专利名称：一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，属半导体薄膜材料领域。
背景技术：
多晶Si薄膜同时具有单晶Si高迁移率、光照稳定性及非晶Si大面积低成本制备的优点，在薄膜太阳电池、薄膜晶体管(TFT)以及微电子集成电路等方面具有广泛应用前景。现有的金属诱导晶化技术是利用非晶Si与Ni、Al、Cu等金属结合，降低其晶化温度从而实现低温晶化，它具有工艺简单，可使非晶Si薄膜在较短时间内实现晶化，所制备的薄膜具有多晶Si薄膜均匀性高，成本低等优点。如专利(200910244845. 4)中，将衬底上沉积包括非晶Si薄膜、二氧化硅薄膜和金属铝薄膜制得的多层薄膜，在450°C 550下氢等离子氛围中退火2小时以上即可获得完全晶化了的多晶Si薄膜。但在非晶Si薄膜晶化的同时薄膜会受到诱导金属的污染，从而导致器件性能变坏。为了降低诱导金属对多晶Si薄膜的污染，论文{物理学报，59 (2010) :2775 2782)中采用磁控溅射法，以镍硅合金为靶，制备了一种适用于金属诱导横向晶化的氧化物镍源一自缓释镍源，采用该镍源制备低温多晶Si材料，能有效降低多晶Si薄膜内的残余镍含量，但该方法不能从根本上解决薄膜受诱导金属污染的问题；在专利(201010175536. 9) 中，首先在所制备的非晶Si薄膜上生长一层氧化物层，然后将氧化物层刻蚀出宽度为 2mm 30mm,间距为60 5000mm的凹槽，以暴露出非晶Si层,在氧化物层及非晶Si暴露区上再沉积一层含金属Ni的薄膜，最后将上述的氧化物层去除后，薄膜在惰性气体或者保护气体中590°C退火I小时，从而达到Ni诱导非晶Si薄膜晶化的同时降低Ni在薄膜中的含量，该技术虽然在一定程度上能降低薄膜受诱导金属的污染，但该技术过于复杂。由于Ge与Si之间的物理性质极为相似，与CMOS技术具有兼容性，通过Ge诱导晶化制备多晶Si薄膜，在非晶Si薄膜晶化的同时可以通过调整Ge的含量对所制备的材料实行能带裁剪，从而满足不同电子器件的要求。在文献(光馇f瘦龙，22(2011) :75-78)中，采用磁控溅射法，在衬底温度为800°C时，首先在单晶Si衬底上生长了厚度为400nm的Ge填埋层，然后在Ge层上生长厚度为1200nm的Si薄膜，从而达到在衬底温度为800°C时Ge原位诱导非晶Si薄膜晶化的目的。上述方法制备的非晶Si薄膜的平均晶粒尺寸为53. 7nm, 在所制备薄膜的X-射线衍射中出现了 Si薄膜的(111)、(200)、(220)、(311)、(331)等非晶Si晶化后的晶面衍射峰。但由于其晶化温度高，薄膜制备能耗高；其次高的生长温度对衬底要求高，无法实现在普通玻璃衬底上制备多晶Si薄膜，且在较高的衬底温度下，衬底原子会扩散到外延膜内，影响外延多晶Si薄膜的质量。另外此方法制备的多晶Si薄膜的晶粒尺寸较小，很难满足实际应用的要求
发明内容
针对背景技术提出的问题，本发明提供一种多晶Si薄膜的低温制备方法。采用与 Si物理性质极为相似的Ge为诱导源，在Si衬底、不锈钢衬底、普通玻璃衬底或石英玻璃衬底上，通过Ge低温诱导晶化制备多晶Si薄膜。为实现上述目的，一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，采用以下步骤实施
A)30°C 500°C在衬底上生长一层200 500nm的Ge填埋层；
B)30°C 500°C在上述Ge填埋层上生长非晶Si层；
C)在真空度为IX 10_2 9 X 10_2帕下，将上述具有Ge填埋层的非晶Si薄膜密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600°C下退火至少2小时，即可获得多晶Si薄膜。所述步骤A中生成Ge填埋层的具体工艺为
(1)将晶面指数为150 480的衬底经过丙酮超声清洗10分钟，无水乙醇超声清洗 20分钟，去离子水冲洗后用高纯氮气吹干放入磁控溅射生长室；将Ge靶的靶间距设定为 75 83 mm, Si祀的祀间距为55 80mm ；
(2)本底真空度优于4.OX 10_4 Pa后，通入纯度为99. 999%的高纯氩气；
(3)通过调节氩气流量，使生长室内工作压强为2. OPa，并设定衬底温度为150
300 0C ；
(4)待衬底温度及工作室内压强稳定后，将控制Ge靶的直流电源功率调至100瓦， 开始生长Ge填埋层；
(5)待Ge靶的溅射30分钟后，Ge填埋层生长结束。所述衬底为Si衬底、不锈钢衬底、普通玻璃衬底或石英玻璃衬底。所述步骤B中Ge填埋层上生成非晶Si层的具体工艺
