铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜

摘要：多晶硅薄膜在微电子和能源科学领域有着广泛的应用。本文介绍了利用铝诱导晶化非晶硅制备多晶硅薄膜的方法，叙述了铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜的一般过程，着重讨论了铝诱导晶化非晶硅的机理和在制备过程中各种参数对多晶硅薄膜质量的影响。

关键词：铝诱导晶化；多晶硅薄膜；晶化机理

中图分类号：TN 304.055文献标识码：A

Fabricating Polycrystalline Silicon Thin Films by

Aluminum Induced Crystallization

LIU wei, GAO fei, FANG Xiao-ling, WANG Jian-jun, ZHANG Jia-wen,YAN Chun-yu

(College of Physics and Information Technology, Shanxi Normal University,

Shanxi Xi'an 710062, China)

Abstract: Polycrystalline silicon (poly-Si) thin films are wildly used in microelectronics and energy sources field. This article introduced the method of fabricating poly-Si thin films by aluminum-induced crystallization(AIC)of amorphous silicon, and described the general process of fabricating poly-Si thin films. The mechanism of AIC and the influence of various parameters on the quality of poly-Si thin films were mainly discussed.

Keywords: aluminum-induced crystallization；poly-Si thin films；crystallization mechanism

1引言

多晶硅(poly-Si)薄膜具有较高的载流子迁移率和光吸收率及稳定的光电性能，因而被广泛地应用于太阳能电池、薄膜晶体管(TFT)、液晶显示器(LCD)和图象传感器等领域[1-3]。目前制备多晶硅薄膜的方法主要有：化学汽相沉积法(CVD)、固相晶化法(SPC)、激光晶化法(LC)和金属(铝, 镍等)诱导晶化法等[4-6]。化学汽相沉积法需要在较高的温度下才能获得多晶硅薄膜；固相晶化法虽然工艺设备简单，但需要的时间长，热处理温度高，对基板材料的选择限制较大；激光诱导晶化法速度快但设备复杂，制造成本较高。铝诱导晶化(aluminum-induced crystalli－zation，AIC)法是一种低温制备多晶硅薄膜的方法，它是在非晶硅(a-Si)薄膜的上面镀上一层Al膜，或者在镀有Al膜的基片上沉积一层非晶硅薄膜，然后将样品退火处理来形成多晶硅薄膜的技术。在用AIC法制备多晶硅薄膜的过程中，非晶硅与Al的接触，提高了Al、Si原子的扩散速率，降低了晶化温度，缩短了晶化时间。AIC法不仅可以使用廉价的玻璃作为衬底，而且制得的多晶硅薄膜晶粒尺寸大，均匀性好。近年来，关于铝诱导晶化方面的研究比较多，如Min Zou[7]等人先利用等离子加强化学汽相沉积法(PECVD)在玻璃上制备出a-Si薄膜，然后利用AIC法制得晶粒为93μm的多晶硅薄膜，陈一匡[8]等人则通过外加电场的方法加速Al、Si原子的相互扩散，在更低的退火温度和更短的退火时间内实现了非晶硅薄膜向多晶硅薄膜的转变，从而改进了铝诱导晶化非晶硅薄膜的工艺条件。

2铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜的一般过程

铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜通常包括以下步骤(以a-Si/Al/glass结构为例)：

(1)衬底处理：在用铝诱导晶化法制备多晶硅薄膜时多用玻璃作为衬底，玻璃衬底要经过丙酮和乙醇超声清洗；

(2)Al膜的沉积：用高纯铝沉积Al膜，常用的Al膜沉积方法有磁控溅射法和热蒸发法；

(3)Al膜的氧化：通常是沉积完Al膜之后，将样品露置在空气中一段时间，这样在样品的表面就形成一层氧化层；

(4)a-Si膜的沉积：a-Si膜的质量直接影响结晶后的多晶硅膜的质量，所以沉积的a-Si层必须均匀无杂质，目前用PECVD技术沉积的a-Si薄膜质量较好，用得也较多；

