低。气体流量由质量流量控制计（M F C控制。气源除了采用SiH 4以外，还使用了 高纯H 2。H 2不但用作衬底的原位等离子体清洗，也在多晶硅薄膜的沉积过程中起 了很重要的作用，其中高纯H 2直接送入样品盘上游的ECR放电室进行微波放电，而 质量分数为5%的SiH 4则通过放电室下游的送气环吹向衬底，利用电子回旋共振放 电使SiH 4分解,直接在衬底上沉积薄膜。沉积前先用氢等离子体对衬底进行原位

10、清洗，此时衬底温度为200500C，然后再通SiH 4（固定流量0.6sccm衬底温度固定为500r ,反应室压强为0.38.0Pa沉积功率为500600W,通过调节衬底温度、清洗时 间和H 2流量制备了五组样品。为了比较衬底对薄膜质量的影响，在相同的条件，在经过常规化学清洗的4cm X4cm玻璃载玻片和3cm 3cm单晶硅片上沉积薄膜。生 长结束时关断气源并终止放电，使样品温度降至室温。本文将通过RHEED、透射电子显微镜（TEM和原子力显微镜（A F M测试薄膜 的表面结构、结晶度和表面形貌。3实验结果及讨论在用ECR-PECVD连续沉积多晶硅薄膜时，衬表1沉积薄膜的工艺参数清洗沉积清洗沉

11、积H 2 流量 /sccm 30504050衬底温度厂C 300500200500沉积功率 /W 650600650600工作时间/min 10902090b样品沉积过程离子抛光后测得的，图像呈现出清晰的多晶硅特有的环形-点衍射 图像，可见薄膜为多晶,颗粒尺寸达到15 25nm,生长速率比较快。薄膜的质量与 H 2 流量和清洗时间都有关系。因为沉积薄膜时H 2均为50sccm清洗流量不同，造成了样品图样的差别。样品b与a相比,清洗时间长了 10min,H 2流量高了 10sccm温度 低了 100C,但是晶粒较为均匀，衍射图像的环形-点更为明显。表2为样品c ,d和e沉积的工艺参数。图2(a样

12、品a(b样品b图1沉积功率为600W的样品的TEM图半导体技术第31卷第5期2006年5月344我们认为在玻璃载玻片上沉积多晶硅薄膜，还需要进一步摸索沉积条件，比如清 洗或者沉积过程中对H2流量进行变化,对沉积薄膜质量的影响。4结语我们选取质量分数为5%的SiH 4(配Ar气和H 2混合气体作为反应的源气体, 采用配有R H E E D原位监测设备的ECR-PEMOCVD方法，当衬底温度为A F M对硅片的观察图像。样品的观察尺寸均为2ym。由图像分析可知，样品c的平均晶粒尺寸为25.5nm,表面粗糙度为24.067nm;样品d的平均晶粒尺寸为 27.4nm,表面粗糙度为25.198nm样品e

13、的平均晶粒尺寸为24.4nm表面粗糙度为 33.095nm。c和e表面有较为明显的 小山和山谷”呈现出三维岛状生长模式，而d 较为平坦，我们认为与H 2流量和清洗时间有关系，清洗时间相同时d要好于c,H 2的 流量少于40sccm时，对后期的薄膜生长不利。再结合上面的 TEM图的分析,H 2流 量为40sccm时为最佳。图3为样品的R H E E D观察图样。可观察到两种衬底都呈现出多晶环，但是 清晰程度有一定的差别。对玻璃载玻片衬底来说，内环都较清晰，有的已呈现出明亮 的斑点，而单晶硅片衬底外围的环有点模糊。总体而言，衬底为单晶硅片的图像更为 清晰其中样品a与b ,c ,d ,e相比，单晶硅

14、片的R H E E D图像由环变成点，表明结晶 取向好，薄膜已完全晶化，由于硅片是单晶同质衬底，而玻璃是非晶异质衬底，所以在硅 片上更容易沉积多晶硅薄膜。样品c的玻璃衬底略显模糊，我们认为是清洗时H 2 的流量较低，衬底温度过高造成的。样品a,b和d都比较清晰，进一步验证了 H 2流 量小于40sccm时,对后期沉积薄膜的影响不利。结合 TEM图像和AFM图像，清洗 时间为2030min沉积的薄膜质量较好。图3 RHDDEED分析图像玻璃衬底Si衬底(c样品c玻璃衬底Si衬底(d样品d玻璃衬底Si衬底(e样品e玻璃衬底Si衬底(a样品a玻璃衬底Si衬底(b样品b清洗沉积清洗沉积清洗沉积H 2

