多晶硅沉积工艺中中间层对多晶硅质量的影响

1、 本文由wujinfeng05贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 导 体 光 电 年 第 半 月 卷 第 期 李伯 海 ： 多 晶硅 沉 积 工 艺 中 中 间层 对 多 晶硅 质 量 的影 响 多 晶硅 沉 积 工艺 中 中 间层 对 多 晶硅 质 量 的影 响 李 伯 海 ， 福 文 ， 爱 民 ，王 艳 艳 ， 秦 吴 徐 茵 ， 顾 彪 （ 连 理 工 大 学 三 束 材 料 改 性 国 家 重 点 实验 室 ，辽 宁 大 连 ） 大 摘 要 ： 采 用电子 回旋 共振 等 离子体 增 强化 学 气相 沉积 （ ） 术 ， 技 以

2、 和 为气 源 ， 的低 温 条件 下 ， 普通玻 璃 衬底 上 沉积 了多晶硅 薄膜 。主要 考 察 了中 间层 对 多晶 在 在 硅 薄膜 沉积 质量 的影 响 。 实验证 明 ， 中间层 的沉 积 温度 为 ， 当 流量 为 时 ， 到 多 得 晶硅 薄膜 晶粒 的直径 最 大 ， ； 随着 中 间层 沉积 温度 的提 高 ， 为 且 薄膜 的结 晶度提 高。 关 键词 ： 多 晶硅 薄膜 ；中 间层 ； 中图分 类 号 ： 文 献标 识码 ： 文章编 号 ： （ ） ， ， ， ， ， （ ， ， ， ） ， ： （ ） ， ， ， ： ； ； 引 言 多 晶硅 薄膜 在长 波 段 具

3、有 高 光 敏 性 ， 可 见光 对 能有 效吸 收 ， 与 非 晶硅 相 比具 有 较 高 的转 换 率 和 且 子溅 射 法 等 。在 诸 多 方 法 中， 由于 具 有 实 验参 数控 制 简单 、 积 温 度 低 、 面 积 均匀 的特 点 ， 沉 大 越来 越受 到 人们 的重视 。本 文研 究 了 低 温条件 下 （ 于 ） 在玻 璃 衬 底 上 沉 积 中 间 小 ， 层 对多 晶硅 薄膜 晶质 的影 响 。 迁移 率 ， 其光 电效 率 不会 随着 光 照 时 间 的延 续 而 衰 减； 与单 晶硅相 比， 多晶硅 可在 廉 价 的衬底 材料 上大 面积低 温 制备 ， 有 较

4、低 的制 作成 本 ， 具 因此 被公 认为 是高 效 、 耗 的理想 光伏 器件 材料 ， 低 目前 已成为 制备 太 阳电池 的热 点材 料 之 一 。此 外 ， 晶硅 也 是制 作 多 实 验 实验 是在 配有 反 射 高 能 电 子衍 射 （ ） 原 位监 测 设 备 的 沉 积 装 置 上 进 行 的。 我们 采用 和 的混 合 气 体 （ ： 一： ） 为 反应气 体 ， 康 宁 作 在 普 通 玻璃 衬 底 上 制 备多 晶硅 薄膜 。采 用 气稀 释 的 作 为反应 气 体有 助 于 控制 量 ， 且 能增 强 微波 放 流 并 气 传感器 、 薄膜 晶体 管 （ ） 器 件

5、的新 型半 导 体 替 等 代材料 。 当前 生产多 晶硅 的方 法 主要有 化 学气相 沉 积法 （ 、 离 子体 增 强 化学 气 相 沉 积 法 （ ） ） 等 、 液相外 延法 （ ） 激 光 晶化 法 、 、 固相 晶化 法 和 等离 收 稿 日期 ： 电 ， 而 增加 电子 与 的碰 撞 ， 进 裂解 ， 从 促 对非 晶 硅 中 较 弱 的 键 也 有 一 定 的 刻 蚀 作 用 ， 可加 速 多晶硅 薄膜 沉 积 。 基金项 目： 国家 自然 科 学 基 金 项 目（ ） 实验 分两 步进 行 ： 一 步 ， 第 在玻 璃衬 底上 以不 同 图 和 图 分 别 是 样 品 和

