МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 5, с. 323-330
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 621.382
ПОЛУЧЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ ПУТЕМ ОБРАБОТКИ ВОДОРОДОМ И ОТЖИГА ПРИ НИЗКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ICPCVD
© 2013 г. А. Ж. Лета, К. Л. Лин, В. К. Иен, Х. Л. Хван
Департамент электротехники и Институт электроники, Национальный университет Синьхуа, Хсинчу 300, Тайвань E-mail: phys@niic.nsc.ru
Исследовательский институт микро/нано науки и технологии, Университет Дзяо Тун, Шанхай 200240, КНР
E-mail: ajletha@hotmail.com, hlhwang@sjtu.edu.cn Поступила в редакцию 24.01.2013 г.
Тонкие пленки поликристаллического кремния (поли-Si) со столбчатой структурой были получены методом, состоящим из послойного нанесения с последующей обработкой водородом и отжигом при 375°С в процессе плазмохимического осаждения с источником низкочастотной индуктивно-связанной плазмы (ICPCVD).
DOI: 10.7868/S0544126913050050
Моносилан на 50% разбавленный водородом и мощность ВЧ 800 Вт были использованы для получения пленок поликремния. Кристаллические и структурные свойства пленок гидрогенизиро-ванного кремния ^ : Щ изучались с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния, рентгеновской дифракции и сканирующей электронной микроскопии. Структурные свойства и размеры зерен пленок Si : H были улучшены после каждого шага, который состоял из осаждения слоя с последующей обработкой водородом и отжигом. Оптимальное качество тонких пленок поликремния было получено после третьего шага. В конце третьего шага наблюдалось резкое улучшение качества пленок Si: H из микрокристаллического в поликристаллическое. Сканирующая электронная микроскопия и спектроскопия комбинационного рассеяния показали, что микрокристаллические пленки кремния с размером зерен в несколько десятков нанометров и имеющие кристаллическую объемную долю около 72%, которые были получены в едином процессе осаждения слоя и без всякой обработки водородом и без отжига, изменились на пленки поликристаллического кремния со столбчатой структурой с размером зерен в несколько сотен нанометров и кристаллической объемной долей около 83% после оптимизации. Скорость осаждения также была значительно выше (3.04 нм/с) для трехслойных структур, чем для однослойных (1.42 нм/с) без обработки водородом и отжига.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкие пленки поликристаллического кремния, выращенные при низкой температуре являются наиболее перспективными для широкого круга электронных устройств большой площади, таких как солнечные батареи, датчики изображения, плоские дисплеи и тонкопленочные транзисторы, в связи с низкой стоимостью производства, высокой стабильностью и повышенной подвижностью носителей по сравнению с пленками а^. Общим подходом к получению поликремния является твердофазная кристаллизация аморфного кремния при очень высокой температуре и не подходит для использования со стеклянными подложками [1, 2]. Метод получения поликремния перекристаллизацией лазерным отжигом аморфного кремния, полученного нанесением из паровой фазы (CVD), может снизить температуру кристалли-зации[3, 4], но основными недостатками при этом будут малые размеры зерна и высокая неоднородность материала. К тому же, такие проблемы, как низкая скорость осаждения, повреждение нанесенных пленок радикалами и ионами, и малая кристалличность на начальных стадиях роста пленки должны быть рассмотрены в этом подходе. Таким образом, для использования в электронных приборах, очень желательно разработать простой процесс получения тонких пленок поликремния приборного качества на подложках низкой стоимости с высокими скоростями роста. Считается, что добавление водорода играет важную роль в определении качества пленок поликремния. Мы изучали влияние добавления водо-
рода на кристалличность пленок кремния, полученных методом плазмохимического осаждения с источником низкочастотной индуктивно-связанной плазмы (ХСРСУБ) при очень низкой температуре 150°С путем измерения спектров рентгеновской дифракции [5]. Результаты убедительно показали, что влияние эффекта добавления водорода на кристалличность пленок 81, выращенных методом ГСРСУи, отличаются от влияния добавления водорода на кристалличность пленок 81, выращенных обычным методам Мы прове-
ли обработку водородом и отжиг, чтобы повысить кристалличность и размер зерен тонких пленок поликремния. Благотворное влияние обработки водородом в кремнии изучали многие исследователи [6—9] и признали его в качестве ключевого процесса для пассивации дефектов слоев поликристаллического кремния для улучшения эффективности солнечных элементов [10, 11]. В нашем методе, обработка водородом и отжиг позволили не только получить пассивацию дефектов, но и улучшить качество пленок 81 из микрокристаллического в поликристаллическое состояние.
