一种氢等离子体氛围中铝诱导晶化多晶硅薄膜的制备方法

摘要

一种氢等离子体氛围中铝诱导晶化多晶硅薄膜的制备方法，将衬底上沉积包括非晶硅薄膜、二氧化硅薄膜和金属铝薄膜制得的多层薄膜，在450℃～550℃下氢等离子氛围中退火，较短时间即可获得完全晶化了的多晶硅薄膜。该发明不仅将传统的退火晶化工艺、氢等离子体晶化与钝化工艺合二为一，并且降低了铝诱导晶化的退火时间，减少了热预算，可以较显著地降低成本；本发明通过氢等离子体氛围铝诱导晶化制备的多晶硅薄膜材料，可用于制备多晶硅薄膜太阳电池、平板显示器件中的低温多晶硅薄膜晶体管等器件，具有工艺简化、热预算少、成本低等特点，是一种适用于大规模工业生产的多晶硅薄膜材料的晶化方法。

说明书

【技术领域】

本发明属于多晶硅薄膜材料的制备技术，特别是一种氢等离子体氛围中铝诱导晶化多晶硅薄膜的制备方法。

【背景技术】

多晶硅薄膜，相对于单晶硅具有更低的成本，相对于非晶硅薄膜具有更高的迁移率和稳定性，其在大面积电子器件特别是太阳电池、薄膜晶体管、传感器中的广泛应用前景，正吸引着科学界的极大关注。遗憾的是，目前多晶硅薄膜的制备技术都有它各自的局限性：有的方法制备的薄膜由于晶粒尺寸较小或均匀性较差从而电学性能欠佳，如等离子增强化学气相沉积(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition——PECVD)低温制备的微晶硅薄膜，其晶粒尺寸和迁移率远不如多晶结构的硅薄膜；其他，如低压化学气相沉积(Low Pressure ChemicalVapor Deposition——LPCVD)，常压化学气相沉积(Atmospheric PressureChemical Vapor Deposition——APCVD)、固相晶化(Solid PhaseCrystallization——SPC)等，需要较高的晶化温度；再如准分子激光晶化(Excimer Laser Annealing  ELA)，快速热退火(Rapid Thermal Annealing——RTA)等则设备昂贵。金属诱导晶化技术是利用非晶硅与某些金属(如Ni、Al、Cu等)的结合，降低其晶化温度从而可实现低温制备，它具有工艺简单、成本低和退火过程短等特点，使它更适合应用于工业生产。其中，铝诱导晶化不仅能在低温(600摄氏度以下)完全晶化非晶硅薄膜，而制备的多晶硅还具有大晶粒及100优先取向的优点，特别适宜作为籽晶层低温外延生长多晶硅，这一技术广泛应用于多晶硅太阳能电池。遗憾的是，即使是铝诱导晶化在较低的温度下退火仍然需要较长的退火时间，不利于多晶硅太阳能电池及多晶硅薄膜晶体管基板的产业化。另外，在晶化后的多晶硅薄膜的晶界及晶粒内部通常含有较高的缺陷态，严重影响多晶硅薄膜及器件的性能及稳定性。而后氢化处理是钝化多晶硅薄膜器件缺陷态的有效方法之一，较常用的方法是将多晶硅薄膜在氢等离子体的气氛下退火。

【发明内容】

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种氢等离子体氛围中铝诱导晶化多晶硅薄膜的制备方法，该方法利用等离子体降低铝诱导晶化的温度，缩短实现完全晶化过程的时间，同步实现铝诱导晶化退火和后钝化，提高铝诱导晶化多晶硅薄膜质量，降低制备过程的能量损耗和成本，为多晶硅薄膜的制备开辟一条新的道路。

本发明的技术方案：

一种氢等离子体氛围中铝诱导晶化多晶硅薄膜的制备方法，步骤如下：

1)在衬底上沉积包括非晶硅薄膜、二氧化硅薄膜和金属铝薄膜制得多层薄膜；

2)将上述多层薄膜放入退火炉中，将退火炉抽真空并将退火炉升温至退火温度；

3)通入氢气并通过设置于退火炉内的氢等离子体发生源产生氢等离子体，使多层薄膜暴露于氢等离子体氛围中；

4)在退火炉温度恒定条件下，进行退火；

5)关闭氢气等离子体发生源，停止通氢气，二次抽真空，待自然降温后从退火炉中取出，即可制得完全晶化的多晶硅薄膜材料。

所述退火炉中的真空度为(200～800)×10^-3torr。

所述退火温度为450℃～550℃。

所述氢等离子体发生源为射频辉光放电、超高频辉光放电、微波激发、热辅助或热丝分解方法产生的近程或远程氢等离子体源。

所述氢气流量为15sccm～60sccm。

所述退火时间为不少于2小时。

本发明的优点及效果：本发明将铝诱导晶化的退火过程在氢等离子体的气氛中进行，将传统的退火与后氢化处理工艺合二为一，简化了工艺，降低了成本；在退火过程中，氢等离子体中的氢原子能在较传统铝诱导晶化更短的退火时间内晶化非晶硅薄膜，利用氢等离子体氛围加速铝诱导晶化的退火过程，可以有效地降低铝诱导晶化的退火时间；本发明通过氢等离子体氛围铝诱导晶化制备的多晶硅薄膜材料，可用于制备多晶硅薄膜太阳电池、平板显示器件中的低温多晶硅薄膜晶体管等器件，具有工艺简化、热预算少、成本低等特点，是一种适用于大规模工业生产的多晶硅薄膜材料的晶化方法。