6、的 和 条 件沉积 中间层 ， 二 步 ， 中 间层 上 沉 积 硅 薄 膜 。 第 在 首先 ， 了研究 中 问层对 硅 薄膜质 量 的影 响 ， 为 我们 通 过改 变 中间层 的沉 积工 艺 参 数 （ 温度 和 流量 ） 制 备 了 组 中间层 样 品 ， 体 参 数 如 表 示 。然 后 具 所 在 中间层 上沉 积多 晶硅 薄膜 ， 续 沉积 工 艺 参 数 不 后 图像 。从 图 中的 图像 中可 以看 出样 品 样 品 的峰位 都 在 附近 ， 表 明样 和 这 品均 含 有 多 晶 成 分 ， 样 品 的 峰 位 更 靠 近 但 。这 表 明有 中间层 的样 品 的结 晶性

7、要 好 于无 ， 中间层 的样 品 。从 图 的 图像可 以看 到 ， 有 中间层 的样 品 具有 明显 的 （ ） 优取 向 ， 择 在无 中 变， 分别 为 ： 流 量 为 ， 量 为 流 （ 中 ， 气 的含量 为 ） 微 波 功 率 为 ， 其 ， 沉积 温度 为 。 沉 积时 间为 。为 了对 比 ， 间层 的样 品 中没 有 看 到 明显 的衍 射 峰 。 由 图 、 中 的对 比可 知 ， 、 中间 层 的 引入 可 以改 善 多 晶硅 有 、 中 间层 对硅 薄膜 沉积 的影 响 ， 无 我们 又制 备 了无 中间层 的第 号 样 品 。沉 积 工 艺 为 ： 量 为 流 流

8、量 为 ， 波 功 率 为 ， 积 ， 。 微 沉 温 度 为 ， 积 时 间 为 。 沉 表 组 不 同 中 间层 样 品 的沉 积 工 艺 参 数 薄 膜 的沉积 质量 。其 主要 原 因是 薄 膜 的结 晶性 与其 衬底 结 构密 切相关 。在薄 膜后续 沉 积参数 相 同的条 件下 ， 底结 晶性 越高 ， 衬 在衬 底 上沉 积 的薄 膜质量 越 高 。中间层 的引 入使 最终 沉积硅 薄 膜 的实 际衬底 由 非 晶 的玻璃 变为 中 间层 ， 高 了衬 底 的质量 。因此 ， 提 参 数 在 中间层 上沉 积 的硅 薄膜质 量要 高 于直接 在非 晶的 玻璃 衬底 上 沉积 硅薄

9、膜 。 ： 。 一 ， 本 文通过 、 曼散 射 光 谱 （ 和 拉 ） 射线 衍射 谱 （ ） 究 了薄 膜 的结 构 ； 用 拉 曼 研 利 谱， 射 线衍 射谱 估测硅 薄 膜样 品 的晶化率 、 晶粒 大 小 和品格 失 配度 。 图 样 品 和 的 图 像 实 验 结 果 及 分 析 图 是在 玻璃 衬底 卜沉积 的硅 薄 膜 的 图像 。样 品 和 分别 是 在 中间层 上 沉积 和 直接在 玻璃 上 沉积 的硅薄 膜 ， 品 的 图像 为 环 样 状 ， 表 明 样 品 为 多 晶 结 构 。 而 样 品 的 这 图像 已出 现 规则 的 斑 点状 图像 ， 明样 品 表 呈现

10、出多 晶 的结 构 ， 有 较 好 的 晶 体 取 向 。这 表 且 明在 晶体的择优取 向方面 。 品 的质 量 明显优 于样 样 品 。 图 样 品 和 的 图 像 中 间 层 沉 积 温 度 对 硅 薄 膜 的 影 响 图 给 出 了 中 间 层 的 沉 积 温 度 对 硅 薄 膜 的 图像 的影 响 。温 度 由低 到 高 分 别 对 应 至 号样 品（ 长参数 见 表 。在 该 系列 样 品 的沉 积 过 生 ） 程 中我 们 只改变 了 中间 层 的沉 积 温 度 ， 它 工 艺 参 其 数保 持 不变 。从 图 中可 以看 出 ， 中 间层 上 沉 积 在 （） 品 样 ：无 中

11、 间层 的硅薄 膜 均 为 明显 （ ） 优 取 向 ， 相 关 文 献 报 择 与 图 样 品 和 的 图像 道的 （ ） （ ） 向相 比 ， 有 出现 杂 峰 ， ， 取 ， 没 具 有 较 好 的单 一 取 向 。但 不 同 的 中间 层 沉 积 温 度 对 半导 体 光 电 年 月 第 卷 第 期 李 伯 海 ： 多 晶硅 沉 积 工 艺 中 中间 层 对 多晶 硅 质 量 的 影 响 （ ） 面衍 射强 度 影 响 很 大 。 随着 中 间层 沉 积 温度 的升高 ， 硅薄膜 的 衍 射 峰 先 增 强后 减 弱 ， 中 当 间层 的沉 积 温度 为 。 ， 沉 积 的硅 薄 膜