ЭКСПЕРИМЕНТ
Мы наносили слои кремния на подложки кремния, покрытые 8Ю2 при температуре подложки 375°С с помощью ГСРСУи. Потребляемая мощность источника ВЧ 13.56 МГц составляла 800 Вт. Плазма создавалась в цилиндрической вакуумной камере из нержавеющей стали. Индуктивно-связанное азимутальное электрическое поле, создаваемое медной спиралью, закрепле-ной на поверхности диэлектрической кварцевой пластинки на вакуумной камере генерировало плазму равномерно по большой площади подложки. Турбо молекулярный насос с двухступенчатым центробежным насосом откачивали камеру до давления 1 х 10-5 торр. Смесь 81Н4 и Н2 была использована в качестве технологического газа и Аг при 100 см3/мин был использован в качестве газа-носителя. Использованная степень разбавления водородом (Н2/Н2 + 81Н4) была равна 50% при давлении газа 50 мторр. Обработку водородом и отжиг проводили следующим образом в этом исследовании. Обработка водородом образцов проводились в течение 10 мин в той же камере 1СРС\0 при мощности ВЧ 500 Вт, с использованием газов Н2 и Аг при скорости потока 200 см3/мин и 50 см3/мин соответственно. Все остальные параметры такие же, как в процессе осаждения. Сразу же после обработки водородом потоки Н2 и Аг были остановлены, и образец отжигали в течение 1 ч в той же камере при температуре подложки 375°С.
Для того чтобы получить представление о влиянии обработки водородом и процесса отжига на
повышение качества пленок Si, образцы тонких пленок Si были приготовлены различными методами. Образец-1 был приготовлен путем нанесения слоя Si в течение 600 с без обработки водородной плазмой и без отжига. Этот образец с одним осажденным слоем был назван монослой-1. Образец-2 был также получен путем нанесения одного слоя Si в течение 600 с. Тем не менее, этот образец был обработан водородом с последующим отжигом при 375°С. Этот образец был назван монослой-2. Следующий двухстадийный процесс был использован для приготовления об-разца-3. После нанесения тонкого слоя Si в течение 30 с, этот слой был обработан водородом и отожжен для улучшения структурных свойств пленки. Этот тонкий слой выступал в качестве зародышевого слоя для роста слоя кремния, нанесенного на него. Мы наносили кремний поверх зародышевого слоя в течение 600 с, а затем нанесенный слой кремния обрабатывали водородом и отжигали. Этот образец ,приготовленный в двух-стадийном процессе, назван двухслойным. Для дальнейших экспериментов, мы увеличили время осаждения зародышевого слоя от 30 до 120 с, с тем, чтобы получить более толстый слой высококристаллического кремния с большим размером зерна, что способствует росту пленки без образования переходного аморфного слоя. Далее образцы были приготовлены в две стадии, сначала с помощью осаждения в течение 200 с, а затем с осаждением в течение 400 с, сохраняя общее время осаждения, 600 с. Образец-4 был получен в три этапа процесса осаждения Si, в которых наносился слой за слоем в течение 120, 200 и 400 с соответственно, с обработкой водородом и отжигом после нанесения каждого слоя. Этот образец, полученный в три этапа, называется трехслойный. Образец-5 был получен в четыре этапа процесса осаждения и называется четырехслойным. В этом случае, время осаждения в первый, второй, третий, и четвертый этап было 120, 200, 200 и 200 с соответственно и обработка водородом и отжиг проводились после нанесения каждого слоя. Сканирующий электронный микроскоп (SEM) был использован для исследования морфологии поверхностей и поперечных сколов образцов пленок Si, полученных различными методами осаждения описанными выше. Кристаллическая структура пленок Si была проанализирована методом РФА, а доля кристаллической фазы в пленках Si была рассчитана из спектров комбинационного рассеяния.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Изображения в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) образцов монослоев Si приведены на рис. 1а, 1б а многослойных образцов Si,
Рис. 1. Изображения в сканирующем электронном микроскопе поверхности образцов монослой-1 (а), монослой-2 (б), двухслойный (в), трехслойный (500 нм) (г), трехслойный (5 мкм) (д) и четырехслойный (е), выращенных на подложках кремния, покрытых 8Ю2.
полученных различными методами осаждения, описанными выше, показаны на рис. 1в—1е. Структурные и морфологические свойства многослойных пленок были сравнены со свойствами однослойной пленки, которая была приготовлена без какой-либо обработки водородом и без отжига. Размер зерен (рис. 1б) пленки Si (монослой-2), полученной в одностадийном процессе с обработкой водородом и отжигом был немного больше, чем у пленки Si,полученной в одностадийном процессе (монослой-1) без обработки водородом и отжига (рис. 1а). Это показывает, что обработка водородом и отжиг улучшают качество пленки Si. Благодаря введению зародышевого слоя в двухслойном образце, качество пленки кремния, нанесенной в два этапа (двухслойной) стало лучше, чем в образцах монослой-1 и монослой-2, что видно из изображений в сканирующем микроскопе (рис. 1а—1в). В случае трехслойного образца (рис. 1г), полученного в трехстадийном процессе осаждения, морфология пленки была значительно улучшена по сравнению с однослойной-1
(рис. 1а) или двухслойной (рис. 1в) пленками. Максимальный размер зерна, полученного в образце монослой-1, был всего около 30 нм (рис. 1а), в то время как в трехслойных плен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.