(5)退火处理：样品制备完以后在特定的气氛(通常是氮气)中退火处理，在适当的温度(300℃~500℃)下退火一定的时间(0.5h~5h)之后就可以得到poly-Si薄膜；

3铝诱导晶化法的机理

铝诱导晶化(a-Si/Al/glass结构)非晶硅过程如图1所示。随着退火温度的升高，Al原子和Si原子开始互扩散，部分Si-Si键转化为Al-Si键，在界面附近形成硅铝混合物，即Si-Si键由饱和键向非饱和键转变，这样就减弱了Si-Si键的键强[9]，有利于Al原子和Si原子的进一步扩散。当Si在Al中的浓度超过临界浓度Cs[10]时，Si开始结晶，晶粒周围一定区域内的Si原子被消耗掉，形成耗尽区[11]，图1-(b)和1-(c)所示的铝层中Si晶粒周围的白色区域。由于浓度差，上层的Si原子会扩散到耗尽区，使晶粒进一步长大，如图1-(c)。开始时，Si晶粒在Al中沿着各个方向生长，当达到上下交界面时，Si晶粒的纵向生长受到了限制，便沿着横向继续生长，一直生长到与其它晶粒汇合[12]。由于Al在结晶硅中的溶解度极低，Al原子被不断长大的Si晶粒排挤到a-Si层中[13]，如图1-(d)，通过精确控制初始Al膜的厚度并通过优化相关的固相晶化实验条件，可以使得Al最后在顶层全部析出，就可以得到连续的多晶硅薄膜，如图1-(e)

通过以上过程，Al原子扩散到上层，大部分的Si原子则扩散到下层形成多晶硅薄膜，Al层和Si层交换了位置，Oliver Nast[14]等人称此过程为铝诱导层交换(aluminum-induced layer-exchange)过程。从能量的角度看，多晶硅的自由能比非晶硅小，因此层交换过程是不可逆的，生成的多晶硅薄膜是稳定的。

4影响铝诱导晶化的因素

大量的研究表明，影响铝诱导晶化的因素很多，主要有退火温度、退火时间、Si层和Al层厚度比、Si层和Al层之间的界面状况(如氧化层)、衬底的影响等[15]。

4.1退火温度的影响

多晶硅薄膜的生长速率主要由Si原子向Al层中的扩散速率决定，扩散速率越快，则多晶硅的生长速率越快。实验证明，在低温(300℃以下)时，通过铝诱导法制得的薄膜，结晶程度较低，随着温度的升高，结晶程度越来越高，这是因为升高温度加快了Al、Si之间相互扩散的速率，Si在Al层中的浓度很快超过了晶化的临界浓度Cs，同时也增大了Si原子的能量，加快了Si在Al中的扩散，使得Si原子在Al层中很快结晶，缩短了晶化时间。

但是温度太高也不好，温度越高，生长的晶粒越小。这是因为温度越高，成核速率越快，当成核速率大于晶粒的生长速率时，就抑制了晶粒的长大，所以要制得大晶粒的多晶硅薄膜，温度必须控制在一定的范围内，通常退火温度在300℃~500℃范围内比较好。值得一提的是，在这个温度范围内，可用普通玻璃作为衬底来制备多晶硅薄膜。

4.2退火时间的影响

铝诱导晶化法的一个显著特点就是退火时间短，通常几小时甚至几十分钟就可以达到完全晶化。据J.Schneider[16]报道，Al/a-Si结构的样品(Al层厚300nm,a-Si层厚375nm),在500℃的条件下退火，30min后样品就完全晶化了。在特定的温度下，退火时间越长，样品晶化得越充分，这一点类似于固相晶化法，但是固相晶化法的时间太长（通常需要48h以上），工业生产上不可取。在铝诱导法制备多晶硅薄膜的过程中，适当的延长退火时间可以获得大晶粒越多的多晶硅薄膜。当然，退火时间还受退火温度的影响，退火温度越高，退火时间越短，反之越长，如图2所示，当退火温度为500℃时，30min后样品已经完全晶化了，当退火温度为460℃时，退火120min后样品样品尚未完全晶化。