12、衍 射 时 所 度 过大 ， 由于凝结 核 的沉 积 相互 竞 争 反 而 会抑 制 晶 粒 水平 的沉 积 ， 响 了后续 硅 薄膜 的沉积 ， 影 使其 晶粒 直 径变 小 。可见 ， 间层 的沉 积质 量 对 硅 薄 膜 的沉 中 积 有着 重要 的影 响 。 峰 最 明显 ， 晶粒 的沉积 取 向最好 。中 间层 为 和 时 硅薄膜 的 衍射 峰 已经 明显减 弱 。 图 出了拉曼 峰 （ 模 ） 给 随着 中间层 沉 积 温 度 变化 的移 动情 况 。随着 中间层沉 积温 度从 增 加 到 ， 处 的 波 峰 逐 渐 减 小 ， 处 的波 峰逐 渐增 大 成 为主 导 ， 明硅 薄

13、 膜 中非 表 晶成分 正在 减小 ， 晶体 成分 正 在 增 加 。为 了得 到硅 薄 膜 的晶化 率 ， 我们 将 模分 成三个 部分 ， 过 比 通 较 波数 为 （ 晶特征 峰 ） （ 晶 特 非 ， 微 征峰 ， 晶粒 直 径 ） 和 （ 体 硅 特征 晶 峰） 的三个 峰 的强 度 来 判 定 硅薄 膜 的 晶化 率 。晶 化 图 中 间层 沉 积温 度 对 多 晶 硅 薄 膜 图 像 的影 响 率 公 式可 由下 式表 示 ： 根据 公式 ：志 可 以计 算 晶 粒 的 大 小 ， 其 中 志 为半 峰宽 ， 一 ， 一 。图 给 出 了晶粒 大小 随着 中 间层沉 积温 度 的

14、变 化 关 系 。从 图 可 以看 出 晶粒 的大 小 随着 中间层 沉 积 温度 的升 高 先 增大后 减 小 ， 时 晶粒 的直 径 约 ， 在 温 其 中 ， 、 、 分 别 指 对 应 样 品 的 光 谱 在 ， ， 处进 行 分 解 后 ， 个 波 峰 的 相 对 积 分 强 度 三 。也 有 文 献 把 光 谱 在 ， ， 处进 度 为 时 晶粒 的直 径 增 长 到 左 右 ， 温 当 度 为 时 晶 粒 的直 径 达 到 最 大 值 为 但 是 随 着 温 度 的继 续 升 高 晶 粒 的 直 径 开 始 减 ， 小 ， 和 时 晶粒 直 径 分别 为 和 在 左 右 。 行

15、分解 ， 这些 方 法 都 只能 得 出近 似值 。 由 图 但 可 以看 出硅 薄 膜 的 晶 化 率 随 温 度 的 增 长 而 提 高 ， 的晶化 率 增 长趋 势 非 常 明显 ， 而 的增长 趋势 变 缓慢 ， 温 度 为 时 在 达 到 。 图 样 品 的拉 曼 谱 随 中 间层 沉 积 温度 的变 化 图 薄 膜 的 晶粒 大 小 随 中 间层 沉 积 温度 的 变 化 关 系 由 以上 分 析可 知 ， 间层 的沉 积 温 度 对 其 结 晶 中 状况影 响很 大 。 当 中 间层 沉 积温 度 过 低 ， 附 到衬 吸 底上 的原 子或原 子 团 （ 。 活性 小 ， 容 易

16、 迁 徙 等） 不 到能量 最低 的位 置 成 键 ， 成 凝 结 核 沉 积 为 晶 形 ， 粒 。伴随着 温度 的 升 高原 子或 原 子 团活 性 增 强 ， 凝 结 核 的密度 增加 ， 度 达 到 时 中 间层 中凝 结 温 核密度 最佳 ， 间距 较大 ， 核 适合 凝结 核沉 积 出较 大 的 晶粒 ， 这种 较高 质量 的 中 间层 为 后 续 的硅 薄 膜 沉 积 图 样 品 的 晶 化 率 随 缓 冲 层 沉 积 温 度 的变 化 提供 较好 的条件 。继 续 升 温 ， 中间 层 中凝 结 核 的密 ? 由 以上 分析 我 们 可 以看 到 ， 当中 间层 的沉 积 温