15、流量 /seem 2衬底温度厂C 500500200500200500沉积功率 /W 650600600600500600工作时间 /min 309030901090样品表2沉积薄膜的工艺参数沉积过程cde图2样品AFM的图像(a样品c(b样品d(c样品e为 500C,H2清洗流量为40sccm清洗时间为20 30min时,获得的多晶硅薄膜质量最高。通 过与其他反应气体比较，不受其他杂质影响，能沉积优质的多晶硅薄膜。参考文献：1 SHIN S D. Crystal growth in the low-temperature ofpolycrystalli ne silic on thi n f

16、ilmJ.Crystal Growth,2005,274(3-4:347.2 RATHJ K, BARBON A, SCHROPP R E I. Hydroge natedamorphous and polycrystalline silicon TFTs by hotwire CVDJ. J No n-Cryst Solids, 1998,227-230:1277.3 黄创君，林璇英，优质多晶硅薄膜的低温制备技术J.功能材料,2001,32(6:561-564.4 黄创君，林璇英,林揆训，等.SiCl4-H为气源低温制备多晶硅薄膜J.功能材料,2002,33(6:650.5 CRANDALL

17、R S.Recent developments in hot wireamorphous silic on J .J No n-Cryst Solids,1998,227- 230:23-28.6 MONIRUZZAMANS. Structure of polycrystalline silicon films deposited at low temperature by plasma CVD on substrates exposed to different plasmaJ.Thin Solid Films,1999,337(1:27-31.7 徐茵,顾彪,秦福文，等.G a N薄膜低温

18、外延的E C R-PAMOCVD技术J.半导体技术,1998,23(2:37-40. 8贺德衍.用微波等离子体化学气相沉积法低温生长织构多晶硅薄膜J.半导体学报,1998,19(9:663.(收稿日期:20051008作者简介：冯庆浩(1978-,男山东德州人，硕士研究生，研究方向是多晶硅薄膜的低温制备及 其特性分析；秦福文(1968-,男，博士，副教授,主要研究领域为G a N基稀磁半导体量子点的低 温生长与特性，多晶硅薄膜的低温生长与特性等，多次参加并主持国家自然科学基金 项目，国家863项目及国家自然科学基金的研究项目，在半导体材料生长及光电器件 的研制方面有扎实的理论基础和丰富的实践经

19、验。面活性剂的加入抑制了颗粒在表面的强吸附状态，而在研磨料作用下容易离开 被抛材料表面，使得抛光进一步进行。4结论由以上分析和试验可以看出，在终抛过程中，提高机械作用，降低对铜的化学作用 可以达到钽：铜的C M P速率为1 : 1。但是，终抛还涉及介质的抛光，如何使得铜： 钽：介质的C M P速率为1 : 1 : 1,将是以后研究的课题。使用初抛抛光液对介质 抛光时，介质的抛光速率很低，几乎为零。要提高对介质的C M P速率,可以采用提高 抛光液pH值的方法来提高对介质的CMP速率，因为介质的抛光速率随着pH值的 增加而增加。提高pH的方法可以加无机碱，也可以加胺碱。加入无机碱可以迅速提 高浆

20、料的pH值但是这样就引入的金属离子。使用有机碱，不容易提高p H值;使用 胺碱，还可增强对铜的络合作用。参考文献：1 RYUC, LEE H, KWON K W, et al. Barriers for copperin terco nn ectio nsJ.Solid State Tech no logy, 1999, 42(4:53-56.2 ZHANG G H, QIAN H, GAO W F, et al. A n ovel barrierto copper metallization by implanting nitrogen intoSiO2J. Chinese J of Sem

21、iconductors, 2001,22(3:271-274.3 DINGP J, CHEN L, FU J M, et al. Cu barrier/seedtech no logy developme nt for sub-0.10 micron copperchipsJ. Solid-state and In tegrated Circuit Tech no logy processing, 2001, 1:405-409.4 BERSUKERG, BLASCHKE V, CHOI S, et al. Co nduc-tion processes in Cu/low-k intercon

22、nectionA.38thA nn ual Int Symp on Reliability PhysicsC.California, USA, 2000, 344-347.5 TAKEOO. Diffusionbarriers for copper interconnectsA. 5th Int Conf on Solid-State And Integrated Circuit Tech nologyC.Beiji ng,Chi na,1998, 124-126.（收稿日期:20051208作者简介：李薇薇（1978-,女，河北唐山人，在读博士 ,主要研究方向为微电子学与固体电子 学、半导体材料与技术。（上接第336页欢迎业内企业管理开发人才为本刊投稿Semico nductor Tech nology Vol. 31 No. 5 May 2006345