4.3 Al、a-Si层的厚度比的影响

在铝诱导层交换过程中，a-Si是在Al层中结晶的，所以Al层的厚度就是多晶硅薄膜的厚度。当a-Si层厚度小于Al层厚度时，由于Si原子的数量不足，不能填满Al层所有的空间，因此不能形成连续的poly-Si薄膜，而是形成孤立的晶粒或者是不连续的块状区域。为了得到连续的多晶硅层，a-Si层的厚度必须大于或等于Al层的厚度[17]，这样才能保证有足够的Si原子扩散到Al层发生结晶。但是如果a-Si层太厚也不行，因为这样获得的多晶硅薄膜的表面附着有剩余的a-Si，在多晶硅薄膜的表面形成a-Si硅岛或硅网[18]，因此，当Al层和a-Si层的厚度相同时，获得的多晶硅薄膜质量最好。另外，Al层的厚度对晶向也有影响，Al层越厚，薄膜晶粒的取向越好[19]。

4.4Al、Si层之间的氧化层的影响

据W.Cai[20]报道，若在Al层和Si层之间存在一层致密的氧化层，则会阻碍Al原子和Si原子的相互扩散，达不到铝诱导晶化的效果。但是更多的实验则表明Al、Si之间的氧化层的存在是必要的，氧化层影响着硅的成核速率、成核密度和晶粒尺寸。氧化层越厚，Al、Si原子的相互扩散越困难，Si在Al中的浓度越小，硅的成核密度越小，这样，扩散到Al层中的Si原子主要是用来生长晶粒而不是形成晶核，因此生长的晶粒较大；反之，当氧化层较薄时，Al、Si原子的相互扩散速率较快，成核密度大，生成的晶粒小。因此要想获得大晶粒、高质量的多晶硅薄膜，Al层、Si层之间的氧化层是很必要的，而且不能太薄。

4.5衬底的影响

衬底的熔点、热膨胀系数、导电性、表面形貌、以及与硅材料的晶格匹配都对多晶硅薄膜有很大影响。越接近于硅的, 相对来说结晶越容易；反之,结晶越难。李红菊[21]等人通过试验发现单晶硅衬底上沉积的硅薄膜最易晶化, 其次是玻璃衬底，再其次是未织构的氧化锌掺铝覆盖的普通玻璃衬底。

当然，上面列举的只是几个主要的影响因素，其它因素如Al膜的质量，a-Si膜的质量，退火气氛等等，对非晶硅的晶化都会有影响，而且每种影响因素都不是孤立的，各种因素之间还会相互影响。

5结束语

与传统的制备多晶硅薄膜的方法相比，铝诱导晶化法降低了退火温度，缩短了退火时间，能制备出大晶粒、高质量的多晶硅薄膜。当然通过这种方法制备的多晶硅薄膜引入了Al原子，铝诱导后的多晶硅薄膜是P型半导体，里面掺杂了Al，掺杂的浓度与退火温度成正比例关系[22]，这在一定程度上破坏了薄膜的电学性能[23]，目前这一问题还没有彻底解决，所以铝诱导制备多晶硅薄膜的方法的工艺还有待提高。即便如此，从制备太阳能电池的角度考虑，该技术也是一种很好的制备多晶硅薄膜的方法，因为析出的铝可以作为电池背面的反射膜和导电膜，简化了多晶硅薄膜太阳电池的制造工艺[24]；另一方面，由于利用铝诱导法制备的多晶硅薄膜具有良好的（100）面的择优取向，所以可用来作为籽晶层外延生长高质量的多晶硅薄膜。因此，铝诱导法是一种很有应用前景的制备多晶硅薄膜的方法。

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作者简介：刘伟(1980-)，男，河南信阳人，陕西师范大学物理学与信息技术学院硕士在读，主要从事功能薄膜材料的制备和研究，E-mail：liuwei3721@stu.snnu.省略。