17、度为 时 得 到 的硅 薄 膜 的 晶粒 最 大 ； 在 。之 间 ， 随着 中间层沉 积 温度 的升 高 ， 薄膜 的 硅 晶化 率不 断提 高 。 沉 积 中间层 的 ： 量对 硅薄膜 的影 响 流 随着 流量 变大 而减 小 。对 于上 面 的实验 现象 ， 可 能 是 由以下 原 因造 成 的 ： 由于 能够刻 蚀 薄膜 中较 弱 的 键 ， 使薄 膜 表 面形 成 强 的 键 ， 因此适 当提 高 流 量 可 以改 善 中间 层 的结 晶性 。 实 验 中 ， 中间层其 它沉 积条 件不变 的情 况下 ， 在 提高 流量 由 到 ， 高 了中间层 的结 晶 提 性， 有利 于 中间层

18、 更好 地 与后 续 生 长 的多 晶硅 薄膜 相 匹配 ， 释放 其 中的 位 错 和 应 力 ， 当沉 积 中 间层 的 流量 增 加 到 ， 间层 与 后续 沉 积 的 工艺 中 参 数相 同 ， 当于 直接 在 玻 璃 衬底 上 沉 积 多 晶 硅 薄 相 在不 同 。 流量 下 沉 积 中 间层 而 得 到 的硅 薄 膜 的 图像 如 图 所 示 。其 中 图 ， ， （ ） （ ） （）（ ） ， 分别对 应 号 样 品 经 过后 续 沉 积 后 ， 得到 的硅薄 膜 的 图像 。 图 是 直 接 在 （） 玻璃 衬底 上 沉 积 的 硅 薄 膜 的 图像 。我 们 也可 以认 为

19、其 中间层和 后续 沉积 的工艺 参数 完全 相 同 ， 积 时间均 为 。在 中间层 的沉 积过程 中 沉 膜 。此 时的 中间层 失 去 了释放 应 力 的作用 ， 导致 多 晶硅薄膜 质 量较差 ， 图像几 乎不 存在 衍射 峰 。 我们 只改 变 了 的流 量 ， 它 的工 艺 参 数 保 持 不 其 变 。从 图 中可 以看 到 ， 的流量 为 时 当 硅薄膜 的 图像 呈现 出模 糊 的点 状结 构 ， 。 的流量 为 时 硅薄膜 的 图像 的点 状 结构 变清 晰 ， 了 较 好 的 晶体 取 向 ， 现 出 多 晶 结 有 呈 构； 的流 量为 时 图像 出现 了 点 环结 构

20、 ， 向变得 混乱 。当 。 取 的流量再 增加 后 ， 薄膜 的 图像 变 成 了环 状 ， 然仍 是 硅 虽 多 晶结构 ， 晶体 取 向 已经 不如 以前 。 但 图 样 品的 图 像 随 沉 积 中间 层 的 氢 流 量 的 变 化 表 样 品 的 晶粒 大 小 随 中 间 层 中 氢流 量 的 变化 一 一 流 量 。 口 丝 注 ： 为 晶 格 常 数 ，为 平 均 晶粒 直 径 ， 单 晶 硅 的 为 晶格 常 数 （ ） 。 结论 本 文利 用 ， ， 研 究 了中 间 图 样 品 的 图 像 层对 硅薄膜 沉 积 的影 响 。实 验 结 果 证 明 ， 间层 的 中 由图 以

21、看 出 当沉积 中问层 的 。 量 为 可 流 引入 可 以 明显 改 善硅 薄 膜 的性 质 。在 之 间中 间层沉 积温度 越高 ， 越有 利于 硅薄 膜 的晶化 ， 当温 度为 时 晶粒 直 径 最 大 ； 在 和 时 ， 薄膜 的 图像 依然 是单 一 的衍 硅 射 峰 （） 。随着 。 量 的增 大 ， 薄 膜 的衍射 峰 流 硅 先 增强后 减弱 。 流量 为 时 衍 射 峰最 强 ， 而 流量 为 时 几 乎 没有 衍 射 峰 。表 给 出了不 同 流量 下缓 冲层所 对应 的硅薄 膜 晶化率 、 晶粒 大小 、 晶格 常数 和 品格 失 配 度 。可 以看 出 晶粒 之 间 ， 的流量 越 大 ， 有 益 于硅 薄 膜 晶格 失 配 度 。 越 的减 小 ， 当 流量 为 时 晶粒直 径 达到最 大 值 为 。 参考 文献 ： 邱 春 文 ， 旺 舟 ， 羽 中 法