(1)将控制Si靶的射频功率调至150 330瓦，在上述生长的Ge层上开始生长非晶 Si层；
(2)待Si靶的溅射时间达到90 150分钟后，关上述射频电源，Si层生长结束；
(3)关闭上述Ar气及衬底温度控制电源，待衬底温度降到40°C后取出上述具有Ge填埋层的非晶Si薄膜。本发明的优点及效果本发明采用与Si物理性质极为相似的Ge为诱导源，在低温度下制备多晶Si薄膜，工艺简单，是一种实用于大规模工业生产的多晶Si薄膜材料的晶化方法；而且通过选择不同的衬底及通过不同Ge层厚度对多晶Si薄膜带隙的调制作用，能满足不同半导体器件的要求。通过此方法制备的多晶Si薄膜能广泛用于多晶Si薄膜太阳电池及微电子器件领域。
图I为Ge诱导晶化制备多晶Si薄膜的结构示意图。图2为实施例采用Ge诱导晶化制备的多晶Si薄膜的X-射线衍射谱图。图3为实施例采用Ge诱导晶化制备的多晶Si薄膜的断面场发射扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。实施例I
一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，采用以下步骤实施，
A)200°C在衬底上生长一层400nm的Ge填埋层
(1)将晶面指数为400的单晶Si衬底经过丙酮超声清洗10分钟，无水乙醇超声清洗 20分钟，去离子水冲洗后用高纯氮气吹干放入磁控溅射生长室；将Ge靶的靶间距设定为 80 mm, Si革巴的祀间距为60mm ；
(2)本底真空度优于4.OX 10_4 Pa后，通入纯度为99. 999%的高纯氩气；
(3)通过调节氩气流量，使生长室内工作压强为2.OPa，并设定衬底温度为200°C ；
(4)待衬底温度及工作室内压强稳定后，将控制Ge靶的直流电源功率调至100瓦，开始生长Ge填埋层；
(5)待Ge靶的溅射时间达到30分钟后，关闭上述直流电源，Ge填埋层生长结束；
B)300°C在上述Ge填埋层上生长非晶Si层；
(1)将控制Si靶的射频功率调至250瓦，在上述生长的Ge层上开始生长非晶Si层；
(2)待Si靶的溅射时间达到120分钟后，关上述射频电源，Si层生长结束；
(3)关闭上述Ar气及衬底温度控制电源，待衬底温度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋层的非晶Si薄膜；
C)将上述制备的具有Ge填埋层的非晶Si薄膜在真空度为2. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600°C下退火3小时。技术效果分析上述制备的多晶Si薄膜用Renishaw in via的拉曼(Raman)光谱仪测得的Raman散射谱，经过520cm—1、512cm-1、480cm—13峰高斯拟合，用Xc= ( 1520+1512) / (I520+I512+I480)计算出上述多晶Si薄膜的晶化率为95%。图2所示为上述多晶Si薄膜的X-射线衍射谱图，其中“S”表示Si衬底(400)衍射峰。从X-射线衍射图谱中可见采用该发明制备的多晶Si薄膜除观察到微弱的Ge填埋层的(111)、(220)、(311)晶面衍射峰和衬底衍射峰外，出现了唯一的多晶Si薄膜Si (200) 强衍射峰，表明上述多晶Si薄膜在Si (200)方向具有很好的单晶性，而文献{光电子激光， 22(2011) :75-78)在800°C时采用Ge原位诱导晶化制备的多晶Si薄膜的X-射线衍射谱中，除出现Si (200)衍射峰外，还出现了(111)、(220)、(311)、(331)等非晶Si晶化后的晶面衍射峰。采用公式/卢cos 〃，其中，^hkl为沿垂直于晶面(hkl)方向的晶粒直径，k为Scherrer常数(O. 89)，Λ为入射X-射线波长(Cuk3，Λ =0. 15406nm)，Θ为布拉格衍射角(° )，β为衍射峰的半高峰宽(弧度)。计算出上述多晶Si薄膜的平均晶粒尺寸为600nm，与上述文献在800°C时采用Ge原位诱导晶化制备的多晶Si薄膜的平均晶粒尺寸(53. 7nm)相比，晶粒尺寸提高了 10倍以上，且晶化温度降低了 200°C。图3为上述方法制备的具有Ge填埋层的多晶Si薄膜的断面场发射扫描电镜 (日立S — 4800)图，从图中可清楚看到所制备的薄膜具有清晰的GeSi界面，Ge层厚度为 400nm, Si层厚度为1350nm，未发现Ge向多晶Si薄膜内的扩散，表明该方法制备的多晶Si 薄膜能有效避免诱导源向薄膜内的扩散。
实施例2
一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，采用以下步骤实施，A) 30°C在衬底上生长一层200nm的Ge填埋层
