铝诱导非晶硅晶化的动力学机理和热力学机理研究

发布时间：2020-02-12 19:42

【摘要】：为了降低非晶硅薄膜光致衰退效应(S-W)和拓宽光谱吸收范围,目前普遍采用非晶硅薄膜退火晶化的方法,制备性能优越、用途广泛的多晶硅、微晶硅及纳米硅薄膜材料。直接退火往往需要高温和较长的时间。利用金属诱导晶化,能够有效降低晶化温度,提高晶化效率。Al是一种成本低、制备方法简单的金属材料,它不仅诱导晶化效果好,且可以作为硅基薄膜材料的P型掺杂,是理想的诱导晶化金属。在廉价的衬底上通过金属铝诱导制备晶态硅基薄膜,可实现低温、快速、低掺杂的目的。本文根据薄膜生长的热力学机理和动力学机理,对铝诱导非晶硅晶化过程先提出理论假设,再进行实验验证。采用三靶磁控溅射镀膜系统,在单晶硅及普通玻璃衬底上制备非晶硅薄膜和铝薄膜,利用快速光热退火炉进行退火处理;结合理论假设研究铝诱导非晶硅的晶化机理,探讨其低温快速生长的动力学过程及生长机理;根据成核生长理论,研究表面能、界面能和激活能等对诱导晶化的作用,阐明晶态硅形成的热力学驱动力和动力学机理。重点研究优质晶硅薄膜的低温生长技术。同时对降低金属铝引入及多余铝的消除进行探究。本文主要完成了以下几方面的研究工作:1、非晶硅薄膜和铝膜的制备。采用磁控溅射系统,制备非晶硅薄膜及铝膜,利用台阶仪测定其膜厚并观测均匀性,计算出沉积速率;通过快速光热退火,优化退火工艺。结果表明:射频功率为100W时制备的非晶硅薄膜结构均匀,沉积速率快;双脉冲功率为70W时可制备优质铝膜。2、根据薄膜生长的动力学理论,阐释铝诱导非晶硅晶化的动力学过程,提出铝膜热处理改善退火晶化效果的思路。利用衬底加温与常温,铝膜热处理等实验方式,对制备的Al膜和Si(400)/Al/a-Si结构的复合膜,于N2气氛中不同温度下退火。结果验证了铝诱导非晶硅晶化的四个动力学过程,同时确认了铝膜在晶化过程中所起的关键作用。通过铝膜热处理工艺参数的优化,有效地增强了诱导晶化效果。3、根据薄膜生长的热力学理论,重点研究了铝诱导非晶硅晶化中的两个过程:Si的扩散和Si的形核长大。通过Al膜的自然氧化,制备中间氧化层,探究Si的扩散规律;结合前期研究结果,探究低温快速退火晶化工艺。结果表明:铝诱导非晶硅晶化中引入中间氧化层,能够提高晶化效果,获得晶粒较大且结构均匀的晶化薄膜。低温下,温度对Si的扩散起决定作用,过厚的氧化层会阻碍Si的扩散,使其浓度不能达到临界形核浓度,从而不能形核结晶。较大的Al晶粒及Al对Si晶粒的“润湿”能够低温下诱导形核。4、根据晶化过程中Al扩散规律,利用标准铝腐蚀液腐蚀和双层Al薄膜结构,探究多余铝的消除和减少铝用量的工艺。结果表明:Al层较薄,退火晶化效果较差,不能实现有效晶化,增加Al层厚度,能有效的提高晶化效果。使用标准Al腐蚀液可有效去除扩散到表面的Al。使用双层Al膜结构,在短时间内退火,实现了较好的晶化。在相同条件下退火,若使用双层Al膜结构,则可减少Al的用量。
【图文】：

示意图,硅原子,振幅,示意图

Si 原子周围原子数将多于 4 个，，从而减少 Si-Si 键的共不稳定，变成非饱和价键，金属键的加入，很大程度上同时金属原子的高浓度和高迁移率，使得电子的迁移率明应结晶所需能量[10]。在一定温度下，金属-硅键开始断裂个低能态，金属-硅键断裂后的硅原子由于成核驱动力的硅原子重新组合，形成稳定的结晶键，最终形成稳定的晶法，是通过金属层与非晶硅层相接触，在一定气氛下，进导退火温度往往低于直接退火温度。利用金属诱导可达到非晶硅晶化制备微晶硅、多晶硅及纳米晶硅。目前，可用，如金属 Al、Ag、Au、Ti、Mo 和 Cr 等[12]，但往往需要引入污染等一系列问题，且不同的金属诱导效果略有不同AIC）效果较好，且兼顾制备简单、成本低廉的优点。通一定都要形成金属硅化物，这些金属趋向于在较低温度下体、亚稳态的硅化物[14]。

模型图,倒金字塔,模型,厚度比

图 1.3 倒金字塔模型heng Chang Peng 等[26]利用数学模型，阐述了铝膜厚度艺的影响，为 AIC 的理论研究提出了新的思路；同年气相沉积，在超白玻璃上制备了大晶粒的多晶硅薄膜火，制备出晶粒尺寸最大为 400μm 的不连续的多晶硅正霞[28]等对铝诱导过程中硅铝厚度比进行了优化，他溅射，探究不同的硅铝厚度比及中间 AI2O3和 SiO2层最终发现铝硅厚度比从 5:4 到 5:1 时更易实现晶化，而变差；日本 Noritaka Usami[29]的团队利用原位生长观非晶硅晶化的过程，得出对铝硅界面的控制是实现其晶ude Liu[30]利用毫米电磁波退火制备高质量半导体级的IC 的退火工艺及薄膜的用途。
【学位授予单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2

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