【附图说明】

图1a是衬底上依次制备非晶硅薄膜、二氧化硅薄膜和铝薄膜三层结构薄膜截面示意图。

图1b是衬底上依次制备铝薄膜、二氧化硅薄膜和非晶硅薄膜三层结构薄膜截面示意图。

图2是实施例1制备的铝诱导晶化多晶硅薄550℃退火时间与硅薄膜晶化率对应关系图。

图3是实施例2制备的铝诱导晶化多晶硅薄550℃退火时间与硅薄膜晶化率对应关系图。图中：1.衬底 2.非晶硅薄膜 3.二氧化硅薄膜4.铝薄膜

【具体实施方式】

实施例1：

一种氢等离子体氛围中铝诱导晶化多晶硅薄膜的制备方法，步骤如下：

1)在大面积玻璃衬底1上，采用低压化学汽相沉积(LPCVD)的方法，在550℃下沉积100nm厚的非晶硅薄膜层2，从制备腔中取出非晶硅薄膜，经空气中自然氧化，其表面形成一层厚度3nm的二氧化硅薄膜3，然后采用真空蒸发的方法在非晶硅层上形成100nm厚的铝薄膜4，其结构如图1a所示；

2)将上述多层薄膜放入退火炉中，退火炉采用射频辉光放电近程氢等离子体设备，将退火炉抽真空至100×10^-6torr以下，将退火炉升温至550摄氏度；

3)通入氢气，流量为30sccm，将腔体真空调整为800×10^-3torr，打开射频(RF)电源，功率设定为30W，此时衬底/非晶硅/二氧化硅/铝多层薄膜将暴露在等离子体中；

4)在退火炉温度恒定条件下，退火4小时；

5)关闭氢气等离子体发生源，停止通氢气，抽真空至100×10^-6torr以下，待自然降温后从退火炉中取出，即可制得完全晶化的多晶硅薄膜材料。

技术效果检测：将上述制得的多晶硅薄膜材料用85％的磷酸浸泡10分钟，清洗干净在硅薄膜表面残留的铝，用型号为Renishaw in Via的拉曼(Raman)光谱仪测得薄膜的拉曼谱图经过520、510、480三峰高斯拟合，用公式Xc＝(I₅₂₀+I₅₁₀)/(I₅₂₀+I₅₁₀+I₄₈₀)计算硅薄膜晶化率，得到在氢等离子氛围下退火4小时晶化率为100％，即制得完全晶化的多晶硅薄膜。图2所示的是衬底/非晶硅/二氧化硅/铝多层薄膜在氢等离子体氛围下和真空下退火时间与晶化率的对应关系图，与在真空条件下退火10小时才能获得完全晶化的多晶硅薄膜相比，表明该方法可以降低铝诱导晶化的退火时间，降低热预算。

实施例2：

一种氢等离子体氛围中铝诱导晶化多晶硅薄膜的制备方法，步骤如下：

1)在大面积玻璃衬底1上，采用真空蒸发的方法在非晶硅层上形成100nm厚的铝薄膜层4，采用等离子体化学气相沉积(PECVD)的方法沉积10nm厚的二氧化硅薄膜层3，再采用低压化学汽相沉积(LPCVD)的方法，在550℃下沉积100nm厚的非晶硅薄膜层2，其结构如图1b所示；

2)将上述多层薄膜放入退火炉中，退火炉采用射频辉光放电近程氢等离子体设备，将退火炉抽真空至100×10^-6torr以下，将退火炉升温至450摄氏度；

3)通入氢气，流量为15sccm，将腔体气压调整为200×10^-3torr，打开射频(RF)电源，功率设定为10W，此时衬底/铝/二氧化硅/非晶硅多层薄膜将暴露在等离子体中；

4)在退火炉温度恒定条件下，退火5小时；

5)关闭氢气等离子体发生源，停止通氢气，抽真空至100×10^-6torr以下，待自然降温后从退火炉中取出，即可制得完全晶化的多晶硅薄膜材料。

技术效果检测：用85％的磷酸浸泡10分钟，清洗干净在硅薄膜表面残留的铝，用型号为Renishaw in Via的拉曼(Raman)光谱仪测得薄膜的拉曼谱图经过520、510、480三峰高斯拟合，用公式Xc＝(I₅₂₀+I₅₁₀)/(I₅₂₀+I₅₁₀+I₄₈₀)计算硅薄膜晶化率，得到在氢等离子氛围下退火5小时晶化率为100％，即制得完全晶化的多晶硅薄膜。图2所示的是衬底/铝/二氧化硅/非晶硅多层薄膜在氢等离子体氛围下和真空下退火时间与晶化率的对应关系图，与在真空条件下退火13小时才能获得完全晶化的多晶硅薄膜相比，表明该方法可以降低铝诱导晶化的退火时间，降低热预算。