(1)将晶面指数为150的衬底经过丙酮超声清洗10分钟，无水乙醇超声清洗20分钟， 去离子水冲洗后用高纯氮气吹干放入磁控溅射生长室靶的靶间距设定为83 mm, Si 靶的靶间距为80mm ；
(2)本底真空度优于4.OX 10_4 Pa后，通入纯度为99. 999%的高纯氩气；
(3)通过调节氩气流量，使生长室内工作压强为2.OPa，并设定衬底温度为300°C ；
(4)待衬底温度及工作室内压强稳定后，将控制Ge靶的直流电源功率调至100瓦，开始生长Ge填埋层；
(5)待Ge靶的溅射30分钟后，Ge填埋层生长结束。B) 300°C在上述Ge填埋层上生长非晶Si层；
(1)将控制Si靶的射频功率调至280瓦，在上述生长的Ge层上开始生长非晶Si层；
(2)待Si靶的溅射时间达到100分钟后，关上述射频电源，Si层生长结束；
(3)关闭上述Ar气及衬底温度控制电源，待衬底温度降到40°C后取出上述具有Ge填埋层的非晶Si薄膜。在真空度为8X 10_2帕下，将上述具有Ge填埋层的非晶Si薄膜密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600°C下退火2小时，即可获得多晶Si薄膜。实施例3
一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，采用以下步骤实施，
A)500°C在衬底上生长一层500nm的Ge填埋层
(1)将晶面指数为500的单晶Si衬底经过丙酮超声清洗10分钟，无水乙醇超声清洗 20分钟，去离子水冲洗后用高纯氮气吹干放入磁控溅射生长室；将Ge靶的靶间距设定为 75 mm, Si革巴的祀间距为55mm ；
(2)本底真空度优于4.OX 10_4 Pa后，通入纯度为99. 999%的高纯氩气；
(3)通过调节氩气流量，使生长室内工作压强为2.OPa，并设定衬底温度为500°C ；
(4)待衬底温度及工作室内压强稳定后，将控制Ge靶的直流电源功率调至100瓦，开始生长Ge填埋层；
(5)待Ge靶的溅射时间达到30分钟后，关闭上述直流电源，Ge填埋层生长结束；
B)30°C 500°C在上述Ge填埋层上生长非晶Si层；
(2)将控制Si靶的射频功率调至150瓦，在上述生长的Ge层上开始生长非晶Si层；
(3)待Si靶的溅射时间达到150分钟后，关上述射频电源，Si层生长结束；
(8)关闭上述Ar气及衬底温度控制电源，待衬底温度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋层的非晶Si薄膜；
C)将上述制备的具有Ge填埋层的非晶Si薄膜在真空度为2. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600°C下退火3小时。实施例4
一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，采用以下步骤实施，
A)400°C在衬底上生长一层400nm的Ge填埋层
(I)将晶面指数为(400)的单晶Si衬底经过丙酮超声清洗10分钟，无水乙醇超声清洗20分钟，去离子水冲洗后用高纯氮气吹干放入磁控溅射生长室；将Ge靶的靶间距设定
6为80 mm, Si祀的祀间距为60mm ；
(2)本底真空度优于4.OX 10_4 Pa后，通入纯度为99. 999%的高纯氩气；
(3)通过调节氩气流量，使生长室内工作压强为2.OPa，并设定衬底温度为400°C ；
(4)待衬底温度及工作室内压强稳定后，将控制Ge靶的直流电源功率调至100瓦，开始生长Ge填埋层；
B)200°C在上述Ge填埋层上生长非晶Si层；
(1)待Ge靶的溅射时间达到30分钟后，关闭上述直流电源，Ge填埋层生长结束；
(2)将控制Si靶的射频功率调至250瓦，在上述生长的Ge层上开始生长非晶Si层；
(3)待Si靶的溅射时间达到120分钟后，关上述射频电源，Si层生长结束；
(8)关闭上述Ar气及衬底温度控制电源，待衬底温度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋层的非晶Si薄膜；
C)将上述制备的具有Ge填埋层的非晶Si薄膜在真空度为2. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600°C下退火3小时。实施例5
一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，采用以下步骤实施，
A)230°C在衬底上生长一层400nm的Ge填埋层
(1)将晶面指数为(400)的单晶Si衬底经过丙酮超声清洗10分钟，无水乙醇超声清洗20分钟，去离子水冲洗后用高纯氮气吹干放入磁控溅射生长室；将Ge靶的靶间距设定为80 mm, Si祀的祀间距为60mm ；
(2)本底真空度优于4.OX 10_4 Pa后，通入纯度为99. 999%的高纯氩气；
(3)通过调节氩气流量，使生长室内工作压强为2.OPa，并设定衬底温度为230°C ；
(4)待衬底温度及工作室内压强稳定后，将控制Ge靶的直流电源功率调至100瓦，开始生长Ge填埋层；
B)30°C 500°C在上述Ge填埋层上生长非晶Si层；
(1)待Ge靶的溅射时间达到30分钟后，关闭上述直流电源，Ge填埋层生长结束；
(2)将控制Si靶的射频功率调至250瓦，在上述生长的Ge层上开始生长非晶Si层；
(3)待Si靶的溅射时间达到120分钟后，关上述射频电源，Si层生长结束；
(4)关闭上述Ar气及衬底温度控制电源，待衬底温度降到40°C左右后取出上述具有 Ge填埋层的非晶Si薄膜；
C)将上述制备的具有Ge填埋层的非晶Si薄膜在真空度为I. OX 10_2帕下密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600°C下退火4小时。
权利要求
1.一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，采用以下步骤实现A)30°C 500°C在衬底上生长一层200 500nm的锗填埋层；B)30°C 500°C在上述锗填埋层上生长非晶硅层；C)在真空度为IX10_2 9X10_2帕下，将上述具有锗填埋层的非晶硅薄膜密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600°C下退火至少2小时，即可获得多晶硅薄膜。
2.如权利要求I所述一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤A中生成锗填埋层的具体工艺为(1)将晶面指数为150 480的衬底经过丙酮超声清洗10分钟，无水乙醇超声清洗20 分钟，去离子水冲洗后用高纯氮气吹干放入磁控溅射生长室；将锗靶的靶间距设定为75 83 mm,娃祀的祀间距为55 80mm ；(2)本底真空度优于4.OX 10_4 Pa后，通入纯度为99. 999%的高纯氩气；(3)通过调节氩气流量，使生长室内工作压强为2.OPa,并设定衬底温度为150 300 0C ；(4)待衬底温度及工作室内压强稳定后，将控制锗靶的直流电源功率调至100瓦，开始生长锗填埋层；(5)待锗靶的溅射30分钟后，锗填埋层生长结束。
3.如权利要求I所述的一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，其特征在于 所述衬底为硅衬底、不锈钢衬底、普通玻璃衬底或石英玻璃衬底。
4.如权利要求2所述一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底、不锈钢衬底、普通玻璃衬底或石英玻璃衬底。
5.如权利要求1-4任一项所述一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤B中锗填埋层上生成非晶硅层的具体工艺(1)将控制硅靶的射频功率调至150 330瓦，在上述生长的锗层上开始生长非晶硅层；(2)待硅靶的溅射时间达到90 150分钟后，关上述射频电源，硅层生长结束；(3)关闭上述Ar气及衬底温度控制电源，待衬底温度降到40°C后取出上述具有锗填埋层的非晶硅薄膜。
全文摘要
本发明涉及一种Ge低温诱导晶化多晶Si薄膜的制备方法，属半导体薄膜材料领域。采用以下步骤实施A)30℃～500℃在衬底上生长一层200～500nm的Ge填埋层；B)30℃～500℃在上述Ge填埋层上生长非晶Si层；C)在真空度为1×10-2～9×10-2帕下，将上述具有Ge填埋层的非晶Si薄膜密封于石英玻璃管内；将上述石英玻璃管置于马弗炉内在600℃下退火至少2小时，即可获得多晶Si薄膜。在低温度下制备多晶Si薄膜，工艺简单，是一种实用于大规模工业生产的多晶Si薄膜材料的晶化方法。
文档编号C23C14/58GK102605337SQ20121010523
公开日2012年7月25日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者孙启利, 康昆勇, 李明, 杨培志, 申兰先, 邓书康, 郝瑞亭 申请人:云南师范大学